Nguồn gốc, quá trình tiến hóa của DNA và hệ thống nhân đôi DNA (p-2) pps

Sự hiểu biết thêm của chúng ta về nguồn gốc và sự tiến hóa của DNA và bộ máy nhân đôi DNA chắc chắn sẽ thu được nhiều ích lợi từ việc giải trình tự các hệ gene mới,... Chúng ta sẽ kết th

Nguồn gốc, quá trình tiến hóa của DNA và hệ thống nhân đôi DNA (p-2)

Sự tiến hóa của các cơ chế đặc

thù liên quan đến sự nhân đôi

của DNA: Hai nghiên cứu điển hình

Sự hiểu biết thêm của chúng ta về nguồn gốc và sự tiến hóa của DNA

và bộ máy nhân đôi DNA chắc

chắn sẽ thu được nhiều ích lợi từ việc giải trình tự các hệ gene mới,

đặc biệt là từ protist và virus Tuy nhiên việc đào sâu hiểu biết của

chúng ta về "lô gic mang tính lịch sử" ẩn trong nhiều mặt khác nhau của chính quá trình nhân đôi cũng rất quan trọng Điều này đòi hỏi

nhiều số liệu thực nghiệm hơn trên một số lượng các sinh vật lớn hơn

để có được những tri thức mới từ sinh học phân tử so sánh Chúng ta

sẽ kết thúc chương này bằng việc thảo luận hai ví dụ minh họa cho nhận định này:

Ví dụ thứ nhất nói đến các tập hợp protein khác nhau thực hiện quá

trình tổng hợp và xử lý các đoạn Okazaki ở Prokaryote và

Eukaryote Ở Pro DNA

polymerase III trực tiếp sử dụng

RNA primer được tổng hợp từ

DnaG (một đơn phân) để tạo ra một đoạn Okazaki đầy đủ (1000 cặp

base) Một protein duy nhất, DNA Polymerase I có thể vừa phân hủy RNA primer bằng hoạt tính

exonuclease 5'->3' và lấp vào chỗ trống bằng hoạt tính polymerase

của nó Cơ chế tổng hợp và xử lý các đoạn Okazaki ở Eu dường như phức tạp hơn và ít "hợp logic",

thậm chí không muốn nói là kỳ

quái Đoạn RNA primer được tổng hợp bởi Eu primase trước hết được kéo dài trong tế bào bằng DNA

polymerase α để tạo ra một primer

hỗn hợp RNA-DNA (khoảng 30

cặp base) và được tổng hợp thành đoạn Okazaki đầy đủ (khoảng

100-150 cặp base) bằng DNA

polymerase δ Vai trò của DNA

polymerase α khá là khó hiểu vì

DNA polymerase δ có thể tổng hợp đoạn Okazaki đầy đủ chỉ từ RNA primer in vitro Hơn nữa DNA

polymerase α không có hoạt tính

sửa Nu 3'->5' exonuclease cần thiết cho việc copy DNA một cách chính xác Vì vậy quá trình xử lý đoạn

Okazaki ở Eu đòi hỏi đoạn RNA primer và cả đoạn DNA có khả

năng chứa lỗi do DNA polymerase

α tổng hợp phải bị loại bỏ Quá

trình này liên quan đến hoạt động

kế tiếp nhau của ba protein: RPA, Dna2 và FEN-1 DNA polymerase

δ trước tiên sẽ thế chỗ đoạn RNA primer và đoạn DNA do DNA

polymerase α tổng hợp Chuỗi

DNA đơn sau đó sẽ được bao bọc bởi RPA, có chức năng vừa ức chế quá trình thế chỗ của DNA

polymerase δ tiếp tục vừa kích

thích hoạt động của protein Dna2 Chuỗi Nu bị thế chỗ sau đó có thể

bị cắt bởi hoạt tính endonuclease của Dna2, chừa lại một đuôi chuỗi đơn ngắn và cuối chúng chuỗi này

sẽ bị phân hủy bởi

flap-endonuclease FEN-1 (Hình 7)

Điều thú vị là RPA, Dna2 và

FEN-1 được bảo tồn ở Archaea mặc dù thiếu vắng gene tương đồng DNA polymerase α trong hệ gene của

archaea Trong quan điểm truyền thống của tiến hóa (từ pro đơn giản đến eu phức tạp), hệ thống nhân

đôi của Eu là một phiên bản cỉa

tiến của hệ thống của archaea Ý

nghĩa của điều này là gì? Sự cải

tiến nào đã thu được từ việc có

thêm sự hiện diện của một DNA

polymerase không có khả năng sửa lỗi trong hệ thống? Có hay không khả năng là chính hệ thống nhân

đôi của archaea thực tế có nguồn

gốc từ Eu, và cơ chế xử lý đoạn

Okazaki ở Archaea là di tích của

một thời khi Pol α vẫn còn hiện

diện? Để trả lời câu hỏi này chúng

ta cần biết nhiều hơn về vai trò của Pol α và các nhân tố hoạt động

khác ở bộ máy nhân đôi của Eu và Archaea Nói chung hệ thống nhân đôi DNA của Archaea không chỉ là phiên bản đơn giản của hệ thống

Eu (với ít các protein thực hiện

cũng chức năng đó) nhưng cũng là một hệ thống hiệu quả hơn Ví dụ tốc độ polymer hóa ở Archaea và Pro là như nhau mặc dù kích thước chuỗi Okazaki là như nhau ở

Archaea và Eu (ngắn hơn nhiều so với ở Pro.)

Hình 7: Tổng hợp đoạn Okazaki ở

ba lãnh giới và ở T4 Ở vi khuẩn và

ở T4 chuỗi Okazaki được tổng hợp nhanh và có chiều dài lớn bởi một DNA polymerase duy nhất, sử dụng RNA primer Ở Eu đoạn Okazaki được tổng hợp chậm và có chiều

dài ngắn lần lượt bởi primase 2

tiểu phần, một DNA pol không có khả năng đọc lỗi và một DNA Pol

δ/ ε RNA primer là đường gạch

đậm, mũi tên đậm ám chỉ đoạn

DNA được tổng hợp bởi Pol alpha Các lỗi giả định quy cho Pol α

được chỉ định bằng các dấu sao Ở Archaea, phân tích trên máy tính gợi ý rằng một primase giống như

ở Eu tổng hợp RNA primer và

chuỗi DNA được kéo dài bằng

DNA Pol thuộc họ B (hoặc họ D) Các bằng chứng thực nghiệm nói lên rằng tốc độ tổng hợp DNA ở

Archea khá nhanh trong khi chiều dài đoạn Okazaki là như nhau ở

Archaea và Eukarya

Câu chuyện thứ hai nói về cấu trúc

của protein đeo kẹp ở Pro Chúng

ta đã thấy rằng, mặc dù protein kẹp

và protein đeo kẹp là các protein

tương đồng ở ba lãnh giới, chúng tương tác với các protein nhân đôi không tương đồng ở một phía ở Pro nhưng lại ở phía khác ở

Archaea/Eukarya (đặc biệt là với

DNA polymerase ở các họ khác

nhau) Ở E Coli protein tải kẹp

chứa các tiểu đơn vị gọi là t, γ, δ, δ', đều là protein tương đồng với

protein RFC ở Archaea/Eukarya

Cùng gene này (dnaX) mã hóa cho tiểu đơn vị γ và t Protein t (71

kDa) là một protein đầy đủ, trái lại

γ là một bản cắt ngắn (47 kDa) do chuyển dịch khung dịch mã kèm

theo một mã kết thúc Amino acid đầu C của phần dài hơn (24 kDa) ở

t đã được thêm vào protein tải kẹp trong quá trình tiến hóa của Pro vì

nó không có bản tương đồng ở

archaea/eu RFC protein Phần dài hơn này cho phép protein tải kẹp

đôi nối tải kẹp với helicase (DnaB)

và hai Pol III Lý do của điều này là gì? Ta có thể biện luận rằng điều

này giúp tạo cấu trúc replisome của Pro., hoặc nó bổ sung cho sự thiếu vằng của một trong hai enzyme

tổng hợp DNA (PolC) có ở các vi khuẩn khác (ví dụ Bacillus

subtilis) Mặt khác, trong giả thuyết

về sự thay thế các protein cổ tham gia quá trình nhân đôi bởi DnaB và

Pol III, ta có thể hình dung phần

dài hơn ở đuôi C là một mẹo mà

các protein này tìm ra để buộc tải kẹp phải tương tác với chúng thay

vì tương tác với các protein trong

hệ thống nhân đôi cổ (gần giống

như protein P của bacteriophage γ buộc protein ức chế DnaA phải

tương tác với nó thay vì với DnaC) Tuy nhiên tình huống này bị đối

chọi bởi sự phân bố có giới hạn của phần dài hơn đầu C ở lãnh giới vi khuẩn Rõ ràng chúng ta muốn biết nhiều hơn về các phức replisome hiện diện ở vi khuẩn và để hiểu

chúng liên quan về mặt tiến hóa

như thế nào để tìm ra ý nghĩa của một gene khó hiểu như gene dnaX

(Hình 9)

Hình 9: Tương tác giữa các kẹp và

tải kẹp với các phần không tương đồng của replisome ở

Archaea/Eukarya và ở E.coli Ở

Eukarya và Archaea, RFC và

PCNA (protein tương tự tương ứng của phức γ vi khuẩn và DnaN)

tương tác với helciase (MCM) và Pol thuộc họ B hoặc D Ở E.coli phức kép γ tương tác với heclicase DnaB và 2 Pol III thông qua chuỗi polypeptide kéo dài ở đầu C của

protein t, hai protein không phải là những protein tương đồng với các protein tương ứng về chức năng ở Archea và Eukarya Không phải tất

cả vi khuẩn đều có đoạn kéo dài ở đầu C