Giáo án Sinh học 12 Cánh diều bài 3: Điều hoà biểu hiện gene

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

Nhiệm vụ 1. Tìm hiểu thí nghiệm

- GV dẫn dắt giới thiệu về Jacques Monod và François Jacob:

Jacques Monod (trái) và

 François Jacob (phải)

- GV yêu cầu HS đọc hiểu thông tin mục I.1. Thí nghiệm, kết hợp với thông tin GV cung cấp, thảo luận cặp đôi trả lời câu hỏi 4 SGK tr.20: 

1. Mô tả thí nghiệm nghiên cứu sự biểu hiện của các gene liên quan đến chuyển hóa lactose ở vi khuẩn E.coli.

2. Tại sao khi tăng nồng độ lactose trong môi trường nuôi cấy vi khuẩn E.coli, nồng độ các protein và enzyme phân giải đường này cũng tăng và ngược lại?

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- Nhóm HS đọc mục I, kết hợp với thông tin do GV cung cấp, thảo luận cặp đôi thực hiện nhiệm vụ.

- GV quan sát các nhóm HS tiến hành nhiệm vụ, hướng dẫn.

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời HS xung phong trả lời câu hỏi hình thành kiến thức: Lactose là một trong những nguồn năng lượng của vi khuẩn. Khi ở trong môi trường có lactose, vi khuẩn E.coli cần sản xuất các protein và enzyme phân giải đường này để chuyển hóa thành năng lượng sử dụng trong tế bào. Còn khi môi trường không có lactose, các protein và enzyme sẽ bị hạn chế lại để tiết kiệm năng lượng.

- HS khác nhận xét, đánh giá và bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV nhận xét câu trả lời của HS.

-   GV chuẩn hóa kiến thức, yêu cầu HS ghi chép đầy đủ vào vở.

- GV kết luận: Thí nghiệm về sự biểu hiện đồng thời các enzyme chuyển hóa lactose bởi E.coli bởi một tín hiệu (lactose) từ môi trường cho thấy cơ chế điều hòa biểu hiện phiên mã các gene theo mô hình operon.

- GV chuyển sang hoạt động tiếp theo.

I. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE CỦA OPERON LAC Ở VI KHUẨN E.coli

1. Thí nghiệm

- Jacques Monod và François Jacob đã nghiên cứu sự biểu hiện của các gene liên quan đến chuyển hóa lactose ở vi khuẩn E.coli:

(1) Thí nghiệm nuôi cấy vi khuẩn E.coli trong môi trường không có lactose.

(2) Thí nghiệm nuôi cấy vi khuẩn E.coli  trong môi trường có bổ sung lactose.

- Kết quả:

(1) Nồng độ permease và β-galactosidase trong tế bào rất thấp.

(2) Nồng độ tăng lên 1000 lần.

- Giả thuyết: một tín hiệu từ môi trường gây nên biểu hiện đồng thời một cụm nhiều gene mã hóa các enzyme tham gia chuyển hóa lactose. 

+ Các gene này được phiên mã thành một mRNA (mRNA polycistronic).

+ Dịch mã mRNA này tạo ra nhiều chuỗi polypeptide.

Thông tin bổ sung

(1) Thí nghiệm tìm ra cấu trúc và hoạt động của operon Lac

Bằng cách sử dụng các chủng vi khuẩn chứa operon Lac (trên DNA và plasmid) bị đột biến ở các vùng khác nhau, Jacob và Monod đã xác định được các thành phần cấu trúc và hoạt động của operon Lac ở vi khuẩn E.coli.

- Biến nạp plasmid chứa operon Lac mang gene lacZ bị đột biến (lacZ^-) không có khả năng tổng hợp enzyme và gene lacY bình thường (lacY⁺) vào tế bào vi khuẩn chứa operon mang gene lacZ⁺ và lacY^-. Kết quả cho thấy tế bào này có thể tổng hợp cả hai loại enzyme β-galactosidase và permease.

- Biến nạp plasmid chứa operon Lac có gene điều hòa (lacI) và vùng vận hành (O) không bị đột biến nhưng gene lacZ bị đột biến (lacI⁺ O⁺lacZ^-) vào một tế bào bị đột biến (lacI^- O⁺ lacZ⁺) có khả năng tổng hợp enzyme β-galactosidase một cách liên tục ngay cả khi môi trường không có lactose. Kết quả là operon Lac ở tế bào này bị ức chế khi môi trường không có lactose.

Thí nghiệm chứng minh khả năng hoạt động của operon Lac ở vi khuẩn E.coli. Tế bào vi khuẩn đột biến (a) và tế bào sau khi được biến nạp plasmid có thể tổng hợp cả hai loại enzyme (b)

Thí nghiệm chứng minh khả năng hoạt động của operon Lac ở vi khuẩn E.coli. Tế bào vi khuẩn đột biến (a) và tế bào sau khi được biến nạp plasmid có operon không hoạt động khi môi trường không có lactose (b)

Từ kết quả thí nghiệm, Jacob và Monod đã kết luận được các gene thuộc cùng một operon có thể hoạt động ngay cả khi chúng nằm trên các phân tử DNA khác nhau. Bên cạnh đó, khi tiến hành thêm nhiều thí nghiệm với các chủng đột biến ở các vùng khác nhau trên operon Lac (gene lacZ, vùng promoter, vùng operator), hai nhà khoa học cũng đã xác định được trình tự các thành phần cấu trúc trên operon Lac và đưa ra mô hình hoạt động của hệ thống lactose ở vi khuẩn E.coli.

(2) Điều hòa hoạt động gene ở sinh vật nhân thực

Điều hòa hoạt động gene ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực chủ yếu vẫn ở khâu điều hòa phiên mã. Tuy nhiên, do cấu trúc hệ gene ở sinh vật nhân thực khác với cấu trúc hệ gene ở sinh vật nhân sơ nên quá trình điều hòa hoạt động gene ở hai nhóm sinh vật này có nhiều điểm khác biệt.

Điều hòa hoạt động gene ở sinh vật nhân thực có một số đặc điểm sau:

- Các gene ở sinh vật nhân thực thường được điều hòa riêng rẽ từng gene một mà rất ít khi điều hòa cùng nhau theo kiểu operon như ở sinh vật nhân sơ.

- Trừ những gene có vai trò quan trọng luôn được biểu hiện, hầu hết các gene của sinh vật nhân thực thường ở trạng thái không hoạt động và chỉ được mở/hoạt động khi tế bào cần đến sản phẩm của gene.

- Do DNA của sinh vật nhân thực được quấn quanh cấu trúc nucleosome và co xoắn chặt nên gene chỉ được phiên mã khi các nucleosome được dãn xoắn ở trạng thái nguyên nhiễm sắc. Vì thế, tế bào cần có quá trình điều hòa ở khâu dãn xoắn hoặc co xoắn NST trước khi phiên mã.

- Do cấu trúc gene phân mảnh nên sự điều hòa hoạt động gene còn được thực hiện ở khâu sau phiên mã như điều hòa cách cắt intron và nối các exon, điều hòa qua thời gian tồn tại của mRNA cũng như điều hòa ở khâu dịch mã và sau dịch mã.

- Nếu có trục trặc về điều hòa hoạt động gene trong quá trình phát triển hoặc trong suốt quá trình sống có thể gây chết hoặc phát sinh các bệnh tật. Các loại bệnh ung thư và nhiều bệnh khác đều ít nhiều liên quan đến rối loạn điều hòa hoạt động gene.