Giáo án Bài 3. Điều hoà biểu hiện gene

HS nhận ra tế bào không sản xuất tất cả sản phẩm gene với cùng mức, cùng thời điểm và cùng nơi, từ đó xác định vấn đề cần tìm hiểu về điều hòa biểu hiện gene.

GV đưa tình huống: Một tế bào vi khuẩn sống trong môi trường có glucose, lúc có lactose và lúc không có lactose. Nhiệm vụ cá nhân: (1) Theo em, tế bào có cần tạo cùng một lượng enzyme phân giải lactose trong mọi điều kiện không? Vì sao? (2) Một tế bào nhân thực có cần biểu hiện mọi gene ở mọi tế bào, mọi thời điểm không? Lấy ví dụ tế bào hồng cầu và tế bào gan để minh họa. (3) Nêu một lý do vì sao cơ thể cần điều chỉnh sản phẩm gene theo thời điểm.

HS viết được ít nhất hai ý cho mỗi câu. Câu trả lời mong đợi: (1) Không, vì tế bào chỉ cần enzyme khi có nguồn lactose và tạo ra như vậy là tiết kiệm năng lượng và nguyên liệu. (2) Không, các tế bào khác nhau biểu hiện bộ gene khác nhau; ví dụ hồng cầu tổng hợp nhiều hemoglobin, tế bào gan tổng hợp nhiều enzyme chuyển hóa. (3) Tế bào cần phản ứng kịp thời với thay đổi môi trường và các giai đoạn phát triển. Từ đó GV dẫn dắt đến khái niệm điều hòa biểu hiện gene.

HS nêu được khái niệm điều hòa biểu hiện gene và kể được các mức điều hòa ở sinh vật nhân thực.

Nhóm 4 HS hoàn thành khăn trải bàn gồm 3 phần: (1) Khái niệm điều hòa và ba yếu tố: mức, thời điểm, vị trí. (2) Năm mức điều hòa ở nhân thực: tính tiếp cận chromatin, phiên mã, xử lí RNA, dịch mã, biến đổi và thoái hóa protein. (3) Câu hỏi thảo luận: Nếu tế bào chỉ điều hòa ở mức phiên mã thì có những hạn chế gì? Vì sao cần nhiều mức điều hòa? Phân biệt điều hòa biểu hiện gene với thay đổi trình tự gene như thế nào?

Sơ đồ khăn trải bàn gồm: Điều hòa = điều chỉnh mức, thời điểm và vị trí tạo sản phẩm gene. Nhân thực có nhiều mức: tiếp cận chromatin (mở hay đóng chất nhiễm sắc), phiên mã, xử lí RNA, dịch mã, biến đổi và thoái hóa protein. Nhiều mức giúp tế bào điều chỉnh tinh vi và linh hoạt hơn, nhưng mỗi mức có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nhau nên không nên suy luận rằng chỉ một mức quyết định toàn bộ. Điều hòa không làm thay đổi trình tự nucleotit của gene, còn thay đổi trình tự là biến đổi vật liệu di truyền.

HS giải thích được cơ chế điều hòa operon lac ở vi khuẩn, mô tả được vai trò của gene điều hòa, chất ức chế, vùng vận hành và gene cấu trúc.

Kĩ thuật mảnh ghép: Nhóm gốc 4 HS, mỗi HS nhận một thẻ chủ đề (A: gene điều hòa và chất ức chế; B: vùng vận hành và cơ chế cản phiên mã; C: chất cảm ứng lactose và gene cấu trúc). Các HS cùng chủ đề họp nhóm chuyên gia 5 phút, sau đó về nhóm gốc để giảng lại. Cả nhóm hoàn thành Phiếu học tập số 1. Câu hỏi GV đặt ra: (1) Operon lac là gì và các gene trong operon dùng chung cơ chế điều hòa như thế nào? (2) Khi có chất ức chế gắn vùng vận hành thì phiên mã gene cấu trúc bị ảnh hưởng ra sao? (3) Lactose đóng vai trò gì với chất ức chế?

Phiếu học tập số 1 hoàn thành gồm: Operon lac là mô hình các gene dùng chung cơ chế điều hòa ở vi khuẩn. Chất ức chế là protein có thể gắn vùng vận hành để cản phiên mã. Khi chất ức chế gắn vùng vận hành, gene cấu trúc khó được phiên mã. Lactose thích hợp là chất cảm ứng, tạo ra sự bất hoạt chất ức chế, nhờ đó gene cấu trúc được phiên mã. Gene điều hòa không nhất thiết là một thành phần của operon; nó có thể nằm ngoài operon và vẫn tạo ra chất ức chế.

HS giải thích được vì sao chỉ có lactose chưa đủ để khẳng định gene cấu trúc biểu hiện tối đa và nêu được điều kiện cần để kiểm tra kết luận bằng thí nghiệm.

Cặp đôi thảo luận 3 câu hỏi: (1) Nếu môi trường có lactose nhưng cũng có glucose thì điều gì có thể xảy ra với mức biểu hiện operon lac? (2) Vì sao không thể kết luận “có lactose là biểu hiện tối đa” chỉ từ quan sát một điều kiện? (3) Một thí nghiệm kiểm tra cần tách biến nào và so sánh mẫu thế nào? GV dùng ví dụ trong bài để đưa vào hệ CAP – cAMP.

Glucose còn ảnh hưởng đến hoạt hóa phiên mã qua hệ CAP – cAMP, nên lactose chỉ là một điều kiện, chưa đủ khẳng định biểu hiện tối đa. Muốn kết luận chắc chắn cần so sánh các mẫu cùng điều kiện, tách đúng biến số (ví dụ chỉ thay đổi lactose), đo lượng RNA hoặc protein phù hợp ở thời điểm tương đương. Kết luận chỉ đúng trong điều kiện thí nghiệm đã thực hiện.

HS vận dụng kiến thức để chọn đúng khái niệm, nhận biết quan niệm sai, dự đoán kết quả khi chủng mô hình bị thay đổi và thiết kế đối chứng kiểm tra kết luận.

Phiếu học tập số 2 gồm các câu: (1) Điều hòa được hiểu đúng như thế nào? A. thay đổi trình tự mọi gene đang hoạt động; B. điều chỉnh mức, thời điểm và vị trí tạo sản phẩm gene; C. làm tất cả gene có cùng mức sản phẩm. (2) Operon lac được hiểu đúng như thế nào? A. cụm gene nhân thực luôn có intron chung; B. một gene điều hòa đơn lẻ nằm ngoài mọi vùng cấu trúc; C. mô hình các gene dùng chung cơ chế điều hòa ở vi khuẩn. (3) Ghép: Điều hòa; Operon lac; Chất ức chế với các nội dung tương ứng. (4) Đúng hay sai: Có lactose thì operon lac luôn phiên mã ở mức tối đa bất kể glucose. (5) Hai lô vi khuẩn cùng glucose, khác lactose; muốn kiểm tra tác động lên phiên mã lac nên đo gì? A. Lượng mRNA các gene cấu trúc sau cùng thời gian; B. Chỉ kích thước tế bào; C. Chỉ trình tự gene trước xử lí. (6) Chủng mô hình mất khả năng gắn chất ức chế lên vùng vận hành. Dự đoán khi không có lactose và giải thích cơ chế, nêu giới hạn kết luận. (7) Thiết kế kiểm tra một xử lí làm tăng phiên mã hay chỉ bền protein hơn. (8) Mô hình mRNA từ 20 lên 80 đơn vị cùng chuẩn hóa. Tăng gấp mấy lần?

Đáp án: (1) B. (2) C. (3) Điều hòa – điều chỉnh mức, thời điểm và vị trí tạo sản phẩm gene; Operon lac – mô hình các gene dùng chung cơ chế điều hòa ở vi khuẩn; Chất ức chế – protein có thể gắn vùng vận hành để cản phiên mã. (4) Sai, vì glucose còn ảnh hưởng hoạt hóa qua hệ CAP – cAMP và điều kiện cảm ứng chưa đủ cho biểu hiện tối đa. (5) A, vì mRNA phản ánh sản phẩm phiên mã trong điều kiện so sánh, cần chuẩn hóa số tế bào và thời gian. (6) Gene cấu trúc có thể vẫn được phiên mã vì mất ngăn cản ở bước này; không suy luận tối đa vì còn điều hòa khác; cần so với chủng đối chứng cùng glucose. Thang gợi ý: dự đoán 0,4; cơ chế 0,4; giới hạn 0,2. (7) Đo cả mRNA và protein theo thời gian ở lô xử lí và đối chứng. Protein tăng mà mRNA không tăng gợi ý cơ chế sau phiên mã, nhưng chưa đủ để chỉ ra duy nhất độ bền; cần đo tốc độ tổng hợp và thoái hóa. Thang gợi ý: hai phép đo 0,5; so sánh 0,3; giới hạn 0,2. (8) $\dfrac{80}{20}=4$, tăng 4 lần.

HS vận dụng kiến thức về điều hòa biểu hiện gene và điều kiện kết luận để đánh giá một bản tin khoa học giả định.

Bản tin giả định: “Một nhóm nghiên cứu báo cáo chất X làm tăng 2 lần protein của một gene vi khuẩn, nên kết luận chất X kích hoạt phiên mã gene đó.” Nhiệm vụ nhóm: (1) Nêu 2 điều kiện cần có để kết luận về phiên mã. (2) Chỉ ra kết luận nào vượt quá bằng chứng. (3) Đề xuất một thí nghiệm kiểm tra có đối chứng.

Mẫu đánh giá gồm: Điều kiện 1: đo cả mRNA và protein theo thời gian, so sánh lô xử lí với đối chứng cùng điều kiện. Điều kiện 2: tách đúng biến số, chỉ thay đổi chất X. Kết luận vượt bằng chứng: protein tăng chưa đủ chứng minh tăng phiên mã, vì có thể do bền protein hơn. Đề xuất: đo mRNA và protein song song theo thời gian, đo thêm tốc độ thoái hóa protein để phân biệt cơ chế.