Điều hoà âm tính của
các operon cảm ứng:
lac operon
Đại diện cho tất cả các operon của các loại
đường di- và polysaccharide (mà vi khuẩn sử
dụng như một nguồn cung cấp các hợp chất
carbon và năng lượng) là operon lactose ở E.
coli.
Operon lactose có chức năng sản sinh các
enzyme tham gia vào quá trình hấp thụ và
phân giải đường lactose (một disacharide)
thành galactose và glucose. Nó chỉ hoạt động
khi có mặt đường lactose, vì vậy lactose được
gọi là chất cảm ứng và lac operon được gọi
là operon cảm ứng (inducible) hay operon dị
hoá (catabolite). Nói đúng ra, chất cảm ứng là
allolactose; lactose(liên kết galactosid dạng β-
1,4) bị biến đổi thành chất trung gian trong quá
trình thuỷ phân lactose dưới tác dụng của β-
galactosidase, gọi là allolactose (liên kết β-
1,6).
1. Cấu trúc của lac operon
Các thành phần của lac operon ở E. coli như
sau :
Cấu trúc chi tiết các vùng khác nhau của
operon lactose.
- Nhóm các gene cấu trúc bao gồm ba
gene: lacZ, lacY và lacA (nói gọn là Z, Y và
A); trong đólacZ mã hoá
cho b galactosidase (thuỷ phân
lactose), lacY mã hoá cho permease (vận
chuyển lactose qua màng) và lacA mã
hoá transacetylase (chức năng không rõ ràng;
theo ý nghĩa nó không phải là enzyme liên
quan trực tiếp đến sự chuyển hoá lactose).
- Yếu tố chỉ huy (lac operator) là trình tự DNA
dài ~34 cặp base cách gene Z chừng 10 cặp
base về phía trước, là vị trí tương tác với chất
ức chế. Nó chứa trình tự 24 cặp base đối
xứng xuôi ngược, giúp chất ức chế
(lac repressor) có thể nhận biết và bám vào
bằng cách khuếch tán dọc theo DNA từ cả hai
phía.
- Vùng khởi động (lac promotor) là đoạn DNA
dài chừng 90 cặp base nằm trước và trùm
lên lacoperator 7 cặp base. Nó chứa hai vị trí
tương tác với RNA polymerase và với protein
hoạt hoá dị hoá (catabolite activator protein =
CAP, hoặc CRP - xem mục V). Điểm khởi đầu
phiên mã là vị trí gần cuối của lac promoter.
- Gene điều hoà (regulatory gene) nằm trước
vùng khởi động, mã hoá một protein ức chế
gồm bốn polypeptide giống nhau, gọi là tứ
phân (tetramer), đều chứa 360 amino acid.
2. Cơ chế điều hoà âm tính của lac operon
Khi trong môi trường nuôi cấy E. coli vắng mặt
lactose (allolactose, chất cảm ứng)
thì lacoperon không hoạt động, nghĩa là các
enzyme tham gia hấp thụ và phân giải lactose
không được sinh ra. Nguyên nhân là do chất
ức chế của operon (lac repressor) vốn tự thân
có hoạt tính, bám chặt vào yếu tố chỉ huy
(lac operator) và gây kìm hãm sự phiên mã
của các gene cấu trúc Z, Y và A. Do đó các
sản phẩm enzyme của lac operon không được
tạo ra; tức biểu hiện âm tính.
(a) (b)
(a) Chất ức chế bám chặt lac operator gây ức
chế phiên mã; (b) Mô hình lac operator (rìa
trái) bị bám chặt bởi protein ức chế (rìa phải).
Ngược lại, nếu bổ sung lactose vào môi
trường thì một thời gian sau vi khuẩn sẽ bắt
đầu hấp thụ và phân giải nó, nghĩa là các
enzyme liên quan đã được sinh ra. Sự kiện
này được lý giải như sau: Chất cảm
ứng (inducer), ở đây là allolactose - dạng biến
đổi của lactose - tương tác với chất ức
chế (repressor) làm biến đổi cấu hình của chất
này. Một phân tử allolactose bám vào một tiểu
đơn vị của chất ức chế. Vì vậy chất ức chế
mất ái lực và không thể bám vào lacoperator;
nó tách ra khỏi DNA. Lúc này các gene cấu
trúc được phiên mã và các enzyme tương ứng
được tổng hợp, nhờ vậy vi khuẩn có thể hấp
thụ và phân giải đường lactose Lactose vì vậy
là tác nhân gây cảm ứng (hoạt
hoá) lac operon. Ngoài ra, ITPG (isopropyl
thiogalactoside) cũng được dùng như một
chất cảm ứng nhưng không phải là tác nhân
sinh lý.
Chất cảm ứng kết hợp với chất ức chế và làm
biến đổi hình dáng của nó; chất ức chế vì vậy
không bám được vào lac operator. Kết quả là
các gene cấu trúc của lac operon được phiên
mã tạo ra phân tử mRNA polycistron và các
enzyme tương ứng được tổng hợp.
Phương thức điều hoà như thế được gọi là
điều hoà cảm ứng - âm tính, bởi vì chất ức
chế lacoperon một khi bám vào lac operator
sẽ kìm hãm phiên mã, nghĩa là gây hiệu quả
âm tính lên sự biểu hiện của các gene; và
hoạt động chức năng của protein này lại phụ
thuộc vào chất cảm ứng. Nhờ cơ chế điều hoà
kiểu liên hệ ngược này mà vi khuẩn có thể
thích ứng để tồn tại và phát triển một cách
hợp lý.
Chất ức chế một khi được bám đầy đủ bởi
allolactose thì tách khỏi operator khiến cho sự
điều hoà âm tính (sự ức chế) được làm dịu
bớt, tuy nhiên RNA polymerase vẫn chưa thể
tạo thành một phức hợp bền vững với
promoter để có thể khởi đầu phiên mã được.
Về cơ bản, cơ chế "mở" của lac operon được
trình bày như trên; nhưng thực ra sự hoạt