Bài giảng Sinh học phân tử - Đột biến gen

Đột biến gen Khái niệm  Đột biến = các biến đổi di truyền xảy ra đột ngột. Về bản chất, đột biến gen là một sự thay đổi trong trình tự nucleotid trong bộ gen.  Tác động của thay đổi trình tự gen:  Không có tác động: đột biến lặn → đa hình về trình tự  Tạo ra một protein đột biến với trình tự acid amin thay đổi  Tác động đến quá trình điều hòa gen.  Thay đổi chức năng protein → kiểu hình quan sát được: thể đột biến Khái niệm  Đột biến sinh dưỡng: xảy ra ở các tế bào không sinh sản được → thay đổi có tính cục bộ (u sắc tố ngoài da, tạo nốt ruồi), không di truyền được, nhưng có thể gây ung thư, lão hóa  Đột biến dòng mầm: xảy ra trong giao tử và được truyền cho đời sau. Hầu hết các đột biến gen là đột biến lặn và sẽ không được phát hiện nếu hợp tử không có hai bản của allel đột biến. Tần suất đột biến  Mỗi gen có tần suất đột biến ổn định. Các gen khác nhau có tần suất đột biến khác nhau. Vì:  Kích thước gen: càng lớn càng dễ bị đột biến  Điểm nóng: gen nằm trong vùng nhiễm sắc thể nhạy cảm  Tần số đột biến được đánh giá căn cứ trên một lần sao chép, một lần phân bào hay trên một giao tử và trên một tế bào trong một thế hệ  Tuy tần số đột biến của từng gen là rất thấp, nhưng tổng các đột biến của nhiều gen là một số đáng kể, có ý nghĩa quan trọng trong tiến hóa.  Tế bào người: tỉ lệ đột biến 10-6/gen/thế hệ.  Tế bào nhân nguyên thủy và tế bào nhân thật cũng có tỉ lệ đột biến tương tự. Phân loại đột biến Đột biến ĐB điểm ĐB đa điểm ĐB lệch khung Mất 1 cặp nu Thay thế cặp nu Thêm 1 cặp nu Đảo chuyển Chuyển vị Phân loại đột biến Phân loại: Đột biến điểm  Thay đổi một base.  Đột biến điểm có khuynh hướng đặc trưng là đột biến lùi (hồi biến)  Thay thế cặp base  Nguyên nhân:  Chuyển vị (transition): pyrimidin được thay thế bởi pyrimidin khác hay purine bởi purine khác A  G, C  T.  Đảo chuyển (transversion): pyrimidin được thay thế bởi purin hay purin bởi pyrimidin (C/T  A/G).  Hậu quả:  Xảy ra trong vùng mã hóa: ví dụ UAC (Tyr)  UAU (Tyr): Đột biến lặn / cùng nghĩa: không ảnh hưởng / dịch mã  CAC (His): Đột biến lệch nghĩa: thay đổi chức năng ít/nhiều  UAG (stop): Đột biến vô nghĩa: dừng sớm / cụt  Xảy ra trong vùng không mã hóa → phiên mã / dịch mã / mức xoắn bện của ADN.  Đột biến lệch khung  Nguyên nhân: chèn / mất một / nhiều nucleotid trong vùng mã hóa → thay đổi khung đọc  Hậu quả:  Thay đổi tất cả acid amin phía sau đột biến → không chức năng / dừng sớm.  Hậu quả có thể đảo nghịch: một đột biến lệch khung tại một vị trí khác → sửa chữa lại khung đọc sai → chỉ acid amin giữa hai điểm đột biến bị sai Phân loại: Đột biến điểm Thiếu máu hồng cầu hình liềm – hậu quả đb thay thế Phân loại: Đột biến điểm Thiếu máu Địa trung hải (thalassemia) Phân loại: Đột biến điểm Phân loại: Đột biến điểm Phân loại: Đột biến đa điểm  Thay đổi tác động đến hơn một base.  Không có tính hồi biến.  Nguyên nhân  Lỗi sao chép các yếu tố lặp lại (AT)  Gen nhảy → ngưng phiên mã/dịch mã  Hậu quả  Xóa → thay đổi protein, lệch khung (không chia hết cho 3)  Chèn → thay đổi protein, lệch khung Transposon - Retrotransposon  Transposon: di chuyển trực tiếp từ vị trí này sang vị trí khác trong bộ gen  Retrotransposon trước hết được phiên mã thành ARN và sau đó trở lại thành ADN nhờ enzym phiên mã ngược và chèn lại vào bộ gen. Nguyên nhân đột biến Tự nhiên Cảm ứng Nguyên nhân đột biến - Tự nhiên  Các đột biến xảy ra trong tự nhiên một cách ngẫu nhiên với tần suất thấp 10-10 base và không xác định được nguồn gốc.  Nguyên nhân: Gắn sai base trong quá trình sao chép ADN → đột biến điểm.  Biện pháp: Hoạt tính exonuclease 3'→5‘ của ADN pol. Đột biến tự nhiên: cơ chế Hỗ biến Khử amin Đb lệch khung Oxy hóa phá hủy do các gốc oxy Đột biến tự nhiên: cơ chế - hỗ biến  Keto (C=O) ↔ Enol (C-OH) và Amino (NH2) ↔ Imino (NH)  Ở dạng enol, T bắt cặp với G và G bắt cặp với T  Ở dạng imino, C bắt cặp với A và A bắt cặp với C  Kết quả là sự chuyển vị G-C thành A-T; sự hỗ biến chỉ gây các đột biến chuyển vị. Đột biến tự nhiên – cơ chế hỗ biến Bình thường Hỗ biến Đột biến tự nhiên – cơ chế hỗ biến Dạng enol của Guanin Hậu quả trong sao chép Sự chuyển vị G-C thành A-T Đột biến tự nhiên: cơ chế - khử amin  Khử amin: Các phản ứng khử amin thông thường là phản ứng thủy phân  cytosin thành uracil: được chỉnh lại bằng cách loại bỏ uracil (vì uracil không có trong ADN) và thay thế bằng cytosin  5-methylcytosin thành thymin: không được chỉnh vì cơ chế sửa chữa không nhận diện Thymin là lỗi. Cytosin tại các trình tự CG (CpG) thường bị methyl hóa → “điểm nóng” cho đột biến. Đột biến tự nhiên: cơ chế - lệch khung  Đột biến lệch khung (chèn hoặc mất trên một sợi), thường là lỗi của polymerase khi sao chép các đoạn lặp lại của một nucleotid.  Mỗi polymerase có độ chính xác khác nhau.  Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của polymerase là hoạt tính exonuclease đọc sửa 3’-5’, loại bỏ các base bắt cặp sai chèn vào bởi polymerase. Đột biến tự nhiên: cơ chế - oxi hóa  Oxy hóa phá hủy do các gốc oxy. Các gốc oxy tăng trong tế bào do chuyển hóa oxy hóa (và cũng được tạo bởi các tác nhân vật lý như tia phóng xạ).  Sản phẩm oxy hóa quan trọng là 8-hydroxy guanin bắt cặp sai với A, tạo đảo chuyển G-C thành T-A Đột biến cảm ứng (nhân tạo)  Do tác nhân gây đột biến   Tăng tần số đột biến cao hơn mức tự nhiên  thay đổi cấu trúc hoặc trình tự ADN.  Tác nhân vật lý: phóng xạ, tia X, tia UV,  Hóa chất: các đồng đẳng của các base nitơ, acid nitrơ (HNO2), các chất alkyl hóa mạnh, Tác nhân hóa học  Base đồng đẳng  Thay đổi cấu trúc, và đặc tính bắt cặp của các base: chất khử amin, chất alkyl hóa  Chèn vào DNA (lệch khung)  Thay đổi cấu trúc DNA Tác nhân hóa học - Base đồng đẳng  Có cấu trúc hóa học giống các purin và pyrimidin  gắn vào ADN tại vị trí của các base bình thường khi sao chép ADN.  Bromouracil (BU)  Giống thymin  bắt cặp với Adenin.  Dạng ion hóa - enol (BU*): giống C  bắt cặp với Guanin.  Gây chuyển vị A-T  G-C Tác nhân hóa học - Base đồng đẳng Tác nhân hóa học - Base đồng đẳng  Aminopurine (AP) là đồng đẳng của Adenin  bắt cặp với Thymin hoặc (rất ít) với Cytosin  gây chuyển vị A-TG-C Thay đổi cấu trúc, đặc tính bắt cặp  Các chất khử amin. Ví dụ acid nitrơ biến cytosin → uracil, methylcytosin → thymin, và adenin → hypoxanthin khử amin, hypoxanthin bắt cặp với C → chuyển vị, hydroxylamin  Methylcytosin hiện diện trong các gen của sinh vật bậc cao có thể ảnh hưởng tới hoạt tính phiên mã.  Các base ngoại như xanthin, hypoxanthin và uracil có thể khởi động cơ chế sửa chữa.  Các gốc 5-methylcytosin, "điểm nóng" của đột biến. Thay đổi cấu trúc, đặc tính bắt cặp Thay đổi cấu trúc, đặc tính bắt cặp  Các chất alkyl hóa  Tác nhân alkyl hóa: Nitrosoguanidin (NTG), methyl methane sulfonat (MMS), ethyl methane sulfonat (EMS): thêm các nhóm methyl hoặc ethyl vào base.  Gây đột biến bằng 3 cách :  Thêm nhóm methyl (-CH3) hay ethyl (-C2H5) vào Guanin tạo base đồng đẳng của Adenin  Guanin bắt cặp với Thymin.  Guanin bị alkyl hóa  tạo lổ hổng trên ADN  mất purin  đứt mạch khi sao chép  Liên kết chéo giữa các mạch của một hoặc các phân tử ADN khác nhau làm mất nucleotid. Thay đổi cấu trúc, đặc tính bắt cặp Tác nhân chèn vào ADN - lệch khung  Gồm proflavin, cam acridin, ethidium bromide  Là các phân tử đa vòng phẳng chèn vào các base của ADN   Làm “giãn” sợi đôi ADN   ADN polymerase bị “đánh lừa” chèn base vào đối diện nhiều hơn bình thường  lệch khung ADN tạo thành. Các tác nhân thay đổi cấu trúc ADN  Các phân tử lớn (kềnh càng) gắn vào base trong ADN  ADN không mã hóa: N-acetoxy-2-acetylaminofluorene (NAAAF)  Các tác nhân gây liên kết chéo trong và giữa các sợi: các psoralen có trong một số rau và dùng trong điều trị một số bệnh da.  Các chất hóa học gây đứt sợi ADN: các peroxid.  Các hydrocarbon đa vòng: các benzypyren có trong xăng làm lệch khung khi sao chép. Tác nhân bức xạ  Tác dụng gây đột biến của bức xạ có 2 đặc điểm:  Không có ngưỡng tác dụng tức là không có liều lượng vô hại.  Số lượng đột biến tỉ lệ thuận với liều lượng phóng xạ, không phụ thuộc vào cường độ và thời gian chiếu xạ.  Phân loại bức xạ  Các bức xạ điện từ: bức xạ ion hóa & không ion hóa  Bước sóng thay đổi tùy theo loại bức xạ và tỉ lệ nghịch với năng lượng của chúng.  Các sóng dài nhất (radio AM) có năng lượng ít nhất, các sóng ngắn hơn là FM, TV, viba, hồng ngoại, khả kiến, tia tử ngoại (UV), tia X và tia gamma có năng lượng gia tăng. Tia tử ngoại (còn gọi tia cực tím) có năng lượng bức xạ cao nên có ý nghĩa sinh học. Bức xạ ion hóa  Tia X, tia gama, hạt phóng xạ α và β: ion hóa các phân tử trên đường đi của chúng  có tác động mạnh đến các phân tử sinh học.  Tác dụng sinh học của bức xạ  Sản sinh các gốc tự do của nước (gốc hydroxyl), tương tác với ADN, protein, lipid trong màng tế bào, v.v  Tia X có thể gây hư hỏng ADN và protein, có thể làm hỏng cơ quan, ngăn phân chia tế bào hoặc làm chết tế bào.  Các loại tế bào phân chia nhanh (tế bào tạo máu, tế bào tủy xương, niêm mạc tiêu hóa) bị ảnh hưởng bởi bức xạ ion hóa nhiều nhất  Ảnh hưởng di truyền của bức xạ  Đứt một hoặc cả hai sợi (có thể dẫn đến sắp xếp lại, xóa mất, mất nhiễm sắc thể, tế bào chết nếu không sửa chữa).  Phá hủy các base (đột biến).  Liên kết chéo trong ADN hoặc ADN với protein. Bức xạ không ion hóa (Tia cực tím - UV)  Bức xạ UV  ít năng lượng, không ion hóa  được ưu tiên hấp phụ bởi base của ADN và acid amin thơm  có ảnh hưởng sinh học và ảnh hưởng di truyền quan trọng  Phân loại:  UV-A (320 nm - khả kiến) là “cận UV”  UV-B (290-320 nm) là phân đoạn gây chết/đột biến chính của ánh sáng mặt trời;  UV-C (180 - 290 nm) có tính sát trùng mạnh nhất và gây chết, không có trong ánh sáng mặt trời vì nó được hấp phụ bởi tầng ozon; Tác động của UV  Tạo dimer pyrimidin trong ADN (tạo bởi UV-B và UV-C) → ngăn chặn sự phiên mã và sao chép ADN và gây chết nếu không sửa chữa  Khả năng xuyên thấu thấp  chỉ tác động lên các sinh vật đơn bào và giao tử.  ADN hấp thu tia tử ngoại mạnh nhất ở bước sóng 257 nm ( 260 nm).  Hiện tượng quang phục hồi: nếu để ngoài ánh sáng→các sai hỏng được phục hồi. Ánh sáng hoạt hóa enzym sửa sai, cắt đứt các thymin dimer. N N O CH3 O N N O NH2 N N O O N N O NH2 CH3 + UV PR T C T C N N O CH3 O N N O O N N O O CH3 CH3 + UV PR T T T T N N O H3C O (a) (b) Cơ chế chống đột biến  Đảo nghịch sai hỏng: enzym hoạt động phục hồi cấu trúc bình thường không có gãy khung.  Loại bỏ sai hỏng: cắt bỏ và thay thế base hoặc phần nucleotid sai hỏng  Dung nạp sai hỏng: không sửa chữa thật sự, sao chép sai hỏng và tiếp tục sống. Đảo nghịch sai hỏng - Quang phục hồi  Photolyase cắt các dimer pyrimidin (làm đứt các liên kết đồng hóa trị) khi có ánh sáng  Có nhiều trong vi khuẩn, tế bào nhân thật bậc thấp, côn trùng và thực vật, không có trong động vật. Làm mất nhóm alkyl (dealkylation)  Sửa chữa bằng O6-methylguanin-ADN methyltranferase.  Chuyển nhóm alkyl từ nguyên tử oxi trên ADN sang gốc Cystein trên enzym  Phản ứng không thuận nghịch và enzym bị mất hoạt tính  Các lỗi được sửa chữa gồm O6-methylguanin, O4-methylthymin, O6- ethylguanin và O6-butyl-guanin,... N N N NH2N R OCH3 N N N NH2N R O Cys SH Cys S CH3 Methyltransferase Có hoạt tính Bất hoạt O 6 -Methylguanin Guanin Nối các chỗ đứt của sợi đơn  Tia X và một số hóa chất như peroxid có thể gây ra những chỗ đứt trên khung ADN.  ADN ligase nhanh chóng sửa các chỗ đứt đơn giản trên một sợi. Loại bỏ sai hỏng - Cắt base  Loại bỏ chỗ sai nhờ enzym N-glycosylase.  N-glycolase nhận biết base biến đổi và thủy giải liên kết N- glycosilic nối base với đường pentose → vị trí AP  Vị trí AP sau đó được cắt bỏ bởi AP endonuclease  ADN polymerase lấp đầy chỗ trống dựa vào khuôn là mạch bổ sung đối diện và được ligase nối liền lại. Sửa chữa bằng cắt nucleotid - NER  Hệ thống này làm việc trên “khối” ADN sai hỏng, làm ngưng sao chép ADN và phiên mã.  Cắt sợi ADN chứa sai hỏng bởi endonuclease ở phía sai hỏng  Loại bỏ đoạn chứa vùng sai hỏng bởi exonuclease  Khoảng trống tạo thành được lấp vào bởi ADN polymerase  Nhiều sinh vật bị đột biến khiếm khuyết NER, dễ bị diệt và đột biến bởi UV và các hóa chất hoạt động giống UV. Sửa chữa bằng cắt nucleotid - NER Sửa chữa bằng cắt nucleotid - NER Sửa chữa lệch đôi  Xảy ra sau sao chép ADN  Làm tăng độ chính xác sao chép thêm 100 – 1000 lần.  Thực hiện bởi một nhóm các protein có thể quét ADN và tìm các base bắt cặp không chính xác (hoặc các base không bắt cặp) làm sai lệch hai chiều trong xoắn kép. Nucleotid không chính xác phần dưới sẽ được loại bỏ và ADN polymerase sẽ hoạt động lần thứ hai để có trình tự đúng. Dung nạp ADN sai hỏng  Không sửa chữa, sao chép sai hỏng, tiếp tục sống  Sửa chữa bằng tái tổ hợp  Sửa chữa bằng đột biến Sửa chữa bằng tái tổ hợp  Sửa chữa sau tái bản ADN chứa sai hỏng bằng cách tái tổ hợp, trao đổi chéo chính xác giữa đoạn có sai sót và đoạn không có sai sót 1 2 3 Sửa chữa bằng đột biến DNA với dimer Khoảng trống được lấp nhờ ADN polymerase nhưng tạo ra đột biến Dimer thứ hai bị loại bỏ; đột biến được hoàn tất Dimer được nhận diện và ADN bị cắt Dimer bị loại bỏ Sửa sai nhờ hệ thống SOS  Được kích hoạt nếu các cơ chế trên bị quá tải bởi các đột biến lan rộng.  ADN bị tổn thương ngừng sao chép, thì phản ứng SOS hồi phục sao chép và chuyển sai hỏng thành sửa sai trong khi nhân đôi. Các tính trạng đột biến và protein đột biến  Một sinh vật bị đột biến là một sinh vật biểu hiện những tính trạng bất thường di truyền được: bạch tạng, thay đổi màu sắc  “Một gen - một enzym” → đột biến gen → thay đổi protein → biểu hiện kiểu hình, bệnh di truyền Các tính trạng đột biến và protein đột biến Các tính trạng đột biến và protein đột biến Đột biến và ung thư  Ung thư là do tăng sinh tế bào không kiểm soát. Đột biến  ung thư do:  Đột biến làm tăng hoạt gen kích thích  hiệu quả trội. Allel biến đổi được gọi là oncogen (gen ung thư), còn allel bình thường là proto-oncogen (gen tiền ung thư).  Đột biến làm bất hoạt gen kìm hãm  hiệu quả lặn. Gen kìm hãm được gọi là gen ức chế khối u. Gen ung thư và gen tiền ung thư  Các gen ung thư do retrovirus tải nạp  Gen ung thư do retrovirus tải nạp tích hợp vào gen tiền ung thư trên nhiễm sắc thể tế bào chủ  Các cách biến đổi gen tiền ung thư thành gen ung thư  Mất đoạn hoặc đột biến điểm trong trình tự mã hóa  Khuếch đại gen  Chuyển đoạn NST Các đột biến ở gen ức chế khối u  Gen Rb tạo protein retinoblasma ức chế sự phát triển một dạng ung thư ở mắt (retinoblastoma). Rb còn có tác dụng ức chế đối với một số dạng ung thư khác.  Gen p53 tạo protein p53 ức chế nhiều dạng ung thư: tham gia hệ thống cấp cứu, sửa chữa nhiều tổn thương của tế bào đang phân chia.  Virus gây ung thư bằng cách cô lập sản phẩm của gen ức chế khối u Chọn lọc đột biến ở vi sinh vật  Phương pháp đề kháng  Dùng thuốc hoặc phage để chọn lọc vi khuẩn  Đột biến: khuẩn lạc mọc trên MT có thuốc hoặc phage Chọn lọc đột biến ở vi sinh vật  Làm giàu chậm: Phát hiện đột biến khuyết dưỡng VK/MT tối thiểu Khuẩn lạc MT MT + chất bổ sung VK ĐB: khuẩn lạc nhỏ VK thường: khuẩn lạc to VK VK ĐB: khuẩn lạc nhỏ VK thường: khuẩn lạc to MT tối thiểu + ít chất bổ sung Làm giàu chậm Làm giàu hạn chế Chọn lọc đột biến ở vi sinh vật (tt) Làm giàu nhờ penicillin VK/MT có penicillin VK ĐB sống Khuẩn lạc VK ĐB MT không penicillin Chọn lọc đột biến ở vi sinh vật (tt) Bào tử nấm/ MT tối thiểu ĐB không mọc Dạng ĐB Ktra dạng ĐB PP lọc: Lọc Chọn lọc đột biến ở vi sinh vật (tt) PP in VK/MT dinh dưỡng In khuẩn lạc bằng miếng nhung ĐB không mọc ở bản sao Tách ĐB khuyết dưỡng MT tối thiểu