Bài giảng Sinh hóa học - Gen và genome của sinh vật

•  GEN VÀ GENOME CỦA SINH VẬT HAI HỆ THỐNG SINH VẬT •  Dựa trên cơ sở cấu trúc và thành phần tế bào: –  Sinh vật tiền nhân (Prokaryote) đại diện là các vi khuẩn (Bacteria) và tảo lam (Cyanobacteria); –  Sinh vật nhân chuẩn (Eukaryote). PROKARYOTE •  Chưa có nhân hoàn chỉnh •  Không có phần lớn các bào quan và màng nhân, có vùng tương tự nhân gọi là nucleoid; •  Bộ gen gồm DNA cấu trúc sơ khai và cuộn với protein histone gọi là nhiễm sắc thể sơ khai. •  Prokaryote phân chia tế bào theo kiểu phân đôi, không có trung thể, không hình thành sợi tơ vô sắc và không có ty thể. •  DNA vòng nhỏ gọi là plasmid; •  Các yêú tố di truyền ngoài nhiễm sắc khác. EUKARYOTE •  Cấu trúc nhân hoàn chỉnh với màng nhân kép bao quanh, thỉnh thoảng bên trên có chứa các lỗ nhân. •  Hệ thống màng phức tạp, chứa mạng lưới nội chất (nhẵn và hạt), bộ máy Golgi, lysosome, ty thể và lục lạp (ở sinh vật quang hợp). •  Nhiễm sắc thể của eukaryote thẳng, có cấu trúc phức tạp giữa DNA, RNA và các protein histone. •  Gene di truyền –  Thời Mendel (1865), gen là yếu tố quyết định sự hình thành và phát triển một tính trạng bên ngoài. Có thể nói mỗi gen Mendel là một nhiễm sắc thể –  Morgan (1926) cho rằng: không phải một gen mà nhiều gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể và là các đơn vị không thể chia nhỏ hơn được nữa. –  Theo giả thuyết ”một gen – một enzym” của G.Beadle và E.Tatum (1940) cho rằng mỗi gen quyết định sự tồn tại và hoạt tính của một enzym. •  Gene phân tử:  là  trình  tự  trên  DNA  cần  thiết  để   tổng  hợp  1  sản  phẩm  chức  năng  có  thể  là  polypepDt   hoặc  RNA   – Gene  tổng  hợp  mRNA  mang  thông  Dn  qui  định   chuỗi  polypepDt   – Gene  tổng  hợp  tRNA,  rRNA  tham  gia  quá  trình   dịch  mã  tổng  hợp  protein   DNA  và  gene  ở  prokaryote   -­‐  Phân  tử  DNA  ở  prokaryote  không  cuộn  xoắn  với   protein  histon  và  nhiễm  sắc  thể  là  một  phân  tử  DNA   trần  dạng  vòng.     - Prokaryote không có cấu trúc nhân hoàn chỉnh, DNA được cô đặc trong vùng nhân. Ngoài ra, còn có DNA khác là các plasmid, nó cũng có dạng vòng nhưng nhỏ hơn DNA nhiễm sắc thể NST trần, dạng vòng Plasmid trong tế bào chất Lông roi Cấu  trúc  1  gene  ở  prokaryote   -  Các gene nằm trong một nhóm gọi là Operon. -  1 operon mang thông tin qui định sự tổng hợp, điều hòa một số protein chức năng. Operon mang gene tổng hợp Triptophan ở vi khuẩn E.coli Trình tự khởi động (promoter) của prokaryote Hộp Pribnov Bắt đầu phiên mã -­‐35 -­‐10 +1 TTGACA TATAAT DNA 5’      3’ 10   Cấu trúc Operon ở vi khuẩn 5’ 3’ mRNA A B C P T a c -35 -10 +1 Transcription b -10 -35 +1 Operator region RNA polymerase Cấu trúc gen ở sinh vật Eukaryote (nhân chuẩn, nhân thật) 5’ 3’ Intron Exon Tín hiệu chuyển peptit Vị trí gắn riboxom Hộp TATA (-25) Hộp AGGA/CAAT (-75) UAA, UAG, UGA Kết thúc dịch mã Bắt đầu  dịch mã Bắt đầu phiên mã AUG AATAAA Tín hiệu poly A hóa Kết thúc phiên mã Vùng upstream Vùng downstream Promoter Khung đọc mã 5UTR   3UTR   Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn •  Exon là trình tự mang thông tin di truyền, nằm ở 3 vùng nhất định của gen, thường được mã hóa sang protein. –  Vùng không dịch mã thành protein, làm tín hiệu bắt đầu phiên mã tạo RNA và chứa trình tự định hướng mRNA vào ribosome để dịch mã tạo protein. –  Vùng hai gồm các exon chứa thông tin di truyền dịch mã thành trình tự amino acid của protein. –  Vùng ba được phiên mã thành một phần của mRNA chứa tín hiệu để kết thúc phiên mã và cho phép gắn thêm đuôi poly A vào mRNA. •  Intron hay trình tự ‘câm’’,không mang thông tin di truyền. •  Có rất ít trình tự tương đồng giữa các intron của một gen và của các gen khác nhau, nhưng chúng đều có một số nucleotide nằm ở 2 đầu các intron rất giống nhau, các nucleotide này tham gia vào quá trình cắt intron. •  Trình tự không dịch mã đầu 5’ UTR (untranslation region) được tính từ nucleotide phiên mã đầu tiên đến bộ 3 nucleotide khởi đầu dịch mã AUG hoặc GUG. •  Trình tự không dịch mã đầu 3’ UTR được tính từ một trong 3 codon dừng dịch mã đến hết trình tự kết thúc phiên mã. •  Trình tự kết thúc phiên mã của nhiều gen có trình tự như sau: –  5’-CCCAGCCCGCCTAATGAGCGGGCTTTTTTT- 3’ Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn •  - Vùng khởi động (promoter) của nhiều gen sinh vật eukaryote đều có chung một số trình tự ở hộp CAAT (- 75) và TATA (-25). Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn VÙNG KHỞI ĐỘNG Hộp CAAT Hộp TATA Bắt đầu phiên mã -75 -25 +1 Vùng trình tự của gen điều khiển GGCCAATCT TATAAAA DNA 5’ 3’ •  -Các dấu hiệu gắn chuỗi poly A của mRNA có trình tự 5’- AAUAAA-3’ •  Vùng này nằm ở ngay trước đầu 3’nơi bắt đầu gắn polyA, dài từ 10 đến 30 nu, tiếp theo là vùng CA, rồi đến vùng giầu GU. Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn (Tiếp) •  Khung đọc mở hay khung đọc mã (open reading frame, ORF): bắt đầu từ một codon khởi đầu AUG và kết thúc bằng một trong 3 mã kết thúc là UAA/UAG/UGA. •  Mỗi bộ 3 nucleotide của khung đọc mở tương ứng với một codon mã hóa cho một amino acid. Khung đọc mở được đọc từ đầu 5’ - 3’ dọc theo phân tử mRNA, đọc từng mã một, đọc không chồng chéo và đọc cho đến tận mã kết thúc thì dừng lại. Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn (Tiếp) Gồm 3 vùng chính 1. Vùng khởi động (promoter): ở nhiều gen của sinh vật nhân chuẩn đều có chung một số trình tự ở hộp CAAT (-75) và TATA (-25) 2. Khung đọc mã (khung đọc mở): các bộ 3 nu kế tiếp nhau gồm các đoạn exon (mang thông tin di truyền) xen kẽ các đoạn intron (không mang thông tin di truyền) 3. Trình tự kết thúc phiên mã: trình tự 5’ – CCCAGCCCGCCTAATGAGCGGGCTTTTTT-3’ Chứa 2 đoạn dài 7 nu có trình tự bổ sung . Khi phiên mã tạo mRNA, ở đó hình thành cấu trúc kiểu “kẹp tóc” làm dừng quá trình phiên mã Vùng khởi động Có thể: - mỗi gen có một trình tự promoter nhất định - nhiều gen có một trình tự promoter giống nhau Khung đọc mã Bắt đầu bằng một codon khởi đầu: AUG hoặc GUG Kết thúc bằng một trong 3 mã kết thúc; UAA/UAG/ UGA Chức năng của gene phân tử 1.  Tái bản 2.  Phiên mã tạo RNA 3.  Dịch mã = sinh tổng hợp protein dựa trên khuôn mRNA Structure of a gene (prokaryote and eukaryote) Upstream vs Downstream Gene 5' 3' Sense strand 5' 3' Promoter region Antisense strand 5' 3' Transcription direction Downstream Upstream 23 Start codon Stop codon Promoter region •  Shine-Dalgarno box (AGGAGG) •  Pribnow box (TATAAT) •  Position-35 (TTGACA) Typical gene structure of prokaryote 5’ 3’ ORF Terminator 24 Typical gene structure of prokaryote -35 TTGACA -10 TATAT Shine- Dalgarno AGGAGG +1 ATG AUG 5‘ 3‘ TAG/TAA/TGA UAG/UAA/UGA Stop codon Positon for recognization of RNA pol RNA pol binding position Promoter region Start codon Pribnow box Genome là gì??? Photo  of  intracellular  bacterium  courtesy  of  Gregory  P.  Henderson  and   Grant  J.  Jensen,  California  InsDtute  of  Technology   Photo  of  free-­‐living  bacterium  courtesy  of  Karl   O.  Steper,  Universität  Regensburg   Photo  of  unicellular  eukaryote  courtesy  of  Eishi  Noguchi,   Drexel  University  College  of  Medicine   Photo  of  mulDcellular  eukaryote  courtesy  of  Carolyn  B.  Marks  and   David  H.  Hall,  Albert  Einstein  College  of  Medicine,  Bronx,  NY   Photo  of  higher  plant  courtesy  of  Keith  Weller/USDA   Photo  of  mammal  ©  Photodisc   Genome là gì??? GENOME 1. Khái niệm: Genome là một khái niệm dùng để chỉ toàn bộ các gen có trong một giao tử đơn bội. Lượng DNA của genome có trong một tế bào sinh vật, bao gồm tất cả các gen và các đoạn DNA giữa các gen. •  Genome của Eukaryote rất phức tạp về cấu trúc và chức năng. Hầu hết các Eukaryote đều chứa thông tin di truyền nằm trong các tổ chức khác nhau như: nhân, ty thể, lục lạp (có ở các sinh vật quang hợp). •  Thông tin di truyền còn có ở trong một số virus, viroid, vi khuẩn sống ký sinh. 09_25_Chromosome22.jpg   6000 genes ở nấm men; 18,500 ở giun; 13,600 ở ruồi dấm; 25,000 ở cây Arabidopsis; và khoảng 20,000 tới 25,000 ở chuột và người; ở lúa lại có tới 40 000 gene. Số lượng gen ở một số sinh vật nhân chuẩn Số lượng gen Số gen và NST trong một số sinh vật Loài DNA tổng số (bp) Số nhiễm sắc thể (2x) Số lượng gen Vi khuẩn (Escherichia coli) Nấm men (Saccharomyces cerevisiae) Tuyến trùng(Caenorhabditis elegans) Thực vật (Arabidopsis thaliana) Ruồi dấm (Drosophila melanogaster) Lúa nước (Oryza sativa) Chuột (Mus musculus) Người (Homo sapiens) 4.639.221 12.068.000 97.000.000 125.000.000 180.000.000 480.000.000 2.500.000.000 3.200.000.000 1 16 12 10 18 24 40 46 4.405 6.200 19.000 25.500 13.600 57.000 30.000-35.000 30.000-35.000 Kích thước genome Ở người: chiều dài trung bình của 1 gen là 27kb. Ý  nghĩa  của  việc  xen  kẽ  các  vùng  intron  và  exon?   Genome là toàn bộ các gen có trong một giao tử đơn bội của loài Genome nhân  -­‐  Genome của nhân được cấu trúc từ bộ nhiễm sắc thể gồm các cặp tương đồng - Genome ở nhân của các loài khác nhau chứa hàm lượng DNA khác nhau. - Bộ nhiễm sắc thể trong nhân có số lượng, kích thước và hình dạng xác định khác nhau đặc trưng theo từng loài Các loại DNA trong genome nhân (1) Loại DNA lặp lại ở mức độ cao: •  Thường chiếm khoảng 10% DNA của mỗi tế bào •  Trình tự ngắn dưới 10 cặp bazơ •  Có từ 105 – 107 bản sao cho mỗi genome. •  Những trình tự này thường không mã hoá và thường gắn các vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể Các loại DNA trong genome nhân 2. Loại DNA có trình tự lặp lại thấp hoặc trung bình: -  chiếm khoảng 20%. -  chứa các đoạn lặp lại có kích thước lớn hơn (100 cặp bazơ, được lặp lại từ một vài đến hàng ngàn lần -  Một số trong chúng có chức năng mã hoá tạo ra rRNA, mRNA hay rRNA 5S. -  Ví dụ 2 gen tạo histone và RNA ribosome là các gen lặp lại nhiều lần trong genome nhân. Genome nhân của V.faba có khoảng 4750 gen tạo ra rRNA trong khi đó genome của V.sativa chỉ có khoảng 1875 Các loại DNA trong genome nhân (3) Loại DNA chứa trình tự duy nhất: -  chiếm khoảng 70%. -  Chỉ có một bản và những trình tự này chỉ lặp lại đôi lần, mã hoá cho các protein. -  Trong hầu hết các cây trồng, chỉ có khoảng 20 - 40% của bộ genome là có chứa trình tự DNA chỉ lặp lại một lần. The Repetitive DNA Content of Genomes Các loại DNA trong genome nhân •  DNA mã hóa •  DNA không mã hóa –  Nhóm lặp lại nhiều lần –  Nhóm ít lặp –  Nhóm không lặp Genome ty thể Genome ty thể Chức năng/ Sản phẩm   Gen   Bộ máy dịch mã   RNA ribosome   rrn5, rrn18, rrn26   Protein ribosome   Bán phân tử nhỏ   Bán phân tử lớn   rps1,rps3, rps7, rps12   rps13, rps14, rps19   rp12, rp15, rp116   RNA vận chuyển   Ít nhất là 16   Các bán phân tử của các chuỗi hô hấp   NADH dehydrogenase   nad1, nad2, nad3, nad4, nad41, nad5, nad6, nad7, nad9   Cytochrome b   Cob   Cytochrome c oxidase   cox I, coxII, coxIII   ATP synthase   atp1, atp16, atp9   Cytochrome c biogenesis   Ít nhất là 4 gen   Khung đọc mã bảo thủ   (conserved open reading frames)   Ít nhất đã biết 10 gen   •  Số lượng bản sao của genome ty thể còn chưa được biết rõ: - có từ 5 – 10 genome/ty thể. -  Ví dụ: Mỗi ty thể của người có khoảng 10 phân tử giống nhau (khoảng 8000/tế bào), trong khi ở S. cerevisiae số lượng này là khoảng 6500, gần 100 genome /1 ty thể •  DNA ty thể tồn tại chủ yếu ở dạng mạch vòng kép, đôi khi có xuất hiện dạng mạch thẳng như: nấm men, Paramecium, Chlamydomonas. Genome ty thể •  Thông tin di truyền trong genome ty thể: genome ty thể chứa các gen mã hóa cho rRNA của ty thể và một số enzyme protein tham gia vào chuỗi hô hấp. •  Ngoài ra, ty thể còn chứa các gen mã hóa tRNA, protein ribosome và một số protein khác liên quan đến quá trình phiên mã, dịch mã, và vận chuyển các protein khác vào ty thể từ tế bào chất. Genome ty thể Genome lục lạp Genome lục lạp Genome lục lạp •  Lục lạp chứa DNA ở dạng các phân tử kép có cấu trúc vòng. Mỗi lục lạp chứa nhiều phân tử DNA, tuy nhiên mỗi phân tử DNA đều chứa các gen giống nhau. •  Thông tin di truyền chứa trong genome lục lạp: hầu hết genome của lục lạp có khoảng 200 gen. Các gen này mã hoá cho các RNA ribosome và vận chuyển đồng thời mã hoá cho các protein của ribosome và các protein cần cho hoạt động quang hợp. Gen   Số Intron   Chức năng   Ghi chú   trnL – UAA   1   tRNA   TrnI - GAU   1   tRNA   TrnA - UGC   1   tRNA   TrnV - UAC   1   tRNA   TrnG - UCC   1   tRNA   TrnK - UUU   1   tRNA   Rps12   3 exon   Protein ribosome   Gắn Trans   AtpF1   1   Bán phân tử của ATP synthase   Rps16   1   Protein ribosome   NdhA   1   Bán phân tử NADH dehydrogenase   NdhB   1   Bán phân tử NADH dehydrogenase   23 Sr ADN   1   23S rRNA   Các gen của lục lạp và chức năng Genome của vi khuẩn •  Có rất ít trình tự DNA lặp lại •  Phần lớn các vi khuẩn chỉ có một nhiễm sắc thể/tế bào. DNA của vi khuẩn cũng ở dạng vòng, chuỗi kép •  Vi khuẩn còn chứa dạng DNA khác được gọi là plasmid có kích thước bé hơn, dạng vòng, có khả năng tự nhân bản. Các plasimid thường chứa một số gen có tính đặc thù cao. Vi khuẩn (tiếp..) •  Có 2 dạng gen nhảy –  Dạng gồm trình tự di truyền vận động TG (transposase gene) nằm giữa 2 đoạn lặp cùng chiều IR (inverted repeat) còn gọi là đoạn xen IS (insert sequence dài 800-1500bp). Đoạn IS có thể gắn vào DNA NST hoặc plasmid làm thay đổi trình tự gene và có thể tách ra, trình tự đoạn gen trở lại như cũ. –  Gen nhảy kết hợp với gen mã hóa chất kháng sinh àcó thể sử dụng đặc trưng về kích thước, trình tự đoạn IS để chẩn đoán bệnh nhiễm khuẩn bằng kỹ thuật PCR Plasmid •  Kích thước 1 - 200 Kb. Mỗi plasmid có chứa một trình tự gốc tái bản DNA (ORI). •  Một số plasmid có mặt khoảng từ 10 - 100 bản sao trong một tế bào ký chủ, đây là những plasmid có số lượng bản sao lớn. •  Một số plasmid khác chỉ chứa từ 1 - 4 bản sao trong một tế bào và được gọi là plasmid có số lượng bản sao thấp. •  Lượng DNA plasmid trong một tế bào vi khuẩn rất ít khi vượt quá 0,1 đến 5% DNA tổng số vi khuẩn. Virus •  Virus chưa có cấu tạo tế bào, bộ gen virus có cấu trúc tương đối đơn giản, số lượng gen ít. •  Các họ virus khác nhau có cấu trúc vật chất di truyền khác nhau là RNA hoặc DNA •  Có các nhóm –  RNA sợi đơn: là dạng phổ biến –  RNA sợi kép: ít gặp (Reovirus – gây bệnh sốt lưỡi xanh ở cừu) –  DNA sợi đơn: phage M 13, phage ϕ X174 Virus (tiếp) •  Trong bộ gen virus có những vùng thay đổi mạnh (hypervariable region), tính chất này giúp virus thích ứng nhanh với điều kiện thay đổi của môi trường. •  Virus RNA tái bản nhờ hoạt động của enzyme phiên mã ngược reverse transcriptase, từ RNA tạo cDNA dùng làm khuôn cho quá trình phiên mã. Genome virus Virus   Độ lớn của DNA virus (bp)   Chiều dài của DNA virus (nm)   Đường kính chiều dài của thể virus (nm)   φX174   5.386   1.939   25   T7   39.936   14.377   78   λ(lambda)   48.502   17.460   Kích cỡ DNA của một số virus Thể  thực  khuẩn  -­‐  Phage   + Genome thể sống ký sinh •  Một số tế bào, mô ở một số sinh vật có thể còn có các thể sống ký sinh bên trong. •  Thể sống ký sinh có thể có lợi nhưng đa phần là có hại đó là virus, viroid, nấm, sán, giun, vi khuẩnvà chúng cũng có genome riêng và cũng có chứa các gen mang thông tin di truyền tạo ra polypeptide. •  Nếu các gen hoạt động thì cũng biểu hiện hoặc đóng góp vào sự biểu hiện nên tính trạng của sinh vật. Đặc  điểm   Prokaryote   Eukaryote   Kích  thước  Genome  (bp)   104-­‐107   108-­‐1011   Các  trình  tự  DNA  lặp  lại   Một  số   Nhiều   Đoạn  DNA  không  mã  hóa  xen  với  đoạn  mã  hóa   Hiếm   Phổ  biến   Quá  trình  phiên  mã  và  dịch  mã  diễn  ra  riêng   biệt   Không   có   DNA  tách  nhau  ra  trong  nhân   Không   có   DNA  liên  kết  với  protein   Chỉ  một  số  ít   Nhiều  loại   Vùng  khởi  động   Có   có   Vùng  tăng  cường/ức  chế  trên  DNA   Hiếm   Phổ  biến   Sự  gắn  mũ  và  đuôi  polyA  vào  mRNA   Không   Có   Sự  cắt,  nối  mRNA   Hiếm   Phổ  biến   Số  nhiễm  sắc  thể   Một   Nhiều   DNA lặp lại trong genome Các loại DNA lặp lại trong hệ gen DNA di động và cơ chế chuyển vị Các loại DNA lặp lại trong hệ gen Trình tự lặp lại liền kề (Tandemly repeated DNA) Trình tự lặp lại phân bố rải rác trong genome Trình tự DNA lặp lại liền kề trên NST ruồi giấm Trình tự lặp lại liền kề (Tandemly repeated DNA) Đoạn DNA chứa những trình tự lặp lại liền nhau hình thành nên các băng vệ tinh khi phân tích DNA bằng phương pháp ly tâm chênh lệch tỷ trọng Một gen có thể chứa nhiều loại DNA vệ tinh với đơn vị lặp lại khác nhau Kích thước đơn vị lặp lại: 200bp Minisatellite Là đoạn DNA có đơn vị lặp lại <25bp, chiều dài khoảng 20 kb hpp://flylib.com/books/en/2.643.1.51/1/   Microsatellite orchid.or.jp   Đơn vị lặp lại ngắn: 4bp hoặc ngắn hơn, chiều dài <150 bp Trình tự lặp lại phân bố rải rác trong genome Các yếu tố di truyền có khả năng di động giữa các vị trí khác nhau trong một hay nhiều gen đã tạo ra các trình tự lặp lại phân bố rải rác trong genome DNA di động (transposon) Cấu trúc chung Trình tự lặp lại ngược chiều (IR) Chuyển vị qua RNA Retroposon RNA cDNA Retroposon (cũ) Retroposon(mới) Phiên mã Phiên mã ngược Tái tổ hợp Chuyển vị không qua RNA Vị trí nhận Vị trí nhận Vị trí cho Vị trí cho Vị trí nhận Vị trí cho Cơ chế tự tái bản, số lượng transposon tăng lên sau mỗi lần sao chép Cơ chế bảo tồn, số lượng transposon không tăng lên Trình tự chèn (IS) IS1 ở E.coli Xác định gene trong genome? •  Tìm kiếm gene hoặc dự đoán gene là quá trình xác định gene trong chuỗi trình tự DNA hoặc trong toàn bộ genome 72 Where am I? Lập bản đồ genome •  Lập bản đồ gene (genome mapping) là việc chỉ ra vị trí và các thông tin sinh học vào của những đoạn DNA trên NST. •  Bản đồ di truyền: sử dụng các kỹ thuật di truyền kinh điển (lai, nghiên cứu phả hệ) để xác định các gene, vùng DNA liên quan đến tính trạng, kiểu hình. Khoảng cách giữa các gene được xác định thông qua tần số trao đổi chéo. •  Bản đồ vật lý: sử dụng các kỹ thuật SHPT hiện đại để xác định trình tự và khoảng cách của các gene, DNA theo chiều dài vật lý. Bản đồ gene Footprinting technique 77 •  The promoter sequence is variable •  RNA pol can recognize many different promoters Sequence alignment of the promoter sequenes in E.coli Hoạt động của gen •  Một gen - đơn vị DNA tái bản quyết định hoặc tạo nên tính trạng.