(TIỂU LUẬN) bài lý THUYẾT hệ GEN

HỌC VIỆN QUÂN Y MODULE TỪ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ ĐẾN TẾ BÀO BÀI LÝ THUYẾT HỆ GEN Module: Từ nguyên tử, phân tử đến tế bào Mã Module: 01 Bài giảng: Bài lý thuyết số 26 Đối tượng: Học viên đào tạo bác sỹ y khoa Người biên soạn: Trung tá, ThS Đặng Thị Hồng Bộ môn Sinh học Di truyền Y học Hà Nội – 2021 KẾ HOẠCH GIẢNG BÀI Thông tin chung ̵̵ Tên giảng: Hệ gen ̵̵ Bài giảng: Bài lý thuyết số 26 ̵̵ Thời gian giảng: 90 phút (02 tiết) ̵̵ Module: Từ nguyên từ, phân tử đến tế bào (01) ̵̵ Đối tượng: Học viên đào tạo bác sỹ y khoa ̵̵ Người biên soạn: Trung tá, ThS Đặng Thị Hồng, Bộ môn Sinh học – Di truyền Y học Mục tiêu giảng: - Trình bày phân tích khái niệm hệ gen - Trình bày phân tích đặc điểm hệ gen nhóm virus, vi khuẩn sinh vật nhân thực - Vận dụng kiến thức hệ gen ứng dụng y học Kỹ thuật tiến hành: ̵̵ Loại giảng: Lý thuyết ̵̵ Phương pháp dạy học: Thuyết trình, diễn giảng, nêu vấn đề thảo luận ̵̵ Hình thức tổ chức dạy học: Tập trung giảng đường ̵̵ Phương tiện dạy học: Bảng, phấn, máy tính, máy chiếu Cấu trúc giảng: Nội dung Phần : Tổ chức lớp kiểm tra cũ Phần : Giới thiệu mục tiêu học tập tài liệu tham khảo Phần : Nội dung giảng Sự đa dạng hệ gen Hệ gen sinh 2.1 Hệ gen virus 2.2 Hệ gen vi khuẩn 2.3 Hệ nhân thực Phần : Tổng kết giảng, hướng dẫn tự học, nhận nghiệm Chủ nhiệm Bộ môn/Khoa Ngày tháng năm 2021 Người biên soạn Đại tá PGS.TS Trần Văn Khoa Trung tá ThS Đặng Thị Hồng Trưởng Module Đại tá PGS.TS Trần Văn Khoa HỌC VIỆN QUÂN Y MODULE TỪ NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ ĐẾN TẾ BÀO PHÊ DUYỆT Ngày tháng năm 2021 TRƯỞNG MODULE Đại tá PGS.TS Trần Văn Khoa BÀI LÝ THUYẾT HỆ GEN Module: Từ nguyên tử, phân tử đến tế bào Mã Module: 01 Bài giảng: Bài lý thuyết số 26 Đối tượng: Học viên đào tạo bác sỹ y khoa Người biên soạn: Trung tá, ThS Đặng Thị Hồng Bộ môn Sinh học –Di truyền Y học Hà Nội – 2021 HỆ GEN Khái niệm hệ gen (bộ gen, genome) Hệ gen tập hợp tất vật liệu di truyền (acid nucleic) thể sinh vật bao gồm: trình tự DNA tạo nên gen cấu trúc, gen rRNA tRNA, trình tự DNA điều hịa Cơ thể đơn bội (n) chứa hệ gen, thể lưỡng bội (2n) chứa hai hệ gen bao gồm hệ gen bố hệ gen mẹ Hệ gen chứa toàn thơng tin di truyền chương trình cần thiết cho thể hoạt động Ở sinh vật nhân thực (eukaryote) 99% hệ gen nằm nhân tế bào phần lại nằm bào quan ty thể lạp thể Đa số hệ gen vi khuẩn phần hệ gen bào quan thường có kích thước nhỏ tồn dạng vịng khép kín Ngược lại, phần lớn hệ gen nhân phân bố nhiễm sắc thể dạng thẳng Sự đa dạng hệ gen Theo thống kê năm 2015, nhà khoa học giải mã 21000 hệ gen khác Từ kết nghiên cứu cho thấy hệ gen khác kích cỡ, số lượng gen mật độ gen Độ lớn hệ gen đánh giá hàm lượng DNA chứa tế bào thể qua số lượng cặp nucleotid Hàm lượng DNA tổ chức hệ gen phản ánh mức độ tiến hố lồi Khi so sánh hệ gen ba siêu giới: vi khuẩn, vi sinh vật cổ, sinh vật nhân thực nhận thấy khác biệt kích cỡ hệ gen nhóm sinh vật + Hệ gen vi sinh khuẩn cổ có kích cỡ gần giống với hệ gen vi khuẩn + Kích cỡ hệ gen sinh vật nhân thực có xu hướng lớn + Hệ gen lưỡng bội người có kích thước khoảng 6.341Mega bp, chứa lượng DNA có khối lượng khoảng pg, với chiều dài tổng số 46 phân tử DNA lên tới 2,17m + Không thấy có tương ứng hàm lượng DNA với độ phức tạp thể bậc tiến hố Các lồi sinh vật khơng khác kích cỡ hệ gen số lượng gen mà cịn khác mật độ phân bố gen Mật độ gen số lượng gen đơn vị chiều dài DNA Sinh vật nhân thực có hệ gen lớn số gen số lượng cặp base Trong số cáthiết cho hoạt động sống tế bào Tính phức tạp lồi khơng liên quan đến kích thước hệ gen Tuy nhiên, vai trị phần hệ gen cịn lại (phần khơng mã hóa) đến chưa biết nhiều Vì vậy, vấn đề quan tâm cần phải biết số lượng gen khác có mặt hệ gen số lượng gen hoạt động loại mô, giai đoạn phát triển tỷ lệ gen so với kích thước hệ gen Hệ gen sinh vật 3.1 Hệ gen virus Virus nhóm sinh vật nằm ranh giới sinh vật sống vật không sống, có kích thước nhỏ nhất, ký sinh bắt buộc tế bào vật chủ Các virus ký sinh gây nhiễm vi khuẩn gọi thực khuẩn thể (bacteriophage) hay phage Cấu trúc virus tương đối đơn giản, gồm hai thành phần lõi acid nucleic vỏ protein Vật chất di truyền virus phân tử DNA (virus DNA) sợi kép sợi đơn RNA (virus RNA) sợi kép sợi đơn, dạng mạch thẳng vịng Một số virus RNA chủ yếu kí sinh thực vật, virus DNA chủ yếu kí sinh động vật (ngoại trừ số virus RNA ký sinh người AIDS, SARS… ) Retrovirus gồm virus có hệ gen phân tử RNA, xâm nhiễm vào tế bào chủ chúng tổng hợp lại DNA hệ gen Khi xâm nhiễm Retrovirus gây chuyển đổi gen tế bào chủ qua dung hợp đoạn DNA virus với DNA tế bào chủ gần vị trí gắn Các gen vật chủ gần với vị trí gắn bị di chuyển trình truyền Retrovirus, số trường hợp Retrovirus mang gen ung thư có khả gây ung thư Các virus gây khối u (chứa gen gây ung thư) có hệ gen RNA như: virus lympho bào T người- gây ung thư bạch cầu, virus gây u nhú Khi hệ gen virus tích hợp vào NST chuyển hóa tế bào chủ thành tế bào ung thư Ví dụ Retrovirus điển hình (HIV gây bệnh AIDS) có ba gen là: gag, pol env Hệ gen Retrovirus mã hóa gen, phía đầu trình tự lặp dài (LTR), có gen điều hịa tat erv, nhiều gen chồng lên Virus có hệ gen nhỏ đóng gói chặt, gen thường gối lến Thơng thường trình tự acid amin protein mã hóa cặp gen gối khơng giống mRNA dịch mã từ khung đọc khác Các gen gối gặp hệ gen sinh vật bậc cao ngoại trừ hệ gen ti thể nén chặt người số lồi động vật Kích thước hệ gen khác biệt lớn loài virus, virus nhỏ – circovirus ssDNA, thuộc họ Circoviridae – mã hóa hai loại protein, kích cỡ khoảng nghìn base; hệ gen lớn mimivirus có kích thước 1,2 triệu cặp base mã hóa 1000 protein Nói chung, virus RNA có hệ gen nhỏ virus DNA HIV-1 xâm nhiễm vào số tế bào nơron hệ thần kinh trung ương tế bào thần kinh đệm Chỉ có tế bào vật chủ có thụ thể bề mặt tế bào phù hợp để tương tác với protein vỏ virus chúng xâm nhiễm Virus DNA tích hợp vào nhiễm sắc thể tế bào chủ gây u nhú người (human papillomaviruses, HPV), nguyên nhân phổ biên gây mụn cơm tổn thương da lành tính, hệ gen số HPV tích hợp vào tế bào biểu mơ tử cung bị nhiễm gây ung thư cổ tử cung 3.2 Hệ gen vi khuẩn Prokaryote bao gồm vi khuẩn (bacteria) vi khuẩn cổ (archare) sinh vật có cấu tạo tế bào đơn giản Nhưng toàn hệ gen prokaryote nằm nhiễm sắc thể cấu trúc thể nhân Plasmid vi khuẩn có kích thước từ đến 300kb, với nhiều tự tế bào, số plasmid xen vào đoạn DNA dài khoảng 10kb Một tế bào vi khuẩn mang nhiều loại plasmid khác chúng xâm nhập vào tế bào vi khuẩn theo hai cách truyền gen dọc (từ hệ sang hệ khác) truyền gen ngang (trao đổi gen vi khuẩn) Vì vậy, có chứa gen plasmid dường khơng xem phần hệ gen Một số vi khuẩn có chứa prophage- đoạn DNA có nguồn gốc từ thực khuẩn thể xen vào nhiễm sắc thể Phần lớn hệ gen vi khuẩn chứa phân tử DNA dạng vòng nhất, có kích cỡ từ 1- triệu cặp base Nhìn chung vi khuẩn sinh vật cổ có gen so với sinh vật nhân thực Vi khuẩn E coli sử dụng rộng rãi nghiên cứu di truyền phân tử Hệ gen vi khuẩn E coli phân tử DNA sợi kép dạng vịng có dạng siêu xoắn, chuỗi DNA cuộn gập thành 40-50 cuộn xoắn Chính cấu trúc siêu xoắn cách lý tưởng để đóng gói phân tử dạng vịng khơng gian nhỏ Trên nhiễm sắc thể phân tử DNA dạng vịng chứa 4639211 cặp base nito, với 4.290 gen mã hóa protein 53 gen RNA Hệ gen vi khuẩn E coli Mặc dù hệ gen vi khuẩn có kích thước nhỏ nhiều so với hệ gen tế sinh vật nhân thực chúng có mật độ phân bố gen cao hơn, số đoạn DNA khơng chứa mã di truyền hay nói cách khác khoảng cách gen ngắn Phần lớn DNA vi khuẩn chứa gen mã hóa cho protein, tRNA, rRNA, lượng nhỏ trình tự DNA cịn lại gồm chủ yếu trình tự khơng phiên mã trình tự khởi động (promotor) Trình tự nucleotide dọc theo gen mã hóa protein vi khuẩn khơng bị ngắt qng, khơng có trình tự intron Hầu hết gen vi khuẩn tồn đơn gen khơng có intron Ví dụ, khoảng cách trung bình gen E coli 118bp, gen ORFs chiếm 87,8%, gen mã hóa cho RNA chiếm 0,8%, thành phần AND lặp lại không chứa gen chiếm 0,7% 3.3 Hệ gen sinh vật nhân thực Hệ gen sinh vật nhân thực gồm hai phần riêng biệt hệ gen nhân hệ gen bào quan 3.3.1 Hệ gen nhân ❖ Kích thước hệ gen Hệ gen nhân tập hợp phân tử DNA mạch thẳng, phân bố nhiễm sắc thể Các loài sinh vật nhân thực khác đáng kể kích thước hệ gen Kích thước hệ gen nhân sinh vật nhân thực thay đổi từ 12Mb (nấm men Saccharomyces cerevisiae) đến 120.000Mb (loài Fritillaria assyriaca, loài hoa thuộc họ loa kèn) Trong nhiều trường hợp, kích thước hệ gen khơng liên quan đến tính phức tạp lồi Ví dụ, hệ gen lồi thực vật Fritillaria assyriaca có kích cỡ 120 tỷ cặp base (120.000Mb) lớn khoảng 40 lần so với hệ gen người Hai lồi kỳ nhơng Plethodonrichmondi Plethodon larselli có quan hệ gần với có kích thước hệ gen khác đáng kể Kích thước hệ gen loài Plethodonrichmondi lớn hai lần so với hệ gen loài Plethodon larselli ❖ Tổ chức hệ gen nhân Các gen phân bố không dọc theo chiều dài nhiễm sắc thể phân bố không nhiễm sắc thể khác Các hệ gen sinh vật nhân thực, phần lớn DNA khơng dùng để mã hóa cho protein khơng phiên mã thành phân tử RNA biểu chức năng, đồng thời DNA chứa nhiều trình tự điều hịa phức tạp Đáng ý vùng khơng mã hóa chiếm đến 98,5% hệ gen nhân người Hệ gen bao gồm thành phần DNA lặp lại DNA không lặp lại Phần lớn gen phân bố thành phần DNA không lặp lại số lượng chúng tăng tính phức tạp lồi Tính phức tạp khơng phụ thuộc vào số lượng gen mà xác định thành phần DNA lặp lại Vì khơng phải ln tồn mối tương quan tỷ lệ thuận kích thước hệ gen tính phức tạp lồi DNA khơng mã hóa sinh vật đa bào chứa nhiều vùng tương đồng không giống hệt nhau, gọi DNA lặp (repetitios DNA) Hệ gen tế bào chứa yếu tố di động DNA cộng sinh (transposable DNA element) Đây trình tự có khả tự tái di động khắp hệ gen Ở sinh vật nhân thực bậc cao, vùng DNA mã hóa protein RNA chức nằm lọt vùng DNA lớn khơng có chức ❖ Cấu trúc gen sinh vật nhân thực Gen sinh vật nhân thực tồn dạng vùng mang mã (exon) xen lẫn với phân đoạn khơng mã hóa (intron) Tuy tồn phổ biến sinh vật nhân chuẩn đa bào intron lại vi khuẩn không phổ biến sinh vật nhân thực đơn bào nấm men bánh mỳ Ở tế bào nhân thực, sản phẩm phiên mã bậc gen mã hóa protein gọi tiền mRNA (pre-mRNA) phải trải qua số biến đổi (gọi chung gia công RNA) để tạo thành mRNA chức (mRNA trưởng thành) Phân tử mRNA sau xuất ngồi tế bào chất trước dịch mã thành protein.Tất pre-mRNA sinh vật nhân thực có hai đầu bị biến đổi biến đổi giữ lại mRNA Ngay sau chui khỏi bề mặt RNA polymerase, phiên mã diễn khoảng từ 20 đến 40 nucleotide đầu tiên, sợi RNA sinh bổ sung mũ vào đầu 5’ Mũ có chất 7-methylguanylate gắn với nucleotide cuối RNA thông qua liên kết 5’, 5’triphosphate Mũ bảo vệ mRNA không bị enzyme phân hủy giúp vận chuyển RNA tế bào chất Mũ gắn với phân tử protein cần để khởi đầu dịch mã tế bào chất Gia công đầu 3’ bao gồm: enzyme endonuclease cắt đầu 3’ tạo nhóm 3’ – OH tự do, nhóm gắn với phân tử adenylic nhờ enzyme poly(A) polymerase Đuôi poly (A) tạo thành dài 100-250 base Một bước quan trọng khác trình biến đổi tiền mRNA cắt loại intron nối exon Sau gia công, phân tử mRNA chức giữ lại vùng khơng mã hóa hai đầu gọi vùng không dịch mã (untraslated region: UTR) 5’UTR 3’UTR ❖ Các gen hệ gen Gen đơn (solitary gene): gen có hệ gen Họ gen (family gene): Tập hợp hai hay nhiều gen có trình tự giống tương tự Các gen họ tập trung thành nhóm (trên nhiễm sắc thể) phân tán hệ gen (trên nhiễm sắc thể khác nhau) Có khoảng 1200 họ gen khác hệ gen người Các gen họ mã hóa protein có chức giống liên quan gần với hợp thành họ protein.Họ đa gen gồm nhiều gen giống hệt lặp lại liên tiếp đoạn DNA Việc lặp lại liên tiếp nhiều gen nhằm mục đích đáp ứng nhanh, đủ số lượng lớn sản phẩm gen tế bào cần.Thông thường gen họ gen khơng giống hồn tồn Sự sai khác chúng đảm bảo tính hoạt động độc lập gen Ví dụ hai họ gen có quan hệ với mã hóa globin người Họ gen α-globin gồm gen (gen , α1 α2) nằm nhiễm sắc thể 16, mã hóa cho dạng khác chuỗi α-globin Họ gen β-globin gồm gen (gen , G , A , , β) nằm nhiễm sắc thể số 11, mã hóa cho dạng khác chuỗi β-globin Gen giả (pseudogene): đoạn DNA có trình tự nucleotide giống tương tự với gen biết trình tự khơng phiên mã dịch mã Gen giả hình thành gen tích lũy đột biến trình tiến hóa gây chức gen Một số gen giả hình thành tượng lặp gen, gen bị đột biến trở nên không hoạt động hoạt động Ngồi ra, chế khác hình thành gen giả enzyme phiên mã ngược tổng hợp đoạn DNA bổ sung (complemantary DNA: cDNA) khuôn mẫu mRNA cDNA ghép vào hệ gen trở thành gen giả ❖ Hệ gen bào quan Trong bào quan ty thể (động vật, thực vật, nấm) lục lạp (thực vật) chứa DNA DNA ty thể lục lạp mã hóa cho số protein thiết yếu chức ty thể lục lạp, mã hóa rRNA tRNA cần để tổng hợp protein Ở hầu hết động vật đa bào, hệ gen ty thể phân tử DNA (mitochondria DNA: mtDNA) cấu tạo dạng vòng kép Một tế bào hình có hàng trăm đến hàng nghìn ty thể, tế bào có nhiều DNA gen ty thể có nhiều tế bào Kích thước hệ gen ty thể khác tùy lồivà khơng liên quan đến tính phức tạp lồi Kích thước hệ gen thay đổi từ – 1500kb, số lượng gen từ – 93 gen DNA ty thể có đặc điểm khác với DNA nhân là: trao đổi chéo; tỷ lệ đột biến cao có chế sửa chữa DNA ty thể có nhiều gốc oxy tự do; gen DNA ty thể không bị gián đoạn trình tự khơng mã hóa (intron), DNA ty thể không bao bọc protein DNA nhân Gen ty thể di truyền theo dòng mẹ Ở động vật hầu hết sinh vật đa bào khác, tinh trùng đóng góp (nếu có) bào tương vào hợp tử, gần ty thể phơi có nguồn gốc từ trứng Những nghiên cứu chuột cho thấy 99,99% mtDNA di truyền theo dòng mẹ, phần nhỏ (0,01%) di truyền theo dòng bố.DNA ty thể mã hóa sản phẩm sử dụng ty thể, khơng tiết ngồi Số lượng chất protein mà mtDNA mã hóa khác sinh vật khác DNA ty thể động vật có xương sống có 37 gen, bao gồm gen mã hóa cho rRNA nằm ribosome ty thể, 22 tRNA tham gia dịch mã mRNA ty thể mã hóa 13 protein tham gia truyền điện tử tổng hợp ATP DNA ty thể số lồi cịn mã hóa protein ribosome, protein tham gia phiên mã, dịch mã protein đóng vai trị vận chuyển protein khác từ bào tương vào ty thể DNA ty thể thực vật lớn gấp nhiều lần DNA ty thể động vật, hầu hết DNA không mã hóa protein Mã di truyền gen ty thể khác mã di truyền chuẩn gen nhân Đáng ý là, mã di truyền ty thể lồi khác khác Thơng thường, DNA ty thể bị đột biến, tế bào chứa hỗn hợp mtDNA đột biến mtDNA kiểu dại, tượng gọi dị thể (heteroplasmy) Mức độ nghiêm trọng bệnh đột biến DNA ty thể phụ thuộc vào chất đột biến tỷ lệ DNA ty thể đột biến so với DNA ty thể kiểu dại nằm loại tế bào định Đột biến mtDNA gây nhiều hội chứng rối loạn thần kinh người Ví dụ bệnh thần kinh mắt di truyền Leber (thối hóa thần kinh thị giác) đột biến sai nghĩa gen ty thể mã hóa tiểu phần NADH-CoQ reductase, protein cần cho trình tổng hợp ATP ty thể; Chứng liệt vận nhãn ngoại vi tiến triển mạn tính (đặc trưng thị lực); Hội chứng KeRNAs-Sayre (đặc trưng thị lực, nhịp tim bất thường thoái hóa hệ thần kinh trung ương) Bệnh nhân thường mang hỗn hợp mtDNA kiểu dại đột biến tế bào, tỷ lệ mtDNA đột biến cao kiểu hình đột biến nghiêm trọng Câu hỏi ơn tập Nêu khái niệm hệ gen? Trình bày đặc điểm đa dang hệ gen? Trình bày đặc điểm hệ gen nhóm sinh vật? Tài liệu tham khảo Bộ môn Sinh học - Di truyền y học, Học viện quân y (2020) Sinh học phân tử Đinh Đoàn Long, Cơ sở di truyền học phân tử tế bào, 2010, Nxb Đại học quốc gia Bộ môn Y sinh học- Di truyền, Đại học Y Hà Nội (2010), Di truyền y học Campbell Reece, Sinh học, 2011, Nxb Giáo dục Ngày tháng năm 2021 Người biên soạn Trung tá ThS Đặng Thị Hồng ... gen hệ gen Gen đơn (solitary gene): gen có hệ gen Họ gen (family gene): Tập hợp hai hay nhiều gen có trình tự giống tương tự Các gen họ tập trung thành nhóm (trên nhiễm sắc thể) phân tán hệ gen. .. chứa hệ gen, thể lưỡng bội (2n) chứa hai hệ gen bao gồm hệ gen bố hệ gen mẹ Hệ gen chứa tồn thơng tin di truyền chương trình cần thiết cho thể hoạt động Ở sinh vật nhân thực (eukaryote) 99% hệ gen. .. 21000 hệ gen khác Từ kết nghiên cứu cho thấy hệ gen khác kích cỡ, số lượng gen mật độ gen Độ lớn hệ gen đánh giá hàm lượng DNA chứa tế bào thể qua số lượng cặp nucleotid Hàm lượng DNA tổ chức hệ gen