I. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN

- Điều hòa hoạt động gen tức là điều hòa lượng sản phẩm của gen đó.

- Sự hoạt động khác nhau của các gen trong hệ gen là do quá trình điều hòa.

II. ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG CỦA GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ

- Trong tế bào có rất nhiều gen, ở mỗi thời điểm chỉ có một số gen hoạt động, phần lớn các gen còn lại ở trạng thái ức chế, tức là tế bào chỉ tổng hợp prôtêin khi cần thiết.

Ví dụ: gen quy định việc tạo ra kháng thể chống một loại bệnh nào đó chỉ hoạt động khi trong cơ thể xuất hiện mầm bệnh đó, còn phần lớn thời gian còn lại gen tồn tại ở trạng thái bị ức chế - không hoạt động.

1. Mô hình cấu trúc của Opêron Lac theo Jacôp và Mônô

- Một hệ thống gồm nhiều gen cấu trúc có liên quan về chức năng cùng phối hợp hoạt động điều hòa tổng hợp prôtêin gọi là Opêron. Một Opêron gồm:

+ Z, Y, A: cụm các gen cấu trúc: kiểm soát các pôlipeptit có liên quan về chức năng.

+ O: gen chỉ huy chi phối hoạt động của cụm gen cấu trúc.

+ P: vùng khởi động (nơi ARN – pôlimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã).

+ R: gen điều hòa kiểm soát tổng hợp prôtêin ức chế (R không phải là thành phần của Opêron).

2. Sự điều hòa hoạt động của Opêron Lac (ở E.coli)

Vi khuẩn E.coli mẫn cảm với đường lactôzơ, do đó, khi sống trong môi trường có đường lactôzơ, E.coli sẽ tiết ra enzim lactaza để phân giải đường lactôzơ.

a) Khi môi trường không có lactôzơ

- Bình thường, gen điều hòa (R) tổng hợp một loại prôtêin ức chế gắn vào gen chỉ huy (O), do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị ức chế nên không hoạt động. Z, Y, A sẽ không thực hiện được phiên mã và dịch mã. Vì vậy, sản phẩm của cụm gen là lactaza không được tạo thành.

b) Khi môi trường có lactôzơ

- Lactôzơ đóng vai trò là chất cảm ứng. Chất cảm ứng sẽ liên kết với prôtêin ức chế làm prôtêin ức chế thay đổi cấu hình không gian và trở nên bất hoạt (không hoạt động). Prôtêin ức chế không thể bám vào gen chỉ huy O, gen chỉ huy hoạt động bình thường điều khiển Z, Y, A thực hiện phiên mã và dịch mã tổng hợp nên sản phẩm của cụm gen là lactaza.

- Lactaza được tiết ra sẽ làm nhiệm vụ phân giải lactôzơ trong môi trường. 

3. Các cấp độ điều hòa hoạt động gen

- Điều hòa trước phiên mã: là điều hòa số lượng gen quy định tính trạng nào đó trong tế bào.

- Điều hòa phiên mã: là điều hòa việc tạo ra số lượng mARN (ví dụ: điều hòa hoạt động của cụm gen Z, Y, A trong Opêron Lac).

- Điều hòa dịch mã: là điều hòa lượng prôtêin được tạo ra bằng cách điều khiển thời gian tồn tại của mARN, thời gian dịch mã hoặc số lượng ribôxôm tham gia dịch mã.

- Điều hòa sau dịch mã: là điều hòa chức năng của prôtêin sau khi đã dịch mã hoặc loại bỏ prôtêin chưa cần thiết (ví dụ: điều hòa hoạt động gen R trong mô hình điều hòa Opêron Lac).