Tái bản sữa chữa DNA

Quá trình tái bản DNA ở Prokaryota ADN helicaza: cắt liên kết hydro giữa 2 mạch đơn  Pr SSB: giữ cho sợi đơn ở dạng thẳng  ADN polymeraza I +III: tổng hợp và sửa chữa AND  ADN lig

CHƯƠNG 4.

QUÁ TRÌNH TÁI BẢN VÀ SỬA

CHỮA ADN

I Quá trình tái bản DNA ở Prokaryota

 ADN helicaza: cắt liên kết

hydro giữa 2 mạch đơn

 Pr SSB: giữ cho sợi đơn ở

dạng thẳng

 ADN polymeraza (I +III): tổng

hợp và sửa chữa AND

 ADN ligaza: nối hoàn thiện

ADN

 ADN topoisomeraza: mở

xoắn ptu AND

 ARN polymeaza, primeaza:

tổng hợp đoạn ARN mồi.

Bảng 5 - 1 Các protein và gen liên quan đến tái bản DNA ở E.coli

I Quá trình tái bản DNA ở Prokaryota

2 Diễn biến: 3gđ

2.1 Giai đoạn mở xoắn :

 Enzyme topoisomeraza tham gia

mở xoắn, 2 loại:

 Topoisomeraza I: tháo xoắn

dạng ADN siêu xoắn -> gắn

vào ADN -> cắt một trong 2

sợi -> tạo sợi ADN tháo xoắn

sau đó nối chỗ đứt lại

 Topoisomeraza II: cắt cả 2

mạch của phân tử DNA

(gyraza của E.coli)

 Liên kết Hydro giữa 2 sợi đơn bị

bẻ gãy nhờ E helicaza

 Hai sợi tách nhau tạo chạc tái

bản có cấu trúc chữ Y.

 Protein SSB gắn vào chuỗi đơn

DNA  ổn định trạng thái sợi đơn

DNA (tránh chuỗi xoắn trở lại).

I Quá trình tái bản DNA ở Prokaryota

2 Diễn biến (tiếp)

2.1 Giai đoạn mở xoắn (tiếp)

 QT tái bản bđ từ 1 điểm

(điểm khởi đầu sao chép –

origin) sau đó lan ra theo 2

hướng đến khi đụng vào

nhau ở điểm nối đối diện,

I Quá trình tái bản DNA ở Prokaryota

2 Diễn biến (tiếp)2.2 Giai đoạn kéo dài

- Tổng hợp đoạn RNA mồi: nhờ ARN pol

và primeaza: tổng hợp đoạn ARN ngắn

(8 – 12 Nu)

• Enzym ADN pol III tổng hợp mạch bổ

sung từ đầu 3’OH tự do của mồi ARN.

• Mạch khuôn được sd đến đâu các Pr

SSB được giải phóng ra đến đó.

• Chiều tổng hợp DNA từ 5’->3’ -> mạch

đơn mới được tông hợp theo 2 hướng

ngược nhau:

• Trên mạch khuôn hướng 3’-5’: mạch

đơn mới được tổng hợp theo chiều cùng

hướng với hướng tháo xoắn, mạch này

được tổng hợp liên tục -> mạch tiến.

• Trên mạch khuôn 5’-3’: mạch đơn mới

được tổng hợp theo hướng ngược với

hướng tháo xoắn, xảy ra không liên tục

mà thành những đoạn ngắn - đoạn

Okazaki (1000 - 2000 bp) -> mạch chậm

hay lùi

I Quá trình tái bản DNA ở Prokaryota

2 Diễn biến (tiếp)

2.3 Giai đoạn hoàn chỉnh sợi

mới tổng hợp

• Sau khi tái bản kết thúc, các

mồi RNA bị phân rã bởi hoạt

tính 5’ – 3’ exonucleaza của

DNA pol I -> tạo lỗ hổng ->

được lấp đầy nhờ chính

enzyme DNA pol I

• Enzyme ligaza sẽ nối tất cả

các chỗ gián đoạn trên mạch

mới

-> Kết quả: tạo 2 chuỗi DNA

xoắn kép mới Tại mỗi chuỗi

mới có 1 mạch DNA của DNA

mẹ ban đầu Mạch còn lại mới

được tổng hợp thêm.

• Các enzim tác động rời khỏi

phân tử DNA ra môi trường

II Quá trình tái bản ở Sinh vật Eukaryota

1 Đặc điểm

• Cơ chế tái bản ở sinh vật nhân chuẩn cũng giống như sinh vật tiền nhân theo cơ chế bán bảo thủ.Tuy nhiên có một số điểm khác biệt:

• Có nhiều loại ADN polymeraza tham gia vào QT sao chép:

– Polymerase /primaseprimase: tổng hợp mồi RNA cho mạch chậm , không có

khả năng sửa sai (exonuclease) do đó không phải là thành phần duy nhất tham gia vào quá trình tái bản.

– Polymerase  : cn giống DNA polymerase I ở sinh vật tiền nhân (vừa tổng hợp vừa sửa chữa và hoàn chỉnh sợi đơn DNA sau khi mồi RNA được loại bỏ).

– Polymerase  được tìm thấy ở ty thể có chức năng chưa rõ.

– Polymerase  : có cn gần với DNA polymerase III ở sinh vật tiền nhân.

– Polymerase  mới được phát hiện gần đây có vai trò chưa rõ.

• Có sự tham gia của nhiều Pr chuyên biệt (VD: Nhân tố kết gắn nhiễm sắc CAF-1)

• Đoạn khởi đầu tái bản dài (từ hàng chục ngàn đến hàng trăm ngàn bp - giầu AT); có nhiều điểm khởi đầu trên một nhiễm sắc thể và trong genome

II Quá trình tái bản ở Eukaryota

• Trên mạch chậm, polymerase /primase tương tác với RF-A primase tương tác với RF-A

để tổng hợp lên các mồi RNA dài độ 10 nucleotide, mồi này sau đó được nối dài thêm 20 dN nữa nhờ enzyme

polymerase  kết hợp với nhân tố sao chép C (RF-C) Khi

đó phức hợp PCNA-ATP đã chặn polymerase  lại, để cho phép enzyme polymerase  gắn vào chuỗi và tổng hợp đoạn Okazaki

• Enzyme polymerase  sau khi được giải phóng sẽ chuyển đến mạch đối diện và tổng hợp liên tục mạch tiến

• Các phtử DNA ngay sau khi được sao chép đã tổ chức lại ngay thành các nucleosome

II Quá trình tái bản ở Eukaryota

3 Kết thúc tổng hợp tại đầu telomere của mỗi NST

• Ở mạch tiến: sợi đơn mới được kéo dài từ điểm khởi đầu đến hết đầu mút NST

• Mạch lùi: còn một đọan kết thúc trống chưa chạm đến đầu mút 3’

-> Enzyme telomerase gắn thêm những đoạn 3’ AACCCCAAC 5’ vào đầu 3’ của DNA telomere

• Enzyme telomerase RNA di chuyển dọc theo phân tử DNA (sang phải) -> đầu 3’ tiếp tục được kéo dài

• Enzyme primase tạo mồi 3’AAC 5’; DNA polymerase sử dụng đầu 3’ rất dài này làm nguyên bản để lấp đầy đầu cuối cho mạch đơn DNA kia

-> Mồi bị loại bỏ và ligase sẽ nối chỗ trống lại Kết quả giữ nguyên được chiều dài của NST qua mỗi lần tái bản

II Quá trình tái bản ở Eukaryota

4 Cơ chế bảo vệ đầu telomere của NST

• Để tránh mất vật liệu di truyền sau mỗi lần tái bản, telomere cần phải kết hợp với một số protein để hình thành lên mũ bảo vệ.

• Cấu tạo của mũ bảo vệ telomere: gồm 3 protein là TRF1, TRF2

và WRN, chúng liên kết với nhau rồi bọc lấy những trình tự lặp lại ở telomere, ẩn dấu đầu cheo 3’ (dài đến 100 bp).

• Vai trò của mũ bvệ ở telomere:

• Ngăn cản không cho enzyme deoxyribonuclease phân giải đầu mut cua phân tử DNA

• Ngăn cản không cho các nhiễm sắc thể trong nhân dính vào nhau.

• Tạo sự ổn định trong quá trình tái bản DNA ở phần cuối NST.

• Nếu không có mũ bảo vệ telomere thì đầu cuối sợi NST sẽ bị gẫy làm NST không ổn định và dần ngắn lại qua mỗi lần tái bản, là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư và nhiều bệnh khác liên quan đến quá trình già hoá

III Sửa chữa và bảo vệ DNA

 Là hoạt động khắc phục sai hỏng trên DNA, do các tác nhân gây đột biến vật lý và hóa học của môi trường trong quá trình tái bản

 DNA là phân tử duy nhất trong tế bào có khả năng được sửa chữa khi bị biến đổi hay phá hỏng  ổn định di truyền

 Sai sót thường gặp:

 Khoảng 5000base/primase tương tác với RF-A ngày bị mất (khử nhóm amin)

 Khoảng 1000base/primase tương tác với RF-A genome/primase tương tác với RF-A ngày biến đổi CU

 Tuy nhiên tần số đột biến về trật tự aa thấp, tỷ lệ đột biến 10-9/primase tương tác với RF-A thế hệ  do cơ chế sửa sai DNA rất nghiêm ngặt và được thực hiện thường xuyên

 Quá trình sửa sai trên DNA liên quan chặt chẽ với quá trình tái bản và tái tổ hợp DNA  chứng tỏ luôn có sự phối hợp chặt chẽ giữa nhiều cơ chế di truyền

III Sửa chữa và bảo vệ DNA

1 Sửa chữa tức thời trong sao chép (cơ chế đọc sửa)

• Các sai sót trong QT tái bản AND

(bắt cặp sai) được nhận biết và

sửa chữa nhờ các ADN

• Trước khi Nu mới được gắn vào

DNA pol dò lại cặp base cuối

nếu chúng không bắt cặp phản

ứng polymer hóa sẽ dừng lại 

Cặp nucleotide sai cuối đầu 3’ bị

loại nhờ enzim DNA polymerase

(Exonuclease) Sau khi sự bắt cặp

của sợi kép đã đúng polymer

hóa được tiếp tục.

2 Các cơ chế sửa sai của tế bào

Tóm tắt một số cơ chế sửa

chữa DNA như sau:

Các phương thức sửa chữa và phục hồi khác nhau loại bỏ sai hỏng

2.1 Quang tái hoạt hóa

- Kiểu sửa chữa trực tiếp loại bỏ đơn giản và phục hồi các sai hỏng.

- Nhờ các enzim phụ thuộc ánh sáng (light

dependent enzime) khôi phục lại các liên kết cộng hóa trị

- Sai hỏng trên DNA do tia tử ngoại gây ra 

biến dạng cấu trúc xoắn của DNA  được sửa

và phục hồi nhờ enzim photolyase

- Enzim photolyase sử dụng ánh sáng  thay đổi liên kết hóa học  Nu trở lại bình thường.

- Phổ biến ở thực vật, procaryota và eucaryota Tuy nhiên chưa thấy ở động vật có vú và người.

2.2 Sửa chữa sự ghép đôi lệch giữa các sợi DNA

Sửa chữa được tiến hành khi phát hiện bắt cặp sai của baseN

- Phương thức sửa chữa: cắt bỏ nhờ một

enzim nhận biết base sai hỏng thực sự hoặc thay đổi chiều hướng trong không gian.

- Phương thức này phát hiện ở E.coli, nấm

men và tế bào động vật có vú Trên E.coli có

3 hệ thống enzime khác nhau được sử dụng sửa chữa các sai lệch

2.3 Sửa chữa bằng phương pháp cắt bỏ

2 hệ thống

a Hệ thống trực tiếp cắt base sai hỏng thay thế nó trong

phân tử DNA.

Các bước:

- E N glycosinlase nhận biết base bị biến đổi, hay mất gốc

amin, hoặc biến dạng cấu trúc xoắn do sai lệch.

- Cắt bỏ base ra khỏi phân tử nhờ thủy phân liên kết giữa

base – đường.

- Enzime DNA polymerase đưa các nucleotid bổ sung vào

chỗ trống –>nối đầu 3’-OH của nucleotid trước.

- Chú ý: Mỗi base được một loại N- glycosylase nhận biết

riêng

+ Uraxin - glycosylase + Adenin – glycosylase + Guanin – glycosylase + Cytozin – glycosylase + Thymin – glycosylase

Phương thức Cắt bỏ base N

b Hệ thống sửa chữa cắt bỏ nucleotid

- Cắt bỏ một trình tự có base sai hỏng tổng hợp đoạn nucleotid mới Phổ biến ở hầu hết các sinh vật.

- Có sự tham gia của nhiều E để kiểm soát E

DNA polymerase tìm ra sai hỏng

- Khi phát hiện được sai hỏng E helicase

(endonuclease) sẽ cắt 2 phía của sợi đơn mang lỗi.

- E Exonuclease loại bỏ đoạn hỏng ra khỏi DNA.

- E DNA polymerase sẽ tổng hợp đoạn DNA mới theo NTBS

- E ligase nối đoạn mới được tổng hợp với đoạn cũ.

 Phân tử DNA được hoàn chỉnh

Sửa chữa

Cắt bỏ nucleotid

2.4 Hệ thống sửa chữa sai sót trong tái tổ hợp

- Các vị trí sai hỏng trong DNA được phục hồi bằng

phương pháp tái tổ hợp

=> thu được một bản sao khác của trình tự từ một

nguồn không bị sai hỏng.

- Một bản sao mới từ nguồn không bị sai hỏng sẽ thành khuôn để tái tổ hợp sợi mới Bản sao sau đó được

dùng để sửa chữa vị trí hỏng trên sợi bị hỏng

- Khi DNA polymerase gặp một số sai lệch trên sợi

DNA, có 2 khả năng xảy ra:

+ Nucleotid được lấp đầy chỗ trống không theo

khuôn mẫu do tái tổ hợp  vượt qua chỗ sai Sai sót vẫn tồn tại

+ Polymerase dừng lại và huy động khoảng 1000

nucleotid , lấp đầy những chỗ trống bị gián đoạn

tạo sợi bổ sung từ sợi chị em do tái tổ hợp  sai sót

ít hơn nhưng vẫn còn.

- Trong hai khả năng trên số sai lệch vẫn còn và sẽ

được cắt bỏ sau đó bởi sửa sai trực tiếp hay cắt bỏ.

Sửa sai nhờ

Tái tổ hợp và tái bản

2.5.Hệ thống sửa sai SOS- sửa sai ngẫu nhiên

- Hệ thống SOS: chứa khoảng 30 gen không liên kết bị ức chế bởi protein LexA.

- Khi tế bào bị nhiều tác nhân gây đột biến  sai hỏng

nghiêm trọngSOS sẽ phục hồi tái bản theo cơ chế

ngẫu nhiên” error-prone”

Ví dụ: phân tử DNA bị sai hỏng nặng nề do chiếu tia tử

ngoại hoặc tác nhân ung thư2 sợi DNA đều bị đứt,

gẫy thông tin di truyền mất hoàn toàn không có

khuôn tái bảnDNA được sửa sai “ngẫu nhiên” duy trì được hoạt động, DNA đột biến.

- Hoạt động protein LexA chịu sự kiểm soát của gen recA + Khi gen recA bị kiểm soát không hoạt động 

protein LexA hoạt động ức chế hệ thống SOS.

+ Khi gen recA bị hoạt hóa gây phản ứng phân giải LexALexA bị kích thích  thay đổi cấu hình, tự cắt mất hoạt tính ức chế  gen của hệ thống SOS được

mở.

Cơ chế tác động của protein LexA- recA