CẤU TRÚC GEN VÀ BIỂU HIỆN GEN

a. Operon: Ở vi khuẩn, các gene thường được sắp xếp trong một operon và được phiên mã thành một phân tử mRNA đa cistron. Ở eukaryote, các gene tồn tại riêng biệt dưới dạng đơn cistron b. Vùng điều khiển của operon (5 untranslated region = 5 UTR) • Gen khởi động (Promoter, P): trình tự nhận biết và gắn của enzym RNA polymerase trong quá trình chuyển mã. Ở prokaryote thứ tự promoter như sau: core promoter (từ 35 đến 10)  hộp TATA (7 đến 3 )  điểm bắt đầu chuyển mã tổng hợp mRNA (vị trí +1) • Gen tác động (Operator, O): trình tự mã hóa các phân tử protein hoặc enzym kiểm soát hoạt động của gen cấu trúc, xúc tác các hoạt động chuyển mã hoặc không chuyển mã của gen cấu trúc. • Gen điều hòa (Regulator, R): trình tự nucleotid mã hóa các protein hay enzym hoạt hóa hoặc ức chế hoạt động của gen. c. Vùng mang thông tin di truyền (khung đọc mở (ORF) )

CẤU TRÚC GEN VÀ BIỂU HIỆN GEN 1 Cấu trúc gen của prokaryote a Operon: Ở vi khuẩn, các gene thường được sắp xếp trong một operon và được phiên mã thành một phân tử mRNA đa cistron Ở eukaryote, các gene tồn tại riêng biệt dưới dạng đơn cistron b Vùng điều khiển của operon (5' untranslated region = 5' UTR)  Gen khởi động (Promoter, P): trình tự nhận biết và gắn của enzym RNA polymerase trong quá trình chuyển mã Ở prokaryote thứ tự promoter như sau: core promoter (từ -35 đến -10)  hộp TA-TA (-7 đến -3 )  điểm bắt đầu chuyển mã tổng hợp mRNA (vị trí +1)  Gen tác động (Operator, O): trình tự mã hóa các phân tử protein hoặc enzym kiểm soát hoạt động của gen cấu trúc, xúc tác các hoạt động chuyển mã hoặc không chuyển mã của gen cấu trúc  Gen điều hòa (Regulator, R): trình tự nucleotid mã hóa các protein hay enzym hoạt hóa hoặc ức chế hoạt động của gen c Vùng mang thông tin di truyền (khung đọc mở (ORF) ) Chứa nhiều cistron (tương đương với gen cấu trúc hay gen mã hóa protein) mang thông tin cấu trúc của một polypeptide cụ thể, cách nhau bởi các đoạn đệm (spacer) Kích thước trung bình của một cistron là 1.200 cặp base d Vùng kết thúc (vùng không được dịch mã 3' (3' UTR) Các trình tự giúp enzym RNA polymerase nhận biết dấu hiệu ngừng chuyển mã và các trình tự kết thúc một gen để phân biệt gen này với gen khác 2 Cấu trúc gen của eukaryote a Promoter:có nhóm promoter tương ứng với 3 loại enzym RNA polymerase I, II và III b Vùng mang mã di truyền (khung đọc mở) Chứa các intron (intervening sequences), tức các đoạn không mã hóa protein, nằm xen giữa các exon (expressed sequences), các đoạn mã hóa protein Các gene như vậy được gọi là gene phân đoạn (split gene) hay gene đứt quãng (interrupted gene) Vì lẽ đó, cistron đôi khi được xem là tương đương với exon của gene eukaryote, và gene phân đoạn được xem như là một chuỗi các cistron gối nhau Cả hai vùng UTR 5' và 3' cũng như khung đọc mở có thể bị gián đoạn bởi các đoạn không mã hóa (tức các intron) mà chúng sẽ được cắt bỏ trước khi xuất mRNA trưởng thành ra khỏi nhân Như thế, bất kỳ đoạn nào mà rốt cuộc bị loại bỏ khỏi pre-RNA thì được gọi là các đoạn đệm được phiên mã (transcribed spacer) SỰ BIỂU HIỆN GEN 1 Luận thuyết trung tâm (central dogma): Chuyển mã (sao chép) Giải mã (phiên mã) DNA  RNA  Protein Nhân đôi 2 Gen ở DNA được biểu hiện dưới dạng protein  Tất cả các tế bào trong cơ thể đều mang thông tin di truyền, nhưng chỉ biểu hiện khoảng 20% các gen tại một thời điểm nào đó  Các protein khác nhau thì được biểu hiện ở những tế bào khác nhau, tùy theo chức năng của tế bào  Sự biểu hiện gen được kiểm soát và điều hòa một cách chặt chẽ TỔNG HỢP DNA 1 Quá trình sao chép DNA ở prokaryote a Giai đoạn tháo xoắn, tách mạch đơn và duỗi DNA Để bắt đầu sao chép, phân tử DNA tháo xoắn nhờ enzyme tên là topoisomerase Có hai loại topoisomerase:  Topoisomerase loại 1: tháo dạng siêu xoắn, cắt một trong hai mạch của DNA Protein epsilon cua E.coli thuộc loại nay  Topoisomerase loại 2: có khả năng tháo các nút nảy sinh do các biến đổi cấu trúc của chuỗi xoắn kép Cắt cả hai mạch của phân tử DNA Enzyme gyrase của Ecoli thuộc loại này Sự sao chép bắt đầu từ một điểm gọi là điểm khởi đầu sao chép và lan ra hai hướng cho đến hai chĩa ba sao chép của DNA vòng đụng nhau ở một điểm đối diện với điểm khởi đầu sao chép Đơn vị sao chép nghĩa là vùng DNA được sao chép từ một điểm khởi đầu gọi là replicon Mỗi nhiễm sắc thể vi khuẩn là 1 replicon Hai mạch đơn của DNA được tách rời nhờ những enzyme gọi là DNA helicase (hay còn gọi là deroulase) phá vỡ các liên kết giữa các base Nhiều loại helicase hoạt động cùng một lượt: một số gắn trên mạch 3’ 5’ (protein Rep), số khác trên mạch 5’3’ (helicase II, III) Các mạch tách rời sẽ được ổn định dưới dạng mạch đơn nhờ các protein SSB (single strand binding) b Giai đoạn tạo RNA mồi nhờ primase Các DNA polymerase chỉ có thể tổng hợp DNA bằng cách nối dài một mồi đã bắt cặp sẵn trên khuôn Mồi này là một RNA nhỏ được tổng hợp bởi một phức hợp protein gọi là primosone bao gồm: nhiều protein và một enzyme tổng hợp RNA từ khuôn DNA là primase c Tổng hợp các mạch mới Enzyme DNA polymerase III tổng hợp mạch bổ sung từ đầu 3’OH tự do của mồi RNA Mạch khuôn được sử dụng đến đâu thì các protein SSB được giải phóng khỏi khuôn đến đó Trên mạch khuôn 3’5’ sự sinh tổng hợp mạch mới diễn ra theo chiều 5’3’ cùng hướng với hướng tháo xoắn mạch mới được tổng hợp liên tục gọi là sợi dẫn Trên mạch khuôn 5’3’ sự sinh tổng hợp cũng diễn ra theo hướng 5’3’ nhưng ngược với hướng tháo xoắn Sự tổng hợp mạch mới không xảy ra liên tục mà dưới dạng các đoạn ngắn gọi là đoạn Okazaki (kích thước 1000-2000 cặp base) Men DNA polymerase II sẽ hoàn tất các đoạn Okazaki Mạch mối tổng hợp gọi là sợi muộn Chĩa ba sao chép là các cấu trúc hình thành từ các mạch trên d Loại bỏ RNA mồi Khi sự sao chép kết thúc, các mồi RNA bị enzyme RNase H phân hủy Các lổ hỗng để lại do tác động của enzyme này trên mạch mới tổng hợp sẽ được lấp đầy nhờ hoạt động của enzyme DNA polymerase I e Nối những đoạn DNA mới Enzyme ligase sẽ nối tất cả những chỗ gián đoạn trên các mạch mới tổng hợp f Sữa chữa các sai sót Trong quá trình tổng hợp DNA polymerase III có tỷ lệ nhầm là 10-4 trong khi tỷ lệ nhầm trên các mạch mới là 10-8 Sai khác này là do các DNA có khả năng sửa sai dựa trên hoạt tính polymerase (tổng hợp) và hoạt tính 3’exonnuclease (phân hủy polymerase từ đầu 3’) Nhờ hoạt tính exonnuclease chúng loại bỏ ngay nucleoti bị gắn nhầm và thay bằng nucleotit phù hợp 2 Quá trình sao chép DNA ở eukaryote Sự sao sao chép được tiến hành đồng thời tại nhiều điểm và phát triển theo hai hướng cho đến khi các chĩa ba sao chép kế cận tiếp xúc nhau Ở người có từ 20-30000 điểm sao chép Ở người mỗi replicon có từ 100-200 kb Các loại DNA polymerase tham gia vào tổng DNA là:  Polymerase alpha/primase: tổng hợp mồi cho sợi sau  Polymerase beta: sửa sai và hoàn chỉnh mạch mới sau khi loại bỏ mồi  Polymerase gamma: enzyme trong ty thể không có trong nhân  Polymerase theta: kéo dài sợi dẫn và sợi sau  Polymerase epsilon: tạo sợi dẫn TỔNG HỢP ARN 1 Sự tổng hợp ARN ở procaryote a Giai đoạn bám và khởi đầu: Sau khi RNA polymerase holoenzyme nhận biết và bám chặt vào promoter, làm tháo xoắn một đoạn chừng 12 cặp base tại đây Sau khi tổng hợp được một vài nucleotide, nhân tố sigma tách ra để đi vào một chu kỳ phiên mã khác, gọi là chu kỳ sigma (sigma cycle) RNA polymerase hoàn chỉnh (holoenzyme): là một phức hợp gồm nhân tố sigma (σ)) và lõi enzyme (a2bb’s.)  Nhân tố sigma (sigma factor) giúp cho RNA polymerase nhận biết và bám chặt vào promoter để có thể bắt đầu phiên mã tại vị trí chính xác,  Lõi enzyme (core polymeras) a2bb’: đóng vai trò chính trong tổng hợp sợi RNA Promoter: Đoạn trình tự quan trọng nhất của promoter được gọi là hộp TATA (TATA box) hay hộp Pribnow (Pribnow box) Đối với vi khuẩn, đó là trình tự TATAAT (hoặc tương tự như thế) nằm ở vị trí "-10'' (Cần lưu ý là, tất cả các đoạn tín hiệu đều được quy ước trên sợi đối khuôn của gene, vì chúng có trình tự giống như RNA được tổng hợp, chỉ khác là U thay cho T; các ký hiệu '−' và '+' để chỉ các vị trí nằm trước và sau vị trí bắt đầu phiên mã, hay còn gọi là các yếu tố upstream và downstream) Ngoài ra, trong các promoter vi khuẩn còn có trình tự TTGACA ở gần vị trí ''-35'', gọi là đoạn nhận biết (recognition sequence) b Giai đoạn kéo dài: Enzyme lõi tiến hành kéo dài sợi RNA dọc theo sợi khuôn RNA polymerase lõi tiến đến đâu thì DNA được mở xoắn và phiên mã đến đấy; và vùng DNA đã được phiên mã đóng xoắn trở lại c Giai đoạn kết thúc: Khi quá trình phiên mã tổng hợp xong hai đoạn kết thúc giàu GC và AT nằm đằng sau gene thì tại vùng đuôi sợi RNA hình thành cấu trúc ''nút cài tóc'' làm dừng sự phiên mã của lõi RNA polymerase Sau đó, dưới tác dụng của nhân tố rho (ρ)) có bản chất protein, sợi RNA vừa được tổng hợp và enzyme lõi được giải phóng ra khỏi DNA khuôn 2 Sự tổng hợp RNA của eukaryote Có ba loại RNA polymerase I, II và III với sự phân bố và chức năng chuyên hóa khác nhau đối với bộ gene nhân, như sau: RNA polymerase I ở trong hạch nhân (nucleolus) phiên mã phức hợp gene rRNA cho sản phẩm gồm các rRNA 18S, 28S và 5,8S; RNA polymerase II có trong dịch nhân (nucleoplasm) phiên mã các gene mã hóa protein cho sản phẩm là các hnRNA/tiền mRNA và cả gene cho các kiểu snRNA (U1, U2, U4 và U5); RNA polymerase III có trong dịch nhân phiên mã các gene tRNA, rRNA 5S, và cả snRNA U6 Ngoài ra, RNA polymerase ty thể ở trong ty thể và chịu trách nhiệm tổng hợp tất cả các RNA của ty thể Promoter: Gene mã hóa protein của eukaryote, đó là trình tự TATAAA nằm gần vị trí "-30" và nó đặc trưng riêng cho các RNA polymerase II Nằm phía trước điểm bắt đầu phiên mã chừng 75 nucleotide có trình tự GGCCAAATCT, thường được gọi là hộp CCAAT (CCAAT box) - đọc là "hộp cat"; nó đóng vai trò điều hòa tốc độ phiên mã Chuyển đổi từ tiền mRNA thành RNA trưởng thành Gắn thêm "mũ" m7Gppp và "đuôi" poly(A) : Để trở thành phân tử mRNA trưởng thành trước khi đi ra tế bào chất làm khuôn cho dịch mã, tất cả các pre-mRNA của các gene mã hóa protein khác nhau ở tế bào eukaryote, đều được lắp thêm cái "chóp" 7- ethylguanosinetriphosphate (m7Gppp cap) vào đầu 5' và "đuôi" poly(A) vào đầu 3' Đối với các gene mã hóa protein có vùng mã hóa là liên tục (không bị gián đoạn bởi các exon) như các gene histone chẳng hạn, quá trình hoàn thiện mRNA dừng lại ở đây Loại này chiếm khoảng 10% Cần lưu ý rằng, ở đầu 3' của hầu hết các gene mã hóa protein eukaryote có chứa trình tự AATAAA đóng vai trò là tín hiệu cho việc gắn "đuôi" poly(A) vào đầu 3' của mRNA Sự phiên mã thông thường vẫn còn tiếp diễn sau khi đi qua vị trí polyadenyl hoá này Trình tự tương ứng ở vùng cuối 3' mRNA được phiên mã là AAUAAA báo hiệu cho endonuclease nhận biết và cắt chuỗi RNA tại một điểm xác định nằm sau nó khoảng 10-30 base Sau đó, một enzyme khác là poly(A)-polymerase sẽ lắp thêm vào đầu 3' của mRNA một dãy adenine dài khoảng 150-200 base gọi là đuôi poly -A Đuôi poly(A) có chức năng bảo vệ mRNA khỏi bị suy thoái và trong nhiều trường hợp nó còn kích thích sự dịch mã Sự cắt-nối đối với pre-mRNA của các gene phân đọan (split gene): Ví dụ, gene ovalbumin gồm bảy intron xen kẻ giữa tám exon có độ dài 7.700 cặp base đã được E.Chambon phân tích trình tự năm 1981 Sau khi enzyme splicing cắt bỏ các intron và nối tất cả các exon trong một quá trình gọi là xử lý RNA (RNA processing) thì mRNA trưởng thành có vùng mã hóa protein dài 1.872 base ĐỘT BIẾN GEN 1 Đột biến điểm trên gen a Đột biến dịch nhầm, nhầm nghĩa (missense mutation): Sự thay đổi trình tự acid amin của một protein có thể làm thay đổi cấu trúc protein, làm cho protein có thể gắn kém (hoặc gắn chặt) vào phân tử đích Ví dụ là bệnh hemoglobin b Đột biến chấm dứt chuỗi (nonsense mutation): Gồm hai loại:  Đột biến tạo mã kết thúc gọi là đột biến không dịch Sự giải mã mRNA dừng lại khi có mã kết thúc dẫn đến một trong hai hậu quả sau: o mRNA ngừng dịch sớm do không ổn định và sự dịch mã không thể xảy ra o mRNA đột biến ổn định, có thể giải mã tạo protein nhưng sản phẩm protein bị ngắn, không ổn định nhanh chóng thoái hoá nội bào  Đột biến phá huỷ mã kết thúc có sẵn khiến sự giải mã kéo dài đến mã kết thúc tiếp theo Đột biến này tạo nên một sản phẩm protein dài thừa acid amin c Đột biến im lặng (silent mutation): Không làm thay đổi trình tự acid amin 2 Đột biến đoạn DNA a Đột biến lệch khung (frameshift mutation): Chèn thêm hoặc mất base (không là bội số của 3) làm thay đổi trình tự mã di truyền Hậu quả: tạo ra một trình tự acid amin hoàn toàn khác, một phân tử acid amin hoàn toàn khác cho đến vị trí có mã ba bình thường b Một đoạn gen hay nguyên cả gen bị mất, đảo, nhân đôi hay chuyển đổi: thường phát hiện bằng Southern blot hay PCR để tìm điểm nối mới do chuyển đổi  Ví dụ mất đoạn DNA cỡ lớn ở gen mã hoá protein dystrophin ở NST X gây bệnh loạn dưỡng cơ Ducheme  Mất đoạn DNA cỡ lớn ở gen mã hoá protein neurofibromin gây bệnh u sợi thần kinh type 1  Mất đoạn DNA ở 1 trong 2 gen alpha-globin ở NST 16 gây bệnh alpha-thalassemia c Mất đoạn lớn (> 2-4 triệu cặp base): có thể phát hiện bằng di truyền tế bào d Chuyển đoạn giữa các nhiễm sắc thể: phát hiện bằng kỹ thuật nhuộm màu quỳnh quang phân biệt các NST e Tăng số lượng bộ ba nucleotit lặp lại: gây rối loạn biểu hiện gen  Ví dụ bệnh Huntington do tăng số lượng bộ 3 nucleotit lặp lại ở vùng có mã hoá  Hội chứng X dễ gãy do tăng số lượng bộ 3 nucleotit lặp lại ở vùng có chuyển mã nhưng không có dịch mã gây rối loạn chuyển mã, rối loạn xử lý mRNA hoặc rối loạn dịch mã CÁC BẬC CẤU TRÚC CỦA PROTEIN 1 Đơn vị cấu trúc của protein Các amino acid Có 20 loại amino acid cấu tạo nên protein Cấu tạo của các amino acid: một nguyên tử carbon alpha (Cα),một n),một nhóm amin (-NH2), một nhóm carboxyl (-COOH), một nguyên tử hydro (-H) và một gốc R hay chuỗi bên đặc trưng cho từng loại amino acid Hai amino acid nối với nhau bằng một liên kết peptide (−C−N−) giữa nhóm carboxyl của amino acid này với nhóm amin của amino acid kế tiếp và loại trừ một phân tử nước; cứ như thế các amino acid kết nối với nhau tạo thành một chuỗi gồm nhiều amino acid, thường được gọi là polypeptide 2 Phân loại cấu trúc protein a Cấu trúc bậc 1: Trật tự sắp xếp thẳng hàng của các amino acid tạo thành cấu trúc bậc I (primary structure) của protein b Cấu trúc bậc II (secondary structure): Cách thức các amino acid này tương tác với các amino acid lân cận bằng các mối liên kết hydro hình thành nên cấu trúc bậc II (secondary structure) của protein Hai dạng phổ biến của cấu trúc bậc II là: chuỗi xoắn alpha (α),một n-helix) và tấm beta (β-pleated sheet) Các dạng motif của cấu trúc bậc 2 1 Biến đổi cấu trúc có sự giúp đỡ của phân tử chaperone 2 Cấu trúc protein bị gấp hỏng sẽ được chuyển sang proteasome để cắt nhỏ 3 Các bệnh liên quan đến gấp sai protein mà không được cắt bỏ a Amyotrophic lateral sclerosis gia đình (Xơ cứng cột bên teo cơ): do SOD1 (Superoxide dismutase 1) gắn Cu và Zn, phân hủy các gốc superoxide tự do Đột biến (>100) gây bệnh Amyotrophic lateral sclerosis gia đình (Xơ cứng cột bên teo cơ) b Bệnh alzheimer: Tích tụ các protein liên quan mật thiết với nhau được gọi là Abeta peptit, tạo thành những mảng Amyloid bất thường và các nhóm mô xơ sợi thần kinh cuộn rối bao xung quanh TB thần kinh, làm chết tế bào não và hậu quả là mất khả năng tái tạo các tế bào thần kinh Mảng β amyloid: Amyloid precursor protein (APP) là tiền chất của các mảng bám dạng bột  APP xuyên màng TB thần kinh  Enzyme cắt APP thành các đoạn, có đoạn gọi là β Amyloid  Các đoạn β Amyloid có khuynh hướng tạo thành cụm gọi là mảng Tau protein: Giữ hệ thống vi ống bền vững Trong AD, Tau protein bị thay đổi, tích tụ lại với nhau tạo thành các cuộn rối xơ sợi thần kinh