Operon lac

Operon lac là một loại operon có mặt trong vi khuẩn Escherichia coli và các vi khuẩn đường ruột khác, tham gia vào quá trình dị hóa đường lactose (một loại đường carbohydrate phổ biến trong sữa và các sản phẩm từ sữa như pho-mát, sữa chua...). Cơ chế điều hòa hoạt động của operon lac được phát hiện và làm sáng tỏ bởi hai nhà khoa học người Pháp là François Jacob và Jacques Monod (nhận giải Nobel Sinh lý học và Y học năm 1965), là một ví dụ điển hình cho sự điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nguyên sinh. Về mặt biểu hiện gen, operon lac được điều hòa phiên mã và hoạt động dưới dạng operon cảm ứng (chỉ hoạt động khi có sự kích hoạt từ yếu tố môi trường, trong trường hợp này là allolactose - một dẫn xuất của lactose).

Cấu trúc và chức năng của operon lac

Tương tự như các operon khác, operon lac là một nhóm gen có chức năng chung là mã hóa các protein tham gia vào con đường chuyển hóa lactose, với cơ chế điều hòa phiên mã. Các gen cấu trúc của operon này bao gồm lacZ, lacY và lacA.

Các gen lacZ, lacY và lacA trong operon lac chia sẻ cùng một trình tự khởi động phiên mã, vùng điều hòa và kết thúc phiên mã, cho phép mRNA của operon lac mang thông tin dịch mã cho ba gen trong một phân tử. Mặc dù có tranh cãi về thuật ngữ, mRNA của chúng ta được xem như đơn cistron, với mỗi gen chỉ mang thông tin cho một protein duy nhất, điều này là do chúng có vùng 5'UTR điều hòa riêng biệt và hoàn toàn độc lập về mặt chức năng.

Ở phía trước các gen cấu trúc của operon lac là các vùng điều hòa, bao gồm promoter (vùng khởi động) và operator (vùng điều hòa). Promoter chứa các trình tự bảo thủ như hộp Pribnow - Schaller (TATAAT) ở vị trí -10 và trình tự đồng nhất TTGACA ở vị trí -35, giúp RNA polymerase II nhận diện và khởi động quá trình phiên mã của operon lac. Ngoài ra, vùng khởi động này còn có vị trí cho phép protein CAP (phức hợp CAP-cAMP) tăng khả năng kết hợp của RNA polymerase với promoter.

Operator là một trình tự quan trọng trong việc điều hòa hoạt động gen. Trong điều kiện thiếu lactose, protein ức chế sẽ kết hợp với vùng 3' của operator và một phần của promoter, ngăn cản RNA polymerase di chuyển qua các gen lacZ, lacY và lacA, làm cho operon bị giảm hoạt động.

Ngoài các gen trong operon lac, gen lacI chịu trách nhiệm điều hòa hoạt động của operon bằng cách mã hóa protein ức chế. Trong điều kiện thiếu lactose, protein lacI sẽ kết hợp với operator, ức chế hoạt động của operon lac.

Operon lac có vai trò chính trong việc cho phép vi khuẩn phân giải và sử dụng lactose khi lactose là nguồn carbon duy nhất có sẵn trong môi trường. Tuy nhiên, khi có cả lactose và glucose dễ tiêu hóa hơn, cơ chế điều hòa dương tính sẽ làm cho operon lac bị tắt.

Cơ chế điều hòa hoạt động của operon lac

Operon lac điều hòa hoạt động của nó bằng hai cơ chế điều hòa: điều hòa dương tính và điều hòa âm tính. Ví dụ như một máy nghe nhạc, operon lac có thể được bật hoặc tắt (điều hòa âm tính), và khi đã bật, nó cũng có thể điều chỉnh âm lượng (volume) để sản xuất nhiều hoặc ít mRNA (điều hòa dương tính).

Điều hòa âm tính trong operon lac

Khi không có lactose, protein ức chế sẽ gắn vào phần đầu 3' của operator và một phần đầu 5' của promoter. Khi đó, RNA polymerase không thể di chuyển qua các gen lacZ, lacY và lacA, dẫn đến không sản xuất mRNA (tức operon không hoạt động). Tuy nhiên, liên kết giữa protein ức chế và operator khá yếu nên đôi khi protein ức chế có thể tách ra dù không có allolactose, tạo điều kiện cho RNA polymerase sản xuất mRNA từ các gen lacZ, lacY và lacA. mRNA này sau đó sẽ dịch mã ra các protein, đặc biệt là protein vận chuyển trên màng sinh chất để hấp thụ lactose khi có sẵn trong môi trường.

Khi có lactose trong môi trường (nhưng không có các đường đơn giản khác), lactose sẽ được chuyển hóa thành allolactose. Allolactose này sẽ đặc hiệu kết nối với domain tương ứng của protein ức chế. Là một chất điều hòa dị lập thể, allolactose khiến cho protein ức chế thay đổi cấu trúc không gian của vùng liên kết với operator. Kết quả là phức hệ allolactose-protein không thể gắn vào operator nữa. Khi đó, RNA polymerase có thể di chuyển qua các gen cấu trúc và sản xuất các protein liên quan đến phân giải lactose. Do đó, allolactose là chất kích thích (inducer) operon lac.

Khi lactose dần được tiêu thụ hết, allolactose sẽ dần tách khỏi protein ức chế (theo nguyên lý Le Chatelier) do liên kết giữa chúng yếu và có tính chất thuận nghịch. Protein ức chế sẽ trở lại cấu trúc ban đầu và gắn vào vùng điều hành, làm tắt operon.

• Operon
• Operon trp
• Operon ara

Chú thích