Bài giảng Sinh học phân tử - Chương V: Cơ chế gây biến đổi ADN

Chương V CƠ CHẾ GÂY BIẾN ĐỔI ADN Đột biến là gì? Điều gì xảy ra khi DNA bị đột biến Khái niệm Đột biến Đột biến là những thay đổi đột ngột có khả năng di truyền trong vật chất di truyền Bất kỳ một thay đổi nào trên phân tử DNA đều được coi là đột biến Thể đột biến: sinh vật có biểu hiện kiểu hình khác thường do kết quả của đột biến 1. Đột biến có thể xảy ra trên 1 cặp bazơ nitơ/DNA hay Nhiễm sắc thể - Đột biến soma: đột biến xảy ra ở các tế bào sinh dưỡng; chỉ ảnh hưởng tới 1 cá thể và không có khả năng nhân lên - Đột biến sinh dục: là những đột biến có khả năng di truyền qua các thế hệ. 2. Tần số đột biến: a. Tần số đột biến gen: số gen có thể bị đột biến /thế hệ b. Tần số gen đột biến là số lần lặp lại của đột biến(trên tổng số tế bào hoặc cá thể) trong quần thể Đặc điểm của đột biến 3. Đột biến xảy ra ngẫu nhiên, không định hướng Các dạng đột biến ADN 1. Thay 1 cặp Nucleotide 2. Mất Nucleotide 3. Chèn thêm Nucleotide 4. Đảo trình tự Nucleotide Các dạng đột biến điểm trên ADN (1 Nucleotide) 1. Thay 1 Nucleotide 2. Mất 1 Nucleotide 3. Chèn thêm 1 Nucleotide Chapter 19 slide 7 - Một cặp base được thay thế bởi một cặp base khác - Có hai dạng a. Thay thế một cặp purine-pyrimidine này bằng một cặp purine- pyrimidine khác (ví dụ: AT thay bằng GC hoặc TA thay bằng CG). b. Thay thế một cặp purine-pyrimidine bằng một cặp pyrimidine- purine (Ví dụ: AT bằng TA hoặc AT bằng CG). 1. Thay 1 cặp Nucleotide Ảnh hưởng của đột biến thay đổi 1 Nucleotide - Cặp base thay thế nằm trong khung đọc mã (ORFs) sẽ ảnh hưởng tới trình tự acid amin trong phân tử protein a. Đột biến làm thay đổi codon trong khung đọc mã thành codon kết thúc (ORFs) làm dừng quá trình dịch mã tổng hợp protein b. Đột biến xảy ra ở đoạn không phiên mã: ảnh hưởng đến cường độ phiên mã, lượng mRNA và protein sinh ra Đột biến điểm làm dừng quá trình dịch mã Các dạng đột biến điểm: thay thế một cặp base Chapter 19 slide 10 - Đột biến trung tính: sự thay đổi 1 Nucleotide trong bộ 3 mã hóa làm thay đổi axit amin trong protein nhưng không thay đổi tính chất của protein - Đột biến im lặng: sự thay đổi 1 Nucleotide thứ 3 trong bộ 3 mã hóa không làm thay đổi axit amin trong protein. - Mất hoặc thêm một cặp base có thể thay đổi khung đọc mã (ORF) của DNA kết quả là trình tự phiên mã trên mRNA thay đổi (đột biến dịch khung) a. Khi khung đọc mã bị thay đổi thì trình tự amino acid bị thay đổi. b. Đột biến dịch khung có thể hình thành codon kết thúc trong khung đọc mã làm cho phân tử protein hình thành bị ngắn đi. c. Đột biến dịch khung có thể biến đổi codon kết thúc thành codon mã hóa amino acid , kết quả là phân tử protein được hình thành sẽ dài hơn. 2,3. Mất hoặc thêm một cặp base Chapter 19 slide 12 4. Cơ sở phân tử của đột biến Watson và Crick đề xuất cơ chế giải thích đột biến tự nhiên và cấu trúc base nito không biến mất Nguyên tử H có thể di chuyển từ nhóm amin (–NH) sang nhóm keto (=O) tạo dạng enol (-OH) trong vòng nito. Quá trình này gọi là sự trôi dạt nguyên tử H (tautomeric – shift) Dạng thông thường và dạng cặp đôi dễ biến động DNA T-A C-G T-G C-A A-G C-T Sản phẩm của đột biến là kết quả sai hỏng của cặp đôi dễ biến động Tái bản ADN Tái bản ADN Dạng gốc Dạng gốc Dạng gốc Dạng đột biến Thế hệ 1 Thế hệ 2 Quá trình chuyển hóa gốc amin: cytosin thành Uracil và 5-methylcytosine thành Thymine Cơ chế CÁC TÁC NHÂN GÂY ĐỘT BIẾN 1. Tác nhân vật lý a. Tia phóng xạ ion như tia X quang : λ = 0,1 – 1nm Tia X có năng lượng cao, có khả năng xuyên qua các mô và va chạm với các phân tử làm bật các electron khỏi quỹ đạo i. Các tia phóng xạ ion làm gãy các liên kết hóa học, bao gồm các liên kết giữa đường – gốc phosphate trên mạch đơn DNA. ii. tia phóng xạ ion là nguyên nhân hàng đầu gây ra những đột biến Nhiễm sắc thể ở người. iii. tia phóng xạ ion làm chết tế bào ở liều lượng cao, ở liều lượng thấp gây đột biến điểm. iv. tia phóng xạ ion có ảnh hưởng tích lũy: liều lượng phóng xạ gây lên những đột biến như nhau ở mô tế bào trong khoảng thòi gian ngắn hoặc dài. CÁC TÁC NHÂN GÂY ĐỘT BIẾN b. Tia cực tím (UV) là nguyên nhân gây biến đổi trên phân tử DNA i. Tia UV có năng lượng thấp hơn tia ion ii. Tia UV có bước sóng λ = 254–260 nm không có khả năng xuyên sâu vào mô tế bào mà chỉ tác động vào lớp bề mặt tế bào của sinh vật đa bào iii. Tia UV được hấp thụ bởi các base purines và pyrimidines. (1) Quá trình dimer hóa hai base pyrimidines, dạng phổ biến là thymine dimer (T^T) (2) C^C, C^T và T^C dimer cũng xảy ra nhưng với tần số thấp hơn. Một vài pyrimidine dimer có thể xảy ra trong quá trình tái bản (3) Hầu hết pyrimidine dimers được sửa chữa bởi chúng thường là những chỗ phồng ra trong cấu trúc DNA xoắn kép. Sủa chữa theo các cơ chế tự sửa chữa thymine dimers bởi Tia UV Chapter 19 slide 19 2. Tác nhân hóa học a. Hơi độc hoặc hơi Sulfur có tác dụng alkyl hóa base Tên và công thức cấu tạo một số hóa chất gây đột biến 2. Tác nhân hóa học b. 5 BU (5 bromuracil) và 2 AP (2-aminopurin) là các base tương đồng làm tăng tần số ghép cặp nhầm  Nếu 5BU tồn tại ở trạng thái hiếm enol tại thời điểm gắn vào mạch DNA, 5 BU sẽ kết cặp với Guamine mạch gốc và gây ra hiện tượng hoán vị GC AT  Nếu 5BU gắn với Adenine dạng keto thì quá trình sao chép sau đó sẽ tạo ra hoán vị từ AT GC Cơ chế ghép cặp của 5-bromouracil (5BU) Cơ chế gây đột biến của 5-bromouracil (5BU) c. Những base bị biến đổi có thể hình thành đột biến ở một số giai đoạn trong chu kỳ tế bào. Những tác nhân gây ra sự thay đổi trong cấu trúc base có thể xếp vào 3 loại: i. Loại trừ nhóm amin. Ví dụ: nitrous acid (HNO2 ), có tác dụng khử nhóm amin của G, C và A. (1) HNO2 loại bỏ nhóm amin của Guanine tạo thành xanthinecó cấu trúc tương tự G. Kết quả: không tạo đột biến (2) HNO2 loại bỏ nhóm amin của cytosine thành uracil, làm chuyển CG thành TA. (3) HNO2 loại bỏ nhóm amin của adenine tạo thành hypoxanthine, ghép cặp với cytosine, nguyên nhân gây ra sự hoán vị AT thành GC. ii. Nhân tố hydroxyl hóa - hydroxylamine (NH2OH). (1) NH2OH biến đổi nhóm amin thành nhóm hydroxyl (OH) của C, sau đó C sẽ ghép cặp với A thay vì ghép cặp với G. (2) NH2OH chỉ hoán vị cặp CG thành TA. iii. Tác nhân alkyl hóa và hydeoxyl hóa như (MMS,EMS) (1) methylmethane sulfonate (MMS), methyl hóa G tạo thành O6- alkyl G. (2) O6-aIkylG cặp đôi với T nhiều hơn C, là nguyên nhân gây hoán vị GC thành AT . Sự biến đổi của 3 base bởi HNO2 d. Thuốc nhuộm acridine là proflavin có tác dụng gây đột biến mạnh, có thể tạo ra đột biến thêm hoặc mất cặp base Nhân tố hóa học trong môi trường sống 1. Có rất nhiều hợp chất hóa học trong môi trường sống của chúng ta là nguyên nhân gây đôt biến. a. Gen đột biến là do sự thay thế cặp base nito hoặc thêm vào hay mất đi cặp nu. b. Hầu hết những ung thư là kết quả tác động tích lũy của các nhân tố gây đột biến lên một số gen 2. Thí nghiệm của Ames (Ames test protocol) chỉ ra rằng: một tỷ lệ nhỏ đột biến ở Salmonella có khả năng đột biến ngược trở lại dạng dại. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY BIẾN ĐỔI DNA Ở VI SINH VẬT Tái tổ hợp ở E.coli tạo biến đổi DNA Quá trình tái tổ hợp xảy ra theo 3 cách thức: 1. Biến nạp 2. Chuyển nạp 3. Tiếp hợp Biến nạp Một đoạn DNA được chuyển từ dòng tế bào vi khuẩn này sang dòng tế bào vi khuẩn khác. Các đoạn DNA này thâm nhập vào tế bào chỉ khi tế bào vi khuẩn nhận có vùng tiếp nhận trên bề mặt màng tế bào (competent cell) Khi vào bên trong, các đoạn này thường thay thế bằng cách tái tổ hợp với vùng DNA ngắn tương đồng của tế bào chủ Sơ đồ biểu diễn hai bước chính hấp thụ và kết gắn đoạn gen ngoại trong quá trình chuyển nạp gen ở vi khuẩn Pneumococus a) Hấp thụ DNA trên bề mặt màng tại đây nhờ enzyme exonuclease liên kết màng hoặc DNA translocase kéo một sợi đơn DNA ngoại vào trong tế bào b) Sợi đơn DNA ngoại gắn xen vào nhiễm sắc thể và đẩy một sợi đơn DNA của nhiễm sắc chủ ra ngoài. Sợi đơn ngoại ghép cặp bazơ bổ sung với hầu hết các bazơ của đoạn sợi đơn chủ tiếp nhận trừ vị trí a. Quá trình biến nạp + Gắn sợi DNA kép nạp vào bề mặt vị trí nhận tế bào tiếp nhận. + Hấp thụ DNA cho, lúc này DNA cho có khả năng chống lại DNase. + Biến đổi sợi DNA kép cho, thành sợi đơn DNA nhờ enzyme phân rã exonuclease. + Gắn cộng hóa trị toàn bộ hoặc một phần sợi đơn DNA cho vào thay thế đoạn tương ứng trong nhiễm sắc thể nhận - Vi khuẩn Agrobacterium: đặc điểm, cơ chế biến nạp ở thực vật và ứng dụng trong công nghệ chuyển gen? (Trình bày slide) Quá trình chuyển nạp (tải nạp) Là quá trình chuyển vật chất di truyền từ một vi khuẩn này sang một vi khuẩn khác thông qua phage vector 1. Chuyển nạp rộng 2. Chuyển nạp đặc thù vị trí 1. Chuyển nạp rộng Thực khuẩn thể có thể gắn vào bất cứ nơi nào trên nhiễm sắc thể ký chủ, do đó mà hầu hết các gen của tế bào ký chủ đều có thể được chuyển nạp cùng với virus sang tế bào vi khuẩn Hai hướng gây nhiễm của thực khuẩn thể ôn hoà phage  1. phân rã (lytic pathway): Sau khi chui được vào tế bào vi khuẩn chúng tiến hành sinh sản và phân rã tế bào ký chủ giống như trường hợp của thực khuẩn thể gây nhiễm Quá trình gây nhiễm của thực khuẩn thể vào tế bào vi khuẩn 2. gen xen (lysogenic pathway): Sau khi xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, nhiễm sắc thể của thực khuẩn thể kết gắn vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn ký chủ và tái bản giống như bất kỳ những đoạn DNA nào khác của nhiễm sắc thể ký chủ Quá trình kết gắn của phage λ Thông qua thực khuẩn ôn hòa mà nhiễm sắc thể của nó có khả năng gắn tại một hoặc một vài vị trí đính đặc thù trên nhiễm sắc thể ký chủ. Nhiễm sắc thể của phage ôn hòa thuộc kiểu này có cả 2 khả năng: + Tự tái bản độc lập cùng với nhiễm sắc thể của tế bào ký chủ. + Tái bản đoạn được kết gắn vào nhiễm sắc thể tế bào ký chủ và tái bản cùng với nhiễm sắc thể ký chủ. Chuyển nạp đặc thù vị trí (specilized transduction) Sơ đồ mô tả quá trình kết gắn nhiễm sắc thể  dg mang gen gal+ vào nhiễm sắc thể ký chủ mang gen gal- để hình thành nên thể biến nạp nhị bội gal+/gal-. b) Nhờ sự kết gắn nhiễm sắc thể + trợ giúp để hình thành nên nhiễm sắc thể ký chủ lai chứa thể vi khuẩn +/dg kép. Chapter 19 slide 39 Cơ chế truyền DNA trong quá trình tiếp hợp