Trường đại học Duy Tân - Khoa Y Sinh Học Phân Tử YẾU TỐ DNA DI ĐỘNG-TRANSPOSON I.Gen nhảy là gì: 3 II.Lịch sử phát hiện: 4 III. Các yếu tố DNA di động 5 1. Các yếu tố di truyền vận động ở prokaryote 5 Trình tự đoạn xen hay các yếu tố IS (insertion sequence) 5 Gen nhảy của prokaryote(Tn) 5 Các yếu tố TnA 6 2. Các yếu tố di truyền vận động của eukaryote 7 Các Retrotransposon (gen nhảy sao chép ngược): 7 Các DNA transposon: 7 3. Transposon tự quản và không tự quản 9 IV. Các yếu tố di truyền vận động ở người 9 9 9 10 V. Vai trò và tác hại gen nhảy 10 1. Vai trò: 10 2. Tác hại: 11 VI. Ý nghĩa đối với tiến hóa 11 VII. Ứng dụng và thành tự
Trường đại học Duy Tân - Khoa Y Sinh Học Phân Tử YẾU TỐ DNA DI ĐỘNG-TRANSPOSON Giảng viên mơn: Bùi Văn Đức Nhóm nghiên cứu: Nhóm Danh sách thành viên: Tống Thị Hoài Linh Dương Thanh Long Trần Thị Bảo Vy Nguyễn Thanh Liêm Nguyễn Đình Anh Khoa Mục Lục I.Gen nhảy gì: II.Lịch sử phát hiện: III Các yếu tố DNA di động Các yếu tố di truyền vận động prokaryote Trình tự đoạn xen hay yếu tố IS (insertion sequence) Gen nhảy prokaryote(Tn) Các yếu tố TnA 5 Các yếu tố di truyền vận động eukaryote Các Retrotransposon (gen nhảy chép ngược): Các DNA transposon: 7 Transposon tự quản không tự quản IV Các yếu tố di truyền vận động người Yếu tố LINE Yếu tố SINE Các yếu tố khác 9 10 V Vai trò tác hại gen nhảy 10 Vai trò: 10 Tác hại: 11 VI Ý nghĩa tiến hóa 11 VII Ứng dụng thành tựu 12 Gen nhảy gì? I.Gen nhảy - Gen nhảy (transposon), đoạn DNA nhờ có cấu trúc đặc biệt nên có khả di chuyển từ vị trí đến vị trí khác phân tử DNA hay từ nhiễm sắc thể sang nhiễm sắc thể khác tế bào lưỡng bội Gen nhảy chuyển đến vị trí xác định hệ gen - Trong nhiều trường hợp gen nhảy gây đột biến vị trí di chuyển đến Gen nhảy dùng làm phương tiện để gây đột biến định hướng - Thường các gen này mang tính kháng kháng sinh giúp vi khuẩn thích nghi nhanh với thuốc kháng sinh (3) Lịch sử phát triển II.Lịch sử phát hiện: -Cho đến năm 1940, theo học thuyết di truyền nhiễm sắc thể nhân tố di truyền mà Mendel gọi gen, chiếm lơ-cut gen định nhiễm sắc thể trình tự “xếp hang” chúng nhiễm sắc thể ổn định, đồng thời “hang ngũ” gen truyền cho hệ sau khơng đổi, trừ trường hợp có gen hốn vị Thậm chí, gen hốn vị, gen đổi chỗ cho từ nhiễm sắc tử sang nhiễm sắc tử khác nhiễm sắc tử chị em không chị em ngược lại, mà lô-cut gen coi không đổi -Tuy nhiên, vào khoảng thập niên 1940, Barbara McClintock nghiên cứu chế hình thành loại màu hạt ngơ, bà thấy: + Ngoài màu phổ biến là: cam trắng, hạt ngơ có nhiều màu khác + Nhiều hạt bắp ngơ khơng có màu khác mà cịn lại “khảm” khác + Nếu xem dạng “khảm” kiểu hình, số lượng kiểu hình nhiều so với quy luật Mendel gen quy định chúng di truyền không ổn định quy luật Mendel học thuyết di truyền nhiễm sắc thể -Do đó, bà giả định gen quy định màu hạt ngô chuyển đổi vị trí- gọi chuyển vị (transposition), hay gọi cách khác nhảy từ lơ-cut sang lơ-cut khác gen (genome).Hiện tượng tái tổ hợp gen, không trao đổi tương hỗ, nên gọi tái tổ hợp không tương đồng (6) -Trong tượng TE (transposable element-nhân tố chuyển vị hay yếu tố vận động) có q trình tái tổ hợp gen, khơng có trao đổi kiểu “có trao, có nhận” nên gọi tái tổ hợp không tương đồng -Các yếu tố lần đầu xác định thí nghiệm Barbara McClintock Phịng thí nghiệm Cold Spring Harbor New York Bà công bố kết năm 1951, nhiên nhà sinh học ban đầu hoài nghi phát McClintock -Thế nhưng, qua vài thập kỷ tiếp theo, khơng có riêng TE “nhảy”, mà chúng cịn phát thấy gần tất sinh vật (cả nhân sơ nhân thực) thường có số lượng lớn hệ gen -Ví dụ, TEs tạo nên gần 50% hệ gen người tới 90% hệ gen ngô (SanMiguel, 1996) Các yếu tố DNA di động III Các yếu tố DNA di động Các yếu tố di truyền vận động prokaryote (1) Trình tự đoạn xen hay yếu tố IS (insertion sequence) - Cấu trúc đoạn IS: Gồm 2500 cặp Nu giới hạn hai đầu trình tự lặp ngắn dài từ 5-9 bp chứa gen mã hóa cho protein tham gia vào q trình chuyển vị - Cơ chế : đoạn DNA prokaryote di chuyển từ vị trí NST đến vị trí NST hay NST khác - Hoạt động: xen vào gen yếu tố IS làm gián đoạn trình tự mã hóa làm bất hoạt biểu gen Trong vài trường hợp có tín hiệu kết thúc phiên mã dịch mã yếu tố IS làm cản trỡ biểu sau promoter operon - Các yếu tố IS tìm thấy: IS1; IS2; IS3; IS4 Gen nhảy prokaryote(Tn) - Phân loại: gồm kiều Transposon hỗn hợp (composite transposon) Transposon đơn giản (simple transposon) + Cấu tạo Transposon hỗn hợp: chứa nhiều gen nằm trình tự IS gần có hướng ngược tạo trình tự lặp lại đảo ngược IS mã hóa cho transposase xúc tác cho chuyển vị + Cấu tạo Transposon đơn giản: trình tự IR, khơng mã hóa cho transposase, chuyển vị không liên kết với yếu tố IS - Cơ chế: Transposon cắt hình chữ chi qua năm cặp base vị trí DNA mục tiêu (target site DNA), hội nhập transposon qua trung gian transposase transposon xen vào đầu mút chữ chi Đầu lồi sợi đơn sử dụng khuôn để tổng hợp sợi bổ sung thứ hai Sự gắn vào tạo chép cặp base, gọi chép điểm mục tiêu (target site duplication) - Hoạt động: Chứa gen mã hóa cho protein thêm vào Các yếu tố TnA - Là nhóm yếu tố vận động phức tạp Tự có gen mã hoá cho khả vận động chúng mà không phụ thuộc vào yếu tố IS mang gen chọn lọc Chúng có kích thước lớn khoảng 5kb phức tạp - Cấu trúc TnA (Tn3: 4957 bp) + Họ TnA có đoạn trình tự lặp lại đầu 38bp-40bp vị trí Res + Res (resolution site) vị trí tái tổ hợp đặc hiệu + Bla mã hóa cho β-galactamase xác định tính kháng amp + TnpA Transposase + TnpR Resolvase (chất ức chế) - Cơ chế: Qúa trình chuyển vị Tn3 gồm giai đoạn GĐ 1: Transposase xúc tác kết hợp hai phân tử ADN mạch vòng mang Tn3 khơng Trong q trình yếu tố vận động chép xen vào phân tử, hai yếu tố định hướng theo hướng GĐ 2: Resolvase TupR mã hoá xúc tác tái tổ hợp vị trí đặc hiệu hai yếu tố Tn3, sinh hai phân tử, phân tử mang yếu tốTn3 Các yếu tố di truyền vận động eukaryote (1) Các Retrotransposon (gen nhảy chép ngược): - Đặc điểm Vùng mã hoá kẹp hai đoạn trình tự lặp lại dài(thường dài vài trăm cặp base) định hướng chiều hai đầu, gọi LTR, mổi LTR lại bị kẹp hai trình tự lặp lại ngắn giống gen nhảy khác Vùng mã hố chứa gen, thường hai gen + Yếu tố vận động Ty1 o Đặc điểm: dài 5.9kb với LTR khoảng 340 cặp base LTR tách khỏi Ty1 trao đổi chéo hai LTR hai đầu Yếu tố Ty1 có hai gen TyA TyB, giống với gen gag gen pol virut chép ngược o Cơ chế: Một phiên mã ARN từ Ty1 tác dụng Enzim phiên mã ngược tạo thành ADN mạch kép ADN tổng hợp vận chuyển vào nhân tế bào Nhờ tác dụng Enzim Reverse transcriptase mã hoá Retrotransposon, ADN chèn vào vị trí gen, sinh yếu tố Ty1 o Hoạt động: Khi chuyển vị yếu tố Ty1 tạo đoạn lặp vị trí đích dài cặp base + Retroposon o Đặc điểm: gen nhảy LTR, chúng có đoạn trình tự gồm nhiều cặp A-T đầu o Hoạt động: giữ chức quan trọng việc phục hồi trình tự ADN bị trình chép nhiễm sắc thể o Cơ chế: sau vòng chép ADN, nhiễm sắc thể trở nên ngắn ADN-polymerase vận động theo hướng để bổ sung nuclêôtit vào đầu đoạn mồi Để bù đắp lại đoạn bị đó, Drosophila có chế đặc biệt với tham gia hai retroposon gọi HeT-A TART Hai yếu tố có xu hướng vận động đến đầu mút nhiễm sắc thể để khôi phục lại đoạn bị Các DNA transposon: - Các yếu tố P: Gồm yếu tố P hồn chỉnh yếu tố P khơng hồn chỉnh + Yếu tố P hoàn chỉnh: o Cấu tạo: Gồm khoảng 2907 cặp base, chứa đoạn lặp lại ngược chiều hai đầu dài 31 cặp base o Hoạt động: Yếu tố mang gen mã hoá Enzim transposase có khả vận động + Yếu tố P khơng hồn chỉnh: Khơng có khả sinh Enzim transposase bị phần trình tự bên có đủ trình tự hai đầu để Enzim transposase gắn kết, vận động hệ gen có yếu tố P hồn chỉnh - Yếu tố Ac: Gồm 4563 cặp nucleotit Hai đoạn lặp lai ngược chiều hai đầu dài 11 cặp Hai đoạn lặp lại ngược chiều dài cặp nucleotit kẹp hai đầu yếu tố Ac - Yếu tố Ds: Có loại yếu tố Ds o Các yếu tố Ds có nguồn gốc từ Ac phần trình tự bên trong.Sự đoạn chép khơng hồn chỉnh q trinh chép chuyển vị o Các yếu tố Ds không mang đoạn trình tự bên Ac ngồi trình tự lặp lại hai đầu o Các yếu tố Ds mà chúng có thêm yếu tố Ds khác xen vào định vị ngược chiều, - Hoạt động tương tác qua lại yếu tố Ac Ds: o Là cắt bỏ, chuyển vị, gây đột biến làm đứt gẫy nhiễm sắc thể o o Cơ chế: Enzim transposase yếu tố Ac mã hố Transposase tương tác với trình tự hai đầu gần hai đầu yếu tố Ac Ds, xúc tác cho vận động chúng Các yếu tố Ds mang đột biến đoạn không tự vân động mà vận động có yếu tố Ac hệ gen, transposase khuếch tán vào nhân tế bào, gắn với yếu tố Ds hoạt hoá chúng Transposon tự quản không tự quản (4) - TEs tự quản tự di chuyển, yếu tố khơng tự quản phải cần có mặt Tes khác để di chuyển - Đây yếu tố không tự quản thiếu gen cho transposase reverse transcriptase vốn cần thiết cho trình chuyển vị Ví dụ nhân sơ, yếu tố Ac tự quản chúng tự di chuyển, yếu tố Ds khơng tự quản phải lệ thuộc vào có mặt Ac Các yếu tố di truyền vận động người IV Các yếu tố di truyền vận động người (1) - Người ta xác định có 44% hẹ gen người có ngn góc từ yếu tố di truyền vận động, % từ yếu tố giống virut chép ngược, 33% từ retroposon 3% từ loại transposon chuyển vị theo chế cắt-dán - Đa số yếu tố di động thuộc hai dạng retrotransposon yếu tố nhân rải rác kích thước dài gọi LINE (long interspersed nuclear element) yếu tố nhân rải rác kích thước ngắn hay cịn gọi SINE (shart interspersed nuclear element) Yếu tố LINE + Yếu tố vận động bật yếu tố L1 + Cấu tạo yếu tố L1 hoàn chỉnh có kích thước khoảng 6kb, Hệ gen người có khoảng 3000 đến 5000 yếu tố L1 hồn chỉnh, có thêm 500000 yếu tố L1 bị cắt xén đầu + Cơ chế có gen khởi động mà ARN polymeraseII Có thể nhận biết có hai khung đọc mở ORF1 mã hố prơtêin bám acid nucleic ORF2 mã hố cho prơtêin có hoạt tính endonuclease hoạt tính chép ngược + Hoạt động: yếu tố L1 khơng hồn chỉnh khơng có khả vận động Chỉ có số yếu tố L1 hồn chỉnh hệ gen người có khả chuyển vị Yếu tố SINE + Cấu tạo: Yếu tố SINE dài khoảng 400 cặp base khơng mã hố prơtêin.Chúng có nhiều cặp A-T đầu Để chuyển vận, SINE chép ngược thành ARN nhờ gen khởi động có sẵn cấu trúc Chi tiết q trình chuyển vị SINE chưa nghiên cứu kĩ + Hoạt động: Hệ gen người có ba yếu tố SINE là: Alu, MiR MiR3 có Alu có khả chuyển vị Các yếu tố khác Ngoài yếu tố hệ gen người có 400.000 đoạn trình tự có nguồn gốc từ yếu tố vận động giống virut chép ngược Mặc dù có khoảng 100 họ yếu tố vận động giống virut chép ngược xác định có vài yếu tố có khả chuyển vị Các gen nhảy hoạt động yếu tố Ac/Ds ngô gen nhảy vận động theo chế cắt – dán chiếm phần nhỏ hệ gen người Vai trò tác hại gen nhảy V Vai trò tác hại gen nhảy Vai trò: (2) - Hầu hết transposon khơng phải gen kỹ thuật DNA chúng không chứa mã để tạo protein chức Tuy nhiên, chúng cho ảnh hưởng đến biểu hành động gen khác - Transposon quan trọng cho phát triển thai điều chỉnh tích cực biểu gen thời gian đầu phát triển phôi - Transposon gọi HERVK cho tàn dư bệnh nhiễm trùng Retrovirus cổ đại cư trú gen khoảng 200.000 năm trước HERVK nhảy giai đoạn đầu phát triển phơi người kích hoạt phản ứng chống virus, khơng có virus Theo nhà khoa học, kiện cung cấp cho phôi phát triển số mức độ kháng virus, tất nhiên đặc điểm thuận lợi - Các transposon biết đóng vai trị quan trọng chức não Nếu bị đột biến, gây bệnh não trẻ sơ sinh Tác hại (2) - Mặc dù biết transposon đóng góp vào chức thể bình thường, chúng có khả tàn phá nghiêm trọng gen - DNA di động nhảy đến vị trí khác nhiễm sắc thể nhiễm sắc thể khác tế bào phân chia Nếu điều xảy tế bào tinh trùng trứng, truyền lại cho hệ Ước tính tỷ lệ ca xảy nằm khoảng từ 0,2-1/1.000 ca sinh Những bước nhảy phá vỡ chức gen bình thường dẫn đến xuất tự phát bệnh di truyền, chẳng hạn rối loạn máu, thối hóa thần kinh thối hóa điểm vàng liên quan đến tuổi Ý nghĩa tiến hóa VI Ý nghĩa tiến hóa - Các transposon vận hành q trình tiến hóa hệ gen cách thúc đẩy chuyển vị trình tự hệ gen, xáo trộn exon sửa chữa đứt gãy AND mạch kép - Sự chèn chuyển vị thay đổi vùng điều hịa gen kiểu hình Thực tế yếu tố vận động lúc cắt cách hồn hảo lấy số trình tự hệ gen làm gây tượng gọi xáo trộn exon Sự xáo trộn exon khiến exon trước khơng liên quan đến xếp kề nhau, thường chuyển đoạn, có khả tạo sản phẩm gen - Một số chứng cho thấy, yếu tố vận động có vai trị q trình tiến hố cấu trúc nhiễm sắc thể Nếu hai gen nhảy định vị chiều hai đầu đoạn nhiễm sắc thể trao đổi chéo gây đảo đoạn - Khả transposon tăng đa dạng di truyền, với lực hệ gen việc ức chế gần trọn vẹn hoạt động TE, dẫn tới cân bằng, để TE trở thành phần quan trọng tiến hóa điều hịa gen tất sinh vật có loại trình tự (5) Ứng dụng thành tựu VII Ứng dụng thành tựu (6) - Các yếu tố di truyền vận động chưa dược nghiên cứu kĩ ,chưa có ứng dụng rộng rãi sinh học Hiện người ta sử dụng kiến thức yếu tố di truyền vận động để giải thích số bệnh người vi khuẩn gây như:Bệnh lao, lị…và có biện pháp hợp lý đẻ sử dụng hợp lý bệnh này.Ngồi cịn ứng dụng để giải thích biểu tính trạng màu sắc hạt số lồi ngơ v.v… cá - Sử dụng các gen nhảy đã có thực vật để tạo đặc tính bước tiến đáng kể từ kỹ thuật nhân giống truyền thống, giúp nhanh chóng tạo tính trạng trồng để tạo hình dạng, màu sắc kích thước đồng nhằm cho thu hoạch nhiều hơn, hiệu tối đa hóa suất TÀI LIỆU THAM KHẢO (1) Hoàng Khánh Linh (2021)_Các yếu tố di truyền vận động https://123docz.net/document/9152456-cac-yeu-to-di-truyen-vandong.htm (2) Ngô Văn Thành (2020) _Gene nhảy-Cơng hay tội? _ https://suckhoedoisong.vn/gene-nhay-cong-hay-toi-169167468.htm (3) PGS.TS Nguyễn Hồng Lộc (2007) Giáo trình SHPT NXB ĐH Huế (4) Đinh Đoàn Long, Đỗ Lê Thăng (2014) Cơ sở di truyền học phân tử tế bào Nhà xuất đại học quốc gia Hà Nội (2014) (5) JV Moran (1999) Exon shuffling by L1 retrotransposition Science 283, 1530-1534 (6) Wikipedia-lịch sử gen nhảy https://vi.wikipedia.org/wiki/Gen_nh%E1%BA%A3y The End Cảm ơn bạn thầy cô dành thời gian để đọc tài tiệu nhóm Chúc bạn có ngày thật vui vẻ Câu hỏi tương tác Câu 1: Các yếu tố di truyền vận động sinh vật nhân sơ có loại A B* C D Câu 2: Đặc điểm họ TnA A *Có đoạn trình tự lặp lại ngược chiều hai đầu (38 - 40 bp) B Mã hóa enzyme chuyển vị transposase C Vùng mã hóa gen IS IR bao bọc hai bên D Dài khoảng 5,9 kb Câu Con người có yếu tố L1: A *3000-5000 B 500000 C 7000-8000 D 2000-4000 Câu 4: Yếu tố di truyền vận động sinh vật chuẩn gồm A B C *2 D Câu 5: Gen nhảy xác định bà Barbara McClintock (chủ nhân giải Noble 1983) vào năm nào? A 1950 B 1975 C *1940 D 1967 ... hiện: III Các yếu tố DNA di động Các yếu tố di truyền vận động prokaryote Trình tự đoạn xen hay yếu tố IS (insertion sequence) Gen nhảy prokaryote(Tn) Các yếu tố TnA 5 Các yếu tố di truyền... 90% hệ gen ngô (SanMiguel, 1996) Các yếu tố DNA di động III Các yếu tố DNA di động Các yếu tố di truyền vận động prokaryote (1) Trình tự đoạn xen hay yếu tố IS (insertion sequence) - Cấu trúc... Resolvase TupR mã hoá xúc tác tái tổ hợp vị trí đặc hiệu hai yếu tố Tn3, sinh hai phân tử, phân tử mang yếu tốTn3 Các yếu tố di truyền vận động eukaryote (1) Các Retrotransposon (gen nhảy chép