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.
23 trang |
Chia sẻ: nguyenlam99 | Lượt xem: 1120 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Sinh học - Chương 2: Cấu trúc của gen, tổ chức các gen ở genom và điều hòa sự biểu hiện của gen, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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/
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- ditruyenthucvatdaicuongchuong_2_dttv_5983.pdf