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 ở dưới:

 

Chủng đột biến	1	2	3	4	5
Kiểu gene

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.

I^S 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 Mỗi phát biểu sau đây là đúng hay sai?

Ở một loài vi khuẩn, operon A gồm 3 gene cấu trúc mã hóa 3 enzyme (X, Y, Z) tham gia chuyển hóa chất A, được sắp xếp theo thứ tự P – O – X – Y – Z (P là vùng  P, O là vùng O). Các trình tự DNA bình thường được kí hiệu P⁺, O⁺, X⁺, Y⁺, Z⁺. Các đột biến mất chức năng được kí hiệu là P^-, O^-, X^-, Y^-, Z^-. Người ta tạo ra 6 chủng vi khuẩn có kiểu gene lưỡng bội về operon A bằng cách chuyển thêm operon A từ bên ngoài vào tế bào vi khuẩn. Lượng enzyme có hoạt tính của các enzyme X, Y, Z trong 4 chủng vi khuẩn (1, 2, 3, 4) được xác định như trong bảng sau:

Chú thích:

- : Không có hoạt tính

++: hoạt tính trung bình

++++ : hoạt tính cao

? : Chưa được khảo sát

Hình dưới đây mô tả cấu trúc của operon Lac ở vi khuẩn E. coli. Cấu trúc số mấy có chức năng mã hóa cho các enzyme giúp vi khuẩn chuyển hóa và sử dụng đường lactose?

Vào những năm 1950, hai nhà khoa học Mono và Jacob đã nghiên cứu phát hiện ra cơ chế điều hoà 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 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 latose. Sau đó, xác định lượng các loại enzyme tham gia quá trình phân giải lactose trong tế bào (gồm enzyme beta-galatosidase 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 số 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.

Trong các chủng đột biến chủng nào có khả năng bị đột biến ở vùng P ?

Hình bên mô tả cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở vi khuẩn E. coli khi không có đường lactose. Trên hình enzyme RNA polymerase là cấu trúc số mấy?