Bài giảng Di truyền học nhiễm sắc thể Cơ sở di truyền học biểu sinh (Epigenetics)

Đinh Đoàn LongDI TRUYỀN HỌC NHIỄM SẮC THỂ & CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC BIỂU SINH Trang 2 Tổ chức phân tử của nhiễm sắc thể SỰ ĐA DẠNG VỀ CẤU TRÚC CỦA NHIỄM SẮC THỂ NST SỰ NHÂN ĐễI VÀ PHÂN LY

Trang 1

PGS.TS Đinh Đoàn Long

DI TRUYỀN HỌC NHIỄM SẮC THỂ

&

CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC BIỂU SINH

(EPIGENETICS)

Trang 2

Tæ chøc ph©n tö cña nhiÔm s¾c thÓ

SỰ ĐA DẠNG VỀ CẤU TRÚC CỦA NHIỄM SẮC THỂ (NST)

SỰ NHÂN ĐÔI VÀ PHÂN LY CỦA NHIỄM SẮC THỂ

CẤU TRÚC VÀ VAI TRÒ CỦA NUCLEOSOME (THỂ NHÂN) CÁC BẬC CẤU TRÚC CỦA CHẤT NHIỄM SẮC

Đinh Đoàn Long

ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN QUA CẤU TRÚC CHẤT NHIỄM SẮC

SỰ LẮP RÁP NUCLEOSOME

C¬ së di truyÒn häc biÓu sinh

Trang 3

Trang 4

SỰ ĐA DẠNG VỀ CẤU TRÚC CỦA CHẤT NHIỄM SẮC

• Trong tế bào, mỗi phân tử ADN thường liên kết với protein tạo thành cấu trúc được gọi là nhiễm sắc thể (NST)

• Việc đóng gói trong NST là thiết yếu để

ADN biểu hiện được chức năng, vì:

truyền hiệu quả tới các tế bào con qua phân bào

của mỗi phân tử ADN, đảm bảo cho sự biểu hiện và tái tổ hợp của các gen đặc trưng cho từng phân tử ADN

Nhiễm sắc tử chị em

Tâm động

Trang 5

• Các NST có thể ở dạng mạch thẳng hoặc vòng

KÝch thíc hÖ gen

(Mb) Prokaryote

Nh©n lín: 225

Nh©n nhá: 2 Nh©n lín: 10 - 10.000

th¼ng 220

(nh©n nhá)

Trang 6

• Số lượng các NST trong tế bào là đặc trưng

 Các tế bào prokaryote thường chỉ có 1 bản sao NST ở vùng nhân (nucleoid) Nhưng khi phân chia nhanh thì nhiều phần NST có thể tồn tại

ở dạng 2 hay thậm chí 4 bản sao Ngoài ra, các tế bào prokaryote thường gồm 1 hoặc một số phân tử ADN dạng vòng, kích thước nhỏ, phân chia

độc lập, gọi là plasmid

NST; chúng được gọi là các NST tương đồng Tuy vậy, không phải mọi

tế bào eukaryote đều là lưỡng bội; một số có thể là đơn bội (ví dụ: trứng, tinh trùng) hoặc đa bội (ví dụ: tế bào nhân khổng lồ, megakaryocyte, ở

người có ~128 bản sao mỗi NST)

Sự phân chia số lượng lớn NST đồng thời theo cơ chế chung là khó khăn 

tế bào megakaryocyte sau khi biệt hóa ngừng phân chia

Trang 7

Các gen chiếm hầu hết hệ gen vi khuẩn

Các sinh vật bậc cao có mật độ gen trong hệ gen giảm

Có 2 lý do chính:

 Độ dài mỗi gen tăng lên, vì:

 Các gen eukaryote được điều hòa bởi các cơ chế phức tạp bởi nhiều yếu tố

điều hòa đồng thời (sự tích hợp tín hiệu) nên số lượng và độ dài các trình tự điều hòa tăng lên

 Các gen eukaryote có tính “phân mảnh” Nghĩa là, xen kẽ giữa các trình tự

mã hóa (exon) là các trình tự không mã hóa (intron) Số trình tự mã hóa trong gen đôi khi chỉ chiếm khoảng 5%

 Trình tự liên gen tăng lên

 Khoảng 60% hệ gen người là các trình tự liên gen

 Khoảng 1/4 số trình tự liên gen là các trình tự đơn nhất; còn lại là các trình

tự nucleotide lặp lại ngắn (<13 nu.) hoặc dài phân bố khắp hệ gen

Trang 8

Cỏc sinh vật bậc cao cú mật độ gen trong hệ gen giảm

Hệ gen ng-ời (3.200 Mb)

Gen và trình tự liên quan đến gen (1.200

Mb)

Trình tự ADN liên gen (2.000 Mb)

Các trình tự lặp lại phân bố khắp hệ gen (1.400 Mb)

Các trình tự liên gen khác (600 Mb)

Các trình tự liên quan đến gen (1.152 Mb)

GEN

(48 Mb)

Các trình tự lặp lại số l-ợng biến động – microsatellite (90 Mb)

Các trình tự

đơn nhất (510 Mb)

Intron và các trình tự không đ-ợc phiên mã của gen

Các phân đoạn không hoàn chỉnh của gen

Gen giả

Tổ chức hệ gen ng-ời Hệ gen ng-ời

gồm nhiều loại trình tự ADN khác nhau,

trong đó phần lớn không mã hóa protein

Trang 9

Trang 10

SỰ NHÂN ĐễI VÀ PHÂN LY CỦA NHIỄM SẮC THỂ

• Tõm động , đầu mỳt và điểm khởi đầu sao chộp cần thiết để duy trỡ cỏc NST trong quỏ trỡnh phõn bào ở eukaryote

a) NST có một tâm động

b) NST không có tâm động

c) NST có hai tâm động

Mỗi nhiễm sắc tử phân ly về một tế bào con

Sự phân ly ngẫu nhiên của nhiễm sắc thể

Sự đứt gãy NST xảy ra do có nhiều hơn một tâm động

Vai trò của tâm động trong sự phân ly NST (NST) về các tế bào con trong quá trỡnh phân bào a) Mỗi

NST trong cặp tơng đồng có một tâm động phân ly về một tế bào con trong quá trỡnh phân bào; b) Sự phân

ly ngẫu nhiên của NST không có tâm động dẫn đến mất NST; c) Có nhiều tâm động dẫn đến sự đứt gãy của

NST sau quá trỡnh phân bào

Trang 11

• Tõm động, đầu mỳt và điểm khởi đầu sao chộp cần thiết để duy trỡ cỏc NST trong quỏ trỡnh phõn bào ở eukaryote

Cấu trúc đầu mút nhiễm sắc thể điển hỡnh ở eukaryote a) Cấu trúc

“thòng lọng” ở đầu mút NST với đầu 3’ của mạch đơn có thể dài hàng trăm

nucleotide b) trỡnh tự đơn vị lặp lại ở đầu mút NST ở ngời là 5’- [TTAGGG]n

Trang 12

Các sự kiện chính xảy ra trong pha S và pha M a) Pha S: Đầu tiên, phân tử

ADN sợi kép nhân đôi; ngay sau đó, protein yếu tố gắn cohesin có cấu trúc dạng vòng quấn quanh hai phân tử ADN vừa đợc nhân đôi hỡnh thành nên phức

hệ gồm hai nhiễm sắc tử chị em b) Pha M: Thể động gắn vào thoi vô

sắc; sau đó là sự giải kết dính của cohesin và sự phân ly các nhiễm sắc tử về hai cực tế bào

a) Các sự kiện chính xảy ra trong pha S

b) Các sự kiện chính xảy ra trong pha M

Cohesin Thể động Thoi phân bào

Trung tâm tổ chức vi ống (trung tử)

Sự khởi đầu sao chép ADN

Sao chép kéo dài và hỡnh thành cohesin

Nhiễm sắc tử chị em Cohesin

Phân giải cohesin

2 mạch đơn ADN Phân tử ADN

sợi kép

Trang 13

• Mụ hỡnh dự đoỏn về về vai trũ của cỏc cohesin và codensin (gọi chung là protein duy trỡ cấu trỳc chất nhiễm sắc - SMC)

Mô hỡnh về vai trò của cohesin và codensin trong quá trỡnh phân bào Cohesin và codensin là thành phần của

bộ khung tế bào Mô hỡnh này cho rằng chúng có cấu trúc vòng Nhờ vậy, cohesin và codensin có thể liên kết chặt nhng vẫn linh hoạt đồng thời với các vùng khác nhau của NST

Cohesin

Codensin Chất nhiễm sắc

Trang 14

CẤU TRÚC VÀ VAI TRÒ CỦA NUCLEOSOME (THỂ NHÂN)

CÁC BẬC CẤU TRÚC CỦA CHẤT NHIỄM SẮC

Trang 15

CẤU TRÚC VÀ VAI TRề CỦA NUCLEOSOME (THỂ NHÂN)

• Nucleosome: cấu trỳc cơ bản của NST eukaryote

Mật độ nucleosome và chiều dài trung bỡnh các đoạn

ADN nối ở một số loài sinh vật

Sơ đồ tổ chức nucleosome (thể nhõn)

Lõi Histon

Nucleosome

ADN lõi (147 bp)

H4 H3

Vào

Sự đối xứng của nucleosome

Trang 16

CẤU TRÚC VÀ VAI TRề CỦA NUCLEOSOME (THỂ NHÂN)

Các đuôi histone (đầu N) ở các vị trí đặc biệt của

nucleosome Đuôi histone H3 và H2B nổi lên từ giữ a hai

đoạn chuỗi xoắn kép ADN quấn quanh nucleosome Ngợc

lại, các đuôi H4 và H2A nổi lên ở cả mặt trên và dới của

phần ADN xoắn kép quấn quanh nucleosome Các đuôi

này làm ADN quấn quanh nucleosome theo một trật tự nhất

định

• Cấu trỳc phõn tử của nucleosome

Cấu trúc và sự tạo phức kép của histone lõi a) Sơ

đồ duỗi thẳng của bốn histone lõi Vùng xoắn  đợc

Trang 17

• Histon tương tác với ADN ở nhiều tiếp điểm không phụ thuộc vào trình tự các axit amin và nucleotide

 Tương tác giữa các histone với ADN ở nucleosome qua

~14 tiếp điểm khác nhau Ở mỗi tiếp điểm, khe phụ của ADN ở vị trí trực diện với octamer Trong đó, số liên kết hydro hình thành giữa ADN với histone ở mỗi tiếp điểm là khá lớn (~140) Phần lớn các liên kết hydro này hình thành giữa các nguyên tử H của các histone với các nguyên tử O trong liên kết phosphodieste của khung đường-phosphate.

Trang 18

• Đuôi N của histon có vai trò “cố

định” ADN quanh octamer

 Nếu coi octamer như mặt đồng hồ, các

đuôi của H2B nổi lên ở giữa 2 vòng xoắn

ADN tại các vị trí tương ứng với khoảng

4 giờ và 8 giờ; còn H3 tại các vị trí 1 giờ

và 11 giờ Các đuôi N của các histone

H2A và H4 nổi lên ở hai mặt trên và dưới

của “đĩa” octamer; H4 ở vị trí 3 giờ và 9

giờ, còn H2A ở các vị trí 5 giờ và 7 giờ

Bằng việc nổi lên ở cả giữa và trên hai

mặt của octamer, các đuôi histone tạo

nên cấu trúc giống như “ren”, lái phân tử

ADN quấn quanh octamer theo chiều

H3 H3

H4

H2B

H2A

H2B

Trang 19

Trang 20

Cấu trúc hóa học của ADN

Liên kết hydro

Bazơ nitơ

Khung đường phosphate

Rãnh phụ

este

C và N trong

Trang 21

• Histon H1 gắn với đoạn ADN nối

 H1 là protein nhỏ, tớch điện dương,

liờn kết với vựng ADN nối tại hai vị trớ

của chuỗi xoắn kộp ADN cựng quấn

quanh một nucleosome Một vị trớ ở

đầu ra/vào của nucleosome, cũn vị trớ

kia nằm giữa đoạn trỡnh tự trung tõm

gồm 147 bp của ADN lừi Sự gắn kết

của H1 tạo cho phần ADN đi vào và ra

H1

Nucleosome sau khi H1 liên kết

Histone H1 cố định chuỗi xoắn ADN với nucleosome H1 có hai

vị trí liên kết ADN: một ở đầu ra/vào nucleosome, một ở vùng trung tâm nucleosome

Trang 22

• Sợi nhiễm sắc đường kớnh 30 nm

Hai mô hỡnh sợi nhiễm sắc 30 nm a) Mô hỡnh solenoid Điều đáng lu ý là ADN nối

không di qua trục trung tâm và không tiếp cận đợc với các phía, các điểm vào và ra

khỏi nucleosome của ADN b) Mô hỡnh zigzag Trong mô hỡnh này, ADN nối phải đi

qua trục trung tâm và dễ tiếp cận hơn với các phía, các điểm vào và ra khỏi nucleosome của ADN

a) Mô hỡnh solenoid

b) Mô hỡnh zigzag

Lõi histon Nucleosome ADN ADN nối

ADN nối

Trang 23

• Cấu trỳc thũng lọng gồm nhiều nucleosome làm ADN tiếp tục kết đặc hơn

Cấu trúc bậc cao của sợi nhiễm sắc ADN đợc bao gói thành các thòng lọng từ sợi 30 nm gắn vào nền là bộ

khung nhân ADN hoạt động có cấu trúc sợi 10 nm hoặc thậm chí là ADN trần

Sợi 30 nm Sợi 10 nm

ADN trần

Cấu trúc thòng lọng

Khung nhân (khung xơng nhiễm sắc thể)

Sợi nhiễm sắc

Trang 24

Trang 25

• Sự biến đổi đuôi N của histone

làm thay đổi chức năng chất

nhiễm sắc:

 Acetyl hoá (vd: trung hòa điện tích

dương của Lys) và phosphoryl hoá

(tăng điện tích âm) đều làm giảm điện

tích dương tổng cộng của đuôi

histone  tăng biểu hiện gen

 Khác với acetyl hóa, sự methyl hoá

những phần khác nhau của đuôi N có

thể dẫn đến các hiệu ứng khác nhau,

hoặc tăng cường hoặc ức chế phiên

mã tùy vào axit amin nào được

methyl hóa

Trang 26

ĐIỀU HềA BIỂU HIỆN GEN QUA CẤU TRÚC CHẤT NHIỄM SẮC

• Sự biến đổi đuụi N của histone làm thay đổi chức năng chất nhiễm sắc:

Hiệu ứng của sự sửa đổi đuôi histone a) ảnh hởng đến sự liên kết ADN: đuôi histone không bị sửa đổi và bị methyl hoá

gắn kết ADN với nucleosome chặt hơn đuôi histone bị acetyl hoá b) ảnh hởng đến sự liên kết của protein: Sự sửa đổi đuôi

histone tạo ra các vị trí liên kết mới cho enzym cải biến chất nhiễm sắc

methyl hóa

Nucleosome acetyl hóa

Protein mang miền bromo

Protein mang miền chromo a)

b)

Trang 27

methyl hãa ADN

Sao chÐp ADN Cytosine (C) kh«ng

®-îc methyl hãa

Enzym duy tr×

methylase kh«ng nhËn ra C nµy

Enzym duy tr×

methylase

Trang 28

Trang 29

 Sự nhân đôi NST không chỉ đòi hỏi

sự sao chép ADN, mà còn đòi hỏi

sự nhân đôi và lắp ráp trở lại của các loại protein cấu trúc nên NST, gồm cả các protein histone và phi- histone

 Bước đầu tiên trong lắp ráp nucleosome là sự liên kết vào ADN của một “tứ phức H3-H4”, sau đó là

“phức kép H2A-H2B” sẽ kết hợp vào để hình thành nucleosome mới

Có lẽ H1 sẽ gắn vào phức hệ nucleosome cuối cùng

Trang 30

Histone cũ Histone míi

Bộ máy sao chép ADN

Trang 31

Trong tế bào, ADN được tổ chức ở mức độ cao hơn là NST Đó là phức hệ của ADN với protein Vì vậy, tuy ADN là vật chất di truyền, nhưng một nửa khối lượng NST thường là protein

NST có nhiều dạng cấu hình khác nhau, nhưng mỗi tế bào chỉ có số lượng và các dạng cấu hình NST đặc trưng của nó

Mọi NST đều cần một số cấu trúc giúp nó duy trì qua phân bào Tất cả các NST đều cần ít nhất một điểm khởi đầu sao chép Ở eukaryote (người), tâm động giúp NST phân ly chính xác về các tế bào con; trong khi, đầu mút NST giúp “bảo vệ” các gen nằm sâu trong mỗi phân tử ADN

Đơn vị cấu trúc chất nhiễm sắc cơ bản là nucleosome Mỗi nucleosome gồm 2 phân tử của 4 loại histone là H2A, H2B, H3 và H4, quấn quanh bởi một đoạn dsADN dài 147 bp Các nucleosome có vai trò giúp “đóng gói” ADN gọn trong nhân tế bào và tham gia điều hòa biểu hiện của các gen Chức năng sau được thực hiện qua các cơ chế cải biến nucleosome và biến đổi đầu N của các protein, chẳng hạn thông qua sự methyl hóa , acetyl hóa và phosphoryl hóa

Sự tương tác giữa các histone với ADN là linh hoạt nhờ đặc điểm của các liên kết yếu Điều này cho phép các yếu tố điều hòa phiên mã, bộ máy phiên mã, các bộ máy sao chép và sửa chữa có thể tiếp cận ADN để thực hiện các chức năng sinh học của chúng; sự biến đối hóa học của ADN và histone có thể được duy trì qua phân bào (nguyên phân) trực tiếp điều hòa sự biểu hiện các

Tiêu đề	Di Truyền Học Nhiễm Sắc Thể & Cơ Sở Di Truyền Học Biểu Sinh (Epigenetics)
Tác giả	Đinh Đoàn Long

Định dạng
Số trang	32
Dung lượng	1,18 MB