Điều hòa hoạt động gen là quá trình tế bào kiểm soát việc biểu hiện gen, tức là quyết định gen nào sẽ được phiên mã và dịch mã thành protein, và với mức độ nào. Điều này đảm bảo rằng tế bào chỉ sản xuất các protein cần thiết tại thời điểm thích hợp, giúp tiết kiệm năng lượng và duy trì hoạt động bình thường.

• Đơn giản và tập trung: Chủ yếu xảy ra ở cấp độ phiên mã.
• Operon: Nhiều gen liên quan đến một chức năng được sắp xếp thành một cụm gọi là operon, cùng được điều hòa bởi một promoter và một operator.
• Protein ức chế: Khi chất ức chế gắn vào operator, nó ngăn cản RNA polymerase liên kết với promoter, ức chế quá trình phiên mã.
• Chất cảm ứng: Chất cảm ứng có thể liên kết với protein ức chế, làm biến đổi cấu hình của protein này, khiến nó không còn gắn được vào operator, cho phép quá trình phiên mã diễn ra.
• Ví dụ: Operon Lac ở vi khuẩn E. coli.

• Phức tạp và đa dạng: Điều hòa xảy ra ở nhiều cấp độ, từ trước phiên mã đến sau dịch mã.
• Cấu trúc nhiễm sắc thể: ADN của sinh vật nhân thực được đóng gói chặt chẽ trong nhiễm sắc thể, chỉ những vùng ADN được tháo xoắn mới có thể tham gia phiên mã.
• Các yếu tố phiên mã: Các protein đặc hiệu gọi là yếu tố phiên mã có thể liên kết với các vùng điều hòa của gen, kích hoạt hoặc ức chế quá trình phiên mã.
• Các loại ARN nhỏ: Các loại ARN nhỏ như miRNA và siRNA có thể liên kết với mARN, ngăn cản quá trình dịch mã hoặc gây thoái hóa mARN.
• Biến đổi hậu phiên mã: Sau khi phiên mã, mARN sơ khai phải trải qua quá trình cắt nối, thêm mũ và đuôi polyA để tạo thành mARN trưởng thành. Quá trình này cũng có thể bị điều hòa.
• Biến đổi hậu dịch mã: Protein sau khi được tổng hợp có thể bị biến đổi về cấu trúc hoặc được gắn thêm các nhóm chức năng để hoạt động.

Ở tế bào nhân sơ, điều hòa gen chủ yếu diễn ra ở cấp độ phiên mã. Mô hình operon Lac là ví dụ điển hình. Trong mô hình này, một nhóm gen cấu trúc liên quan đến quá trình chuyển hóa lactose được đặt dưới sự kiểm soát của một đoạn ADN gọi là operon. Operon bao gồm các thành phần sau:

• Gen điều hòa: Mã hóa protein ức chế.
• Vùng vận hành: Nơi protein ức chế bám vào.
• Vùng khởi động: Nơi enzim ARN polymerase bám vào để bắt đầu phiên mã.

Khi có lactose, chất này sẽ liên kết với protein ức chế, làm biến đổi cấu hình của protein này và khiến nó không còn khả năng bám vào vùng vận hành. Điều này cho phép enzim ARN polymerase bám vào vùng khởi động và tiến hành phiên mã, tạo ra mARN mã hóa các enzyme cần thiết để phân giải lactose.

Ở tế bào nhân thực, quá trình điều hòa gen phức tạp hơn nhiều và xảy ra ở nhiều cấp độ khác nhau, bao gồm:

• Điều hòa phiên mã:
  • Các yếu tố phiên mã: Các protein đặc hiệu liên kết với các vùng điều hòa của gen để kích hoạt hoặc ức chế quá trình phiên mã.
  • Cấu trúc nhiễm sắc thể: Sự đóng gói của ADN vào nhiễm sắc thể ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của các yếu tố phiên mã.
  • Methyl hóa ADN: Việc thêm các nhóm methyl vào ADN có thể làm bất hoạt gen.
• Điều hòa sau phiên mã:
  • Biến đổi mARN: Sau khi phiên mã, mARN sơ khai phải trải qua quá trình cắt ghép và bổ sung đuôi polyA để trở thành mARN trưởng thành.
  • Điều hòa sự vận chuyển mARN ra khỏi nhân: Chỉ những mARN trưởng thành mới được vận chuyển ra khỏi nhân để tham gia quá trình dịch mã.
• Điều hòa dịch mã:
  • Các yếu tố khởi đầu dịch mã: Các protein này có vai trò quan trọng trong việc bắt đầu quá trình dịch mã.
• Điều hòa sau dịch mã:
  • Biến đổi protein: Sau khi được tổng hợp, protein có thể bị biến đổi để hoạt động hoặc bị phân hủy.