OPERON: KHÁM PHÁ, MÔ HÌNH, PHÂN LOẠI, VÍ DỤ - SINH HỌC - 2025

Một operon bao gồm một nhóm các gen được sắp xếp theo thứ tự quy định lẫn nhau, mã hóa các protein có liên quan đến chức năng và được tìm thấy trong bộ gen của vi khuẩn và bộ gen "tổ tiên".

Cơ chế điều hòa này được F. Jacob và J. Monod mô tả vào năm 1961, một thực tế đã mang lại cho họ giải Nobel Sinh lý và Y học năm 1965. Các nhà nghiên cứu này đã đề xuất và chứng minh hoạt động của các operon thông qua các gen mã hóa enzyme do Escherichia coli yêu cầu để sử dụng lactose.

Sơ đồ đồ họa của một sợi DNA với các gen bao gồm operon lactose (Promoter, Operator, lacZ, lacY, lacA và terminator) (Nguồn: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Các operon có nhiệm vụ điều phối quá trình tổng hợp protein theo nhu cầu của từng tế bào, tức là chúng chỉ được biểu hiện để tạo ra protein vào thời điểm và tại vị trí chính xác mà chúng được yêu cầu.

Các gen chứa trong operon nói chung là gen cấu trúc, có nghĩa là chúng mã hóa các enzym quan trọng liên quan trực tiếp đến các con đường trao đổi chất trong tế bào. Đây có thể là quá trình tổng hợp các axit amin, năng lượng dưới dạng ATP, carbohydrate, v.v.

Operon cũng thường được tìm thấy ở sinh vật nhân thực, tuy nhiên, trái ngược với sinh vật nhân sơ, ở sinh vật nhân thực, vùng của operon không được phiên mã như một phân tử RNA thông tin đơn lẻ.

Khám phá

Tiến bộ quan trọng đầu tiên liên quan đến operon do François Jacob và Jacques Monod tạo ra là giải quyết vấn đề "thích ứng với enzym", bao gồm sự xuất hiện của một enzym cụ thể chỉ khi tế bào có mặt của chất nền.

Phản ứng như vậy của tế bào với chất nền đã được quan sát thấy ở vi khuẩn trong nhiều năm. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tự hỏi làm thế nào tế bào xác định được chính xác loại enzyme mà nó phải tổng hợp để chuyển hóa chất nền đó.

Jacob và Monod quan sát thấy rằng các tế bào vi khuẩn, với sự hiện diện của cacbohydrat giống galactose, tạo ra β-galactosidase nhiều hơn 100 lần so với trong điều kiện bình thường. Enzyme này chịu trách nhiệm phá vỡ các β-galactoside để tế bào sử dụng chúng theo cách chuyển hóa.

Do đó, cả hai nhà nghiên cứu đều gọi carbohydrate loại galactoside là "chất cảm ứng", vì chúng chịu trách nhiệm gây ra sự gia tăng tổng hợp β-galactosidase.

Tương tự như vậy, Jacob và Monod đã tìm thấy một vùng di truyền có ba gen được kiểm soát theo cách phối hợp: gen Z, mã hóa cho enzym β-galactosidase; gen Y, mã hóa cho enzyme lactose permease (vận chuyển galactoside); và gen A, mã cho enzyme transacetylase, cũng cần thiết cho sự đồng hóa các galactoside.

Thông qua các phân tích di truyền tiếp theo, Jacob và Monod đã làm rõ tất cả các khía cạnh của sự kiểm soát di truyền của operon lactose, kết luận rằng đoạn gen Z, Y và A tạo thành một đơn vị di truyền duy nhất có biểu hiện phối hợp, được họ định nghĩa là “operon”.

Mô hình Operon

Mô hình operon lần đầu tiên được mô tả chính xác vào năm 1965 bởi Jacob và Monod để giải thích sự điều hòa của các gen được phiên mã và dịch mã đối với các enzym cần thiết trong Escherichia coli để chuyển hóa lactose như một nguồn năng lượng. .

Các nhà nghiên cứu này đề xuất rằng các bản sao của gen hoặc tập hợp các gen nằm liên tiếp được quy định bởi hai yếu tố: 1) gen điều hòa hoặc gen ức chế 2) và gen điều hành hoặc trình tự điều hành.

Gen điều hành luôn được tìm thấy bên cạnh (các) gen cấu trúc mà nó quy định sự biểu hiện, trong khi gen ức chế mã hóa cho một protein được gọi là “chất ức chế” liên kết với gen điều hành và ngăn cản quá trình phiên mã của nó.

Quá trình phiên mã bị kìm hãm khi bộ điều khiển được liên kết với gen điều hành. Bằng cách này, biểu hiện di truyền của các gen mã hóa các enzym cần thiết để đồng hóa lactose không được biểu hiện và do đó, không thể chuyển hóa disaccharide nói trên.

Sơ đồ chức năng của operon lactose thông qua các yếu tố điều khiển khác nhau của nó. Đây là operon "mô hình" được các giáo viên sinh học sử dụng để dạy hoạt động của các gen này (Nguồn: Tereseik. Tác phẩm bắt nguồn từ hình ảnh G3pro. Bản dịch tiếng Tây Ban Nha của Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

Hiện tại, người ta đã biết rằng sự liên kết của bộ kìm hãm với chất điều khiển ngăn cản, với cơ chế steric, RNA polymerase liên kết với vị trí promoter để nó bắt đầu phiên mã gen.

Vị trí promoter là "vị trí" mà RNA polymerase nhận ra để liên kết và phiên mã gen. Vì nó không thể liên kết, nó không thể phiên mã bất kỳ gen nào trong trình tự.

Gen điều hành nằm giữa vùng di truyền của trình tự được gọi là gen khởi động và gen cấu trúc. Tuy nhiên, Jacob và Monod đã không xác định vùng này vào thời của họ.

Hiện nay người ta đã biết rằng trình tự hoàn chỉnh bao gồm gen cấu trúc hoặc các gen, người vận hành và trình tự khởi động, về bản chất là những gì tạo nên một "operon".

Phân loại các operon

Các toán tử chỉ được phân thành ba loại khác nhau phụ thuộc vào cách chúng được điều chỉnh, nghĩa là, một số được biểu hiện liên tục (cấu tạo), một số khác cần một số phân tử hoặc yếu tố cụ thể để kích hoạt (cảm ứng) và những toán tử khác được biểu hiện liên tục cho đến khi mà bộ cảm ứng được thể hiện (có thể kìm nén).

Ba loại operon là:

Operon cảm ứng

Operon loại này được điều chỉnh bởi các phân tử trong môi trường như axit amin, đường, chất chuyển hóa, v.v. Các phân tử này được gọi là chất cảm ứng. Nếu không tìm thấy phân tử đóng vai trò chất cảm ứng thì các gen của operon không được phiên mã tích cực.

Trong operon cảm ứng, bộ kìm hãm tự do liên kết với toán tử và ngăn cản quá trình phiên mã của các gen có trong operon. Khi chất cảm ứng liên kết với chất ức chế, một phức hợp được hình thành mà không thể liên kết với chất ức chế và do đó các gen của operon được dịch mã.

Operon có thể nén

Các operon này phụ thuộc vào các phân tử cụ thể: axit amin, đường, đồng yếu tố hoặc yếu tố phiên mã, trong số những phân tử khác. Chúng được gọi là bộ áp lõi và hoạt động theo cách hoàn toàn ngược lại với cuộn cảm.

Chỉ khi corepressor liên kết với repressor thì quá trình phiên mã mới dừng lại và do đó quá trình phiên mã của các gen chứa trong operon không xảy ra. Sau đó, quá trình phiên mã của một operon có thể kìm nén chỉ dừng lại khi có sự hiện diện của corepressor.

Operon cấu tạo

Các loại operon này không được điều chỉnh. Chúng liên tục được phiên mã tích cực và trong trường hợp có bất kỳ đột biến nào ảnh hưởng đến trình tự của các gen này, sự sống của các tế bào chứa chúng có thể bị ảnh hưởng và nói chung, kích hoạt quá trình chết tế bào theo chương trình.

Ví dụ

Ví dụ sớm nhất và được công nhận rộng rãi nhất về chức năng của operon là operon lac (lactose). Hệ thống này chịu trách nhiệm biến đổi lactose, một disaccharide, thành các monosaccharide glucose và galactose. Ba enzym hoạt động trong quá trình này:

- β-galactosidase, chịu trách nhiệm chuyển hóa lactose thành glucose và galactose.

- Lactose permease, chịu trách nhiệm vận chuyển lactose từ môi trường ngoại bào vào bên trong tế bào và

- Transcetylase, thuộc hệ thống, nhưng có chức năng không xác định

Operon trp (tryptophan) từ Escherichia coli kiểm soát sự tổng hợp tryptophan, có axit chorismic làm tiền chất của nó. Trong operon này là các gen của năm protein được sử dụng để sản xuất ba enzym:

- Enzyme đầu tiên, được mã hóa bởi gen E và D, xúc tác hai phản ứng đầu tiên của con đường tryptophan và được gọi là anthranilate synthetase

- Enzyme thứ hai là glycerolphosphate và xúc tác các bước tiếp theo để anthranilate synthetase

- Enzyme thứ ba và cuối cùng là tryptophan synthetase, chịu trách nhiệm sản xuất tryptophan từ indole-glycerol phosphate và serine (enzyme này là sản phẩm của gen B và A)

Người giới thiệu

1. Blumenthal, T. (2004). Operon ở sinh vật nhân thực. Các cuộc họp ngắn gọn trong Bộ gen chức năng, 3 (3), 199-211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD, & Santana Calderón, A. (2000). Nguyên lý của di truyền học. Nguyên lý của di truyền học.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Toán tử. Khoa học sự sống phân tử và tế bào, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., & Beckwith, J. (1969). Phân lập DNA operon lac tinh khiết. Nature, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT, & Griffiths, AJ (1976). Giới thiệu về phân tích di truyền. WH Freeman và Công ty.