Tiểu luận học phần di truyền học 1 chủ Đề cơ chế sửa sai dna

CƠ CHẾ SỬA SAI DNATrong các quá trình hoạt động sinh lí bên trong cơ thể sinh vật dễ gặp DNAthường bị sai hỏng hay dễ bị tổn thương do sự kết cặp sai trong quá trình nhân đôi,hay do các

TIỂU LUẬN HỌC PHẦN

DI TRUYỀN HỌC 1 CHỦ ĐỀ: CƠ CHẾ SỬA SAI DNA

Họ và tên:

Nguyễn Ngọc Thư - 48.01.301.027 Thái Như Ý- 47.01.301.104

Mã lớp học phần: BIOL170201 GVHD: ThS Đỗ Thành Trí

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan tiểu luận này là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Kết quả trình bày trong tiểu luận là trung thực và chưa được các tác giả công

bố trong bất kì công trình nào.

Các trích dẫn về bảng biểu, kết quả nghiên cứu của những tác giả khác; tài liệu tham khảo trong tiểu luận đều có nguồn gốc rõ ràng và theo đúng quy định.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2024

TÁC GIẢ TIỂU LUẬN

Nguyễn Ngọc ThưThái Như Ý

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

1 Các tác nhân gây nên sai hỏng DNA 5

1.1 Các tác nhân vật lý 5

1.2 Các tác nhân hóa học 5

1.3 Một số tác nhân khác 5

2 Phân loại các cơ chế sửa chửa sai hỏng 6

2.1 Các cơ chế phục hồi trực tiếp 6

2.1.1 Cơ chế sửa chữa ghép đôi sai nhờ chức năng đọc sửa của DNA polymerase 6

2.1.2 Sửa chữa phức kép pyrimidine bằng cơ chế quang phục hoạt 7

2.1.3 Sửa chữa sai hỏng DNA gây ra do alkyl hoá 10

2.2 Các cơ chế sửa chữa bằng cắt bỏ 11

2.2.1 Sửa chửa bằng cắt bỏ base nito (BER) 12

2.2.2 Sửa chữa bằng cắt bỏ nucleotide (NER) 13

2.3 Các cơ chế sửa chữa khác 16

2.3.1 Cơ chế sửa chữa kết cặp sai nhờ mạch DNA khuôn được methyl hoá (MMR) 16

2.3.2 Sự tổng hợp DNA bỏ qua sai hỏng và cơ chế sửa chữa SOS 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Hoạt tính đọc sửa của DNA polymerase (Phỏng theo C M Joyce and

T T Steitz, 1995, J Bacteriol 177:6321, and S Bell and T Baker, 1998, Cell

92:295.) 6

Hình 2 Sự hình thành phức kép thymine dưới tác dụng của tia UV 8

Hình 3 Sơ đồ biểu diễn sự truyền electron trong quá trình quang hoạt hóa (Theo Agnieszka Katarzyna Banaś và cộng sự, 2020) 9

Hình 4 Sửa chữa phức kép pyrimidine bằng cơ chế quang phục hoạt 10

Hình 5 Sửa sai bằng cách làm mất nhóm alkyl (Theo Binod G C, 2023) 11

Hình 6 Sửa sai bằng cách cắt bỏ base sai hỏng 12

Hình 7 Sơ đồ minh hoạ mô hình sửa chữa DNA bằng cắt bỏ nucleotide (NER) ở E Coli (Theo Đinh Đoàn Long và cộng sự, 2008) 14

Hình 8 Sơ đồ mô tả cơ chế sửa chữa MMR (Theo Kevin Ahern) 16

Hình 9 Cơ chế SOS sửa chữa DNA sai hỏng (Theo Steve Ricke, 2022) 18

CƠ CHẾ SỬA SAI DNA

Trong các quá trình hoạt động sinh lí bên trong cơ thể sinh vật dễ gặp DNAthường bị sai hỏng hay dễ bị tổn thương do sự kết cặp sai trong quá trình nhân đôi,hay do các tác nhân vật lý bên ngoài,… Và cơ thể sinh vật luôn tồn tại các cơ chế đểsửa chữa các sai hỏng đó của DNA Cơ chế sửa sai DNA là một quá trình quantrọng trong tế bào, giúp bảo vệ thông tin di truyền khỏi bị đột biến hay bảo vệ tế bàokhỏi bị chết khi DNA xảy ra sai hỏng

1 Các tác nhân gây nên sai hỏng DNA

1.2 Các tác nhân hóa học

Tạo sai hỏng khi sao chép: các chất đồng đẳng của base (5-bromouracine, aminopurine, ) gây nên sự ghép cặp sai trong quá trình sao chép Các chất màuacridine có thể gắn vào giữa các base của mạch xoắn kép làm mất hay thêm vào mộtbase

2-Tác động trực tiếp lên gene khi không có các sao chép có thể gây ra đột biếnđiểm hay các biến đổi gen A=TGC hoặc GCA=T như: các chất alkyl hóa(MMS, EMS, ), các hợp chất hydroxyl hóa (NH2OH, ), acid nito (HNO2) gây độtbiến mạnh tác động lên phân tử DNA bất kể phân tử này đang sao chép hay không

1.3 Một số tác nhân khác

Sự sai hỏng về cấu trúc DNA do có sự xuất hiện của sự hỗ biến hóa học làm

thay đổi khả năng kết cặp giữa các base nito trong quá trình sao chép Khi các basenito tồn tại ở dạng hỗ biến hóa học hiếm gặp (enol và imino), thì các cặp base nitođược hình thành là A=C và GT Hậu quả của hiện tượng này là sau hai lần saochép, sẽ xảy ra sự thay thế cặp nucleotide A=T thành GC, hoặc GC thành A=T.

2 Phân loại các cơ chế sửa chửa sai hỏng

Dựa vào cơ chế hoạt động, người ta chia các cơ chế sửa chữa DNA thành 3nhóm chính: các cơ chế phục hồi trực tiếp, các cơ chế sửa chữa bằng cắt bỏ và một

số cơ chế khác

2.1 Các cơ chế phục hồi trực tiếp

2.1.1 Cơ chế sửa chữa ghép đôi sai nhờ chức năng đọc sửa của DNA

polymerase

Cơ chế đọc sửa đối với các base bắt cặp sai (proofreading for base – pairmatching) được thực hiện trong sao chép DNA nhờ hoạt tính exonuclease 3’5’được tích hợp trong hầu hết enzyme DNA polymerase ở prokaryote cũng nhưeukaryote Tất cả DNA polymerase có cấu trúc lập thể tương tự nhau, giống với bàntay phải mở một nửa “Các ngón tay” gắn với phân đoạn sợi đơn của mạch khuôn,

và hoạt tính xúc tác của polymerase (Pol) nằm trong chỗ nối giữa các ngón tay vàlòng bàn tay Nếu nucleotide chính xác gắn vào đầu 3’ của mạch đang tổng hợp thì

nó sẽ nằm trong vị trí polymerase Nếu base gắn sai vào đầu 3’ làm biến tính đầumới hình thành của phức hệ Kết quả là polymerase tạm dừng lại và đầu 3’ củamạch đang tổng hợp chuyển tới vị trí 3’5’ exonuclease (Exo) cách khoảng 3nm,nơi base bắt cặp sai và các base này bị loại bỏ Sau đó đầu 3’ quay ngược lại vị trípolymerase để tiếp tục kéo dài

Hình 1 Hoạt tính đọc sửa của DNA polymerase (Phỏng theo C M Joyce and

T T Steitz, 1995, J Bacteriol 177:6321, and S Bell and T Baker, 1998, Cell 92:295.)

Hoạt tính đọc sửa đối với các base bắt cặp sai là đặc tính của nhiều DNApolymerase đảm bảo cho sự mọc dài chính xác của mạch đang được tổng hợp Tuynhiên, trong trường hợp cần thiết, DNA polymerase có thể bỏ qua chỗ sai và chéptiếp nhờ cơ chế sao chép “úp sấp sai hỏng” Tầm quan trọng của hoạt tính đọc sửa

đi kèm với hoạt tính exonuclease 3’5’ của DNA polymerase được chứng minh bởi

các đột biến gây đột biến (mutator mutation) tìm thấy ở E coli Các chủng vi khuẩn

mang các đột biến này có tần số đột biến ở tất cả các gen cao hơn hẳn so với cácchủng đối chứng Những đột biến gây đột biến liên quan đến các gen mã hóa chocác protein thiết yếu tham gia sửa chữa DNA Chẳng hạn như, gen gây đột biến

mutD của E coli mã hóa cho tiểu phần  của enzyme DNA polymerase III ở E coli Đột biến mutD là mất hoạt tính đọc sửa chiều 3’5’ của DNA polymerase Do vậy,

nhiều nucleotide được lắp ráp sai mà không được sửa chữa, dẫn đến đột biến

2.1.2 Sửa chữa phức kép pyrimidine bằng cơ chế quang phục hoạt

Theo cơ chế quang phục hoạt (photoreactivation repair, hay sửa chữa DNAnhờ ánh sáng), các đột biến phức kép pyrimidine (phổ biến nhất là T::T) có thểđược phục hồi trực tiếp trở về dạng nguyên thủy, nếu chúng được đưa đến gần vùngánh sáng có bước sóng trong 320 – 370nm Lúc này, cơ chế quang phục hoạt hoạt

động nếu enzyme photolyase (do gen phr mã hóa) được hoạt hóa bởi photon ánh

sáng Sự hoạt động của hệ thống sửa chữa này làm “phá vỡ” liên kết cộng hóa trị

giữa các pyrimidine liền kề trên khung của phân tử DNA Các chủng vi khuẩn mang

đột biến ở gen phr thường đồng thời bị hỏng cơ chế sửa chữa quang phục hoạt.

Enzyme photolyase được tìm thấy ở vi khuẩn và một số eukaryote, nhưng khôngthấy có ở người và các động vật có vú khác

Quá trình quang phục hoạt bao gồm các bước cụ thể như sau:

Bước 1 Sự hình thành các đột biến phức kép pyrimidine

Dưới tác dụng của tia UV, hai base pyrimidine (thymine hoặc cytosine) liền kềnhau trên cùng một mạch DNA liên kết lại với nhau thông qua hình thành liên kếtđôi carbon – carbon Sự hình thành liên kết đôi carbon – carbon giữa các basepyrimidine tạo thành cấu trúc dimeric thường được gọi là dimer pyrimidinecyclobutane (CPD) hay phức kép pyrimidine

Hình 2 Sự hình thành phức kép thymine dưới tác dụng của tia UV

Bước 2 Enzyme photolyase đến gắn vào phức kép pyrimidine và phá vỡ liênkết cộng hóa trị giữa các pyrimidine liền kề trên cùng một mạch DNA

Enzyme photolyase có chứa 2 chromophore (chất bắt màu) là các cofactorFAD (flavin adenine dinucleotide) và MTHF (methylene tetra hydro folate)

Đầu tiên, MTHF hấp thụ ánh sáng có bước sóng trong 320 – 370nm, sau khihấp thụ năng lượng ánh sáng, MTHF bị kích thích Sự kích thích của các phân tử

năng lượng cao) FADH2 sẽ liên kết với phức kép pyrimidine Sau khi liên kết,FADH2 phá vỡ liên kết cộng hóa trị đôi giữa các base cyclobutane pyrimidine bằngquá trình truyền electron, chuyển đổi dạng dimeric của các base pyrimidine thànhdạng monomeric và lúc này FADH2 cũng chuyển về trạng thái ban đầu.

Hình 3 Sơ đồ biểu diễn sự truyền electron trong quá trình quang hoạt hóa

(Theo Agnieszka Katarzyna Banaś và cộng sự, 2020) Các photolyase đã biết có hai sắc tố: sắc tố ăng ten không liên kết cộng hóa trị (thường gặp nhất là MTHF) gần đầu N và flavine adenine dinucleotide (FAD) gần đầu C ( a ) FAD đóng vai trò là cofactor xúc tác trong quá trình quang hoạt hóa dưới dạng hydroquinone anion (FADH − ) ( b ) Các trạng thái FAD khác được biểu diễn ở dạng đơn giản hóa với nhóm gắn vào N-10 của phần flavin được đánh dấu bằng R Quá trình quang sửa chữa CPD được thể hiện

dưới dạng mô hình đại diện: ( c ) FADH − được kích thích trực tiếp khi hấp thụ photon blue/UV-A hoặc bằng cách truyền năng lượng từ sắc tố ăng ten

*MTHF bị kích thích ( d ) Electron được truyền từ *FADH − bị kích thích sang một dimer pyrimidine Trong bước này, gốc FADH • và gốc CPD • được tạo ra ( e ) Các liên kết giữa các pyrimidine liền kề trong một dimer bị phá vỡ Hai vòng riêng biệt được hình thành ( f ) Electron được chuyển trở lại gốc FADH • và cuối cùng các pyrimidine không bị hư hại và FADH − được phục hồi.

Bước 3 Giải phóng Photolyase

Sau khi phá vỡ liên kết cộng hóa trị đôi giữa các base thymine liền kề nhautrên cùng một mạch DNA, enzyme photolyase sẽ tách khỏi chuỗi DNA và phức képpyrimidine trên DNA lúc này đã được sửa chữa xong, trở về trạng thái ban đầu

Hình 4 Sửa chữa phức kép pyrimidine bằng cơ chế quang phục hoạt

2.1.3 Sửa chữa sai hỏng DNA gây ra do alkyl hoá

Các hợp chất alkyl hóa như MMS hay EMS, có khả năng chuyển nhóm alkylvào các base nito ở các vị trí khác nhau, ví dụ như nguyên tử O của C-6 ở guanine

Ở E coli, những sai hỏng DNA gây ra bởi sự alkyl hóa ở vị trí C-6 của guanine

bỏ trực tiếp nhóm methyl này, qua đó chuyển base nito này trở về dạng gốc của nó.Nhóm methyl bị loại bỏ khỏi guanine được chuyển đến nhóm SH của cysteine trênenzyme, gây bất hoạt enzyme này Vì mỗi phân tử enzyme chỉ có thể loại bỏ mộtnhóm methyl, nên mức độ methyl hóa cao có thể quá tải với khả năng sửa chữa của

tế bào và vẫn gây đột biến

Khác với protein điển hình, protein thụ thể bất hoạt không thuận nghịch khi

alkyl hóa Các MTase hiện diện ở E coli là sản phẩm của gen ada, được cảm ứng

khi có tác động của tác nhân alkyl hóa như N-methyl-N’-nitrosoguanidine Proteinnày, được biến đổi bởi nhóm alkyl tách từ phosphodiester, điều hòa dương các gentham gia sửa sai do alkyl hóa, gồm cả chính mình MTase đã được alkyl hóa gắnvào hộp (A3N3A3GCGCA) của gen ada phía trước của đoạn điều hòa  (regulon)

các promoter, hoạt hóa phiên mã Sự đề kháng tăng cao đối với các tác nhân alkylhóa được thực hiện bằng nâng cao nồng độ protein này trong tế bào

Một cơ chế tương tự cũng được tìm thấy để sửa chữa các thymine bị alkyl hóa.Những đột biến ở những gen mã hóa những enzyme sửa chữa DNA này thường làmtăng tần số đột biến tự phát

Hình 5 Sửa sai bằng cách làm mất nhóm alkyl (Theo Binod G C, 2023)

2.2 Các cơ chế sửa chữa bằng cắt bỏ

Cơ chế sửa chữa loại bỏ các base nito sai hỏng phổ biến nhất là cơ chế cắt bỏcác base nito và nucleotide sai hỏng, rồi thay vào đó các base nito và nucleotideđúng Do thành phần và cách thức hoạt động khác nhau, người ta chia thành các cơ

chế sửa chữa bằng cắt bỏ base nito và sửa chữa bằng cắt bỏ nucleotide.

2.2.1 Sửa chửa bằng cắt bỏ base nito (BER)

Cơ chế sửa chữa bằng cắt bỏ base nito xảy ra khi có sự xuất hiện của các basesai hỏng, dẫn đến việc bắt cặp sai trong phân tử DNA Chẳng hạn như, đột biến mấtnhóm amin ngẫu nhiên ở cytosine tạo thành uracil, dẫn đến đột biến đồng hoán thay

C bằng T Lúc này enzyme uracil-DNA glycosylase phát hiện uracil trên DNA làmột bất thường, chúng sẽ cắt bỏ và sửa sai Hiện nay có 6 loại DNA glycosylasegồm các enzyme nhận biết và cắt bỏ các base bị khử amin, các base có vòng liên kết

bị hở hay có liên kết đôi C=C bị đột biến thành liên kết đơn C-C,

Cơ chế sửa chữa bằng cách cắt bỏ base nito cụ thể như sau:

Bước 1 Enzyme DNA glycosylase nhận ra base sai hỏng và loại bỏ nó ra khỏiphân tử DNA bằng việc cắt bỏ liên kết glycoside giữa base và đường deoxyribosecủa nucleotide sai hỏng, tạo ra một vị trí thiếu base (kí hiệu là AP)

Bước 2 Khi vị trí thiếu base (AP) xuất hiện sẽ huy động enzyme APendonuclease đến cắt bỏ phần khung đường – phosphate ở trước và sau vị trí có cấutrúc khung đường thiếu base nito, giải phóng khung đường này và tạo ra một đoạnmạch DNA đơn “rỗng” trên phân tử DNA

Bước 3 Đoạn mạch DNA rỗng này sau sẽ được lấp đầy bằng các nucleotidekết cặp đúng nhờ hoạt động của enzyme DNA polymerase (dùng mạch DNA đốidiện làm khuôn) và DNA ligase sẽ nối đoạn mạch vừa được tổng hợp với đoạnmạch cũ trên cùng một mạch DNA

Hình 6 Sửa sai bằng cách cắt bỏ base sai hỏng

2.2.2 Sửa chữa bằng cắt bỏ nucleotide (NER)

Cơ chế sửa chữa bằng cắt bỏ nucleotide (NER) đã được nghiên cứu có sửachữa những sai hỏng của DNA như cơ chế quang phục hoạt (sai hỏng kiểu “phứckép thymine”), tuy nhiên cơ chế sữa chữa NER có thể hoạt động cả ngay khi trongbóng tối, không phụ thuộc vào ánh sáng như cơ chế quang phục hoạt

Cơ chế này không chỉ sửa chữa sai hỏng kiểu “phức kép thymine” mà còn chophép loại bỏ và sửa chữa bất kỳ sai hỏng nào của DNA (bắt cặp nucleotide sai nhưT-C, C-C, …) Cơ chế sửa sai NER hoạt động nhờ sự tham gia của nhiều enzyme đểkiểm soát DNA tìm ra sai hỏng

Ở E Coli, hệ thống NER hoạt động nhờ 4 protein UvrA, UvrB, UvrC, UvrD lần lượt được mã hoá từ các gen uvrA, uvrB, uvrC, uvrD Cơ chế sửa sai diễn ra qua

nhờ năng lượng từ phân huỷ ATP, UvrA tách khỏi phức hợp Uvr2A-B và DNA.UvrC sẽ đến gắn với UvrB làm thay đổi cấu trúc không gian của DNA.

Bước 3:

Sự gắn kết giữa UvrB và UvrC tại vị trí sai hỏng đã tiến hành cắt mạch đơnDNA như sau: UvrB cắt sợi DNA ở đầu 3’ (khoảng 4 nucleotide) và UvrC cắt ở đầu5’ (khoảng 8 nucleotide) Như vậy phức UvrABC cắt sợi đơn ở hai phía, tạo ra mộtđoạn khoảng 12 nucleotide Sau đó UvrB và UvrC rời khỏi phân tử DNA, UvrDliên kết vào chỗ đã cắt

Bước 4:

Đoạn DNA bị cắt bị loại ra khỏi cấu trúc DNA nhờ UvrD có hoạt tính helicase(UvrD giãn xoắn và giải phóng đoạn DNA bị cắt) Sau đó DNA pol I đến tổng hợp,lắp ráp các nucleotide đúng vào lấp đầy đoạn DNA rỗng theo đúng chiều 5’3’

Bước 5:

Enzyme DNA ligase đến nối liên kết phosphodieste giữa đoạn mới tổng hợpvới đoạn ban đầu Kết thúc quá trình sửa chữa DNA

Hình 7 Sơ đồ minh hoạ mô hình sửa chữa DNA bằng cắt bỏ nucleotide (NER)

ở E Coli (Theo Đinh Đoàn Long và cộng sự, 2008)

Hoạt động sửa chữa NER được tìm thấy ở hầu hết ở các loài sinh vật đã từngnghiên cứu Cơ chế sửa chữa NER ở Eukaryote tương tự như ở Prokaryote Đoạn

DNA bị cắt thường dài 30 nucleotide, hiếm khi đến 1500 nucleotide Còn ở E Coli,

đoạn bị cắt thường dao động từ 11 - 2000 nucleotide