Sinh học - Chương 2: Cấu trúc của gen, tổ chức các gen ở genom và điều hòa sự biểu hiện của gen

7/18/15 1 CHƢƠNG 2 CẤU TRÚC CỦA GEN, TỔ CHỨC CÁC GEN Ở GENOM VÀ ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN MÃ DI TRUYỀN Qúa trình truyền đạt thông tin di truyền ở sinh vật được diễn ra như sau: ADN  ARNm  Protein (Tính trạng). Người Mỹ truyền đạt thông tin cho nhau bằng tiếng Anh Máy tính truyền đạt thông tin cho nhau bằng mã nhị phân: 1, 10, 11, 100, 101 Sinh vật truyền đạt thông tin bằng mã di truyền. Định nghĩa: Mã di truyền là trình tự các nucleotit trên phân tử DNA. Trong đó một đơn vị mã là một nhóm gồm ba nucleotit liên tiếp (còn gọi là codon hay bộ ba mã hoá). Mỗi codon mã hoá tương ứng cho một phân tử axit amin trên Protein. Trình tự sắp xếp các codon tren DNA quy định trình tự sắp xếp các axit amin trên phân tử Protein. • Có 20 loại axit amin trong cơ thể sinh vật. • Có 4 loại nucleotit, ghép mã bộ ba nên sẽ có 64 bộ ba mã hoá, đủ để mã hoá cho 20 loại axit amin ở sinh vật. • Do số lượng bộ ba mã hoá nhiều hơn số lượng aamin nên có nhiều bộ ba cùng mã hoá cho một aamin, điều ngược lại không đúng. ADN truyền thông tin của nó qua bản sao mARN, người ta tạo ra những mạch mARN có thành phần nucleotit khác nhau làm khuôn để tổng hợp các chuỗi polypeptit (chuỗi axit amin) trong môi trường in vitro.  Phân tích sự tương ứng giữa thứ tự bộ ba trên mARN với thứ tự axit amin trong chuỗi polypeptit, chúng ta có thể biết được bộ ba nào quy định loại axit amin nào, tức là chúng ta đã giải mã cho các codon. Giải mã các codon Các bộ ba mã hóa (các codon) Vị trí thứ nhất (đầu 5’) Vị trí thứ 2 Vị trí thứ 3 (đầu 3’) U U C A G Phe Ser Tyr Cys U Phe Ser Tyr Cys C Leu Ser Stop Stop A Leu Ser Stop Trp G C Leu Pro His Arg U Leu Pro His Arg C Leu Pro Gln Arg A Leu Pro Gln Arg G A Ile Thr Asn Ser U Ile Thr Asn Ser C Ile Thr Lys Arg A Met Thr Lys Arg G G Val Ala Asp Gly U Val Ala Asp Gly C Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G Một số bộ ba đặc biệt trên mARN - Bộ ba AUG (mã hoá melthianin) là bộ ba duy nhất đóng vai trò là tín hiệu bắt đầu cho quá trình tổng hợp của một chuỗi polypeptit (bộ ba khởi đầu). - Có ba bộ ba là UAA, UGA, UAG không mã hoá aamin nào mà là tín hiệu cho sự kêt thúc (Stop) quá trình dịch mã - truyền đạt thông tin di truyền từ mARN đến Protein. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 2 Tính chất của mã di truyền 1. Sự đọc mã theo các bộ ba luôn là liên tục và không có tính chồng chéo. Điều đó có nghĩa rằng, khi điểm khởi đầu của sự đọc bị lệch đi, hoặc khi thêm, mất những nucleotit (số lượng khác ba), thì khung mã bị lệch đi so với trình tự ban đầu 2. Mã di truyền có tính chất dư thừa: 61 bộ ba/20Aamin. Những bộ ba cùng mã hóa cho một axit amin nào đó gọi là các bộ ba đồng nghĩa. Các axit amin như lơxin, serin, acginin có tới 6 bộ ba đồng nghĩa. Các bộ ba đồng nghĩa hầu như chỉ khác nhau ở bazơ thứ ba. Ví dụ:GGU, GGC, GGA, GGG đều mã hóa cho glixin 3. Mã di truyền có tính chất vạn năng Ý nghĩa của mã di truyền là đúng ở mọi sinh vật. THỰC HIỆN THÔNG TIN DI TRUYỀN • Qúa trình sao mã (transcription) • Quá trình dịch mã QÚA TRÌNH SAO MÃ Định nghĩa: Sao mã là quá trình truyền đạt thông tin từ chuỗi xoắn kép DNA tới mạch đơn ARN. Trong đó, một trong hai mạch của chuỗi DNA được làm khuôn để tổng hợp ARN gọi là mạch có nghĩa hay là mạch mang mã gốc Thành phần tham gia 1. Đoạn ADN cần sao mã (đoạn gen) • Vùng khởi đầu, vùng mang mã, đoạn kết thúc 2. Enzym ARN-polymerase • Enzyme này có cấu trúc từ 4 tiểu phần: +2 tiểu phần nhỏ giống nhau ký hiệu là α, +2 tiểu phần lớn khác nhau – β, β1. • Nhân tố sigma (σ). nó giúp cho ARN-polymerase nhận biết được điểm khởi đầu trên ADN. 3. Các nucleotit dạng triphophat (ATP, GTP, UTP, CTP) Cơ chế sao mã ở sinh vật nhân sơ Vùng khởi đầu gồm 2 thành phần chính: • Đoạn khởi đầu là một đoạn gồm 6 nucleotit có trật tự 5’- TATAAT-3‟ nằm cách điểm bắt đầu phiên mã 10 cặp nucleotit. • Điểm nhận biết (recognition sequence) nằm cách điểm khởi đầu phiên mã khoảng 35 nucleotit về phía trước có trình tự 5’– TTGACA–3’ ARN-polymerase định vị vào DNA dựa vào 2 điểm mã đặc thù trên đoạn khởi đầu Giai đoạn 1: Nhận biết vùng khởi đầu Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 3 ARN-polymerase nhận biết và bám và hai đoạn đặc thù nằm gần các vị trí -35 và -10 trước điểm bắt đầu sao mã ARN-polymerase trượt dọc theo gen và xúc tác sự biến tính cục bộ của hai sợi DNA làm lộ ra sợi khuôn 3‟ – 5‟ để có thể khởi đầu quá trình tổng hợp mARN. • Dưới tác động của ARN-polymerase, DNA được tháo xoắn, các nucleotit trong môi trường tiến vào ghép bổ sung với các nucleotit trên sợi khuôn 3‟-5‟. • Tại vùng đã được phiên mã ADN xoắn lại như ban đầu. Giai đoạn 2: Giai đoạn kéo dài chuỗi Cơ chế sao mã ở sinh vật nhân sơ (prokaryote) • Khi ARN polymerase chạy hết đoạn mang mã rồi chạy qua đoạn kết thúc giàu GC và AT, phân tử enzym này dừng lại. • Do tác động của nhân tố Rho (ρ) (nhân tố giải phóng), sợi ARN và enzyme ARN-polymerase được giải phóng khỏi ADN khuôn. Giai đoạn 3: Kết thúc Đặc điểm sao mã ở Prokaryote Ở vi khuẩn chỉ có một loại ARN-polymerase, tổng hợp cho cả 3 loại phân tử ARN: ARN thông tin (mARN), ARN ribosome (rARN) và ARN vận chuyển (tARN). Trên một đoạn khuôn ADN sự sao mã có thể diễn ra liên tục trên một đoạn DNA với sự tham gia của nhiều phân tử ARN-polymerase. 7/18/15 4 THÀNH PHẦN: 1. Gen cần sao mã. + Đoạn khởi động (Promoter). + Đoạn mang mã di truyền + Đoạn kết thúc (Termination) CƠ CHẾ SAO MÃ Ở SINH VẬT NHÂN CHUẨN 2. ENZYM Có 3 loại ARN-polymerase trong nhân tế bào sinh vật nhân chuẩn (I, II và III) • ARN-polymerase I. Enzyme này chuyên trách việc sao mã các gen để tổng hợp các phân tử rARN 28S, 5,8S, 18S. • ARN-polymerase II. Cần thiết cho việc tổng hợp phần lớn các loại ARN khác, đặc biệt là ARNm. • ARN-polymerase III. Có chức năng phiên mã các tARN và rARN 5S. 3. Các nhân tố sao mã: có ít nhất 6 nhân tố sao mã hoạt động để hỗ trợ ARN polymerase thực hiện quá trình sao mã và được ký hiệu là TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH. 1-1 Đoạn khởi đầu 3‟ của đoạn ADN thường có 3 đoạn trình tự đặc hiệu gồm: 1-1.Hộp TATA : là một đoạn gồm 7 nucleotit cùng có trình tự 4 nu đầu tiên là TATA, nằm trước điểm bắt đầu sao mã khoảng 25 – 30 nucleotit, có tác dụng hỗ trợ cho ARN- polymerase nhận biết đúng vị trí khởi đầu sao mã (initiator). 1-2.Hộp GC có trình tự kiểu GGGCGG. 1-3.Hộp CAAT có trình tự kiểu CCAAT. (2 hộp sau nằm trước điểm khởi động phiên mã khoảng từ 40-100 nucleotit có vai trò trong điều hoà sao mã). 1. Gen cần sao mã 1-2 Đoạn mang mã (bắt đầu bằng một điểm gọi là điểm bắt đầu sao mã 1-3 Đoạn kết thúc (terminator) • Các đoạn kết thúc ở sinh vật nhân chuẩn chúng ta mới biết rất ít . • Hầu hết các gen mã hóa protein thì phản ứng sao mã được dừng lại sau khi ARN-polymerase II vượt qua vị trí đặc biệt AATAAA trên DNA (gọi là vị trí polyA). 7/18/15 5 • Nhân tố TFIID gắn với hộp TATA của đoạn gen cần sao mã thông qua một tiểu phần bổ sung của nó là TBP (protein gắn trực tiếp vào ADN) TFIID là một nhân tố vị trí, nó có nhiệm vụ hướng RNA polymerase tới promoter của gen cần sao mã. • TFIIA gắn với TBP và TFIID và làm ổn định TFIID. • TFIIB gắn với TBP và TFIIF và RNA polymerase. • TFIIF là một nhân tố có vận động tách mạch vì vậy có thể nó liên quan đén quá trình mở sợi DNA, làm xuất hiện mạch đơn thẳng tại điểm Promoter. • Các TF còn lại được đính vào để hoàn thiện bộ khởi động cho ARN polymerase. Giai đoạn Bắt đầu sao mã • ARN polymerase II mở sợi kép, tổng hợp một mạch đơn mới theo chiều 5‟  3‟ trong suốt quá trình nó chạy dọc theo mạch đơn được mở và dừng lại sau khi chạy qua đoạn poly A kết thúc. • Ở sinh nhật nhân chuẩn, đoạn ARN được tạo ra từ ARN poplymerase II chỉ là mARN sơ cấp, mARN sơ cấp này sau đó được tạo mũ (methyl hoá tại đầu methionyl) và gắn thêm đuôi poly A rồi trải qua quá trình thành thục hoá trước khi tham gia vào quá trình dịch mã. • Video Clip Giai đoạn Sao mã + Kết thúc DỊCH MÃ • Định nghĩa: Dịch mã là quá trình tổng hợp mạch polypeptit ở riboxome, trên cơ sở khuôn mẫu của ARNm. Trình tự đọc các bộ ba mã hóa trên ARNm quyết định trật tự các loại axit amin trong mạch polypeptit. • Tham gia vào quá trình dịch mã bao gồm: • mARN • Ribosome • tARN • Aminoaxyl-ARN-synthetase • Axit amin được hoạt hoá. • Một loạt các yếu tố protein khác Ribosome - Là nơi xảy ra quá trình tổng hợp mạch polypeptit. - Là một phân tử gồm 2 tiêu phần + Tiểu phần nhỏ 30S + Tiểu phần lớn 50S. - Mỗi tiểu phần đều được hình thành từ rARN và protein. - Độ lớn và thành phần cấu trúc của ribosome biến động lớn ở các đối tượng sinh vật khác nhau. Hình 2.6. Mô hình ribosome 7/18/15 6 tARN • Là các phân tử ARN được sao mã từ đoạn gen đặc thù (gen tARN) • tARN có nhiệm vụ xếp các axit amin vào đúng vị trí theo trình tự mã di truyền trên mARN • Sau khi được tạo ra bằng quá trình sao mã, ở một vị trí xác định của nó xảy ra biến đổi một số gốc (hydrouraxin (DHU) và pseudouridin). tARN sau đó uốn lại tạo cấu trúc không gian có dạng hình cỏ ba lá nhờ các liên kết hydro. - Đầu 3‟ của tARN liên kết với axit amin. Luôn có trình tự CCA -Ở một đỉnh uốn có chứa một bộ ba mã hoá (anticodon) ứng với axit amin mà tARN mang.  Do đó các axit amin được mang chính xác đến vị trí trong chuỗi polypeptit ứng với thứ tự mã hoá trên mARN. Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc của tARN Sơ đồ cấu trúc ARNt I – vòng thắt DHU; II – anticodon; III – đoạn thêm IV – vòng thắt TψC Hoạt hóa axit amin. • Mỗi loại axit amin có mặt trong tế bào chất được đính vào từng ARNt thích hợp nhờ hoạt động xúc tác của enzyme aminoaxyl-tARN synthetase đặc thù. • Enzyme này xúc tác cho phản ứng ATP hoạt hóa axit amin tạo nên phức hợp aminoaxyl-AMP liên kết với enzyme E + ATP + A.amin  E[Aamin~AMP] • Sau đó phức hợp này kết hợp với ARNt bằng liên kết đồng hóa trị tạo nên aminoaxyl-ARNt E[Aamin~AMP] + ARNt  Aamin~ARNt + AMP + E Toàn bộ quá trình trên gọi là quá trình hoạt hóa axit amin. Giai đoạn 1: • Tiểu đơn vị ribosome bé bám vào ARNm tại vị trí của codon khởi đầu AUG. • ARNt axit amin mở đầu, một đầu mang bộ ba đối mã (AUG), một đầu mang axit amin mở đầu Methionyl tiến vào ribosome và khớp anticodon của nó với codon khởi đầu theo nguyên lý bổ sung. • Tiếp đó tiểu đơn vị lớn của ribosome bám vào tiểu đơn vị bé tạo ra một ribosome hoạt động hoàn chỉnh. Lúc này Met-tRNA ở vị trí P và bên cạnh vị trí A còn để trống • Một ARNt thứ hai đi vào vị trí A và khớp với codon thứ 2 • Giữa hai axit amin hình thành liên kết peptit, phản ứng được xúc tác bởi enzyme peptidyltranspherase, kết quả là tạo ra một peptidyl – ARNt ở vị trí A. 7/18/15 7 Giai đoạn 2: • Ribosome dịch chuyển sang một codon mới dọc ARNm theo chiều 5‟ 3‟. Dịch chuyển này đẩy ARNt-1 ở vị trí P ra khỏi ribosome, và đưa ARNt-2 vào vị trí P làm vị trí A bị bỏ trống. • Aminoacyl - ARNt thứ 3 đi vào và khớp aticodon của nó với codon vị trí A, liên kết peptit thứ hai được hình thành. • Ribosome lại dịch chuyển sang codon kế tiếp Cứ như vậy, lại xảy ra quá trình tương tự dọc theo suốt chiều dài ARNm cho đến codon đặc hiệu kết thúc trên ARNm. Giai đoạn 3 • Ribosome dịch chuyển tới khi ví trí codon tại A là codon kết thúc (UAA, UAG, UGA). • Một protein đặc biệt gọi là nhân tố giải phóng (RF) sẽ tiến vào A và khớp với bộ ba đối mã. • Sự có mặt của RF cùng với enzyme peptidyl transferase gây ra sự chuyển dịch của ribosome và tách chuỗi polypeptide ra khỏi ARNt cuối cùng, • Hai tiểu đơn vị của ribosome cũng tách ra ở dạng tự do. Chuỗi peptit được giải phóng. Polysome • Sau khi có khoảng 25 axit amin được liên kết vào chuỗi polypeptide-1, ribosome thứ nhất đã tách xa codon khởi đầu, codon này lại liên kết với ribosome thứ 2. Và sự chuyển dịch xảy ra song song. Cứ như vậy đến ribosome thứ 3thứ n. Như vậy, trên 1 ARNm có nhiều ribosome làm việc tạo nên một đơn vị dịch mã polyribosome hay polysome Sơ đồ sao chép ARN diễn ra đồng thời ở nhiều ARN-polymerase Sự thực hiện thông tin di truyền ở tế bào 7/18/15 8 GEN LÀ GÌ? KHÁI NIỆM TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG GEN Ở TẾ BÀO • Gen là gì? • Gen có vai trò gì trong cơ thể sinh vật? • Gen có cấu tạo và hoạt động như thế nào? Khái niệm về gen của Morgan Các gen nằm trên nhiễm sắc thể và là các đơn vị không chia nhỏ được nữa Các đơn vị này là: • Đơn vị đột biến, nghĩa là khi xảy ra đột biến trong gen, gen sẽ bị biến đổi hoàn toàn sang một trạng thái mới. • Đơn vị tái tổ hợp, nghĩa là trao đổi chéo không bao giờ diễn ra ở bên trong gen, chỉ có thể diễn ra giữa các gen. • Đơn vị chức năng: một gen quy định một loại chức năng trong cơ thể sống. Theo Morgan,để xác định hai đột biến nghiên cứu có nằm trong cùng một gen hay không (có alen với nhau không) có thể căn cứ vào 2 tiêu chuẩn: • Tiêu chuẩn tái tổ hợp: Nếu các đột biến không tái tổ hợp với nhau (giữa chúng không xảy ra trao đổi chéo) thì chúng alen với nhau. Nếu không, chúng thuộc về hai gen khác nhau. • Tiêu chuẩn chức năng: khi lai hai thể đột biến với nhau nếu cho thế hệ lai có kiểu hình đột biến, thì hai đột biến đó thuộc về cùng một gen (chúng alen với nhau), còn nếu cho thế hệ lai có kiểu hình dại (bình thường) thì các đột biến thuộc về hai gen khác nhau. Chắc nghiệm chức năng cho hiện tượng tương ứng x x a1 x a1 x a2 x a2 x x A1 a2 x x x a1 A2 x x a1 A2 x x a2 A1 x x a1 A2 x x a2 A1 x a1 x a2 Kiểu hình dại Hai đột biến a1 và a2 không alen thuộc về 2 gen khác locus Kiểu hình đột biến Hai đột biến a1 và a2 là 2 alen thuộc về cùng 1 locus Ý kiến của bạn về quan điểm của Morgan? Đồng ý? Không đồng ý? Ngày nay chúng ta có thể khẳng định: Gen là một đoạn nằm trên phân tử DNA, đóng vai trò là một đơn vị cấu trúc của thông tin di truyền và đảm nhận một đơn vị về mặt chức năng. Thí nghiệm chứng minh gen không phải là đơn vị tái tổ hợp C.Oliver, M.Green và E.Lewis (1951) thí nghiệm trên đối tượng ruồi giấm với số lượng cá thể rất lớn đã phát hiện thấy các đột biến được cho là nằm trong cùng một gen theo tiêu chuẩn chức năng thì lại tái tổ hợp với nhau.  Trao đổi chéo giữa các đột biến trong một gen vẫn diễn ra bình thường 7/18/15 9 Các loại gen trong cơ thể sinh vật Hiện tại, phân tử DNA của sinh vật (không bao gồm DNA trong ty thể và lục lạp được chia ra các vùng chức năng gọi là các gen, bao gồm 6 loại chính: 1.Các gen cấu trúc: tổng hợp các protein cấu trúc và các protein enzyme, giới hạn bởi bộ ba khởi đầu và bộ ba kết thúc. 2.Các gen tARN mang thông tin tổng hợp nên các ARNt. 3.Các gen rARN mang thông tin tổng hợp ARNr. 4.Các vùng điều hòa đặc hiệu nằm cạnh các gen cấu trúc, đó là các promotor, operator . 5.Các vùng đệm (spacer) tách biệt giữa các gen 6.Các vùng mã hóa các tín hiệu khởi đầu và kết thúc dịch mã và một số vùng thực hiện hàng loạt các chức năng khác thì hiện chưa hoàn toàn sáng tỏ. ADN TRONG TY THỂ, LẠP THỂ ADN TY THỂ (mt ADN) • Mã hóa cho 20 – 30 loại ARNt và 10 – 12 loại protein trong thành phần bên trong ti thể. • Dạng chuỗi kép, trần mạch, vòng ADN LẠP THỂ (cp ADN) • Có hàm lương GC khác biệt với ADN trong nhân và ADN ti thể. • Ở một số loài thực vật bậc cao có tới 6000 phân tử cpADN trong tế bào, phân bố trong khoảng 40 – 80 lạp thể. • Mã hóa nhiều protein cấu tạo lạp thể và các enzym cần cho quá trình quan hợp. Ngoài ra còn có cả một số protein của ribosome. 2.2 CẤU TRÚC VÀ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG CỦA GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ 2.2.1 Khái niệm chung – gen hoạt động theo cơ chế điều hòa • Biểu hiện của gen chịu sự kiểm soát của các cơ chế điều hòa, chúng xảy ra theo chương trình định trước và đáp lại là những tác động của sự biến đổi ở môi trường và trong tế bào. • Ở sinh vật nhân sơ, mục đích của sự điều hoà biểu hiện gen là nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với các tác nhân dinh dưỡng và lý hoá của môi trường, đảm bảo 2 yêu cầu chính của tế bào: tăng trưởng và sinh sản. • Sự điều hoà biểu hiện của gen chủ yếu được tiến hành ở giai đoạn phiên mã. MÔ HÌNH OPERON • Ở sinh vật nhân sơ, các gen thường hợp lại thành cụm hướng tới thực hiện một chức năng nhất định gọi là operon. Cơ chế điều hòa chủ yếu được thực hiện thông qua các operon. • 1961, F. Jacob và J. Monod đưa ra mô hình operon: + Đoạn ADN mã hoá (các gen cấu trúc) quy định tổng hợp protêin. + Đoạn ADN tham gia vào quá trình điều hoà hoạt động của các gen cấu trúc. + O- operator: vùng điều hành :21 đôi bazơ + P- promotor: vùng khỏi động: 85 đôi bazơ Kết luận: operon là một hệ thống hoạt động bao gồm các gen cấu trúc nằm dưới sự kiểm soát của bộ phận điều hoà liên kết sát chúng. 2.2.2 Lac operon ở vi khuẩn, điều hòa âm tính • Các enzyme tham gia vào phân giải đƣờng lactose ở E.coli:  β-galactoside tham gia vào sự phân giải lactose thành galactose và glucose;  β-galactoside permease – cần cho sự thâm nhập của galactose vào tế bào;  β-galactoside transacetylase – chuyển nhóm acetyl từ acetyl-CoA vào β-galactoside. • Khi nuôi cấy khuẩn E.coli trong môi trường có lactose thì thấy hoạt tính của các enzyme trên tăng mạnh. Như vậy lactose đã cảm ứng sự hoạt động của các gen kiểm tra các enzym trên. 7/18/15 10 Cấu trúc của mô hình lac operon Phần 1: Các gen cấu trúc kiểm tra tổng hợp các enzym: - Gen kiểm tra tổng hợp β-galactoside (ký hiệu là Z), có độ dài 3.510 đôi bazơ. - Gen kiểm tra tổng hợp β-galactoside permease, ký hiệu là Y, có độ dài 780 đôi bazơ. - Gen kiểm tra tổng hợp β-galactoside transacetylase, ký hiệu là A, có độ dài là 825 đôi bazơ. Khi sao mã, các gen cấu trúc được sao cùng nhau trên một ARNm, tạo thành một khối gọi là ARNm đa cistron. Phần 2: Vùng ADN làm nhiệm vụ điều hòa sự hoạt động của các gen cấu trúc: - Vùng O – operator (vùng điều hành hay chỉ huy), có độ dài 21 đôi bazơ - Vùng P – promoter (vùng khởi động), có độ dài chừng 85 đôi bazơ. Vùng P được chia làm 2 đoạn: đoạn A – là nơi tiếp nhận sự tác động của protein hoạt hóa trao đổi chất CAP (Catabolite Activator Protein) và đoạn dành cho enzyme ARN-polymerase liên kết để tiến hành sao mã. Giữa hai phần cách nhau bởi một đoạn có độ dài khoảng 37 đôi bazơ, gọi là đoạn dẫn đầu. Cơ chế điều hòa âm tính • Sự đóng mở các gen cấu trúc phụ thuộc vào protein điều hòa (protein ức chế), do gen điều hòa I kiểm tra. • Ở hệ lactose gen I nằm ngay sát tổ chức operon và có độ dài 1.045 đôi bazơ với vùng khởi động (P) dài khoảng 80 đôi bazơ. Gen I hoạt động theo cơ chế tự điều khiển. • Khi protein điều hòa có tác động bao vây vùng O  ức chế sao mã các gen cấu trúc. • Khi trong môi trường có mặt chất cảm ứng (inducer) (VD: đường lactose, isopropylthiogalactoside (IPTG)), nó tác động với protein điều hòa  protein điều hòa biến đổi cấu trúc không gian  mất hoạt tính bao vây vùng O  vùng O được giải tòa. Nhờ đó, sự hoạt động của ARN- polymerase được diễn ra bắt đầu từ điểm khởi động. Kết quả là các gen cấu trúc được sao mã. Lac Repressor molecule 7/18/15 11 Sơ đồ hoạt động của lac operon ở E.coli theo cơ chế điều hòa cảm ứng âm tính Các thể đột biến gen lac và biểu hiện kiểu hình của chúng Đột biến gen lac Kiểu hình đột biến lacI- Lac operon hoạt động liên tục bởi operator không bị bao vây O- Lac operon hoạt động liên tục bởi chất ức chế không bám được vào operator P- Lac operon ngừng hoạt động vì ARN polymerase không thể bám được vào ADN lacZ- Không có các sản phẩm glucose hay galactose được phân giải từ lactose lacY- Lactose không được vận chuyển vào trong tế bào Điều hòa ức chế âm tính (negative, repressive control) – operon sinh tổng hợp axit amin • Điều hoà hoạt động của các operon sinh tổng hợp axit amin cũng diễn ra theo cơ chế điều hoà âm tính. Nhưng có sự khác biệt so với operon lac đó là: khi có tác động của sản phẩm axit amin (hình thành nhiều trong tế bào) lên protein điều hoà, làm cho nó trở nên hoạt tính bao vây vùng O và ức chế sao mã. • Như vậy, axit amin có tác động như yếu tố đồng ức chế. • Khi tế bào thiếu aa, sự sao mã xảy ra, hoạt tính của các enzim tham gia vào sinh tổng hợp protêin tăng. Khi đủ aa, các gen cấu trúc ngừng sao mã. • Ví dụ: Operon histiddin, Operon triptophan MÔ HÌNH OPERON TRYPTOPHAN 7/18/15 12 Sơ đồ về sự điều hòa hoạt động của Tryp operon theo cơ chế điều hòa ức chế âm tính (điều hòa ngược – retro-inhibition) 2.2.3 Một số cơ chế điều hoà khác. a) Điều hòa dƣơng tính (positive, inducible control) Cơ chế điều hoà: • Adenozinmonophotphat vòng (cAMP) được tổng hợp trong tế bào vi khuẩn nhờ enzym adenylxyclase. • Khi vi khuẩn sinh trưởng ở môi trường chứa glucose, thì nồng độ của cAMP ở tế bào thấp. • Khi ở môi trường chứa nguồn cacbon khác (lactose) thì nồng độ cAMP tăng. • cAMP kết hợp với một protein hoạt hoá trao đổi chất (Catabolite Activator Protein – CAP, protein này được mã hoá bởi gen crp ) tạo thành phức hợp cAMP – CAP. • Phức hợp này liên kết với vùng A ở promotor gây hoạt hoá sao mã các gen cấu trúc. Sơ đồ cơ chế điều hòa dƣơng tính ở lac operon • Tác động của cAMP – CAP không phụ thuộc vào hệ gen điều hoà I và operator, vì thể đột biến gen crp và adenylxyclase không sao mã được ARNm của operon lac, ngay cả khi đột biến lacI- hay Oc có mặt. Như vậy, operon lac có thể được điều hoà một cách độc lập theo cơ chế dương tính và âm tính. • Cơ chế điều hoà dương tính quan sát thấy ở các operon của quá trình trao đổi chất, nhưng không gặp ở các operon sinh tổng hợp. 7/18/15 13 b) Cơ chế điều hoà phức hợp ở ara operon Là cơ chế điều hoà của operon tham gia vào quá trình chuyển hoá đường arabinose ở vi khuẩn, hoạt động theo cơ chế điều hoà phức hợp, bao gồm cả sự điều hoà âm tính và dương tính. Cơ chế hoạt động: • Protein điều hoà (được sao mã từ gen điều hoà) có cấu trúc gồm hai tiểu phần. • Protein điều hoà liên kết với hai vùng điều hành: + vùng điều hành của operon + vùng O2 ở gen điều hoà • Từ đó gây nên sự biến dạng đoạn ADN này, làm cho ARN- polymerase không thể liên kết với điểm khởi động để tiến hành sao mã các gen cấu trúc. • Khi trong môi trường có mặt đường arabinose, chất này tác động với protein điều hoà làm cho nó thay đổi cấu trúc không gian dẫn đến mất khả năng phong toả vùng điều hành, tức làm mất sự biến dạng của đoạn ADN này, tạo điều kiện cho sự hoạt động của ARN-polymerase. • Song song với hoạt động trên, phức hợp cAMP – CAP liên kết với ADN như một yếu tố điều hoà dương tính, nhờ đó sự gắn ARN-polymerase vào điểm khởi động được kích thích mạnh, để thực hiện quá trình sao mã ở ba gen A, B và D ở ara operon. c. Điều hoà theo cơ chế sao mã bỏ dở ở tryptophan • Operon này có đoạn ADN từ vùng O tới gen cấu trúc 1 (140bp) - đoạn dẫn đường, gồm: + Một trật tự 26 bazơ không tham gia mã hoá. + Một trật tự gồm 45 bazơ ứng với 15 bộ ba mã hoá có 1 peptit ngắn – peptit dẫn đường (14aa: 2aa triptophan ứng với bộ ba 10,11). + Các trật tự cấu trúc dạng uốn palindrome giống cấu trúc ở vùng kết thúc của 1 gen. MÔ HÌNH CẤU TRÚC ĐOẠN ADN DẪN ĐƢỜNG CỦA OPERON TRYPTOPHAN CƠ CHẾ SAO MÃ BỎ DỞ a) Khi trong tế bào có đủ Tryptophan • Quá trình sao mã được tiến hành từ đoạn dẫn đường nhờ ARN- polymerase. • Khi trong tế bào có nhiều tryptophan, chúng được ARNt đưa đến lắp ráp theo hai codon 10 và 11 sự trượt của ribosome diễn ra bình thường  hoàn thành tổng hợp chuỗi peptid dẫn đường. • Chuyển động của ARN-polymerase gặp đoạn attenuator gây tín hiệu kết thúc sao mã ở đoạn dẫn đường và sự sao mã bị dừng tại đó. Như vậy, sự sao mã các gen cấu trúc không tiếp tục diễn ra khi trong tế bào vẫn có đủ tryptophan. 7/18/15 14 Sơ đồ điều hòa theo cơ chế bỏ dở ở operon tryptophan a) Khi trong tế bào có axit amin tryptophan b) Khi trong tế bào thiếu tryptophan: • Không có ARNt mang tryptophan tới ribosome để tiếp tục tổng hợp chuỗi peptid dẫn đường. Hậu quả là ribosome bị dừng lại ở codon tryptophan. • Phần dẫn đường của ARNm cuộn lại gây biến dạng cấu trúc uốn đặc trưng làm cho đoạn attenuator không thực hiện được chức năng dừng lại. • Sự trượt của enzyme ARN-polymerase được tiếp tục diễn ra, dẫn tới sự hoàn tất sao mã các gen cấu trúc của operon. Như vậy, các enzyme tham gia vào quá trình sinh tổng hợp tryptophan được tạo ra, tryptophan được tích lũy với số lượng lớn trong tế bào. b) Khi trong tế bào không có tryptophan 2.3. CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA GEN SINH VẬT NHÂN CHUẨN (EUKARYOTE) 2.3.1. Cấu trúc exon – intron của gen 1977, nhóm tác giả phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor phát hiện cấu trúc không liên tục của gen ở adenovirus –2: + Độ dài của mạch mARN tham gia vào dich mã ngắn hơn so với mạch mARN sao ra theo khuôn của chuỗi ADN muộn (L- ADN). + Bằng phương pháp lai phân tử : mARN tạo thể lai không tương ứng trên toàn mạch L- ADN mà chỉ xảy ra ở 4 đoạn: 1 đoạn dẫn dầu kéo dài hơn và 3 đoạn ngắn tiếp theo. Những đoạn “ dư ra” của L- ADN tạo nên những dải uốn. Kết luận: để hình thành mARN tham gia vào dịch mã, chỉ có thể bằng con đường cắt bỏ các đoạn ở ARNm sao ra từ gen. Cấu trúc của gen gồm những đoạn trơ không mang mã hóa (intron), chúng xen kẽ với các đoạn mã hóa (exon). Cấu trúc này còn gọi là cấu trúc không liên tục hay cấu trúc khảm của gen. Ảnh vi điện tử và sơ đồ cấu trúc gen β- globin Cấu trúc exon – intron - Số lượng intron dao động rất lớn, có thể từ một tới vài chục . - Độ dài của các intron và exon rất khác nhau. - Độ dài của các intron có biến động rất lớn. - Các intron có tính chất ổn định về vị trí ở các gen gần giống nhau của một loài, hay ở gen cùng loại của các loài khác nhau. - Thành phần các nucleotit ở các intron kém ổn định, biến động nhiều trong tiến hóa. - Thành phần của các exon ổn định hơn. 7/18/15 15 - Ở đa số các gen, độ dài của intron chiếm tỷ lệ lớn hơn nhiều so với độ dài của exon. - Các đột biến xảy ra trong vùng intron thường xuyên hơn, chúng không hoặc ít ảnh hưởng tới chức năng của gen. - Vùng giáp nối giữa exon và intron được đặc trưng bằng các trật tự nucleotit (đoạn giáp nối): A(C)AG |GTA(G)AGT. Đoạn này có vai trò quan trọng trong sự cắt bỏ các intron và nối các đoạn exon lại, vì thế nó có tên gọi là trật tự tách ghép (trật tự splicing). Đột biến xảy ra ở vùng giáp nối có thể dẫn tới sự không cắt được các intron, hay cắt sai, do đó không thu được ARNm thành thục để dịch mã. • Đầu 5‟ của ARNm xảy ra phản ứng tạo mũ (capping), đó là phản ứng methyl hóa ở vị trí số 7 của guanozin và ở vị trí số 2 của đường ribose,kết quả là tạo ra mũ 7- methylguanosinetriphosphate (m7Gppp). • Đuôi polyA được thêm vào đầu 3‟ của các phân tử ARNm, có vai trò đẩy ARNm qua lỗ màng nhân ra bào chất. 2.3.2. Quá trình thành thục hóa ARNm sơ cấp • Sự tách ghép (splicing): + Ở hai đầu của mỗi intron (gần sát điểm giáp nối) đều có hai nucleotit ổn định (5‟) GU..AC (3‟) (trật tự chuẩn). + Một số ARN nhỏ ở nhân (snARN) có chứa hai dinucleotit bổ sung với các trình tự chuẩn ở intron. Các snARN phối hợp với enzyme tách ghép tạo thành phức hợp có hoạt tính xúc tác sự tách ghép gọi là ribonucleoprotein (snRNP) hay ribonuclease- P-snRNA. + Có 5 loại snARN: U1, U2, U4, U5, U6 tạo thành splicesome. + Đoạn intron uốn lại hình vòng nhờ sự tương tác của nó với snARN theo trật tự bổ sung. + Enzyme tách ghép thực hiện việc cắt bỏ các intron và nối các exon. Sơ đồ quá trình thành thục hóa ARNm sơ cấp (pre - ARNm) 7/18/15 16 Branch site A Transesterification A nucleotide with a 5‟- 3‟ phosphodiester Lariat structure and a 5‟- 2‟ phospho- diester linkage The chemical reaction that characterizes splicing is transesterification Trans-splicing: When exons from two different original mRNAs are spliced together Only apparent difference is the “Y” structure formed, rather than the „lariat‟ Examples - many trypanosome mRNAs; C. elegans messages to attach 5‟ leader; Chlamydomonas psa gene in chloroplast Branch site Splice site Branch-point binding protein Splice site Branch site an RNA-free protein 7/18/15 17 E - complex A - complex U5 held in place by weaker U4-U6 held together by protein-protein interactions base pairing of RNA components “Tri-snRNP particle” B - complex U1 replaced by U6 Assembly of splicesome is complete release C complex (U2 contacts U6 to form active site) 2 transesterification reactions Spliced mRNA lariat Tự tách ghép (self-splicing) Là quá trình tách ghép ở ARNm sơ cấp xảy ra do sự xúc tác của chính phân tử ARNm mà không có sự tham gia của các protein-enzyme khác. Phân tử ARN có hoạt tính xúc tác gọi là ribozyme. Splicesomes may have evolved from Group II self-splicing introns Linear intron Splicesome- released mediated “Lariats” released 2.3.3. Sự tách ghép nảy sinh, những ý nghĩa của cấu trúc exon - intron a. Sự tách ghép nảy sinh • Ở một gen, quá trình tách ghép nảy sinh có thể xảy ra theo nhiều cách, kết quả hình thành nhiều dạng ARNm thành thục khác nhau, gọi là sự tách ghép nảy sinh. • Đối với sinh vật nhân chuẩn sự tách ghép nảy sinh không nhiều. Tuy nhiên nó có ý nghĩa lớn trong sự tạo đa dạng các sản phẩm và trong điều hoà sự biểu hiện của gen. 7/18/15 18 SP VH Cμ1 Cμ2 Cμ3 Cμ4 Cμ5 Cμm AAAAA SP VH Cμ1 Cμ2 Cμ3 Cμ4 Cμ5 SP VH Cμ1 Cμ2 Cμ3 Cμ4 Cμm 3’ ARNm sơ cấp của chuỗi nặng Tế bào B Tế bào plasma AAAAA Chuỗi nặng IgM5 Chuỗi nặng IgMm chuỗi nhẹ chuỗi nặng axit amin hydrophylic chuỗi nhẹ chuỗi nhẹ axit amin hydrophybic 5’ Hình 2.19. Sơ đồ về sự tách ghép nảy sinh ở ARNm chuỗi nặng của immunoglobin (IgM) b) Ý nghĩa của cấu trúc exon - intron - Tạo đa dạng các sản phẩm và trong điều hoà sự biểu hiện của gen. - Tính chất cấu trúc không liên tục, nhiều thành phần của gen có ý nghĩa trong tiến hoá hình thành những gen mới. Nhiều gen phức tạp có thể xuất hiện thông qua sự lắp ghép khác nhau từ những đoạn thành phần 2.4. ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC OPERON VÀ ĐIỀU HÒA GEN Ở SINH VẬT NHÂN CHUẨN 2.4.1. Những yếu tố điều hòa của operon và đặc điểm của chúng 1. Promoter (vùng khởi động) • Là nơi ARN-polymerase gắn vào để tiến hành sao mã ra các ARNm. • Ở vùng khởi động thường quan sát thấy những trật tự có thành phần bazơ như kiểu TATAAT. • Khi vùng khởi động bị bất hoạt hóa (do đột biến) thì sự sao mã bị đình trệ. • Vùng khởi động của các gen do ARN-polymerase III sao mã thường nằm ở bên trong gen đó. Ví dụ, ở gen ARNt promotor cấu tạo từ hai khối phân cách nhau bởi một đoạn khoảng 20 đôi bazơ, khối thứ nhất cách điểm bắt đầu sao mã khoảng 8 – 30 đôi bazơ. • Vùng khởi động của ARN-polymerase I nằm ở phía trước gen ARNr, nhưng chưa hoàn toàn xác định được rõ vị trí, hơn nữa các trật tự ADN ở vùng này ít mang tính đặc trưng và biến động mạnh ở các loài. 2. Enhancer (vùng tăng cường sao mã) • M.L. Brinstiel (1980) nghiên cứu các gen histon ở tế bào trứng ếch và nhiều nghiên cứu sau này thấy: Có những đoạn ADN ngắn nằm ở những vị trí khác nhau của gen, có chức năng tiếp nhận thông tin làm tăng quá trình sao mã - gọi là vùng tăng cường sao mã. • Đặc điểm: + Vùng tăng cường là yếu tố tác động theo hướng đồng thời, chúng chỉ có hoạt tính khi nằm trong khối thống nhất chứa gen mà chúng điều khiển. + Vùng tăng cường không có tính hướng, vị trí của chúng có thể thay đổi mà không ảnh hưởng tới chức năng hoạt động của chúng. 7/18/15 19 + Vùng tăng cường không mang tính đặc trưng cho từng gen mà chúng điều khiển, có ý nghĩa hầu như cho mọi gen. + Vùng tăng cường có tính chất đặc trưng rất yếu ở góc độ phân loại. + Ở một số trường hợp vùng tăng cường có tính chất đặc trưng cho từng mô của cơ thể đa bào bậc cao. + Một gen có thể mang một số vùng tăng cường. + Vùng tăng cường là đoạn ADN ngắn, ở một vùng tăng cường có thể chứa 1 hoặc một vài tâm trục. 3. Silencer (vùng gây giảm sao mã) Là những đoạn ADN (nằm ở thành phần ADN không mã hoá) có tác dụng làm giảm sự sao mã. Tóm lại: ở sinh vật nhân chuẩn những thành phần tham gia vào sự điều hoà hoạt động của gen ở operon phức tạp hơn nhiều so với cấu trúc operon ở sinh vật nhân sơ. Hơn nữa, lượng ADN mã hoá (exon) chiếm tỷ lệ nhỏ hơn nhiều so với lượng ADN không mã hoá (intron và khoảng cách giữa các gen). Ở bộ phận ADN này nằm dải rác nhiều yếu tố tham gia vào sự điều hoà sao mã. 2.4.2. Điều hòa sao mã - sự tương tác giữa các tác nhân điều hòa với enhancer và các vùng điều hòa khác của gen 1. Tác động của các hormone và protein điều hòa Ở sinh vật nhân chuẩn bậc cao có nhiều chất hormone có tác dụng điều hòa hoạt động của gen. Những tế bào có các chất hormone (ví dụ: nhóm steroid, nhóm glucocorticoit) tới tác động gọi là tế bào đích. + Protein tiếp nhận (R) phối hợp với hormone steroid (H) tạo thành phức hợp R - H, sau một số biến đổi ở hình dạng protein, phức hợp này đi vào nhân tế bào. + Trong nhân tế bào, phức hợp protein tiếp nhận - hormone liên kết với những vùng điều hòa đặc trưng: enhancer, promotor của gen. Từ đó gây hiệu quả kích thích sao mã. Ở các tế bào đích của dạng hormone glucocorticoit, hệ thống tiếp nhận làm việc theo cơ chế sau: + Khi chưa có hormone, protein tiếp nhận liên kết với một phân tử có tên là Hsp90 và tồn tại ở tế bào chất. + Khi hormone glucocorticoit có mặt, protein tiếp nhận liên kết với nó và đẩy Hsp90 ra. + Phức hợp protein tiếp nhận - hormone đi vào nhân tế bào, ở đó nó liên kết với một đoạn của vùng tăng cường enhancer nằm không xa gen, đoạn này có tên gọi là yếu tố phản ứng với glucocorticoit (GRE). Sự liên kết này vào vùng tăng cường có tác động kích thích promotor của gen mà nó điều khiển, kết quả là sao mã được tăng. 2. Cơ chế hoạt động của vùng tăng cƣờng (enhancer) - Giả thuyết 1: enhancer là chỗ để cho ARN – polimerase hay các yếu tố tham gia vào sự sao mã khác đi vào, sau đó được chuyển dịch theo ADN và tìm đến promotor, sao mã xảy ra. Giả thuyết này không áp dụng cho trường hợp enhancer ở trong gen hay ở sau gen. - Giả thuyết 2: enhancer có thể tương tác với hệ thống khung tựa của nhân tế bào  sự chuyển dịch không gian, làm cho enhancer được gắn với các yếu tố điều hoà khác của gen. Từ đó, những quá trình về tiếp nhận thông tin, truyền tín hiệu sao mã trở nên hiệu quả hơn. 7/18/15 20 - Giả thuyết 3: protein điều hoà liên kết với 1 enhancer ở một tiểu phần, tiểu phần kia có thể liên kết với promotor hay với một protein của enhancer khác  gây hiệu quả mở, kích thích sao mã của ADN. - Sau khi enhancer tương tác với các protêin điền hoà, nó trở thành chỗ “nóng” để từ đó dọc theo sợi nhiễm sắc xảy ra 1 loạt các quá trình cộng hưởng, gây nên những biến đổi làm bất ổn định các hạt nuclêoxom, chúng được giải phóng ra khỏi sợi ADN  tạo điều kiện cho sao mã xảy ra. 2.5. TỔ CHỨC CÁC GEN Ở GENOM, HIỆN TƢỢNG KHUYẾCH ĐẠI GEN 2.5.1. Các gen đơn bản và các gia đình gen, ý nghĩa • Nếu gen chỉ tồn tại theo 1 bản ở bộ đơn bội NST thì nó thuộc nhóm các gen đơn bản. • Ở sinh vật bậc cao, các gen tồn tại không tuân theo 1 bản mà theo nhiều bản là chủ yếu, tạo nên gia đình gen. Gia đình gen là tập hợp bao gồm những gen giống nhau, thực hiện những chức năng tương tự, tức là nó mã hoá những protein nguồn gốc giống nhau. Một số kiểu tổ chức gia đình gen: + Kiểu 1: các gen lặp lại liên tục kế liền tiếp nhau: các bản gen có cấu trúc giống nhau, mã hoá cho một sản phẩm giống nhau được lặp lại nhiều lần. Gồm các gen rARN , 5S ARN, các gen histon VD: các gen histon của nhím biển : số bản sao lặp lại (H1, H4, H2B, H3, H2A): 300 – 600 + Kiểu 2: trong đó các thành viên gen nằm sát nhau theo một khối ở một khu vực nào đó của genom, nhưng không tạo nên các đơn vị lặp lại đồng nhất như kiểu 1. VD1: các gen  - globin gồm 7 thành viên, chiến khoảng 80000 đôi bazơ của NST số 11. + Kiểu 3: các thành viên không tạo thành khối nằm liền nhau, mà nằm phân tán rải rác ở genome. Cơ chế: ngay sau khi sự nhân bản gen, xảy ra quá trình chuyển đoạn các gen được chuyển tới những chỗ mới. Ví dụ: thành viên gen actin ở ruồi giấm Siêu gia đình: Một số gia đình gen tạo thành một tập đoàn lớn tới hàng ngàn bản gen, chiếm một khu vực rất lớn của genom tới hàng triệu đôi nuclêotit. Ví dụ: Siêu gia đình các gen immunoglubulin gồm: Các gen immunoglubulin Các gen kiểm tra sự dung hợp mô Kết luận: đặc điểm cấu trúc của gen cũng như những kiểu tổ chức các gen ở genom nói lên tính chất phức tạp, tính chất tổ chức tinh vi và thống nhất cao trong sự điều hành hoạt động của các gen ở góc độ định tính cũng như định lượng, diễn ra trong quá trình phát triển cá thể của sinh vật bậc cao. 2.5.2. Hiện tƣợng khuyếch đại gen, ý nghĩa - Ở nhiều trường hợp số lượng bản gen được tăng vọt nên so với số bản lặp đã có trong genom - hiện tượng khuếch đại gen. Ví dụ: Sự khuếch đại gen rARN ở tế bào noãn của cóc Xenopus lavis: số lượng bản gen rARN có trong genom khoảng 600 bản, sau khuếch đại tăng lên 2.106 bản. - Ở quá trình khuếch đại, những bản gen rARN được tách ra khỏi NST và tạo thành những vòng nhỏ. Các vòng này tái bản theo cơ chế vòng lăn tạo nên số lượng rất lớn các bản gen rARN. Như vậy, khuếch đại gen là hiện tượng phổ biến ở sinh vật. Nó là một trong những cơ chế thích ứng, trả lời theo cơ chế tự động ở những giai đoạn phát triển cá thể nào đó, hoặc có thể xảy ra do tác động của yếu tố môi trường. 2.6. CÁC YẾU TỐ DI TRUYỀN DI ĐỘNG TRONG GENOM 2.6.1. Khái niệm, sự phát hiện ra yếu tố di truyền di động • Yếu tố di truyền di động (Transposalle genetic elemets, TGE) đã được B.Clintock (1947) phát hiện khi nghiên cứu những biến động di truyền ảnh hưởng tới sự đứt nhiễm sắc thể ở ngô. • Đã phát hiện ra một yếu tố di động - locus Ds (yếu tố phân tán), ở đó dễ xảy ra sự đứt nhiễm sắc thể. Tuy nhiên, hoạt tính di động của yếu tố Ds chỉ xuất hiện khi trong genom có mặt yếu tố di động thứ 2, có tên gọi là yếu tố hoạt hóa (ký hiệu Ac). 7/18/15 21 THÍ NGHIỆM CỦA B.CLINTOCK + Sử dụng một gen chỉ thị kiểm soát sự tích tụ sắc tố trong aleurone (lớp ngoài cùng của nội nhũ hạt ngô). Gen chỉ thị này là một alen của locus C trên NST 9. Vì alen này (C1) là một yếu tố ức chế trội đối với màu sắc của aleurone - hạt ngô mang alen này không màu. + Thụ phấn cho cây CC bằng hạt phấn của bông cờ C1C1 - hạt ngô có nội nhũ C1CC - hầu hết không màu, chỉ có một ít đốm có màu. Như vậy, alen C1 đôi khi không có mặt trọng sự phát triển nội nhũ, dẫn tới một dòng tế bào và các tổ chức có khả năng tạo thành sắc tố, kiểu gen ở đây sẽ là –CC, trong đó có phần nhỏ mất alen C1 – alen này mất là do đứt gãy NST. + Khi Ds (yếu tố di động) nằm cạnh locus C – nó bị bất hoạt hóa (C- C1 ) - hạt không màu. + Nếu trong kiểu gen có mặt yếu tố Ac – do được chuyển dịch – locus C trở lại hoạt tính – các hạt có vệt màu. Kết luận: yếu tố di truyền di động là những đoạn ADN đặc biệt, xen vào 1 hoặc 1 số vị trí trong hệ gen, tạo nên các biến đổi di truyền. Các biến đổi này sẽ mất đi khi TGE rời khởi vị trí đã xen. Sơ đồ diễn tả sự tác động của các yếu tố Ds và Ac tới sự hoạt động của locus C 2.6.2. Các yếu tố di truyền di động ở vi khuẩn, ý nghĩa • Ở vi khuẩn đã phát hiện ra những dạng đột biến đặc biệt có đặc điểm chung là ở cạnh chúng có một đoạn ADN xen vào. Những đoạn ADN này gọi là các đoạn xen - IS (insertion sequences). • Đặc điểm của đoạn xen: + Hai đầu mút có trật tự bazơ giống hệt nhau, nhưng xếp ngược chiều nhau, có độ dài khoảng 9 - 40 đôi bazơ. + Hầu hết các đoạn IS chứa gen kiểm tra enzyme transporase - kiểm tra sự di động của chúng. + Ở trong đoạn IS có thể chứa những điểm khởi đầu và kết thúc dịch mã, và chứa đoạn ADN gây tín hiệu kết thúc sao mã. + Ở điểm xen của đoạn IS trên nhiễm sắc thể (điểm đích), ở hai phía của nó đã phát hiện thấy hai trật tự lặp có độ lớn từ 4 - 9 đôi bazơ. Đó là vì trong quá trình xen, ở điểm đích xảy ra sự đứt theo kiểu ziczac trên hai sợi của chuỗi kép ADN. Sau khi đoạn IS xen vào, xảy ra sự tổng hợp lấp chỗ trống, kết quả là thu được hai trật tự lặp ở hai phía của đoạn xen. Cấu trúc đoạn xen và sự xen của nó 7/18/15 22 2.6.2. Các yếu tố di truyền di động ở sinh vật nhân chuẩn, đoạn xen, cơ chế xen, các cơ chế chuyển vị • Ở sinh vật nhân chuẩn đã phát hiện ra nhiều yếu tố di truyền di động ở những đối tượng nghiên cứu điển hình như nấm men, ruồi, ngô • Cơ chế xen: + Yếu tố di động (transposon) được tách ra khỏi ADN cho để đến chỗ mới (ADN) nhận theo cơ chế tái tổ hợp tương đồng giữa hai trật tự lặp ở hai đầu của nó. + Xảy ra cơ chế sao chép ngược (retrotransposon): ADN của yếu tố di động sao ra thành ARN, từ đó, nhờ enzyme sao chép ngược tạo bản ADN của nó, và chuyển tới chỗ mới. + Các yếu tố di động được được tái bản (sự chuyển vị sao chép), tiếp theo là sự di động của chúng. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 23 2.6.4. Ý nghĩa của các yếu tố di truyền di động • Xuất hiện 1 số đột biến thuận nghịch dưới sự kiểm soát của yếu tố di động. • Các yếu tố di động có thể gây sự đứt NST- sắp xếp lại các đoạn trên NST, cải biến cấu trúc NST. • Yếu tố di động có thể là vật trung gian của sự tái tổ hợp ADN, có vai trò trong sự lắp ghép các trên trên NST - ứng dụng trong chuyển nạp gen. • Phát hiện vị trí của gen nghiên cứu trên NST nhờ yếu tố di động (gen đột biến được “đeo thẻ” nhờ yếu tố di động). • Yếu tố di động cung cấp một số thành phần điều hòa- gen tăng cường sao mã • Sự vận động của yếu tố di động xảy ra với tần số rất thấp. Sự tăng tần số vận động của chúng có liên quan tới gía trị thích ứng của cơ thể. • Yếu tố di động có thể tự tái bản để lan truyền trong genom của tế bào - yếu tố di động được coi như yếu tố “ký sinh” ở genom, sử dụng bộ máy tái bản của tế bào chủ. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/