Các thể đột biến của lac operon: các gene cấu trúc, operator, gene điều hoà và promoter ppt

Các thể đột biến của lac operon: các
gene cấu trúc, operator, gene điều
hoà và promoter

1. Các đột biến ở các promoter và operator
Nói chung, các đột biến ở các vùng kiểm soát, chẳng hạn các promoter và
operator, thường chỉ ảnh hưởng lên DNA mà chúng khu trú; các đột biến này
không tác động lên các vùng định khu trên các phân tử DNA khác (khi nòi vi
khuẩn xét đến là thể lưỡng bội một phần, merodiploid). Chúng được gọi là
các thể đột biến trội cis.
Dưới đây ta hãy xem xét một vài tình huống liên quan.
+ Ví dụ 1: Một nòi vi khuẩn có kiểu gene là operon P
-
X
+
Y
+
Z
+
(P =
promoter; X, Y, Z = các gene cấu trúc; dấu "-" chỉ đột biến và dấu "+" chỉ
chức năng bình thường). Do promoter bị sai hỏng nên RNA polymerase
không thể bám vào, vì vậy operon luôn luôn đóng - không tạo ra mRNA.
+ Ví dụ 2: Một nòi vi khuẩn có kiểu gene P
+
O
-
X
+
Y
+

Z
+
(O
-
hay O
c
= đột
biến cơ định operator). Vì operator bị sai hỏng nên chất ức chế dù bình
thường cũng không thể nhân biết và bám vào, vì vậy sự điều hoà sẽ không
xảy ra. Operon sẽ luôn luôn ở trạng thái mở (hoạt động).
2. Các đột biến ở các yếu tố ức chế
Các phân tử ức chế như đã biết có thể tương tác với tất cả các phân tử DNA
trong một tế bào, không có dính dáng tới DNA mà từ đó chúng được sinh ra.
Nghĩa là các đột biến tại gene điều hoà có thể cài hiệu quả của chúng lên tất
cả các DNA trong tế bào; đó là các thể đột biến trans.
+ Ví dụ 3: Xét hai nòi vi khuẩn có các operon sau đây:
(1) R
-
P
+
O
+
X
+
Y
+
Z
+

(2) R

+
P
-
O
+
X
+
Y
+
Z
+
/ R
-
P
+
O
-
X
+
Y
+
Z
+

trong đó R
-
là gene điều hoà bị đột biến. Ta thấy rằng ở nòi 1, tế bào tạo ra
chất ức chế không hoạt động chức năng và nó sẽ chẳng bao giờ bám được
operator. Vì vậy operon sẽ luôn luôn ở trạng thái mở. Ở nòi 2 (lưỡng bội một
phần), ta hãy xét riêng từng DNA rồi sau đó xét gộp chung với nhau. Operon

"trên" (trước) sẽ không bao giờ tạo ra RNA bởi vì promoter bị sai hỏng. DNA
"dưới" (sau) lúc nào cũng tạo ra RNA vì chất ức chế bị sai hỏng. Xét chung
cho thấy DNA "trên" có thể tạo ra chất ức chế bình thường có thể bám vào cả
hai operator. Vì vậy, nòi vi khuẩn này có operon được điều hoà.
+ Ví dụ 4: Bây giờ ta thử xét kiểu hình của các tế bào lưỡng bội (một phần)
đối với gene lacI qua tình huống sau. Một nòi E. coli mà lac I được tiếp hợp
với các tế bào E. coli mang một plasmid F' với đoạn DNA gồm PI lacI DNA
trên episome. Sự biểu hiện của lacZ sẽ được điều hoà như thế nào trong các
tế bào lưỡng bội và dị hợp tử về gene lacI (lac I trên episome và lacI trên
nhiễm sắc thể vi khuẩn)? Giải thích.

Rõ ràng là các tế bào này xảy ra kiểu điều hoà bình thường về sự chuyển hoá
lactose. Vì gene lacI
+
trên episome F' là trội so với lacI
-
trên nhiễm sắc thể vi
khuẩn. Bạn có thể tự giải thích cơ chế điều hoà này?
3. Các đột biến xảy ra trong các gene cấu trúc
Nếu như các tổn thương xảy ra trong các gene cấu trúc thì chúng chỉ ảnh
hưởng lên DNA bị đột biến mà thôi.
+Ví dụ 5: Xét ba nòi vi khuẩn có các operon sau đây, với giả thiết các gene Z
và Y cần cho quá trình phân giải đường lactose.
(1) P
+
O
+
Z
-
Y

+

(2) P
+
O
+
Z
-
Y
+
/ P
+
O
+
Z
+
Y
-

(3) I
+
O
+
Z
+
/ I
+
O
-
Z

-

Ta thấy rằng nòi 1 không thể tổng hợp được β-galactoside có chức năng bình
thường; dù môi trường có lactose chúng cũng không thể hấp thụ và phân giải
(kiểu hình đột biến). Nòi 2 có sự bổ sung bù trừ về sản phẩm của các gene Z
+

và Y
+
của hai DNA, nên lac operon ở tế bào này được điều hoà, nghĩa là chỉ
hoạt động khi môi trường có lactose và ngưng hoạt động khi môi trường vắng
mặt lactose. Ở nòi 3, operon được điều hoà.
+ Ví dụ 6: Một nòi E. coli là F lacZ met bio được hỗn hợp với nòi E. coli là
lacZ met bio và mang một episome với trình tự DNA Plac O lacZ trên
episome, và được nuôi cấy trong vài giờ. Sau đó các tế bào này được tách ra,
rửa sạch và cấy sang môi trường tối thiểu có chứa lactose như là nguồn
đường duy nhất. Một số tế bào sinh trưởng được trên môi trường tối thiểu có
lactose và hình thành các khuẩn lạc. Bằng cách nào một số tế bào đó trở
thành lacZ met bio?
Rõ ràng đây là kết quả của một kiểu tiếp hợp đặc biệt, gọi là chuyển nạp
(sexduction), tức là quá trình mà trong đó các mẩu DNA tự trị được mang
vào một vi khuẩn F
-
bởi một DNA thuộc nhân tố F, và đã xảy ra sự tái tổ hợp
ở vị trí lacZ (xem chương 5).
+ Ví dụ 7: Bạn sẽ mô tả cơ chế điều hoà sự chuyển hoá lactose như thế nào
trong các tế bào vừa được mô tả ở trên (ví dụ 6) khi chúng mọc được trên
môi trường tối thiểu có lactose như là nguồn dinh dưỡng? Thực chất là ta
đang xét sự điều hoà của gene lacZ trên một episome F' dựa trên sơ đồ sau
đây:

Ở đây, các tế bào này xảy ra kiểu điều hoà bình thường về chuyển hoá
lactose. Trình tự DNA gồm Plac O
+
lacZ
+
trên episome được điều hoà bằng
chất ức chế (repressor) và protein hoạt hoá dị hoá (CAP hay CRP; xem mục
V bên dưới) được mã hoá trên nhiễm sắc thể vi khuẩn.