Câu hỏi ôn thi tốt nghiệp THPT môn Sinh học Điều hòa biểu hiện gene có đáp án
55 câu hỏi
Operon Lac của vi khuẩn E.coli gồm có các thành phần theo trật tự là
trình tự P - gene lacI - trình tự O - nhóm gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA.
gene lacI - trình tự P - trình tự O - nhóm gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA.
trình tự P - trình tự O - nhóm gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA.
gene lacI - trình tự O - trình tự P - nhóm gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA.
Vùng A của gene mô tả hình bên có chức năng gì? 
Vùng điều hòa, mang tín hiệu khởi động phiên mã.
Vùng kết thúc, mang tín hiệu kết thúc phiên mã.
Vùng điều hòa, mang tín hiệu khởi động dịch mã.
Vùng kết thúc, mang tín hiệu kết thúc dịch mã.
Ghép cột A với cột B sao cho phù hợp với mô tả về cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon lac ở vi khuẩn E. coli.
Cột A | Cột B |
1. Đường allolactose | a. RNA polymerase bám vào và khởi động phiên mã các gene cấu trúc. |
2. Vùng khởi động (promoter) | b. Gây bất hoạt protein ức chế. |
3. Các gene cấu trúc (lacZ, lacY, lacA) | c. Chứa thông tin mã hóa protein ức chế |
4. Gene điều hòa (lacI) | d. Chứa thông tin mã hóa các loại enzyme chuyển hóa lactose. |
1-b, 2-a, 3-d, 4-c.
1 d, 2-c, 3-b, 4-a.
1-a, 2-c, 3-d, 4-b.
1-c, 2-a, 3-d, 4-b.
Trong những năm 1960, Jacques Monod và Francois Jacob cùng các cộng sự đã nghiên cứu sự biểu hiện của các gene liên quan đến sự chuyển hóa chất M ở vi khuẩn E coli theo mô hình operon. Chất M là
glucose.
tryptophane.
lactose.
galactose.
Bảng 1 mô tả hàm lượng mRNA và protein tương đối của gene lacZ thuộc operon lac ở các chủng vi khuẩn E.coli trong môi trường có hoặc không có lactose. Biết rằng chủng 1 là chủng bình thường, các chủng 2, 3, 4 là các chủng đột biến phát sinh từ chủng 1, mỗi chủng bị đột biến ở một vị trí duy nhất trong operon lac.
Chủng vi khuẩn E.coli | Có lactose | Không có lactose | ||
Lượng mRNA | Lượng protein | Lượng mRNA | Lượng protein | |
Chủng 1 | 100% | 100% | 0% | 0% |
Chủng 2 | 100% | 0% | 0% | 0% |
Chủng 3 | 0% | 0% | 0% | 0% |
Chủng 4 | 100% | 100% | 100% | 100% |
Khi nói về các chủng 2, 3, 4, có bao nhiêu phát biểu sau đây đúng?
a) Hoạt động của gene lac Z không phụ thuộc vào môi trường có hay không có lactose.
b) Chủng 2 bị đột biến mất vùng P.
c) Chủng 3 có thể bị đột biến hỏng vùng P, Chủng 4 có thể bị đột biến mất vùng O.
d) Với đặc điểm và cơ chế hoạt động giống như chủng 4, có thể là nguyên nhân hình thành các khối u ở người.
2.
1.
3.
4.
Ở vi khuẩn E.coli kiểu dại, sự biểu hiện của gene lacZ (mã hóa beta-galactosidase), gene lacY (mã hóa permease), gene lacA (mã hóa transacetylase) thuộc operon Lac phụ thuộc vào sự có mặt của lactose trong môi trường nuôi cấy. Bằng kỹ thuật gây đột biến nhân tạo, người ta đã tạo ra được các chủng vi khuẩn khác nhau và được nuôi cấy trong hai môi trường: không có lactose và có lactose. Sự biểu hiện gene của các chủng vi khuẩn được thể hiện ở bảng sau:
Dựa vào kết quả thu được ở bảng trên, hãy cho biết phát biểu nào sau đây đúng?
Chủng C tạo ra do đột biến ở vùng khởi động hoặc đột biến ở cả ba gene lacZ, lacY, lacA của chủng E.coli kiểu dại.
Chủng E.coli kiểu dại bị đột biến ở gene lacZ, lacA tạo ra chủng B.
Chủng D tạo ra do đột biến ở gene điều hòa lacI hoặc đột biến ở vùng vận hành của chủng E.coli kiểu dại.
Chủng A là chủng vi khuẩn E.coli đột biến.
Trong mô hình cấu trúc của Operon Lac, vùng số (2) là nơi
protein điều hoà có thể liên kết vào để ngăn cản quá trình phiên mã.
mang thông tin quy định cấu trúc protein điều hoà.
RNA polymerase bám vào và khởi đầu phiên mã.
mang thông tin quy định cấu trúc các enzyme tham gia vào các phản ứng phân giải đường lactose.
Các trình tự một operon ở vi khuẩn E.coli nằm trong đoạn NST được kí hiệu từ A đến E. Để xác định các trình tự của opêron này, người ta sử dụng 5 trường hợp đột biến mất đoạn như hình bên (các đường gạch chéo biểu hiện đoạn bị mất).
Kết quả thu được trường hợp 4 và 5 có cácgene cấu trúc luôn được phiên mã; trường hợp 2 và 3 có các gene cấu trúc luôn không được phiên mã; trường hợp 1 chưa xác định được mức biểu hiện của các gene cấu trúc trong operon. Trong các phát biểu sau, phát biểu nào về trình tự operon trên là đúng?
Đoạn DE chứa vùng vận hành, đoạn BC chứa vùng khởi động.
Đoạn A chứa vùng vận hành, đoạn B chứa vùng khởi động.
Đoạn B chứa vùng vận hành, đoạn E chứa vùng khởi động.
Đoạn CD chứa vùng vận hành, đoạn DE chứa vùng khởi động.
Hình dưới đây mô tả cơ chế điều hòa hoạt động gene ở vi khuẩn, trong đó các chữ số (1) đến (5) kí hiệu cho các gene/ vùng thuộc operon lac ?
Trong điều kiện môi trường không có lactose, chất X sẽ tương tác với gene/ vùng nào trên hình ?
(1) và (2).
(2) và (3).
(1) và (3).
(2).
Chủng vi khuẩn E.coli bị đột biến mất chức năng ở vùng nào sau đây ở operon Lac sẽ không sản xuất enzyme dù môi trường có hay không có lactose?
Vùng khởi động.
Vùng vận hành.
Vùng gene cấu trúc lacZ.
Vùng gene cấu trúc lacY.
Hình dưới mô tả cấu trúc của operon lac theo Monod và Jacob
Theo mô hình này thì chú thích (1) là
protein ức chế.
vùng khởi động.
gene điều hòa.
vùng vận hành.
Hình 3 dưới đây mô tả cấu trúc của operon Lac theo Mono và Jacob:
Theo mô hình này chú thích (1) là
protein ức chế.
vùng vận hành.
vùng khởi động.
gene điều hòa.
Theo mô hình điều hoà biểu hiện gene ở E.coli thì chức năng của vùng operator (O) trong Operon lac là
vị trí tương tác với protein ức chế.
vị trí tương tác với enzyme RNA polymerase.
vị trí tương tác với enzyme DNA polymerase.
nơi tổng hợp nên protein ức chế.
Hình nào dưới đây mô tả đúng cấu trúc Operon lạc ở vi khuẩn E. coli? 
Hình 1.
Hình 2.
Hình 3.
Hình 4.
Sơ đồ dưới đây thể hiện sự biểu hiện mRNA ở tế bào E. coli kiểu dại (bình thường) và các kiểu đột biến sau khi lactose được bổ sung vào môi trường nuôi cấy cạn kiệt glucose. Nhận định nào sau đây mô tả chính xác dạng đột biến ở thí nghiệm này?
Thể đột biến ở E. coli thay đổi cấu trúc ở gene điều hòa dẫn đến protein ức chế không sản xuất được.
Thể đột biến ở E. coli mà ở đó protein ức chế có khả năng liên kết vào vùng operator (O) nhưng không có khả năng liên kết với lactose.
Thể đột biến ở E. coli thay đổi cấu trúc ở vùng operator (O) dẫn đến protein ức chế không bám vào được vào vùng operator (O).
Thể đột biến ở E. coli thay đổi cấu trúc ở vùng promoter (P) dẫn đến RNA polymerase không có khả năng liên kết được với vùng promoter (P).
Trong cơ chế điều hòa hoạt động của Operon Lac ở vi khuẩn E.coli, chất cảm ứng lactose làm bất hoạt protein nào sau đây?
Protein ức chế.
Protein Lac Y.
Protein Lac A.
Protein Lac Z.
Trong cơ chế điều hòa hoạt động của operon lac ở vi khuẩn E.coli, enzyme RNA polimerase thường xuyên phiên mã ở loại gene nào sau đây?
Gene điều hòa I.
Gene cấu trúc Z.
Gene cấu trúc Y.
Gene cấu trúc A.
Trường hợp nào là điều hòa sau dịch mã?
Phân phối protein đến các nơi các tế bào cần thiết.
Hoàn thiện cấu trúc phân tử RNA.
Tăng số lượng bản sao của gene lên nhiều lần.
Kiểm soát tuổi thọ của mRNA trong tế bào.
Hình dưới mô tả trạng thái của Operon Lac ở vi khuẩn E.coli trong môi trường nuôi cấy.
Phân tích hình sau, hãy cho biết nào dưới đây đúng?
Chất X là enzyme beta-galactosidase.
Vi khuẩn đang được nuôi cấy trong môi trường có lactose.
Operon Lac của E.coli đang ở trạng thái không hoạt động.
Hai vùng (P) luôn ở trạng thái liên kết với enzyme RNA polymerase.
Trong cơ chế điều hòa hoạt động gene ở sinh vật nhân sơ, gene điều hòa có vai trò nào sau đây?
Nơi tiếp xúc với enzyme RNA polymerase.
Mang thông tin quy định protein ức chế.
Mang thông tin quy định enzyme RNA polymerase.
Nơi liên kết với protein ức .
Phát biểu nào sau đây đúng về điều hòa biểu hiện gene?
Khi môi trường không có lactose thì operon không bị ức chế nên các gene cấu trúc được biểu hiện.
Trong môi trường có lactose thì protein ức chế hoạt động để cho các gene cấu trúc được biểu hiện.
Protein ức chế chỉ được tạo ra khi môi trường không có lactose.
Điều hoà biểu hiện gene là cơ chế góp phần làm cho sản phẩm của gene được tạo thành có lượng phù hợp với tế bào và cơ thể.
Khi xét về cấu tạo và cơ chế điều hòa hoạt động của gene theo mô hình Operon -Lac, kết luận nào sau đây là sai?
Cấu tạo Operon Lac gồm vùng khởi động (P), vùng vận hành (O) và gene điều hòa (Lac I).
Các gene cấu trúc Z, Y, A phiên mã 1 lần tạo thành 1phân tử mRNA.
Gene điều hòa phiên mã, dịch mã tạo protein ức chế.
Vùng vận hành là nơi tương tác với prôtêin ức chế.
Một gene mã hóa cho một loại enzyme được điều hòa bởi glucocorticoid. Các nhà khoa học nhận thấy rằng: So với khi không được xử lí, việc xử lí glucocorticoid đã làm tăng lượng RNA tích lũy trong 1 giây gấp 10 lần, tăng hàm lượng mRNA trong tế bào gấp 20 lần và tăng hoạt động của enzyme gấp 20 lần. Từ những dữ liệu này, hãy cho biết tác dụng chính của glucocorticoid là làm giảm yếu tố nào sau đây?
Tốc độ liên kết của các ribosome với mRNA.
Tốc độ phân hủy mRNA.
Tốc độ dịch mã mRNA.
Hoạt tính của RNA polymerase.
Bảng dưới đây mô tả hàm lượng mRNA và protein tương đối của gene lacZ thuộc operon lac ở các chủng vi khuẩn E. coli trong môi trường có hoặc không có lactose. Biết rằng chủng 1 là chủng
bình thường các chủng 2, 3, 4 là các chủng đột biến phát sinh từ chủng 1, mỗi chủng bị đột biến ở một vị trí duy nhất trong operon lac.
Khi nói về các chủng 2, 3, 4 có bao nhiêu phát biểu sau đây đúng?
I. Chủng 2 bị đột biến ở vùng P hoặc vùng O.
II. Chủng 3 có thể bị đột biến hỏng vùng P.
III. Chủng 4 có thể bị đột biến mất vùng O.
IV. Đột biến mất cặp nucleotide ở gene điều hòa lacI sẽ tạo ra kiểu hình giống chủng 2.
3.
2.
1.
4.
Thành phần nào không thuộc Operon lac?
Gene điều hòa (lac I).
Các gene cấu trúc (Z, Y, A).
Vùng vận hành (O).
Vùng khởi động (P).
Hình dưới đây thể hiện các giai đoạn của các cơ chế di truyền xảy ra trong tế bào. Nếu quá trình di chuyển mRNA từ nhân ra tế bào chất bị gián đoạn, điều gì sẽ xảy ra?
Protein không được tổng hợp.
Ribosome sẽ không hoạt động.
DNA bị phân hủy.
Amino acid không được sử dụng.
Để nghiên cứu về sự điều hòa theo mô hình operon ở tế bào vi khuẩn E. Coli, các nhà khoa học đã thiết kế một “operon lai”, trong đó chứa trình tự các gene của operon tryptophan (Trp) và operon Lactose (Lac), có trình tự điều hòa của operon Trp (như hình 4).
Hình 4
Giả sử sự sinh trưởng của tế bào vi khuẩn E.coli có liên hệ mật thiết với sự có mặt của amino acid tryptophan và chất cho carbon. Chuyển plasmid tái tổ hợp chứa “operon lai” vào dòng tế bào vi khuẩn E. coli đột biến mất trình tự operon Trp và operon Lac. Trong các điều kiện môi trường nuôi cấy được đề cập như trong Bảng 1 có bao nhiêu môi trường có thể tạo khuẩn lạc?
Môi trường nuôi cấy | Đường glucose | Đường lactose | Amino acid tryptophan |
Môi trường 1 | Có | Không | Không |
Môi trường 2 | Không | Có | Không |
Môi trường 3 | Có | Không | Có |
Môi trường 4 | Không | Có | Có |
Bảng 1
1.
4.
2.
3.
Ở vi khuẩn E. coli , biểu hiện của các gene cấu trúc trong operon lac là các gene này có số lần nhân đôi …(1)… và số lần phiên mã …(2)… Các từ/cụm từ cần điền vào vị trí (1), (2) lần lượt là:
1 – bằng nhau; 2 – bằng nhau.
1 – bằng nhau; 2 – khác nhau.
1 – khác nhau; 2 – bằng nhau.
1 – khác nhau; 2 – khác nhau.
Một nhà khoa học đang nghiên cứu cơ chế điều hòa của operon lac trong E. coli và đã tạo ra các chủng với các kiểugene khác nhau như sau:
Chủng 1: I⁺ P⁺ O⁺ Z⁺ Y⁺
Chủng 2: I⁺ P⁻ O⁺ Z⁺ Y⁺
Chủng 3: I⁺ P⁺ O⁻ Z⁺ Y⁺
Chủng 4: I⁺ P⁺ O⁺ Z⁻ Y⁺
Nhà khoa học muốn xác định liệu β-galactosidase có được tạo ra trong điều kiện có và không có chất cảm ứng đối với mỗi kiểu gene. Kết quả nào dưới đây là phù hợp?
Chủng 1: β-galactosidase được tạo ra khi có chất cảm ứng và không được tạo ra khi không có chất cảm ứng.
Chủng 2: β-galactosidase không được tạo ra khi có chất cảm ứng và được tạo ra khi không có chất cảm ứng.
Chủng 3: β-galactosidase sẽ được tạo ra trong cả hai điều kiện có và không có chất cảm ứng.
Chủng 4: β-galactosidase không được tạo ra trong cả hai điều kiện có và không có chất cảm ứng.
Hình 2 mô tả các thành phần tham gia vào quá trình điều hòa hoạt động của gene trong một operon cảm ứng (operon Lac) của vi khuẩn E. coli. Sự phiên mã của các gene cấu trúc thường bị ức chế bởi một protein bám vào vùng operator (protein ức chế) ngăn cản RNA polymerase hoạt động. Khi có chất cảm ứng allolactose lactose, chất này sẽ gắn vào protein ức chế, làm thay đổi cấu trúc không gian của protein ức chế, nên protein này mất khả năng bám vào operator, cho phép RNA polymerase liên kết với promoter và bắt đầu phiên mã các gene cấu trúc.
Hình 2
Hình nào sau đây mô tả chính xác hoạt động của operon Lac khi môi trường có lactose nhưng các gene cấu trúc không hoạt động?
Hình (a).
Hình (b).
Hình (c).
Hình (d).
Ở vi khuẩn E. Coly bình thường, cấu trúc số 4 trong operon lac không hoạt động khi 
trong tế bào không có lactose.
môi trường có hoặc không có lactose.
môi trường có nhiều lactose.
trong tế bào có lactose.
Trong cơ chế điều hòa hoạt động gene của operon lac có hiện tượng protein ức chế kết hợp với allolactose sẽ tạo ra sản phẩm A như trong hình bên. Sự có mặt của sản phẩm A có vai trò
hoạt hóa vùng P.
hoạt hóa vùng O.
bất hoạt nhóm gene cấu trúc
hoạt hóa nhóm gene cấu trúc.
Trong điều hòa hoạt động gene trong operon Lac ở sinh vật nhân sơ, ngoài allolactose, trong thực nghiệm người ta cũng sử dụng một số chất để nghiên cứu về cơ chế điều hòa hoạt động gene được mô tả như Bảng 1.
Bảng 1
Chất | Đặc điểm |
A | Cấu tạo và chức năng giống allolactose. |
B | Cấu trúc giống allolactose nhưng có chức năng ngược lại với allolactose. |
C | Có khả năng gắn vào vùng promoter làm ngăn cản sự liên kết với RNA polymerase |
Họ tiến hành bốn thí nghiệm nhằm quan sát sự tương tác của ba chất trên như sau:
- Thí nghiệm 1: môi trường có allolactose.
- Thí nghiệm 2: môi trường có chất A.
- Thí nghiệm 3: môi trường có chất A và C.
- Thí nghiệm 4: môi trường có chất B và allolactose.
Theo lí thuyết, phát biểu nào sau đây sai khi nói về thí nghiệm này?
Thí nghiệm 1 và thí nghiệm 2 đều thu được sản phẩm của các gene cấu trúc.
Thí nghiệm 3 không tạo ra sản phẩm của gene cấu trúc do protein ức chế gắn vào vùng operator.
Thí nghiệm 4 vẫn có thể tạo ra sản phẩm của gene cấu trúc nếu ái lực của chất B kém hơn allolactose.
Nếu xảy ra đột biến gene ở gene lacI thì có thể cả ba thí nghiệm 2, 3 và 4 đều có cùng một kết quả.
Khi nghiên cứu về hoạt động của Operon Lac ở ba chủng vi khuẩn E.coli, người ta thu được kết quả như sau:
Từ các kết luận trong bảng trên, các kết luận sau đây là đúng hay sai?
Có hai chủng bị lãng phí vật chất và năng lượng bởi phiên mã không kiểm soát.
Chủng 1 có operon Lac hoạt động bình thường.
Có thể vùng P của gene LacI ở chủng 3 đã bị mất hoạt tính.
Chủng 2 có thể đã bị đột biến trong các gene lacZ, lacY, lacA khiến chúng tăng phiên mã.
Để nghiên cứu cơ chế tác động của hai loại thuốc mới điều trị bệnh nhân Covid-19 (thuốc 1 và thuốc 2) người ta tiến hành thử nghiệm tác động của chúng lên quá trình biểu hiện gene của gene virus trong các tế bào người. Hàm lượng mRNA a của virus và protein virus trong các mẫu tế bào được thể hiện theo biểu đồ trên.
Biết rằng các điều kiện thí nghiệm là như nhau.
Mỗi phát biểu sau đây đúng hay sai khi nói về cơ chế tác động của thuốc 1 và thuốc 2 lên quá trình biểu hiện gene của virus?
Thuốc 1 can thiệp vào quá trình phiên mã tạo ra mRNA của virus hoặc tác động làm phân hủy mRNA của virus.
Thuốc 2 làm giảm lượng mRNA so với không xử lí thuốc dẫn đến làm giảm hàm lượng protein do protein là sản phẩm sau dịch mã.
Thuốc 2 can thiệp vào quá trình dịch mã từ mRNA virus hoặc tác động làm phân hủy một phần protein virus.
Xử lí thuốc 2 không làm thay đổi hàm lượng mRNA do vậy nó can thiệp vào phiên mã, lượng protein giảm một phần có thể tác động làm phân hủy 1 phần protein của virus.
Ở một loài vi khuẩn, operon A gồm 3 gene cấu trúc mã hóa 3 enzyme X, Y, Z. 3 enzyme này cùng tham gia quá trình chuyển hóa chấtA. Trình tự các vùng của operon A lần lượt là P – O – X – Y – Z (vùng khởi động – vùng vận hành – gene X – gene Y – gene Z). Người ta nuôi cấy 3 chủng vi khuẩn này ở môi trường dinh dưỡng không có chất A và đo lượng enzyme có hoạt tính được thể hiện ở bảng dưới đây. Biết rằng gene điều hòa của mỗi chủng đều hoạt động bình thường.
Chủng | Operon | Lượng enzyme có hoạt tính | ||
X | Y | Z | ||
1 | P+O+X+Y+Z+ | - | - | - |
2 | P+O-X+Y+Z+ | ? | ? | ? |
3 | P-O+X+Y+Z+ | ? | ? | ? |
Chú thích:
P+, O+, X+, Y+, Z+: các vùng trình tự DNA bình thường
P-, O-, X‑, Y-, Z-: các vùng trình tự DNA mất chức năng
(+) có; (-) không; (?) chưa cho biết
Nếu bổ sung chất A vào môi trường nuôi cấy của chủng 1, kết quả có thể thu được enzyme X, Y, Z.
Nếu bổ sung chất A vào môi trường nuôi cấy của 3 chủng, chất A sẽ liên kết với protein của gene điều hòa.
Ở chủng 2, kết quả thu được enzyme X, Y, Z lần lượt là (+), (-), (-).
Ở chủng 3, kết quả thu được enzyme X, Y, Z lần lượt là (+), (+), (+).
Ở vi khuẩn E.coli kiểu dại, sự biểu hiện của gene lacZ (mã hóa β-galactosidase), gene lacY (mã hóa permease), gene lacA (mã hóa transacetylase) thuộc operon lac phụ thuộc vào sự có mặt của lactose trong môi trường nuôi cấy; protein ức chế (LacI) do gene ức chế lacI quy định. Bằng kỹ thuật gây đột biến nhân tạo, người ta đã tạo ra được các chủng vi khuẩn khác nhau và được nuôi cấy trong hai môi trường: không có lactose và có lactose. Sự biểu hiện gene của các chủng vi khuẩn được thể hiện ở Bảng 1:
Chủng vi khuẩn A là vi khuẩn E.coli kiểu dại.
Chủng vi khuẩn B, D xuất hiện có thể do đột biến gene ở gene lacZ và gene lacA.
Chủng vi khuẩn C xuất hiện do đột biến mất đoạn chứa vùng khởi động của operon lac.
Gene lacI không thuộc operon lac.
Operon M ở một chủng vi khuẩn chứa 3 gene mã hóa 3 enzyme là E1, E2, E3. Operon này có 5 vùng trình tự nucleotide chưa biết rõ chức năng và vị trí sắp xếp. Operon M được điều hòa bởi chất X. Để làm sáng tỏ chức năng của các vùng trình tự, người ta đã theo dõi ảnh hưởng của các đột biến dựa trên quá trình tổng hợp các enzyme được đánh giá thông qua sự có mặt và vắng mặt của chất X thể hiện trong bảng dưới đây:
Ở trạng thái không đột biến và vắng mặt chất X, cả 3 enzyme (E1, E2, E3) được tổng hợp ở mức độ cực đại.
Chất X là yếu tố ức chế hoạt động phiên mã của operon M.
Trình tự 1 là vùng liên kết đặc hiệu của chất X, có vai trò kiểm soát hoạt động của operon. Trình tự V là vùng khởi động P.
Các trình tự tổng hợp enzyme E1, E2, E3 lần. lượt là vùng II, III, IV.
Quan sát hình và cho biết những phát biểu sau đây là đúng hay sai?
Đây là hình biểu diễn hoạt động của operon lac ở vi khuẩn E.coli.
Vi khuẩn đang được nuôi cấy trong môi trường có đường lactose.
Chất X là protein ức chế.
Vùng (O) có thể liên kết với enzyme RNA polymerase ngay cả khi có hoặc không có đường lactose.
Cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon lac ở vi khuẩn E.coli được thể hiện trong sơ đồ sau:
Kiểu gene của vi khuẩn kiểu dại kí hiệu là: I+P+O+Z+Y+A+. Khi phân tích DNA của các chủng vi khuẩn: lacZ-, lacY-, lacI-(các đột biến mất chức năng), lacIS(lacISmã hóa lacISlà chất ức chế có thể bám vào operator nhưng không thể bám vào chất cảm ứng), hoặc lacOc(operator của operon lac đột biến làm cho lacI, lacIS không thể bám vào Oc).
Hình trên thể hiện cơ chế điều hoà biểu hiện gene của chủng vi khuẩn có kiểu gene là I- P+O+Z+Y+A+.
Chủng vi khuẩn I+P+OcZ+Y+A+ biểu hiện các gene lacZ, lacY, lacA ngay cả khi không có lactose.
Các chủng vi khuẩn: I+P+O+Z-Y+A+ và I+P+O+Z+Y-A+ đều có khả năng phân giải lactose.
Chủng vi khuẩn ISP+O+Z+Y+A+ không tổng hợp enzyme phân giải lactose ngay cả khi có lactose trong môi trường.
Ở vi khuẩn E.coli kiểu dại (bình thường), sự biểu hiện của gene lac Z (mã hóa ß- galactosidase), gene lac Y (mã hóa permease), gene lac A (mã hóa transacetylase) thuộc operon lac phụ thuộc vào sự có mặt của lactose trong môi trường nuôi cấy. Bằng kỹ thuật gây đột biến nhân tạo, người ta đã tạo ra được các chủng vi khuẩn khác nhau và được nuôi cấy trong hai môi trường: không có lactose và có lactose. Sự biểu hiện gene của các chủng vi khuẩn được thể hiện ở bảng dưới đây:
Trong đó, dấu (+) là enzyme được tổng hợp, có dấu (-) là enzyme không được tổng hợp (hoặc tổng hợp rất ít).
Cả 3 gene lac Z, lac Y và lac A có vùng promoter giống nhau.
Chủng vi khuẩn A là chủng vi khuẩn E.coli kiểu dại (chủng bình thường).
Ở chủng vi khuẩn B đã xảy ra đột biến ở vùng promoter của operon lac.
Ở chủng vi khuẩn C có thể đã xảy ra đột biến ở vùng mã hóa của gene điều hòa hoạt động của operon lac hoặc đột biến xảy ra ở vùng vận hành (operator) của gene cấu trúc lac Z, lac Y và lac A.
Hình dưới đây mô tả trạng thái hoạt động của operon Lac ở vi khuẩn E.coli.
Trạng thái A là trạng thái hoạt động của operon khi môi trường không có lactose.
gene điều hòa lacI được phiên mã khi ở trạng thái A và không phiên mã khi ở trạng thái B.
Allolactose đóng vai trò là chất cảm ứng.
Ở cả hai trạng thái, enzyme RNA polymerase đều bám được vào vùng P của operon.
Để nghiên cứu về sự điều hòa theo mô hình operon ở tế bào vi khuẩn E Coli, các nhà khoa học đã thiết kế một “operon lai”, trong đó chứa trình tự các gene của operon tryptophan (Trp) và operon Lactose (Lac), có trình tự điều hòa của operon Trp (như hình dưới đây).
Giả sử sự sinh trưởng của tế bào vi khuẩn E.coli có liên hệ mật thiết với sự có mặt của acid amin tryptophan và chất cho carbon. Chuyển plasmid tái tổ hợp chứa “operon lai” vào dòng tế bào vi khuẩn E. Coli đột biến mất trình tự operon Trp và operon Lac.
Biết rằng operon Trp (Operon tryptophan) trong điều kiện môi trường có tryptophan, operon Trp bị bất hoạt bởi phức hệ tryptophan - protein ức chế; trong khi nếu vắng amino acid này thì operon hoạt động. Do đó, operon này là một loại operon ức chế. Các vi khuẩn vẫn có khả năng sinh trưởng bình thường như các chủng kiểu dại.
Môi trường 1, các gene cấu trúc được biểu hiện nên lượng sản phẩm của LacZ tăng lên.
Môi trường 2, các gene TrpE → LacA đều hoạt động.
Môi trường 3, RNA-polymerase không bám được vào vùng promoter nên 2 hệ enzyme không tổng hợp được.
Ở môi trường 4 thì lượng lượng sản phẩm của LacZ là tối đa.
Khi nói về operon Lac ở vi khuẩn E. coli (hình bên dưới), các phát biểu sau đây là đúng hay sai?
Gene điều hòa (R) không nằm trong thành phần của operon Lac.
Khi môi trường không có lactose thì gene điều hòa (R) vẫn có thể phiên mã.
Nếu gene cấu trúc A và gene cấu trúc Z đều phiên mã 1 lần thì gene cấu trúc Y sẽ phiên mã 2 lần.
Trên phân tử mRNA2 chỉ chứa một codon mở đầu và một codon kết thúc dịch mã.
Một operon X có các vùng trình tự qui định chức năng được Kí hiệu M, N, P, Q, tổng hợp các enzyme 1 và enzyme 2 phân giải chất X. Trong đó, mỗi vùng trình tự đã kí hiệu từ M đến Q sẽ là một trong các vị trí sau:
(1) Gene tổng hợp enzyme 1.
(2) Gene tổng hợp enzyme 2.
(3) Vùng khởi động (promoter).
(4) Vùng vận hành (operator).
Biết rằng, gene điều hoà điều khiển hoạt động operon X tổng hợp protein điều hoà có chức năng bình thường. Kết quả chọn lọc các chủng vi khuẩn thu được ở bảng dưới đây khi nuôi cấy trong điều kiện môi trường có chất X và không có chất X, biết (+) enzyme được tổng hợp; (-) enzyme không được tổng hợp.
Trình tự M trong operon X là gene tổng hợp enzyme 1.
Nếu vùng N bị đột biến, enzyme 2 sẽ không được tổng hợp khi có chất X, nhưng enzyme 1 vẫn có thể được tổng hợp.
Vùng P trong operon X là gene mã hoá enzyme 2.
Khi đột biến xảy ra ở vùng Q của operon, enzyme 1 và enzyme 2 vẫn được tổng hợp ngay cả khi không có chất X.
Ở vi khuẩn E.coli kiểu dại, sự biểu hiện của gene lacZ (mã hóa β-galactosidase), gene lacY (mã hóa permase) thuộc operon Lac phụ thuộc vào sự có mặt của lactose trong môi trường nuôi cấy. Bằng kỹ thuật gây đột biến nhân tạo, người ta đã tạo ra được các chủng vi kh4uẩn khác nhau. Nuôi cấy các chủng vi khuẩn E.coli trong hai môi trường: không có lactose và có lactose. Sự biểu hiện gene của các chủng vi khuẩn được thể hiện ở bảng sau:
Chủng D là chủng E.coli kiểu dại
Chủng E.coli kiểu dại bị đột biến gene lacZ và lacY tạo ra chủng B
Chủng E.coli kiểu dại bị đột biến ở gene lacY tạo ra chủng C
Chủng E.coli kiểu dại bị đột biến ở gene lacZ tạo ra chủng A
Operon M ở một chủng vi khuẩn mã hóa 3 enzyme là E1, E2 và E3; Có 5 trình tự A, B, C, D và G chưa biết rõ chức năng. Operon này được điều hòa bởi chất X. Để làm sáng tỏ chức năng của các trình tự, người ta đã theo dõi sự ảnh hưởng của đột biến ở các trình tự từ A đến G dựa trên sự tổng hợp các enzyme được đánh giá thông qua sự có mặt và sự vắng mặt của chất X (Bảng 1).
Bảng 1
Ở trạng thái không đột biến và vắng mặt chất X, cả ba enzyme (E1, E2, E3) được tổng hợp ở mức độ cực đại.
Chất X là yếu tố ức chế hoạt động phiên mã của operon M.
Trình tự A là vùng liên kết đặc hiệu của chất X, có vai trò kiểm soát hoạt động của operon. Trình tự G là vùng khởi động P.
Các trình tự tổng hợp enzyme E1, E2, E3 lần lượt là gene B, C, D.
Ở vi khuẩn E. coli kiểu dại, sự biểu hiện của gene lac Z thuộc nhóm operon lac mã hóa Beta-galactoxidase phụ thuộc sự có mặt của glucose và lactose trong môi trường. Khi môi trường có cả glucose và lactose, enzyme này biểu hiện ở mức thấp, khi môi trường chỉ có lactose, enzyme được biểu hiện ở mức tăng cường trong các tế bào vi khuẩn kiểu dại. Bằng kĩ thuật gây đột biến và chuyển DNA plasmid mang các trình tự gene có nguồn gốc từ nhiễm sắc thể E. coli này vào các tế bào E. coli khác, người ta đã tạo được 3 chủng vi khuẩn đột biến có kiểu gene lưỡng bội về các gene và trình tự điều hòa tham gia phân giải lactose (chủng 1 tới 5) như Hình 7.
Chủng đột biến | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Kiểu gene | \[\frac{{{{\rm{I}}^{\rm{ - }}}{{\rm{P}}^{\rm{ - }}}{{\rm{O}}^{\rm{ - }}}{{\rm{Z}}^{\rm{ + }}}}}{{{{\rm{I}}^{\rm{ + }}}{{\rm{P}}^{\rm{ - }}}{{\rm{O}}^{\rm{ - }}}{{\rm{Z}}^{\rm{ - }}}}}\] | \[\frac{{{{\rm{I}}^ + }{{\rm{P}}^ + }{{\rm{O}}^{\rm{\_}}}{{\rm{Z}}^{\rm{\_}}}}}{{{{\rm{I}}^ - }{{\rm{P}}^ + }{{\rm{O}}^ + }{{\rm{Z}}^ + }}}\] | \[\frac{{{{\rm{I}}^ + }{{\rm{P}}^ - }{{\rm{O}}^ + }{{\rm{Z}}^ + }}}{{{{\rm{I}}^ - }{{\rm{P}}^ + }{{\rm{O}}^ - }{{\rm{Z}}^ + }}}\] | \[\frac{{{{\rm{I}}^{\rm{S}}}{{\rm{P}}^ + }{{\rm{O}}^ - }{{\rm{Z}}^ + }}}{{{{\rm{I}}^ - }{{\rm{P}}^ + }{{\rm{O}}^ + }{{\rm{Z}}^\_}}}\] | \[\frac{{{{\rm{I}}^{\rm{S}}}{{\rm{P}}^ + }{{\rm{O}}^ + }{{\rm{Z}}^ + }}}{{{{\rm{I}}^ - }{{\rm{P}}^ + }{{\rm{O}}^ + }{{\rm{Z}}^ + }}}\] |
Hình 7
Trong đó:
I+, P+, O+, Z+ tương ứng là các trình tự kiểu dại của gene mã hóa protein ức chế (I) ,vùng P ,vùng O và gene lacZ.
P-, O-, Z- là các trình tự đột biến mất chức năng so với trình tự kiểu dại tương ứng.
I- là đột biến làm protein ức chế mất khả năng gắn vùng O.
IS là đột biến làm protein ức chế mất khả năng gắn vào đồng phân của lactose.
Xét các phát biểu dưới đây khi đưa các chủng trên vào các môi trường không có glucose và lactose, chỉ có lactose, có cả glucose và lactose.
Chủng 1 sẽ không biểu hiện ở tất cả các môi trường.
Chủng 2 chỉ biểu hiện mức tăng cường khi chỉ có lactose trong môi trường.
Chủng 4 hầu như đều có biểu hiện ở tất cả các môi trường.
Chủng 3 và chủng 5 sẽ không biểu hiện ở tất cả các môi trường.
Trong một thí nghiệm về vi khuẩn E. coli, các nhà khoa học nuôi cấy vi khuẩn này trong môi trường có chứa lactose là nguồn năng lượng duy nhất. Ban đầu, mức độ biểu hiện của enzyme phân giải lactose rất thấp. Tuy nhiên, sau một thời gian ngắn, người ta ghi nhận hoạt động của các enzyme β-galactosidase, permease và transacetylase tăng mạnh. Trong một nhóm vi khuẩn khác có đột biến tại vùng vận hành (operator) nên vùng này không liên kết được với protein ức chế, các enzyme trên liên tục được tổng hợp, ngay cả khi không có lactose trong môi trường.
Trong điều kiện bình thường, khi không có lactose, protein ức chế sẽ gắn vào vùng vận hành ngăn RNA polymerase hoạt động, không phiên mã các gene cấu trúc (Z, Y, A).
Vi khuẩn đột biến vùng vận hành, protein ức chế không thể gắn vào vùng vận hành, các gene cấu trúc được phiên mã cả khi môi trường không có lactose.
Vi khuẩn E. coli đột biến có thể tổng hợp enzyme phân giải lactose ngay khi vừa tiếp xúc với môi trường chứa lactose.
Một chủng vi khuẩn E. coli có gene điều hòa bị đột biến không tạo ra chất ức chế, điều này sẽ tiết kiệm năng lượng cho vi khuẩn E. coli.
Người ta nuôi cấy chủng vi khuẩn E. coli trong môi trường không chứa lactose. Sau đó, ở phút thứ 2, một lượng lactose được thêm vào môi trường. Mức biểu hiện của gene Lac Z (mã hóa enzyme β-galactosidase) được theo dõi bằng cách đo lượng mRNA (đơn vị tính: ng/mL) tại các thời điểm khác nhau. Kết quả được ghi lại như sau:
Thời gian (phút) | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 |
Lượng mRNA (ng/mL) | 5 | 6 | 32 | 70 | 95 | 102 | 102 | 98 | 97 |
Gene Z được kích hoạt ngay khi vi khuẩn được nuôi cấy và không phụ thuộc lactose.
Lactose đóng vai trò là chất cảm ứng lactose liên kết với chất ức chế, làm chất ức chế không gắn được vào vùng vận hành, cho phép gene Z được phiên mã.
Tốc độ phiên mã của gene Lac Z đạt cao nhất sau 15 phút nuôi cấy.
Nếu chủng vi khuẩn E. coli mất khả năng tổng hợp protein ức chế thì gene Z vẫn được phiên mã liên tục khi cạn kiệt nguồn lactose.
Gene D mã hóa cho enzyme X bao gồm các vùng: Vùng điều hòa, vùng mã hóa và vùng kết thúc. Để nghiên cứu tác động của thuốc kháng sinh A đối với quá trình phiên mã hay dịch mã của gene D ở vi khuẩn, các nhà khoa học đã tiến hành nuôi cấy ba chủng vi khuẩn E. Coli (chủng kiểu dại - không bị đột biến, chủng đột biến 1 và chủng đột biến 2 - đều có đột biến ở gene D) trong ba môi trường: Không có kháng sinh A, có nồng độ kháng sinh A 5mM (milimol), có nồng độ kháng sinh A 10mM. Kết quả nghiên cứu được tóm tắt trong Bảng 4. Biết đột biến có thể xảy ra ở bất kì vùng nào của gene, trường hợp này không có đột biến ở vùng kết thúc.
Bảng 4
Phân tích | Phân tích lượng mARN | Phân tích hàm lượng và hoạt tính của enzyme | ||||||||||||||||
Kiểu hình | Kiểu dại | Đột biến 1 | Đột biến 2 | Kiểu dại | Đột biến 1 | Đột biến 2 | ||||||||||||
Hàm lượng kháng sinh A | 0 | 5 | 10 | 0 | 5 | 10 | 0 | 5 | 10 | 0 | 5 | 10 | 0 | 5 | 10 | 0 | 5 | 10 |
Kết quả | +++ | ++ | + | +++ | ++ | + | +++ | +++ | +++ | +++ | ++ | + | + | + | + | +++ | +++ | +++ |
Chú thích: +++ là nhiều; ++ mức trung bình; + là ít.
Cho các phát biểu sau về nghiên cứu, có bao nhiêu phát biểu đúng?
Kháng sinh A tác động ức chế quá trình phiên mã của gene D.
Đột biến 1 có thể xảy ra ở vùng mã hóa của gene.
Kháng sinh A luônlàm giảm hàm lượng mRNA và hoạt tính của enzyme.
Đột biến 2 có thể xảy ra làm mất chức năng của trình tự promotor(P) của gene D.
Bảng 1 mô tả hàm lượng mRNA và protein tương đối của gene Z thuộc operon Lac ở các chủng vi khuẩn E. coli trong môi trường có hoặc không có Lactose. Biết rằng chủng 1 là chủng bình thường, các chủng 2, 3, 4 là các chủng đột biến phát sinh từ chủng 1, mỗi chủng bị đột biến ở một vị trí duy nhất trong operon Lac. Chủng vi khuẩn số mấy bị đột biến hỏng vùng P?
Bảng 1
Chủng vi khuẩn E.coli | Có lactose | Không có lactose | ||
Lượng mRNA | Lượng protein | Lượng mRNA | Lượng protein | |
Chủng 1 | 100% | 100% | 0% | 0% |
Chủng 2 | 100% | 0% | 0% | 0% |
Chủng 3 | 0% | 0% | 0% | 0% |
Chủng 4 | 100% | 100% | 100% | 100% |
3
Hình 6 mô tả cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở operon lac của vi khuẩn E. coli trong môi trường có lactose.
Hình 6
Khi môi trường có lactose, protein ức chế sẽ không bám vào được vùng O, RNA polymerase liên kết vào P, nhờ đó quá trình phiên mã và dịch mã xảy ra tổng hợp nên các enzyme giúp vi khuẩn chuyển hóa và sử dụng lactose. Enzyme này tương ứng với vị trí nào trên hình 6?
5
Cho các loại enzyme tham gia mô hình operon lac ở vi khuẩn E.coli: enzyme bgalactosidase, enzyme permease, enzyme RNA polymerase và enzyme transacetylase. Có mấy loại enzyme đã được Lactose kích hoạt tế bào tổng hợp khi môi trường có Lactose?
3
Vào những năm 1950, hai nhà khoa học Monod và Jacob đã nghiên cứu phát hiện ra cơ chế điều hòa biểu hiện của operon lac ở vi khuẩn E. coli. Monod và Jacob đã tiến hành thí nghiệm tìm hiểu cơ chế lactose có thể gây cảm ứng khiến tế bào E. coli tổng hợp các enzyme phân giải lactose. Hai ông đã sử dụng các dòng đột biến gene ở vi khuẩn E. coli và nuôi cấy chúng trong điều kiện môi trường có lactose và không có lactose. Sau đó, xác định lượng các loại enzyme tham gia quá trình phân giải lactose trong tế bào (gồm enzyme β galactosidase có chức năng phân giải lactose, permease có chức năng vận chuyển lactose vào tế bào và transacetylase sau này được biết là có chức năng khử các chất độc vào tế bào). Một trong các thí nghiệm của hai ông được tiến hành như sau:
Lô đối chứng: Nuôi vi khuẩn E. coli trong môi trường không có lactose và có các amino acid đánh dấu phóng xạ.
Lô thí nghiệm: Nuôi vi khuẩn E. coli trong môi trường có lactose và các amino acid đánh dấu phóng xạ.
4
