SINH HỌC 11 · Hệ thống điều hoà biểu hiện gene: operon Lac, dịch mã và vector
Đặc huấn hệ thống khái niệm Sinh học 11: operon Lac và hai công tắc điều hoà, cis và trans, chẩn đoán chủng đột biến bằng lưỡng bội từng phần, polyribosome…
THPT AI LUKATO · SINH HỌC 11 · ĐẶC HUẤN HỆ THỐNG KHÁI NIỆM
Hệ thống điều hoà biểu hiện gene: operon Lac, dịch mã và vector
Công tắc phiên mã của operon Lac và cách chẩn đoán mọi chủng đột biến; đồng hồ của ribosome khi dịch mã bị chặn; vector mang gene báo cáo; thuốc chặn polymerase của virus RNA âm.
10 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 5 CÔNG CỤ LUKATO 9 DẠNG BÀI 2 CA MẪU 8 BÀI LUYỆN 3 BẬC MỌI BẢNG ĐÃ LIỆT KÊ BẰNG MÁY
01 Bản đồ 02 Khái niệm 03 Công cụ 04 Dạng bài 05 Ca mẫu 06 Biến thể 07 Phòng luyện 08 Bẫy 09 Tổng kết 10 Tự kiểm tra
01 · TOÀN CẢNH
Bản đồ tư duy
Cả đơn vị trả lời một câu hỏi: tế bào quyết định làm ra bao nhiêu sản phẩm của một gene, vào lúc nào, bằng cơ chế gì . Nhánh trái là cửa thứ nhất, phiên mã, với mô hình operon Lac. Nhánh giữa là cửa thứ hai, dịch mã, nơi thời gian chạy của ribosome quyết định mọi phép tính. Nhánh phải là cách con người đo và can thiệp: vector plasmid mang gene báo cáo, và thuốc chặn polymerase của virus RNA âm.
Vì sao đơn vị này quyết định điểm ở mức chuyên
- Bảng chủng vi khuẩn phân loại học sinh rõ nhất. Nhầm yếu tố cis với yếu tố trans là cả bảng lưỡng bội sai dây chuyền. La Bàn Cis-Trans và Bảng Chẩn Đoán Chủng Vi Khuẩn biến việc đoán thành quy trình có kiểm chứng.
- Bài dịch mã có đồng hồ ẩn. Chất chặn khởi đầu không làm protein ngừng ngay. Đồng Hồ Ribosome tính khoảng trễ, số ribosome còn lại, số chuỗi được giải phóng.
- Bài dữ liệu thực nghiệm. Đồ thị hai màu huỳnh quang và đường cong ức chế trên trục log hay bị đọc sai; Lưới Hai Nguồn Nhiễu và Thước IC 50 là hai cách đọc của LUKATO.
Mục tiêu năng lực: học xong em làm được
- Giải thích operon Lac: vai trò của P, O, Z, Y, A và của gene điều hoà lacI nằm ngoài operon; hai công tắc protein ức chế và CAP-cAMP.
- Dự đoán kiểu hình mọi chủng đơn bội và lưỡng bội từng phần mang lacI - , lacI s , lacO c , lacP - , lacZ - , lacY - .
- Từ bảng có hay không có beta-galactosidase và permease, suy ra kiểu gene và chỉ rõ khi nào đáp án duy nhất, khi nào là một tập kiểu gene tương đương.
- Phân biệt ba kiểu chặn dịch mã; tính khoảng trễ T = L/v; tách nhiễu chung và nhiễu riêng trên đồ thị GFP, RFP.
- Mô tả chu trình virus RNA âm, vai trò của RdRp; so sánh chất ức chế qua IC 50 và chỉ số chọn lọc.
- Nêu các cấp điều hoà ở nhân thực và điểm khác căn bản với vi khuẩn.
02 · MƯỜI MỘT KHÁI NIỆM GỐC
Nền tảng khái niệm
Mười một khái niệm xếp theo thứ tự phụ thuộc, mỗi khái niệm có định nghĩa, ví dụ đối lập, hình hoặc bảng, và một hiểu lầm phổ biến. Quy ước: mũ cộng là kiểu dại, mũ trừ là mất chức năng; trong kiểu gene rút gọn, gene nào không ghi là kiểu dại.
Khái niệm 1. Biểu hiện gene và điều hoà biểu hiện gene
Định nghĩa Biểu hiện gene là quá trình thông tin trong gene được chuyển thành sản phẩm có chức năng (RNA hoặc protein) qua phiên mã và dịch mã. Điều hoà biểu hiện gene là điều khiển lượng sản phẩm của gene: lúc nào, ở tế bào nào, nhiều hay ít, cho phù hợp nhu cầu tế bào và điều kiện môi trường.
Ví dụ đối lập Gene mã hoá enzyme cần thường xuyên được biểu hiện gần như liên tục; gene mã hoá enzyme phân giải lactose chỉ biểu hiện mạnh khi có lactose. Vi khuẩn điều hoà chủ yếu ở phiên mã: chặn từ đầu thì không tốn nguyên liệu làm mRNA và protein thừa.
Hiểu lầm phổ biến: "Điều hoà là bật hoặc tắt hẳn gene". Phần lớn là tăng hoặc giảm lượng sản phẩm; operon Lac khi "tắt" vẫn phiên mã rất ít. Điều hoà cũng không làm đổi trình tự gene.
Khái niệm 2. Cấu trúc operon Lac
Định nghĩa Operon là cụm gene cấu trúc liên quan về chức năng, nằm liền nhau, có chung một vùng điều hoà và được phiên mã cùng nhau thành một mRNA. Operon Lac của E. coli gồm: vùng khởi động P (RNA polymerase bám vào), vùng vận hành O (protein ức chế bám vào, chặn phiên mã) và ba gene cấu trúc lacZ (beta-galactosidase: thuỷ phân lactose thành glucose và galactose), lacY (permease: vận chuyển lactose vào tế bào), lacA (transacetylase). Gene điều hoà lacI nằm trước operon, không thuộc operon , có vùng khởi động riêng và luôn phiên mã ở mức thấp để tạo protein ức chế.
Ví dụ đối lập P và O là trình tự DNA , không mã hoá protein; lacI là gene có sản phẩm protein. Đây là gốc của quy tắc cis, trans.
Hiểu lầm phổ biến: "Protein ức chế chỉ được tạo khi không có lactose". Sai: lacI phiên mã liên tục; lactose chỉ quyết định protein ức chế có bám được O hay không.
Khái niệm 3. Chất cảm ứng và mức nền
Định nghĩa Chất cảm ứng gắn vào protein ức chế, làm nó đổi cấu hình và rời vùng O. Chất cảm ứng tự nhiên là allolactose , đồng phân của lactose, được tạo từ lactose nhờ chính beta-galactosidase. Thí nghiệm hay dùng IPTG , chất cảm ứng nhân tạo không bị beta-galactosidase phân giải.
Mức nền Khi bị ức chế, operon vẫn phiên mã rất ít; nhờ vài phân tử permease và beta-galactosidase có sẵn, những phân tử lactose đầu tiên vào được tế bào và chuyển thành allolactose. Hết lactose thì protein ức chế lại bám O.
Ví dụ đối lập Operon Lac được điều hoà âm tính : protein ức chế tắt gene, chất cảm ứng gỡ sự tắt đó; chất cảm ứng không trực tiếp kích hoạt RNA polymerase.
Hiểu lầm phổ biến: "Lactose gắn thẳng vào protein ức chế". Chất gắn là allolactose. Hệ quả: chủng mất hoàn toàn beta-galactosidase không được cảm ứng bởi lactose thật (biến thể 2).
Khái niệm 4. Công tắc thứ hai: CAP-cAMP và glucose
Định nghĩa Khi glucose thấp, cAMP trong tế bào tăng, gắn vào protein hoạt hoá CAP ; phức hệ CAP-cAMP bám gần vùng khởi động, giúp RNA polymerase phiên mã mạnh: điều hoà dương tính . Khi glucose cao, cAMP thấp, operon Lac chỉ phiên mã yếu dù có lactose.
· Không có lactose · Có lactose
Có glucose (cAMP thấp) · tắt: protein ức chế bám O · thấp: protein ức chế rời O, thiếu CAP-cAMP
Không có glucose (cAMP cao) · tắt: protein ức chế bám O · cao nhất
Hiểu lầm phổ biến: "Có lactose là operon hoạt động mạnh". Còn phải thiếu glucose. Quy ước cho mọi bảng chủng trong bài: môi trường không có glucose, chỉ còn protein ức chế quyết định có hay không có sản phẩm.
Khái niệm 5. Bốn kiểu hình và hai loại đột biến
Định nghĩa Mỗi chủng được thử khi không có và khi có chất cảm ứng, đo beta-galactosidase (Z) và permease (Y). LUKATO ghi kết quả thành mã vân tay bốn chữ số : Z, Y khi không có chất cảm ứng, gạch đứng, rồi Z, Y khi có; 1 là có, 0 là không.
Kiểu hình · Vân tay · Đột biến đơn gây ra
Cảm ứng (kiểu dại) · 00|11 · không có
Hằng định : có sản phẩm cả khi không có chất cảm ứng · 11|11 · lacI - (protein ức chế không bám được O); lacO c (O đổi trình tự, protein ức chế không bám được)
Câm : không cảm ứng được · 00|00 · lacI s (siêu ức chế: bám O nhưng không nhận chất cảm ứng); lacP - (RNA polymerase không bám được)
Mất một sản phẩm · 00|01 , 00|10 · lacZ - , lacY -
Đột biến điều hoà (I, O, P) tác động đồng thời lên mọi gene cấu trúc của operon; đột biến gene cấu trúc chỉ làm mất đúng sản phẩm của gene đó (LUKATO quy ước không ảnh hưởng gene khác trong operon).
Hiểu lầm phổ biến: "Hai chủng cùng vân tay thì cùng kiểu gene". I - và O c cùng 11|11 ; I s và P - cùng 00|00 . Chỉ bảng đơn bội thì không tách được.
GIA SƯ HỎI Vì sao chủng I s O c hằng định chứ không câm? Đáp: protein siêu ức chế muốn tắt operon thì phải bám được O, mà O c không cho protein ức chế nào bám. Trong tổ hợp, hỏi trước: vùng O có nhận protein ức chế không , rồi mới hỏi protein ức chế thuộc loại gì.
Khái niệm 6. Cis, trans và lưỡng bội từng phần
Định nghĩa Đưa thêm một plasmid F' mang vùng Lac vào vi khuẩn đơn bội, ta được lưỡng bội từng phần , kí hiệu "kiểu gene trên nhiễm sắc thể / F' kiểu gene trên plasmid". Yếu tố trans tạo sản phẩm khuếch tán , tác động lên cả hai phân tử DNA ( lacI ; enzyme của Z, Y cũng hoạt động ở khắp tế bào). Yếu tố cis là trình tự DNA , chỉ điều khiển gene nằm cùng phân tử với nó (P, O).
Quy tắc: I - lặn (trans), I s trội (trans), O c trội nhưng chỉ với gene cùng phân tử (cis), P - lặn (cis), Z - và Y - lặn. Bảng tổng ở cuối mục này; sơ đồ ở Công cụ 1.
Hiểu lầm phổ biến: "O c trội nên mọi gene trong tế bào hằng định". Sai: O c chỉ giải phóng gene cùng phân tử; nếu Z trên phân tử đó hỏng, beta-galactosidase từ phân tử kia vẫn chỉ cảm ứng.
Khái niệm 7. Dịch mã và polyribosome
Định nghĩa Dịch mã gồm khởi đầu (tiểu phần bé bám mRNA, nhận codon mở đầu AUG cùng tRNA mở đầu, tiểu phần lớn lắp vào), kéo dài (ribosome dịch từng codon theo chiều 5' tới 3', nối thêm từng amino acid), kết thúc (gặp codon kết thúc, chuỗi được giải phóng). Polyribosome : nhiều ribosome cùng dịch mã một mRNA, mỗi ribosome làm một chuỗi hoàn chỉnh của riêng nó.
Ví dụ đối lập Vi khuẩn không có màng nhân nên ribosome có thể dịch mã khi mRNA còn đang được phiên mã; ở nhân thực, mRNA được tạo và xử lí trong nhân rồi mới ra tế bào chất.
Hiểu lầm phổ biến: "Nhiều ribosome cùng làm một chuỗi cho nhanh". Sai: polyribosome tăng số chuỗi trong một đơn vị thời gian, không rút ngắn thời gian làm một chuỗi.
Khái niệm 8. Ba kiểu chặn dịch mã
Kiểu chặn · Ribosome đang chạy · Tổng hợp protein · Polyribosome
Chặn khởi đầu · chạy nốt tới codon kết thúc · giảm dần, về 0 sau thời gian một ribosome đi hết vùng mã hoá · nhỏ dần rồi tan
Chặn kéo dài (cycloheximide, ở nhân thực) · đứng yên tại chỗ · về 0 ngay · giữ nguyên
Gây kết thúc sớm (puromycin) · chuỗi dở dang bị nhả ra · không còn chuỗi hoàn chỉnh · tan nhanh
Puromycin giống đầu tRNA mang amino acid: nó vào vị trí nhận amino acid của ribosome, được nối vào chuỗi đang tổng hợp và làm chuỗi dở dang rời ribosome. Nhiều kháng sinh tác động chọn lọc lên vi khuẩn vì ribosome 70S của vi khuẩn khác ribosome 80S trong tế bào chất của người.
Hiểu lầm phổ biến: "Chặn khởi đầu thì protein về 0 ngay". Sai; khoảng trễ đó chính là thước đo tốc độ dịch mã.
Khái niệm 9. Vector plasmid, gene báo cáo và hai nguồn nhiễu
Định nghĩa Vector là phân tử DNA dùng để mang gene vào tế bào chủ và duy trì ở đó; plasmid là DNA vòng nhỏ tự nhân đôi độc lập với nhiễm sắc thể (F' là một ví dụ). Gene báo cáo có sản phẩm dễ đo, đặt sau vùng khởi động cần nghiên cứu: GFP phát huỳnh quang xanh lục, RFP phát huỳnh quang đỏ.
Thí nghiệm hai màu GFP và RFP trên cùng một plasmid , sau hai vùng khởi động giống hệt nhau : trung bình hai lượng sản phẩm bằng nhau (đã quy về cùng thang đo), nhưng từng tế bào khác nhau vì hai nguồn nhiễu. Nhiễu chung : yếu tố tác động lên cả hai gene cùng chiều trong một tế bào (số bản sao plasmid, lượng RNA polymerase và ribosome, kích thước và giai đoạn tế bào). Nhiễu riêng : sự kiện ngẫu nhiên của từng bản gene (mỗi lần phiên mã, mỗi mRNA được dịch mã bao nhiêu lần), độc lập giữa hai gene.
Hiểu lầm phổ biến: "Cùng vùng khởi động, cùng plasmid thì mỗi tế bào có lượng GFP đúng bằng RFP". Sai: nhiễu riêng luôn tồn tại. Ngược lại, tương quan dương cũng không có nghĩa hai lượng bằng nhau (biến thể 4).
Khái niệm 10. Virus RNA âm và chất tương tự nucleoside
Định nghĩa Hệ gene của virus RNA sợi âm có trình tự bổ sung với mRNA nên ribosome không dịch mã trực tiếp được. Virus mang theo RNA polymerase phụ thuộc RNA (RdRp) , enzyme tổng hợp RNA trên khuôn RNA mà tế bào người không có sẵn. RdRp phiên mã RNA(-) thành các mRNA(+) và sao chép RNA(-) thành RNA(+) đủ dài làm khuôn tạo RNA(-) mới. Ví dụ: virus cúm, sởi, dại.
Ví dụ đối lập Virus RNA sợi dương dùng ngay hệ gene làm mRNA; retrovirus (như HIV) dùng enzyme phiên mã ngược tạo DNA.
Chất tương tự nucleoside có cấu trúc giống nucleoside tự nhiên; trong tế bào được gắn phosphate thành dạng giống nucleotide, cạnh tranh với nucleotide thật tại RdRp và khi được gắn vào chuỗi có thể làm chuỗi ngừng kéo dài hoặc sai lệch. IC 50 là nồng độ làm hoạt tính giảm còn một nửa so với đối chứng không có chất; IC 50 càng nhỏ, chất càng mạnh.
Hiểu lầm phổ biến: "IC 50 lớn thì mạnh vì con số to". Ngược lại: cần ít chất hơn mới đạt nửa mức ức chế là mạnh hơn.
Khái niệm 11. Điều hoà biểu hiện gene ở sinh vật nhân thực
Định nghĩa Nhiều cấp nối tiếp: (1) nhiễm sắc chất : vùng xoắn chặt khó phiên mã; gắn acetyl vào histone thường làm dãn xoắn, gắn methyl vào DNA vùng khởi động thường làm gene im lặng; (2) phiên mã : yếu tố phiên mã bám vùng khởi động và trình tự tăng cường (enhancer) hoặc bất hoạt (silencer), có thể ở xa gene; (3) xử lí RNA : cắt intron, nối exon; cắt nối khác nhau cho nhiều protein từ một gene; (4) mRNA ở tế bào chất : vận chuyển, độ bền, microRNA làm mRNA bị phân huỷ hoặc không dịch mã được; (5) dịch mã ; (6) sau dịch mã : biến đổi, hoạt hoá, phân giải protein.