Một phòng thí nghiệm có 10 chủng vi khuẩn E. coli mang các đột biến khác nhau nằm trên operon lac của các vi khuẩn này. Mỗi chủng vi khuẩn mang một trong 5 đột biến: LacZ⁻, LacY⁻, LacI⁻, LacI^S (LacI^S mã hoá chất ức chế có thể bám vào operator nhưng không thể bám vào chất cảm ứng), hoặc LacO⁻ (Operator của operon lac đột biến làm chất ức chế không thể bám vào nó). Biết rằng chủng số 6 là một thể đột biến LacZ⁻.

Phân lập đoạn DNA mang operon lac từ mỗi chủng (gọi là chủng cho) và biến nạp đoạn DNA này vào các chủng khác, tạo ra chủng lưỡng bội từng phần (gọi là chủng nhận). Sau đó, các chủng nhận được nuôi trên môi trường tối thiểu chứa lactose là nguồn carbon duy nhất. Sự sinh trưởng của các chủng được ghi lại trong ảnh dưới đây (dấu “+” biểu thị chủng đang sinh trưởng, dấu “−” biểu thị chủng không sinh trưởng được).

Các nhà khoa học nghiên cứu tốc độ phiên mã của một loại RNA polymerase chứa đột biến thay thế một amino acid so với chủng nấm men thông thường. Ở thí nghiệm thứ nhất, họ đã xác định được tốc độ phiên mã tối đa trong điều kiện bình thường của loại RNA polymerase trên và so sánh với RNA polymerase kiểu dại (Hình 8a).

Trong thí nghiệm thứ hai, các nhà khoa học lần lượt xử lý chủng nấm men kiểu dại và chủng nấm men đột biến với dung dịch amanitin có nồng độ 40 ng/mL và đo tốc độ phiên mã tối đa ở cả hai chủng (Hình 8b). Biết rằng hợp chất amanitin (được tìm thấy ở nhiều loài nấm độc) là một hợp chất có khả năng bám vào trung tâm hoạt động và ức chế hoạt tính của RNA polymerase.

Nghiên cứu gene cấu trúc tham gia vào sự chuyển hoá một chất X gồm A, B, D và E. Một trình tự C liên kết với các trình tự A, B và D, còn E nằm cách xa. Người ta phân lập được các đột biến khác nhau ở trình tự C có ảnh hưởng đến sự biểu hiện của các gene cấu trúc. Họ tạo ra các kiểu gene ở các locut của gene A và trình tự C rồi xác định enzyme do gene A mã hoá có được tạo thành khi có mặt hoặc không có mặt chất X như sau:

C^C, C⁻: Đột biến; C⁺: bình thường.

Dấu (+): enzyme A được tổng hợp; dấu (−): enzyme A không được tổng hợp.

Hình 4 minh họa vai trò của protein TET trong quá trình oxygen hóa 5mC thành 5hmC và sự tương tác của yếu tố phiên mã với nucleosome để điều chỉnh biểu hiện gene. Hình 4A mô tả hoạt động của protein TET, khi TET xúc tác quá trình chuyển đổi 5-methylcytosine (5mC) thành 5-hydroxymethylcytosine (5hmC). Hình 4B minh họa vai trò của yếu tố phiên mã (TF) trong quá trình điều chỉnh hoạt động của TET. Khi TF₁ liên kết với nucleosome thì TET được gắn với vị trí tại đó, oxygen hóa 5mC thành 5hmC. TF₂ được gắn tiếp theo , với TF₁ làm thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể, có thể liên quan đến quá trình kích hoạt enhancer (một yếu tố tăng cường phiên mã).

Trong quá trình hoạt động của TET, điều gì xảy ra với cấu trúc nhiễm sắc thể?

Vùng nào của gene quyết định cấu trúc phân tử protein do gene đó quy định tổng hợp?

Hình 1 mô tả khái quát cấu trúc một phân tử sinh học trong tế bào, đó là phân tử nào?

Mã di truyền mang tính thoái hoá nghĩa là:

Ở người, quá trình tổng hợp protein sữa của người mẹ để nuôi con được thực hiện từ lúc người mẹ bắt đầu mang thai. Các gene mang thông tin về cấu trúc của protein sữa sẽ tiến hành phiên mã để tổng hợp mRNA và dự trữ mRNA trong tế bào. Sau đó, khi người mẹ sinh con thì kho dự trữ mRNA được huy động để đồng loạt dịch mã nhằm tạo ra lượng lớn protein sữa để nuôi con. Quá trình tạo ra lượng lớn mRNA như trên là điều hòa hoạt động gene ở cấp độ nào sau đây? 

Hình 3 mô tả cơ chế di truyền cấp độ phân tử của sinh vật

Phát biểu nào sau đây là đúng về quá trình này?

Một operon X có các vùng trình tự quy định chức năng được ký hiệu M, N, P, Q, tổng hợp các enzyme 1 và enzyme 2 phân giải chất X. Trong đó, mỗi vùng trình tự đã ký 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 hòa điều khiển hoạt động operon X tổng hợp protein điều hòa 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.

Hình dưới đây mô tả cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở operon lac của vi khuẩn E. coli trong môi trường có lactose.

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 đường lactose. Enzyme này tương ứng với vị trí nào trên hình 8?

Hình 7 cho thấy kết quả xác định mức biểu hiện (qua phiên mã và dịch mã) của gene Z mã hóa enzyme \(\beta \)-galactosidase ở chủng E. coli kiểu dại, sinh trưởng trong môi trường tối thiểu ban đầu không có lactose và được bổ sung một lượng nhất định lactose vào phút thứ 3. Các đường đồ thị (1), (2) biểu thị sản phẩm của gene Z (lượng enzyme \(\beta \)-galactosidase hoặc lượng mRNA).

Phân tử mRNA được tổng hợp theo chiều

Một nhà khoa học tiến hành nuôi cấy một chủng vi khuẩn E. coli bình thường trong môi trường có cả glucose và lactose. Người ta còn thêm vào môi trường một chất chỉ thị màu, chất này sẽ biến từ trắng sang xanh nếu có xuất hiện protein enzyme của gene lacZ. Kết quả thí nghiệm cho thấy ban đầu mỗi ống nuôi cấy có màu trắng, sau đó 6 giờ mới bắt đầu chuyển sang màu xanh. Sơ đồ nào trong Hình 11 thể hiện đúng nhất xu hướng biến đổi nồng độ protein của gene lacZ trong ống nuôi cấy?

Vai trò của operon trong điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân sơ là gì? 

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).

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?

Loại nucleic acid nào sau đây là thành phần cấu tạo của ribosome?

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 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?