Thí nghiệm xác định cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon Lac

Ở sinh vật, mức độ biểu hiện của các gene khác nhau là do các cơ chế điều hoà. Điều hoà biểu hiện gene là sự kiểm soát quá trình tạo ra sản phẩm của gene. 

Ví dụ: Ở người, gene má hoá cho hormone insulin được biểu hiện ở tế bào ẞ của tuyến tuy nhưng lại không biểu hiện ở các loại tế bào khác; gene mã hoá cho hormone prolactin chỉ biểu hiện mạnh ở phụ nữ trong thời kì mang thai và cho con bú.

- Cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon Lạc ở vi khuẩn E. coli được hai nhà khoa học người Pháp là François Jacob và Jacques Monod phát hiện vào năm 1961. Sự điều hoà biểu hiện gene ở vi khuẩn E. coli diễn ra chủ yếu ở giai đoạn phiên mã.

* Thí nghiệm trên operon Lac của E. coli

- Vi khuẩn E. coli có ba loại enzyme tham gia chuyển hoá đường lactose, được mã hoá bởi ba gene khác nhau gồm lacz, lacy và lacA. Jacob và Monod đã nuôi cấy vi khuẩn E. coli trong hai môi trường khác nhau và theo dõi số lượng enzyme trong tế bào:

(1) Khi môi trường không có lactose, trong mỗi tế bào E. coli chỉ có một vài phân từ enzyme

(2) Khi lactose được bổ sung vào môi trường nuôi cấy (không chứa glucose), tốc độ tổng hợp của cả ba loại enzyme tăng lên khoảng 1.000 lăn chỉ trong vòng 2-3 phút. 

- Dựa trên sự gia tăng đồng thời của các loại enzyme, hai nhà khoa học nhận thấy các gene lacz, lacy và lạch được phân bố năm liền nhau thành cụm trên phân tử DNA (thuộc cùng một đơn vị phiên mà), được điều khiến bởi một vùng promoter và một vùng operator. Cấu trúc này được gọi là operon Lactose (Lac).

* Giải thích kết quả thí nghiệm

- Từ kết quả thí nghiệm nuôi cấy vi khuẩn E. coli trong môi trường không có và có đường lactose, Jacob và Monod đã kết luận được:

+ Hoạt động của operon Lac chịu sự điều khiển của một gene điều hoà (lacl) nằm trước operon, gene này mã hoá cho một loại protein điều hoà có khả năng liên kết với vùng operator để điều hoà hoạt động của operon Lac. 

+ Bên cạnh đó, khi tiến hành thêm nhiều thí nghiệm với các chủng đột biến ở các vùng khác nhau trên operon Lac (như gene lacz, vùng promoter, vùng operator), hai nhà khoa học cũng đã đưa ra mô hình cơ chế điều hoà hoạt động của hệ thống lactose ở vi khuẩn E. coli.

→ Khi môi trường không có lactose, operon bị ức chế, trong tế bào vi khuẩn chứa rất ít enzyme chuyển hoá đường lactose.

→ Khi bổ sung lactose vào môi trường nuôi cấy vi khuẩn, lactose được biến đổi thành allolactose (một dạng đồng phân của lactose) và chất này đóng vai trò là một chất cảm ứng gây bất hoạt protein điều hoà. Lúc này, các gene của operon Lac được biểu hiện dẫn đến số lượng enzyme chuyển hoá đường lactose trong tế bào tăng lên nhanh chóng