Bài giảng Sinh học phân tử I - Chương I: Lược sử phát triển của sinh học phân tử

Môn học: SINH HỌC PHÂN TỬ 1 Giảng viên: Nguyễn Quốc Trung Bộ môn Sinh học phân tử và CNSH ứng dụng Khoa Công nghệ sinh học Email: nqtrung@hua.edu.vn Các tính điểm môn học Chuyên cần: 10% Kiểm tra giữa kỳ: 30% Thi cuối kỳ: 60% • Chương I. Lược sử phát triển của sinh học phân tử • Chương II. Các đại phân tử sinh học: Acid nucleic và Protein – Cấu trúc và chức năng của acid nucleic – Cấu trúc và chức năng của protein • Chương III. Cấu trúc gen và hệ gen của sinh vật – Cấu trúc của gen – Hệ gen – Các DNA lặp lại trong hệ gen • Chương IV. Sự tái bản DNA • Chương V. Cơ chế gây biến đổi DNA • Chương VI. Sự phiên mã của gen và cơ chế điều hòa phiên mã – I.Sự phiên mã ở sinh vật tiền nhân – Sự phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn – Điều hòa phiên mã của gen • Chương VII. Mã di truyền và quá trình dịch mã. – Mã di truyền – Nguồn gốc, cấu trúc và chức năng các loại RNA – Sinh tổng hợp protein Tài liệu tham khảo chính • PGS. TS. Phan Hữu Tôn, Giáo trình Sinh học phân tử đại cương, 2009. • Hồ Huỳnh Thùy Dương, 2008, Sinh học phân tử, NXB giáo dục. • David Clark, Molecular Biology, 2005, Elsevier Inc. LƯỢC SỬ RA ĐỜI SINH HỌC PHÂN TỬ I. ĐỊNH NGHĨA • Theo Francois Jacob: Sinh học hiện đại có mục đích giải thích các đặc tính của cơ thể sống thông qua nghiên cứu cấu trúc, chức năng các phân tử vật chất thành phần. • Sinh học phân tử: Là một ngành sinh học hiện đại quan tâm đến việc giải thích các hiện tượng và quy luật ở mức phân tử ĐỊNH NGHĨA • SHPT ra đời trên cơ sở hội tụ của các ngành học khác: sinh học tế bào, di truyền học, hóa sinh học. II. THUYẾT TIẾN HÓA VÀ THUYẾT TẾ BÀO • Xuất hiện từ nửa sau thế kỷ 19 • Đặt nền móng cho sự ra đời của ngành Sinh học với tư cách là ngành khoa học thực nghiệm 1859, Học thuyết tiến hóa Darwin và Wallace • Dựa trên việc quan sát sự phân bố của các loài • Chọn lọc tự nhiên: Sự biến đổi trong của các loài sinh vật biến đổi trong một thời gian đủ dài, hoặc dưới áp lực của môi trường xung quanh. • Sự biến đổi này được di truyền cho các thế hệ sau. Charles Darwin (02/1908 – 04/1882) Alfred Russel Wallace (1823 – 1913) Thuyết tế bào • 1666 phát hiện tế bào khi mô tả cấu trúc sợi bần • 1838 Mathias Jacob Schleiden và Theodor Schawann đưa ra thuyết tế bào Robert Hooke Mathias Jacob Schleiden Theodor Schawann Thuyết tế bào • Theo Pasteur: Sự sống chỉ có thể sinh ra từ sự sống • Thuyết tế bào ra đời là cơ sở cho nền sinh học hiện đại – TB riêng lẻ có khả năng tăng trưởng và phân chia độc lập nên có thể làm đối tượng nghiên cứu vật chất sống – Làm cơ sở cho kỹ thuật nuôi cấy tế bào in vitro “Mỗi động vật được cấu tạo từ một tập hợp các đơn vị sống, mỗi đơn vị sống mang trong nó tất cả các đặc tính của sự sống” Rudolph Virchow,1858 III. SINH HÓA HỌC & DI TRUYỀN HỌC CỔ ĐIỂN • Sinh hóa học cổ điển: các định luật hóa học có áp dụng được vào tế bào không? – Nửa sau thế kỉ 19, người ta xác định tất cả các thành phần cấu tạo của tế bào: lipid, glucid, protein – Cuối thế kỷ 19, xác định hầu hết các amino acid • Di truyền học cổ điển nghiên cứu các định luật di truyền của Mendel Gregor Johann Mendel 1822-1884 IV. SỰ PHỐI HỢP GIỮA DI TRUYỀN HỌC VÀ SINH HÓA HỌC • 1909, A. Garrod nghiên cứu bệnh Alkaptonurie (bệnh alkapton niệu) ở người – Do đột biến một gen lặn hiếm di truyền theo quy luật Mendel – Biểu hiện nước tiểu có màu đen do hàm lượng homogentisic acid cao. – Nguyên nhân: thiếu enzyme oxydase phân hủy các hợp chất vòng phenol – Kết luận: Một bất thường sinh hóa là do thiếu sót di truyền. Thí nghiệm xác định DNA là vật chất di truyền • 1928 Griffith – Thí nghiệm biến nạp • 1944 Avery – Tác nhân biến nạp là DNA • 1952 Hershey & Chase – Thí nghiệm trên thực khuẩn thể 1928, Thí nghiệm Griffith • Phế cầu khuẩn Streptococcus Pneumoniae • Chủng S: Độc, tế bào có vỏ polysaccharide, khuẩn lạc trơn (smooth) • Chủng R: chủng lành, tế bào không có vỏ polysaccharide, khuẩn lạc nhăn (Rough) Tiến hành thí nghiệm Kết luận • Một chất nào đó từ chủng S chết đã chuyển vào chủng R biến chủng R thành chủng S • S chết + R sống S sống • Griffith gọi quá trình này là sự biến nạp (transformation) • Thành phần chuyển từ chủng S sang chủng R gọi là tác nhân biến nạp 1944, Avery, Macleod & McCarty • Bằng kỹ thuật tinh sạch DNA thu từ chủng S, Avery và cộng sự đã chứng minh tác nhân biến nạp là DNA Avery 1952, thí nghiệm Harshey & Chase Martha Chase Alfred Harshey Đối tượng – thực khuẩn thể Nguồn: Phage xâm nhiễm tế bào E.coli Tiến hành • Dùng phương pháp đánh dấu đồng vị phóng xạ – 32P: Đánh dấu DNA – 35S: Đánh dấu protein • Cho thực khuẩn thể đã được đánh dấu với 35S và 32P xâm nhiễm vào tế bào E.coli • Li tâm thu cặn tế bào và xác định đồng vị phóng xạ Kết quả • Phần cặn tế bào vi khuẩn thu được chứa đồng vị phóng xạ 32P • Như vậy, thực khuẩn thể chỉ chuyển DNA vào tế bào E.coli trong quá trình xâm nhiễm. V. SỰ RA ĐỜI CỦA SHPT • Các mốc chính của SHPT 1953, Cấu trúc DNA – Watson, Crick – Dựa trên các thông tin: • Cấu trúc hóa học của DNA • Quy tắc Chargaff • Ảnh nhiễu xạ tia X (Maurice Wilkins) Hai nhà khoa học tìm ra cấu trúc DNA J. Watson 1928-nay F.Crick 1916-2004 Công bố mô hình cấu trúc DNA (tạp chí NATURE) 2003, DNA Double Helix, 50th Anniversary Nguồn: Molecular biology, David Clark Cấu tạo hóa học của DNA • DNA cấu tạo từ các đơn phân gọi là các Nucleotides • Mỗi đơn phân gồm 3 thành phần: – Một nhóm phosphate – Một đường deoxyribose – Một trong 4 loại base nito • Adenine (A) • Guanine (G) • Cytosine (C) • Thymine (T) Thành phần cấu tạo của DNA Cấu trúc một Nucleotide Nguồn: https://www.msu.edu/course/isb/202 Nucleoside TriPhosphate Cấu trúc xoắn kép Quy tắc Chargaff • 1. Tổng số nucleotide của Purine (A và G) bằng tổng số nucleotide của Pyrimidine (C và T) A + G = C + T • Số lượng A luôn bằng số lượng T; số lượng C luôn bằng số lượng G A = T C = G Erwin Chargaff Rosalind Frankin Ảnh nhiễu xạ tia X của DNA Nguồn: 1970, enzyme cắt giới hạn • Do Howard Termin và David Baltimore độc lập phân lập • Đánh dấu cột mốc lịch sử trong kỹ thuật gen hiện đại. Các mốc chính • 1984 – Kỹ thuật PCR, Kary Mullis Là kỹ thuật nền của SHPT • 1986 – Máy giải trình tự tự động, Leory Hood • 1990 – Dự án gen người (HGP) Các mốc chính (tiếp) • 1996, hoàn thành giải trình tự bộ gen nấm men Saccharomyces cerevisiae • 1997, hoàn thành giải trình tự bộ gen vi khuẩn E.coli S. cerevisiae 6300 genes E.coli 4300 genes Các mốc chính (tiếp) • 1998, hoàn thành giải trình tự bộ gen giun tròn Caenorhabditis elegans (19000 genes) • 2000, hoàn thành giải trình tự bộ gen Drosophila medanogster (13600 genes) • 2000, bộ gen thực vật đầu tiên được giải trình tự Arabidopsis thalina Dự án HGP • 14/4/2003 hoàn tất giải trình tự bộ gen người • Tốn 2,7 tỷ USD • Tổng số gen khoảng 30 000 , ít hơn rất nhiều so với dự kiến là 50 000 đến 140 000 gen. • Gần như toàn bộ trình tự base (99,9%) giống nhau một cách chính xác ở tất cả mọi người. Điều này cho thấy không có phân biệt chủng tộc. • Gần 50% các gen chưa biết chức năng. Ngoài dự kiến • – Ít hơn 2% (1,1  1,4%) bộ gen mã hoá cho protein. • – 5% đến 28% trình tự được phiên mã ra RNA. • – Các trình tự lặp lại (repeated sequences) không mã hoá cho protein (DNA rác) chiếm ít nhất 50% bộ gen người. Ứng dụng của SHPT • Công nghệ tạo các vi sinh vật mới có ích • Công nghệ sản xuất giống cây trồng, vật nuôi vượt giới hạn của tiến hóa để chống chịu bệnh, thích nghi với điều kiện sinh thái cho năng suất cao • Công nghệ sản xuất các loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, có giá trị về dược phẩm, bổ sung vitamin, vacxin thực vật Cá • Gen sinh trưởng (fGH, hGH, bGH) – Beta-galactosidase – Kháng hygromycine – Protein chống đông lạnh – Alpha-globin, neomycine – Phosphat transferase – Liciferase Tăng chất lượng và sản lượng thịt, sữa • Lợn: các loại gen hóc môn sinh trưởng và yếu tố sinh trưởng – mMT, hGH, mMT-bGH, PRL-bGH, mMT- hGRF, alb-hGRF, mMT-hGF và mMT- bGH • Bò: b-GH – Gen tạo máu – Gen tạo sữa – Gen tạo kháng thể • Liệu pháp gen và liệu pháp thay thế tế bào mô ở người