Bài giảng Sinh học phân tử I - Chương III: Gen & genome

Chương III. Gen & genome • 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 enzim” của G.Beadle và E.Tatum (1940) cho rằng mỗi gen quyết định sự tồn tại và hoạt tính của một enzim. • Gene phân tử: là trình tự trên DNA cần thiết để tổng hợp 1 sản phẩm chức năng có thể là polypeptit hoặc RNA – Gene tổng hợp mRNA mang thông tin qui định chuỗi polypeptit – 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’ 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 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 Genome là gì??? Photo of intracellular bacterium courtesy of Gregory P. Henderson and Grant J. Jensen, California Institute of Technology Photo of free-living bacterium courtesy of Karl O. Stetter, Universität Regensburg Photo of unicellular eukaryote courtesy of Eishi Noguchi, Drexel University College of Medicine Photo of multicellular 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??? 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 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. 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 • Nguồn gốc tiến hóa của Lục lạp và ty thể? Genome vi khuẩn E. coli K12 Blattner et al. 1995. Science 277:1453-74 Orange squares -forward genes Yellow squares -complement genes Red arrows -rRNA Green arrows -tRNA White ring -REP sequences Blue ring -bacteriophage protein similarity Sunburst -CAI (codon adaptation index) plasmid Plasmid Genome virus Thể thực khuẩn - Phage Genome virus Virus Độ lớn của DNA virus (bp) Chiều dài của DNA virus (nm) Đường kính chiều dài của thể virus (nm) X174 5.386 1.939 25 T7 39.936 14.377 78 (lambda) 48.502 17.460 Kích cỡ DNA của một số virus 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 Bài tập tìm hiểu thêm: Khái niệm, cơ chế hình thành hoặc ứng dụng nghiên cứu của các đoạn DNA trong cấu trúc genome 1. Trình tự chèn (IS) 2. Microsatellite 3. Minisatellite 4. DNA di động – transposon 5. Gene nhảy 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 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