Giáo trình sinh học phân tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y KHOA HUẾ BỘ MÔN DI TRUYỀN Y HỌC GIÁO TRÌNH H P SINH HỌC PHÂN TỬ U H 2007 CHƯƠNG 2: SINH HỌC PHÂN TỬ DNA (desoxyribonuclic acid) Nucleic acid DNA (desoxyribonuclic acid) Cấu trúc Các dạng cấu trúc không gian DNA Sự biến tính (denaturation) hồi tính (renaturation) DNA DNA tế bào Bộ gene prokaryote Bộ gene eukaryote Phân loại DNA Gene nhảy Gene 10 Câu hỏi ôn tập 11 Câu hỏi trắc nghiệm 11 CHỨC NĂNG CỦA DNA 13 Bảo quản truyền đạt thông tin di truyền 13 Mã di truyền 13 Khả nhân đơi xác 14 Tiềm tự sửa chữa 14 Khả đột biến 14 Câu hỏi ôn tập 15 Câu hỏi trắc nghiệm 15 H P CƠ CHẾ TỰ NHÂN ĐƠI CỦA DNA 16 Tự nhân đơi prokaryote 16 Tách rời hai mạch đơn phân tử DNA 16 Tổng hợp đoạn mồi (primer) rna 17 Tổng hợp mạch khn DNA 17 Hồn chỉnh chuỗi polynucleotide tổng hợp 18 Quá trình tự nhân đôi DNA eukaryote 21 Cơ chế sửa sai DNA 23 Cơ chế sửa sai DNA trình tự nhân đơi 23 Cơ chế sửa sai DNA ngồi q trình tự nhân đơi 24 Câu hỏi ơn tập 24 Câu hỏi trắc nghiệm 24 U H RNA (ribonuclic acid) 28 Các loại RNA 28 rRNA (RNA ribosome) 28 tRNA (RNA vận chuyển) 28 mRNA (RNA thông tin) 30 Ribozyme khả tự cắt (selfSplicing) 30 Câu hỏi ôn tập 30 Câu hỏi trắc nghiệm 30 Q TRÌNH PHIÊN MÃ (TRANSCRIPTION) 33 Q trình phiên mã prokaryote 33 Giai đoạn mở đầu 33 Giai đoạn kéo dài 34 Giai đoạn kết thúc 35 Quá trình phiên mã eukaryote 37 Giai đoạn mở đầu 37 Giai đoạn kéo dài 40 Giai đoạn kết thúc 40 Quá trình trưởng thành tiền mRNA 40 Gắn mũ chụp (capping) 40 a Gắn đuôi polyA 41 Cắt nối (splicing) 42 Câu hỏi ôn tập 43 Câu hỏi trắc nghiệm 44 CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN 45 Cấu trúc protein 45 Cấu trúc bậc 45 Cấu trúc bậc 46 Cấu trúc bậc ba 47 Cấu trúc bậc bốn 47 Chức sinh học 47 Câu hỏi ôn tập 49 Câu hỏi trắc nghiệm 49 QUÁ TRÌNH DỊCH MÃ VÀ ĐIỀU HỒ SINH TỔNG HỢP PROTEIN 51 Q trình dịch mã 51 Gắn amino acid vào tRNA 51 Ribosome 51 Các giai đoạn trình dịch mã 52 Polysomes 55 Điều hoà biểu gene 56 Điều hoà biểu gene prokaryote 56 Điều hoà biểu gene eukaryote 58 Kiểm soát q trình phiên mã 59 Kiểm sốt biểu gene thơng qua q trình hồn thiện mRNA 60 Kiểm sốt biểu gene thơng qua định RNA 60 Quá trình làm im lặng RNA (RNA silencing) 60 Kiểm sốt q trình dịch mã sau dịch mã 61 Câu hỏi ôn tập 62 Câu hỏi trắc nghiệm 62 H P U H b DNA (desoxyribonuclic acid) Mục tiêu Trình bày được: - Cấu trúc nucleotide - Cấu trúc DNA, loại DNA, gen nhảy - Cấu trúc gene prokaryote eukaryote Phân biệt gene prokaryote eukaryote NUCLEIC ACID Nucleic acid vật chất mang thông tin di truyền hệ thống sống có cấu trúc đa H P phân hình thành từ đơn phân nucleotide Nucleic acid gồm hai loại phân tử có cấu tạo giống desoxyribonucleic (DNA) ribonucleic acid (RNA) U H Hình 1: (a) Các cấu phần nucleotide; (b) Nucleotide; (c) Chuỗi polynucleotide Mỗi nucleotide cấu tạo gồm ba thành phần (hình 1) Nhóm phosphate Đường Pentose (đường Carbon) Ở DNA đường deoxyribose RNA ribose Một base nitric, base gồm có hai nhóm: - Purine gồm adenine (A), guanine (G) - Pyrimidine gồm thymine (T), cytosine (C) uracyl (U) Các nucleotide nối với liên kết phosphodiester tạo thành chuỗi polynucleotide DNA (desoxyribonuclic acid) CẤU TRÚC Phân tử ADN chuỗi xoắn kép gồm hai mạch đơn, mạch đơn chuỗi polynucleotide Mỗi nucleotide gồm (1) nhóm phosphate, (2) đường deoxyribose (C5H10O4) (3) bốn loại base (A, T, G v C)(hỡnh 2) U Hỗnh : Ngun tàõc bøä sung gỵiỉa ïcac base purine v pyrimidine H xoắn dài 34 Å (hình 3) H P Hai chuỗi polynucleotide kết hợp với nhờ liên kết hydro hình thành base hai mạch theo nguyên tắc bổ sung bên purine (A G) bên pyrimidine (C T) A bổ sung với T hai liên kết hydro, G bổ sung với C ba liên kết hydro tạo nên cấu trúc gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn quanh trục thành hình lị xo với đường kính khoảng 2nm bước Hình 3: Cấu trúc đoạn DNA Nguyên tắc bổ sung đảm bảo khoảng cách đặn hai mạch đơn DNA (tổng chiều dài base purine pyrimidine), phân tử đường nhóm phosphate nằm phía ngồi tạo nên trục đường-phosphate hình thành liên kết với phân tử nước, base quay vào phía hạn chế tiếp xúc chúng với phân tử nước giữ cho phân tử DNA ổn định Mỗi mạch đơn trình tự nucleotide có định hướng với đầu đầu 5' phosphate tự (nhóm phosphate tự gắn vào C5 đường desoxyribose) ký hiệu 5'P, đầu có nhóm OH vị trí C3 nên gọi đầu 3' hydroxyl tự do, kí hiệu 3'OH Hướng quy ước theo chiều từ 5' đến 3' Hai mạch đơn cấu trúc phân tử DNA ngược chiều gọi đối song (anti paralell) 5'P 3'OH 3'OH 5"P Như đầu 5' P mạch đối diện với đầu 3' OH mạch bổ sung Thơng qua cấu trúc xoắn kép DNA nhận thấy: (1) Trình tự base mạch khác với trình tự base mạch bổ sung với (2) Hai mạch DNA gắn với liên kết hydro yếu tạo nên tính linh hoạt cho phân tử DNA thực hoạt động chức nhân đôi tổng hợp RNA CÁC DẠNG CẤU TRÚC KHƠNG GIAN CỦA DNA H P Mơ hình DNA mô tả Watson Crick đưa năm 1953 công nhận cấu trúc DNA thời gian dài Vào thập niên 70, với hỗ trợ kỹ thuật phân tích xác nhiều dạng DNA phát Việc phân định dạng DNA thực dựa số : - h: chiều cao hai nuceotide kế - n: Số cặp nucleotide vòng xoắn U Một số dạng DNA liệt kê bảng đây: Dạng Số cặp base vòng xoắn (n) A 11 B 19 C 1/3 Z 12 Góc xoắn so với mặt phẳng base (độ) khoảng cách h base kế (Ao) + 32,7 2,56 23 + 36,0 3,38 19 + 38,6 3,32 19 - 30,0 3,71 18 H Đường kính chuỗi xoắn kép (Ao) Dạng DNA mà Watson Crick mô tả dạng B, dạng phổ biến nhất, tồn điều kiện sinh lý bình thường Các dạng khác xuất điều kiện độ ẩm ion khác Dạng Z có chiều xoắn ngược phía bên trái theo hình zigzag nên gọi dạng Z Các dạng DNA khác cho thấy DNA tế bào sống không tồn với dạng mà tuỳ trạng thái sinh lý dạng hay dạng khác.(hình 4) Hình 4: Các dạng DNA H P SỰ BIẾN TÍNH (DENATURATION) VÀ HỒI TÍNH (RENATURATION) CỦA DNA Hai mạch đơn phân tử DNA gắn với thông qua liên kết hydro yếu Các tác nhân làm đứt gãy liên kết đun nóng phân tử DNA nhiệt độ khoảng 80 - 95o C làm cho hai mạch tách rời Hiện tượng gọi tượng biến tính (denaturation) DNA (hình 5) U H Hình 5: Hiện tượng biến tính DNA Nhiệt độ làm hai mạch DNA tách rời gọi điểm chảy (melting point) DNA Điểm đặc trung cho loại DNA, phụ thuộc vào số lượng liên kết hydro cấu trúc Tỷ lệ cặp G-C cao điểm chảy lớn Một số chất formanide có khả làm hạ thấp điểm chảy nên dùng kỹ thuật lai phân tử để làm giảm nhiệt độ lai Sự biến tính có tính thuận nghịch Sau DNA bị biến tính hạ nhiệt độ từ từ trở lại bình thường chúng gắn lại với sở nguyên tắc bổ sung để trở thành mạch kép Hiện tượng gọi hồi tính (renaturation) DNA TRONG TẾ BÀO Tất sinh vật có cấu tế bào, ty thể, lạp thể chứa DNA mạch kép Các virus có gene đa dạng gồm RNA DNA mạch đơn mạch kép Bảng giới thiệu chiều dài gene đơn bội theo số cặp base nhóm sinh vật sau: Sinh vật Số cặp base Virus 103 đến 105 Vi khuẩn E Coli 4,5 x 106 Nấm men x 107 Ruồi giấm Drosophila 1,5 x 108 Động vật có xương sống 108 đến 1010 Thực vật 1010 đến 1011 Người x 109 H P Qua bảng nhận thấy khơng có tương quan mức độ tiến hoá số lượng cặp base gene Giữa gene prokaryote eukaryote có khác biệt đáng kể thành phần cấu tạo cách tổ chức DNA tế bào BỘ GENE CỦA PROKARYOTE Bộ gene vi khuẩn E Coli đa số sinh vật prokaryote phân tử DNA có dạng vịng không gắn với protein để tạo thành nhiễm sắc thể eukaryote (tuy nhiên khái niệm nhiễm sắc thể dùng cho vi khuẩn hiểu sợi DNA) (hình 6) U Ở prokaryote, DNA thường dạng siêu xoắn với DNA mạch kép xoắn vặn thành hình số Đây dạng tự nhiên tế bào vi khuẩn, sợi DNA phân tử RNA nối giúp cuộn xoắn làm cho chiều dài phân tử rút ngắn đáng kể Tình trạng siêu xoắn thay đổi thuận nghịch dước tác động enzyme DNase RNase Ngoài DNA dạng vịng trịn dạng thẳng H Hình 6: DNA prokaryote BỘ GENE CỦA EUKARYOTE Cách tổ chức DNA nhân tế bào DNA eukaryote có kích thước lớn, ví dụ người tổng chiều dài tất DNA có nhân tế bào dài đến 2m Để nằm gọn nhân tế bào, DNA phải cuộn xoắn nhiều mức độ cấu trúc khác Nucleosome Các đoạn DNA với chiều dài tương ứng với khoảng từ 140 đến 150 cặp base (base pair: bp) cuộn quanh lõi gồm phân tử protein histone (2 H2A, H2B, H3 2H4) để tạo thành nucleosome với đường kính khoảng 11nm Các nucleosome nối với H P đoạn DNA khong 20 - 60 Hỗnh 7: Nucleosome bp vúi phân tử histone trung gian (H1) Các histone liên kết với phân tử DNA nhờ liên kết ion hình thành nhánh bên mang điện tích âm histone với nhóm phosphate mang diện tích dương DNA (hình 7) Sợi quai chromatin Khoảng nucleosome cuộn lại thành solenoid đường kính khoảng 30nm, solenoid cuộn lại thành quai chromatin (chromatin loop) đường kính khoảng 300nm, quai chromatin có khoảng 100.000 bp (100 kb) Bằng cách DNA giảm chiều dài xuống khoảng 1/10.000 lần so với chiều dài trước cuộn xoắn (hình 8) U H Chất dị nhiễm sắc Các quai chromatin tiếp tục cuộn xoắn với đường kính khoảng 700nm Nhiếm sắc thể Ở kỳ trình phân bào chromatin cuộn xoắn mức độ tối đa tạo nên NST với đường kính khoảng 1.400nm PHÂN LOẠI DNA Ở eukaryote DNA mang thơng tin mã hóa cho protein thực tế có tỷ lệ thấp DNA thực chức Ở người có 5% số tỷ cặp nucleotide genome người thực làm chức mang thông tin, lại phần lớn vật liệu di truyền chưa biết chức DNA người chia thành loại sau (hình 9): H P U H Hình Mơ hình cuộn xoắn DNA DNA độc (single - copy DNA) DNA độc chiếm khoảng 45% genome gồm gene mã hoá cho protein Các đoạn DNA loại thấy lần (hoặc vài lần) genome Tuy nhiên phần mã hóa cho protein chiếm phần nhỏ loại DNA mà thơi, phần lớn cịn lại intron đoạn DNA nằm xen gene DNA lặp (repetitive DNA) DNA lặp chiếm 55% lại genome, đoạn DNA lập lập lại lên tới hàng ngàn lần genome, có loại chính: H P Hình 2: Các thành phần tham gia vào cấu trúc ribosome prokaryote eukaryote CÁC GIAI ĐOẠN CỦA Q TRÌNH DỊCH MÃ Q trình dịch mã xảy ribosome qua ba giai đoạn: giai đoạn mở đầu (initiation), giai đoạn kéo dài (elongation) giai đoạn kết thúc (termination) Khơng có khác biệt lớn trình dịch mã prokaryote eukaryote U Giai đoạn mở đầu Giai đoạn thực với tham gia mRNA, ribosome yếu tố khởi động (IF: Initiation Factor), eukaryote yếu tố tố ký hiệu eIF H Trên mRNA, ba mã AUG, mã hoá cho methionine (Met) bắt đầu cho trình dịch mã Tuy nhiên cần lưu ý có codon mã hố cho Met có tới hai loại tRNA mang Met đến ribosome tRNAMet kết hợp với codon nằm phân tử mRNA tRNAiMet kết hợp với codon vị trí khởi động để bắt đầu cho việc dịch mã, gắn Met vào chuỗi polypeptide Việc dịch mã bắt đầu tiểu đơn vị nhỏ ribosome gắn với Met-tRNAiMet bám vào mRNA vị trí gần với vị trí codon AUG khởi động đầu 5' mRNA với tham gia IF lượng GTP cung cấp Hình giới thiệu bước giai đoạn khởi đầu eukaryote Giai đoạn kéo dài Giai đoạn không phức tạp giai đoạn mở đầu Sau amino acid (Met) đặt vào vị trí sở bắt cặp theo nguyên tắc bổ sung anticodon tRNA với codon tương ứng mRNA, trình kéo dài chuỗi polypeptide bắt đầu 52 Phức hợp aminoacyl-tRNA đến xếp vào vị trí ribosome nhờ EF (elongation factor: yếu tố kéo dài) Sự tiếp xúc peptidyl-tRNA aminoacyl-tRNA làm hình thành liên kết peptide để gắn amino acid vào chuỗi polypeptide tổng hợp xúc tác enzyme peptidyl transferase Quá trình lập lập lại theo chiều từ 5' đến 3' mRNA tiếp xúc với dấu kết thúc dịch mã Hình giới thiệu bước giai đoạn kéo dài chuỗi polypeotide H P Hình 3: Giai đoạn mở đầu Các tiểu đơn vị lớn bé ribosome gắn với eIF6 eIF3 tạo thành phức hợp để bắt đầu dịch mã (1) Phức hợp 40S, eIF3 gắn với eIF1 phức hợp eIF2, GTP tRNAiMet tạo thành phức hệ tiền khởi đầu (preinitiation complex) (2) mRNA gắn với eIF4 vị trí mũ (cap) cho phép mRNA kết hợp với phức hợp khởi đầu để tạo thành phức hợp khởi đầu (initiation complex) (3) Phức hệ tiền khởi đầu với eIF4 trượt mRNA để đến vị trí codon khởi đầu, q trình địi hỏi lượng ATP cung cấp, sau eIF giải phóng (4) Phức hệ tiểu phần 60S eIF6 ribosome đến gắn vào tiểu phần bé với hỗ trợ eIF5 GTP H U 53 Hình 4: Giai đoạn kéo dài: (1) Khi ribosome 80S Met-tRNAiMet nằm vị trí P (ví trí kéo dài chuỗi polypeptide) ribosome, phức hợp aa-tRNA mang amino acid thứ 2(aa2) đến codon tương ứng mRNA nằm vị trí A (vị trí tiếp nhận amino acid) ribosome (2) Sự thuỷ phân GTP phức hợp EF1α-GTP thành EF1α-GTP, trình làm thay đổi cấu trúc ribosome (3) Phân tử rRNA lớn xúc tác cho trình tạo thành liên kết peptide aa2 Met (4) Sự thuỷ phân GTP phức hợp EF2-GTP gây tiếp thay đổi cấu trúc ribosome làm cho ribosome tiếp đến codon mRNA tRNAMet tách Met tiến vào vị trí E (vị trí chuẩn bị giải phóng tRNA) tRNA với amino acid gắn với qua liên kết peptide nằm vị trí P ribosome Q trình lắp phức hợp tRNA mang aa3, aa4 tiếp tục diễn theo cách H P U H Giai đoạn kết thúc Khi ba mã kết thúc (UAA, UAG UGA) nhận biết RF (Release Factor: yếu tố phóng thích), phức hợp peptidyl-tRNA tách thành phân tử tRNA tự chuỗi polypeptide hoàn chỉnh có đầu -NH2 54 -COOH Ribosome tách trở lại thành hai tiểu đơn vị để bắt đầu cho chu kỳ dịch mã (hình 5) Hình 5: Giai đoạn kết thúc: robosome di chuyển đến ba mã kết thúc (UAA, UAG UGA), eRF1 vào phức hợp ribosome vị trí A gần với eRF3-GTP Sự thuỷ phân guanine eRF3-GTP cắt chuỗi peptide khỏi tRNA vị trí P, giải phóng tRNA tiểu phần ribosome H P POLYSOMES U H Hình 6: Cơ chế gia tăng tốc độ dịch mã mRNA qua polysomes tạo nên cấu trúc dạng vòng mRNA 55 Để tăng cường tốc độ tổng hợp protein (trung bình eukaryote, protein tổng hợp vịng 30 - 60 giây), nhiều ribosome tham gia dịch mã 1mRNA gọi polyribosomes hay polysomes tăng cường tốc độ quay vòng tiểu đơn vị ribosome sau chúng hồn tất q trình dịch mã Nhiều nghiên cứu cho thấy protein gắn vào poly A (PABPI) vừa tác động polyA đầu 3' vừa tác động lên tiểu đơn vị 4G 4E eIF4 đầu 5' làm cho mRNA trở nên có dạng vịng tạo điều kiện dễ dàng cho tiểu đơn vị ribosome sau kết thúc dịch mã đầu 3' bắt đầu q trình dịch mã đầu 5' (hình 6) ĐIỀU HỒ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE ĐIỀU HOÀ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE Ở PROKARYOTE Ở prokaryote mục đích việc điều hồ biểu gene nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp để phục vụ cho trình tăng trưởng sinh sản tế bào Tuỳ thuộc vào điều kiện mơi trường mà gene mã hố cho enzyme biểu ngưng biểu bât thời điểm chu kỳ tế bào H P Q trình điều hồ chủ yếu xảy q trình phiên mã thơng qua operon Mỗi operon bao gồm: - Một số gen cấu trúc mã hoá cho polypeoptide nằm gần gọi cistron - Các trình tự DNA khác tham gia vào hoạt động điều hồ với vai trị khác Căn vào cách thức điều hoà người ta chia làm hai loại operon chính: operon cảm ứng operon kìm hãm U Operon cảm ứng (inducible operon) Một ví dụ điển hình cho kiểu operon cảm ứng operon lactose H Đường lactose đóng vai trị chất cảm ứng Khi khơng có lactose gene mã hố cho enzyme chuyển hố lactose khơng hoạt động phiên mã Khi lactose nguồn carbohydrat có mặt môi trường thi vi khuẩn sản xuất enzyme cần thiết cho q trình chuyển hố lactose qua hoạt động phiên mã gene mã hoá cho enzyme Hình mơ tả q trình điều hoà hoạt động phiên mã operon lac E.coli (a) Khi mơi trường khơng có lactose, mRNA tổng hợp protein gọi lac repressor (yếu tố kìm hãm) gắn vào operator, ngăn cản hoạt động phiên mã RNA polymerase-σ70 (hình 7a) (b) Khi mơi trường có cảì glucose lactose, phần lac repressor gắn với lactose giải phóng operator cho phép RNA polymerase-σ70 thực phiên mã cường độ thấp (hình 7b) (c) Khi mơi trường có lactose khơng có glucose, q trình phiên mã diễn mức tối đa tình trạng khơng có glucose, cAMP tạo thành phức hợp CAP-cAMP, gắn vào vị trí CAP qua tác động lên RNA polymerase thúc đẩy trình phiên mã (hình 7c) 56 H P U Hình 7: Điều hồ q trình phiên mã kiểu cảm ứng operon lac E coli: Vùng kiểm soát phiên mã dài khoảng 100 căp base gồm vùng gắn protein: (1) Vị trí CAP gắn protein hoạt hố q trình chuyển hố (catabolite activator protein); (2) lac promotor (vùng khởi động lac) gắn với phức hệ RNA polymerase-(70; (3) lac operator (vùng vận hành lac ) Gene lacZ gene operon H (a) Khi mơi trường khơng có lactose (b) Khi mơi trường có cảì glucose lactose (c) Khi mơi trường có lactose khơng có glucose Operon kìm hãm (repressible operon) Một ví dụ điển hình cho kiểu operon cảm ứng operon tryptophan E coli Amino acid tryptophan đóng vai trị chất cảm ứng (inducer) gắn với repressor Triptophan gắn với trp repressor làm thay đổi cấu trúc trp repressor làm cho có khả gắn với trp operon ức chế không cho operon phiên mã Khi nồng độ tryptophan môi trường bào tương cao, tế bào khơng tổng hợp enzyme mã hố trp operon xúc tác cho trình tổng hợp tryptophan 57 Khi nồng độ tryptophan môi trường bào tương thấp, trp repressor khơng có khả ức chế trp operon cho phép thực phiên mã để tổng hợp cac enzyme cần thiết cho việc tổng hợp triptophan (hình 8) H P Hình 8: Điều hồ q trình phiên mã kiểu kìm hãm trp operon E coli Khi nồng độ tryptophan môi trường bào tương thấp, trp repressor khơng có khả ức chế trp operon cho phép thực phiên mã để tổng hợp cac enzyme cần thiết cho việc tổng hợp tryptophan Khi nồng độ tryptophan môi trường bào tương cao, tế bào khơng tổng hợp enzyme mã hố trp operon xúc tác cho trình tổng hợp tryptophan U ĐIỀU HỒ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE Ở EUKARYOTE Mơ hình điều hồ biểu gene eukaryote prokaryote có số điểm giống vai trị protein gắn với DNA ảnh hưởng đến hoạt động enzyme RNA polymerase việc bắt đầu trình phiên mã Tuy nhiên việc điều hồ biểu gene eukaryote có điểm khác biệt: (1) Các gene eukaryote không tạo thành operon gene phiên mã với vào mRNA thay vào gene có promotor riêng phiên mã cách riêng rẽ (2) Cấu trúc chromatin ảnh hưởng đến biểu gene eukaryote, để phiên mã DNA phải tháo xoắn khỏi protein histone (3) Mặc dù chất hoạt hoá ức chế có mặt q trình điều hồ biểu gene eukaryote prokaryote, eukaryote chất hoạt hố có vai trị phổ biến (4) Cơ chế điều hoà biểu gene eukaryote liên quan đến nhiều chế khác tác động đến nhiều khâu khác trình truyền thông tin từ DNA đến protein Dưới giới thiệu vắn tắt số yếu tố liên quan đến việc điều hoà biểu gene eukaryote H Mối liên quan cấu trúc chromatin biểu gene Cấu trúc chromatin ức chế biểu gene, để gene phiên mã, yếu tố phiên mã, chất hoạt hoá, RNA polymerase phải gắn vào DNA trước phiên mã, cấu trúc chromatin phải thay đổi Sự thay đổi liên quan đến số tượng sau: 58 Vị trí nhạy cảm với enzyme DNase I Trên DNA có vị trí nhạy cảm với enzyme DNase I, enzyme giáng hoá DNA tác động lên DNA có lõng lẻo cấu trúc cromatin Vị trí nằm trước vị trí bắt đầu phiên mã khoảng 1000 bp Sự có mặt vị trí gợi ý chromatin vùng trở nên lõng lẻo DNA vùng thực phiên mã Vị trí nơi gắn protein điều hoà để điểu khiển hoạt động phiên mã Acetyl hoá protein histone Việc acetyl hoá histone làm thay đổi cấu trúc nucleosome tạo điều kiện thuận lợi cho trình phiên mã (hình 9) Q trình demethyl hóa DNA Sự methyl hố thúc đẩy enzyme deacetylase tách nhóm acetyl khỏi protein histone làm cho cấu trúc chromatin trở nên định qua ức chế q trình phiên mã Hiện tượng demethyl hố (demethylation) ngược lại làm cản trở trình tạo thuận lợi cho q trình phiên mã H P KIM SOT QU TRèNH PHIấN M Hỗnh 9: Acetyl họa histone lìam thay âäøi ú cáu trụíc acuchromatin cho phẹp ïcac ú tä phiãn mỵa gàõn vo DNA Các protein điều hồ q trình phiên mã ảnh hưởng tới việc bắt đầu phiên mã thông qua việc làm định tập trung thành phần hệ thống phiên mã Một số protein chất hoạt hố (activator) kích thích hoạt động phiên mã số protein khác đóng vai trị chất ức chế (repressor) U H Vùng tăng cường vùng lập Một số chất hoạt hố gắn vào vùng tăng cường (enhancer) nằm cách xa gene để qua kích thích q trình phiên mã Bên cạnh vùng lập (insulator) có tác dụng lập cách ly vùng tăng cường làm ức chế q trình phiên mã.(hình 10) Hình 10: Insulator (vùng lập) đình tác động enhancer (vùng tăng cường) lên promotor (vùng khởi động) nằm enhancer promoter 59 Các yếu tố đa đáp ứng (multiple response elements) Một gene hoạt hố nhiều yếu tố đáp ứng khác nhau, yếu tố có mặt vùng tăng cường vùng khởi động (promotor) Các yếu tố đa đáp ứng cho phép gene đáp ứng với nhiều tác nhân kích thích khác Trong thời điểm, có mặt yếu tố đáp ứng gene khác cho phép kích thích tác động lúc lên nhiều gene khác Bằng cách yếu tố đáp ứng cho phép gene có liên quan với hoạt động chuyển hố phức tạp phối hơp với (hình 11) H P Hình 11: Các yếu tố đa đáp ứng (MRE) nằm phía trước gene mã hóa cho metallothionein Các protein hoạt hóa gắn với MRE để kích thích hoạt động phiên mã U KIỂM SỐT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE THƠNG QUA Q TRÌNH HỒN THIỆN mRNA Q trình hồn thiện mRNA sau phiên mã diễn theo cách kiểu khác Sự thay đổi vị trí cắt tiền mRNA làm xuất mRNA trưởng thành khác tổng hợp nên loại protein khác nhau.(hình 12) H KIỂM SỐT SỰ BIỂU HIỆN CỦA GENE THÔNG QUA SỰ HẰNG ĐỊNH CỦA RNA Sự định mRNA ảnh hưởng đến biểu gene thông qua thời gian tồn mRNA qua ảnh hưởng đến hoạt động dịch mã Sự định mRNA phụ thuộc đầu 5' (5' cap), đuôi poly A, vùng không dịch mã (UTR: untranslated region) 5' 3' vùng mang mã QUÁ TRÌNH LÀM IM LẶNG RNA (RNA silencing) Quá trình làm im lặng RNA bắt đầu phân tử RNA chuỗi kép (double stranded RNA) cắt hoàn thiện enzyme Dicer tạo thành đoạn RNA xen nhỏ (siRNA: small interfering RNA) (hình 13) siRNA đến bổ sung với trình tự mRNA sở thu hút phức hợp RNA - protein đến cắt mRNA đoạn siRNA, sau bị cắt mRNA tiếp tục thoái hoá siRNA vào nhân, bổ sung với đoạn DNA kích thích q trình methyl hố đoạn DNA qua ảnh hưởng đến hoạt động phiên mã 60 Hình 12: Việc cắt vị trí cắt khác tiền mRNA dẫn đến tạo thành mRNA mã hóa cho protein khác H P U H KIỂM SỐT Q TRÌNH DỊCH MÃ VÀ SAU DỊCH MÃ Việc khởi động trình dịch mã bị đình protein đặc hiệu gắn vào đầu 5' mRNA ngăn cản tiếp xúc ribosome Các ribosome, tRNA, yếu tố khởi đầu kéo dài chuỗi polypeptide ảnh hưởng đến trình dịch mã 61 Rất nhiều protein Eukaryota tiếp tục biến đổi sau phiên mã cách cắt cách chọn lọc, tỉa bỏ amino acid đầu tận cùng, acetyl hố, bổ sung nhóm phosphate, carbohydrate, nhóm methyl vào phân tử protein Những thay đổi ảnh hưởng đến việc vận chuyển, chức hoạt động cỏc protein ny Hỗnh 13: Quaù trỗnh RNA silencing dỏựn ú âãnựsûthoạïi aho ca mRNA hû ồc methyl ïhoa DNA CÂU HỎI ƠN TẬP H P U Mơ tả trình gắn amino acid vào tRNA ? Hãy nêu số đặc điểm bước trình giải mã ? Polysomes ? H Q trình điều hồ biểu prokaryote diễn ? Quá trình điều hoà biểu eukaryote diễn ? CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM Để tăng cường tốc độ tổng hợp protein, nhiều ribosome tham gia dịch mã 1mRNA gọi là: B Polysomes C Chromosome A Lysosome D Replicon E Nucleosome Ở tế bào nhân ribosome hình thành từ tiểu phần: A Tiểu phần lớn gồm 50 phân tử protein phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 33 phân tử protein phân tử rRNA B Tiểu phần lớn gồm 45 phân tử protein phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 33 phân tử protein phân tử rRNA 62 C Tiểu phần lớn gồm 50 phân tử protein phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 33 phân tử protein phân tử rRNA D Tiểu phần lớn gồm 34 phân tử protein phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 21 phân tử protein phân tử rRNA E Tiểu phần lớn gồm 45 phân tử protein phân tử rRNA; Tiểu phần bé gồm 33 phân tử protein phân tử rRNA Hai tiểu phần lớn bé kết hợp lại với để hình thành nên ribosome khi: A Các tiểu phần khỏi nhân vào bào tương B Các rRNA tổng hợp xong hạch nhân C Hoàn tất việc tổng hợp protein D Ở giai đoạn mở đầu trình tổng hợp protein E ARN mang amino acid đến mRNA H P Trong trình giải mã, amino acid tự do: A trực tiếp đến ribosome để phục vụ cho trình giải mã B đến ribosome dạng ATP hoạt hóa C hoạt hóa thành dạng hoạt động nhờ ATP, sau liên kết với tRNA đặc hiệu tạo nên phức hệ amino acid - tRNA, trình diễn tác dụng enzyme đặc hiệu D gắn với tRNA nhờ enzyme đặc hiệu tạo thành phức hợp amino acid tRNA để phục vụ cho trình giải mã ribosome U E kết hợp với tiểu phần bé ribosome để tham gia vào trình giải mã Trong trình giải mã di truyền, ribosome sẽ: H A Trở lại dạng rRNA sau hoàn thành việc tổng hợp protein B Bắt đầu tiêp xúc với mRNA từ ba mã UAG C Trượt từ đầu 5' đến 3' mRNA D Giữ nguyên cấu trúc sau hoàn thành giải mã E Chỉ tham gia giải mã cho loại mRNA Trong trình giải mã, amino acid đến sau gắn vào chuỗi polypeptide hình thành: A Khi tiểu phần lớn bé ribosome tách B Trước tRNA amino acid trước tách khỏi ribosome dạng tự C Khi ribosome khỏi ba mã khởi đầu D Khi ribosome di chuyển đến mã E Giữa nhóm carboxyl amino acid kết hợp với nhóm amin amino acid trước để hình thành liên kết peptide Quá trình giải mã kết thúc khi: 63 A Ribosome rời khỏi mRNA trở lại dạng tự với tiểu phần lớn bé B Ribosome di chuyển đến mã AUG C Ribosome gần amino acid mêtiơnin vào vị trí cuối chuỗi polypeptide D Ribosome tiếp xúc với mã UAU, UAX, UXG E Ribosome tiếp xúc với mã UAA, UAG UGA Chuỗi polypeptide sau tổng hợp xong q trình giải mã sẽ: A hồn thiện cấu trúc không gian bậc 2, bậc để trở thành protein có hoạt tính sinh học B hồn thiện cấu trúc khơng gian lưới nội sinh chất bào tương C Có thể kết hợp với protein khác để tạo nên phân tử protein có cấu trúc bậc D A C H P E A, B C Trong trình giải mã, ribosome tiến tới mã tượng sau xảy ra: A Liên kết peptide amino acid cũ hình thành B tRNA mang amino acid đến ribosome tiếp xúc với mã qua đối mã U C Chuỗi polypeptide hồn thiện cấu trúc khơng gian bậc 2, D Chuỗi polypeptide tổng hợp tách khỏi ribosome E Phân tử amino acid tương ứng với mã mà ribosome trượt đến đến ribosome gắn vào chuỗi polypeptide tổng hợp H 10 Sự hồn thiện cấu trúc khơng gian chuỗi polypeptide tế bào có nhân xảy ở: A Ty thể lưới nội sinh chất B Tế bào chất lưới nội sinh chất C Bộ Golgi lưới nội sinh chất D Lysosome thể vùi E Trung thể thoi vô sắc 11 Ở vi khuẩn, chế điều hòa sinh tổng hợp protein operon cảm ứng, chất cảm ứng có vai trị: A Hoạt hóa enzyme RNA polymerase B Ức chế vùng vận hành (operator), ngăn cản trình tổng hợp yếu tố kìm hãm C Hoạt hóa vùng promotor (vùng khởi động) D Giải ức chế kích thích hoạt động phiên mã gen cấu trúc 64 A Ribosome rời khỏi mRNA trở lại dạng tự với tiểu phần lớn bé B Ribosome di chuyển đến mã AUG C Ribosome gần amino acid mêtiơnin vào vị trí cuối chuỗi polypeptide D Ribosome tiếp xúc với mã UAU, UAX, UXG E Ribosome tiếp xúc với mã UAA, UAG UGA Chuỗi polypeptide sau tổng hợp xong q trình giải mã sẽ: A hồn thiện cấu trúc không gian bậc 2, bậc để trở thành protein có hoạt tính sinh học B hồn thiện cấu trúc khơng gian lưới nội sinh chất bào tương C Có thể kết hợp với protein khác để tạo nên phân tử protein có cấu trúc bậc D A C H P E A, B C Trong trình giải mã, ribosome tiến tới mã tượng sau xảy ra: A Liên kết peptide amino acid cũ hình thành B tRNA mang amino acid đến ribosome tiếp xúc với mã qua đối mã U C Chuỗi polypeptide hồn thiện cấu trúc khơng gian bậc 2, D Chuỗi polypeptide tổng hợp tách khỏi ribosome E Phân tử amino acid tương ứng với mã mà ribosome trượt đến đến ribosome gắn vào chuỗi polypeptide tổng hợp H 10 Sự hồn thiện cấu trúc khơng gian chuỗi polypeptide tế bào có nhân xảy ở: A Ty thể lưới nội sinh chất B Tế bào chất lưới nội sinh chất C Bộ Golgi lưới nội sinh chất D Lysosome thể vùi E Trung thể thoi vô sắc 11 Ở vi khuẩn, chế điều hòa sinh tổng hợp protein operon cảm ứng, chất cảm ứng có vai trị: A Hoạt hóa enzyme RNA polymerase B Ức chế vùng vận hành (operator), ngăn cản trình tổng hợp yếu tố kìm hãm C Hoạt hóa vùng promotor (vùng khởi động) D Giải ức chế kích thích hoạt động phiên mã gen cấu trúc 64 E Vơ hiệu hóa yếu tố kìm hãm (repressor) 12 Ở vi khuẩn E Coli, chất ức chế chế điều hịa sinh tổng hợp qua operon kìm hãm, chất cảm ứng hoạt động theo cách: A Gắn vào vùng khởi động (promotor)và làm tác dụng vùng B Gắn vào vùng vận hành (operator) để cản trở hoạt động enzyme ARN polymerase C Kết hợp với enzyme polymerase làm khả xúc tác cho trình phiên mã gen D Gắn với chất ức chế (repressor), làm chất có khả ức chế vùng vận hành (operator) không cho operon thực phiên mã E A C ĐÁP ÁN B C 11 E 12 D D C C E E E B H P U H 65 10 B