Bài giảng cơ sở di truyền học phân tử đại học quốc gia hồ chí minh

hình thành nucleoside và nucleotide... Phân l ai nucleotide và nucleic acid... Khuôn, mồi và tổng hợp theochiều... 20-40 DnaA-ATPmonomers n DnaA vào oriC và hình thành... Sao chép và phâ

SINH H C I C NG A1

Ph n 1 SINH H C T BÀO

Ph n 2 DI TRUY N H C

Ch.7: C phân t a tính di truy n Ch.8: Sinh t ng h p protein

Ch.9: Di truy n h c virus, vi khu n và k thu t di truy n Ch.10: Ki m soát s bi u hi n c a gen và s phát tri n Ch.11: Nhi m s c th và s phân bào eukaryota

Ch.12: Các nh lu t di truy n Mendel Ch.13 Di truy n h c nhi m s c th

Ph n 3 H C THUY T TI N HÓA

Ch.14: H c thuy t ti n hóa c a Darwin Ch.15: Qu n th là n v ti n hóa

Ch.16: Loài và hình thành loài Ch.17: S phát sinh và phát tri n c a s ng trên trái t

Thí nghi m Griffith (1928)

Thí nghi m Avery, Leod, Carty (1944)

- Ch ng c ch c x lý b ng các enzyme khác nhau tr c khi tr n

i ch ng lành và tiêm vào chu t:

xâm nh p và nhân b n c a bacteriophage vi khu n

- Phage (Bacteriophage, th c

khu n th , virút c a vi khu n)

- Phage T2:

+ protein bên ngoài

+ DNA bên trong

- Phage T2 xâm nhi m vi khu n

Thí nghi m Hershey,

Chase (1952)

ánh d u protein c a phage b ng S 35 và DNA c a phage b ng P 32 ng cách nhi m

phage lên E coli nuôi trong môi tr ng có

ch a ch t dinh d ng mang P 32 và S 35

- Phage c sinh ra có protein mang S 35

và DNA mang P 32

Thí nghi m Hershey, Chase (1952)

- Nhi m phage ánh d u S 35 và P 32 lên E coli nuôi trong môi

tr ng không ch ng v phóng x

- Tách ph n g n c a phage lên b t E coli ng cách l c m nh

- Ly tâm làm l ng E coli áy ng ly tâm

- Thu E coli n l ng (c n ly tâm, precipitant) áy ng ly tâm và thu

ch không l ng t a (d ch n i, supernatant) ch a phage

- Xác nh hàm l ng ng v phóng x S 35 và P 32 lên trong E coli và

Phân n các i phân t sinh h c b ng ly tâm

Thí nghi m Hershey, Chase (1952)

- C u trúc b c cao c a DNA bào ti n nhân (prokaryote)

- C u trúc b c cao c a DNA bào nhân th t (eukaryote)

Thành ph n hóa h c c n phân (nucleotide) trong

DNA và RNA

hình thành nucleoside và nucleotide

Các d ng nucleoside monophosphate t adenine:

AMP, cAMP

Các d ng deoxyribonucleotide

Các d ng ribonucleoside monophosphate

Phân l ai nucleotide và nucleic acid

o thành phân t polynucleotide b ng

liên k t phosphodiester

p x p base, ribose và phosphate trong m ch nucleic acid

- Khung: m ch ribose và liên k t phosphodiester

u ch a g c phosphate t do: u 5’ phosphate ( u 5’)

u ch a g c 3’-hydroxyl t do: u 3’-OH ( u 3’)

- Các base g n vuông g c v i m t ph ng ng ribose

- M ch nucleotic acid có tính nh h ng

Liên k t hydrogen gi a các c p base purine-pyrimidine

trong nucleic acid m ch kép

Mô hình DNA m ch kép c a Watson-Crick (1953)

Tính i song song c a hai m ch trong phân t DNA

Các c u hình c a DNA trong t bào

Các thông s c tr ng c a DNA d ng A, B, Z

So sánh kích th c t bào và phân t DNA

u trúc b c cao c a DNA prokaryote

u trúc b c cao c a DNA eukaryote

Sao chép theo khuôn, bán b o t n

- Sao chép, sao mã (replication):

- Thí nghi m Meselson, Stahl (1958) E coli

+ M ch m c t ng h p b ng cách kéo dài m i theo chi u

5’ – 3’: u 5’-phosphate c a nuleotide m c g n vào u

3’OH c a ribose trong oligonucleotide

+ Các nucleotide c n i v i nhau b ng liên k t phosphodiester

gi a 5’-phosphate và 3’OH

Các DNA polymerase E coli

ch t c a ph ng t ng h p RNA, DNA

Khuôn, mồi và tổng hợp theo

chiều

Ba b c trong quá trình sao chép

- Kh i s (initiation): hình thành ph c h p sao chép (replisome)

trình t kh i s sao chép oriC, hình thành khuôn m ch n, hình

thành ch ba sao chép (replication fork), t o primer

- T ng h p (kéo dài, elongation): kéo dài primer, t ng h p s i DNA theo khuôn

- K t thúc (termination): gi i th ph c h p replisome, k t thúc sao mã

Các protein c n cho quá trình sao mã

- DnaA: nh n di n, g n vào oriC, c m ng tách m ch, c m ng g n

DnaB, DNAC

- DnaB : replicative helicase; l c phân

- DnaC : giúp g n DnaB vào khuôn; l c phân

- DnaG : primase

- SSB : g n, n nh DNA m ch n

- DNA gyrase : gi i xo n DNA

- DNA polymerase III : kéo dài primer, t o m ch DNAm i; có ho t tính 3‘ – 5‘ exonuclease lo i b nucleotide sai

- DNA polymerase I : th y phân m i RNA và thay b ng DNA

- DNA ligase : n i các n Okazaki

20-40 DnaA-ATP

monomers

n DnaA vào oriC và hình thành

Kh i s sao chép

B Albers (2003) Nature 421: 431-435.

trí và ho ng c a các protein

trong sao chép

B Albers (2003) Nature 421: 431-435.

ng tác ch t ch gi a cac DNA polymerase trên

hai khuôn trong sao chép

Vai trò DNA polymerase I và ligase

ng h p m ch sau

ng h p theo m t và hai ch ba sao chép

Sao chép và phân tách DNA con prokaryote

Phân tách DNA con khi hoàn t t sao

chép

- Nhi u replicon trên 1 NST.

- C ch ki m soát s sao chép l p l 1 ori.

Sao chép ng th i trên nhi u replicon eukaryote

t thúc sao chép E coli

Các d ng t bi n trên DNA

t bi n do sai sót trong sao chép

t m ch do c c

- Th y phân liên k t N-glycoside làm m t base purine

- Methyl hóa trên base d n b t c p sai

- M t nhóm amine d n b t c p sai

- Chuy n d ng enol - keto d n b t c p sai

- T o dimer thymine trên cùng m t m ch do tia UV

Th y phân N-glycoside làm m t base purine (1/5000nu/ngày/t bào ng i)

t nhóm amine (1/100nu/ngày/t bào ng i)

th ng s a sai DNA m b o tính nh c a v t

li u di truy n DNA qua các th

- T n s sai sót c a sao chép in vitro: 10-5

- T n s sai sót c a sai sót in vivo: 10 -9

- H th ng s a sai DNA:

+ S a sai trong sao chép: DNA-polymerase III, DNA polymerase I

+ S a sai do t bi n

th ng s a sai trên DNA

ch DNA m và con Phát hi n nucleotide sai

trên m ch con

Thay n ch a nucleotide sai b ng n m i

th ng b o v DNA

- H th ng gi i h n – bi i

- H th ng SOS

- H th ng s a sai

BI U HI N GEN:

- H c thuy t trung tâm

c thuy t trung tâm

- Gen và tính tr ng

- Nguyên t c truy n thông tin di truy n trong t bào và qua các th

- Các b c trong quá trình bi u hi n c a gen

Sai h ng c a

các sai h ng sinh hóa

1 Gen – 1 Enzyme

- Beadle, Tatum (1941): thí nghi m trên m c vàng Neurospora

crassa

- T o các ch ng m t bi n khuy t d ng (m t kh ng t ng

p m t nhu c u dinh d ng, ví d t axít amin)

- Xác nh m i ch ng t bi n liên quan n 1 gen: gi thuy t “1 gen – 1 enzyme”

- M ng khái ni m:

+ 1 gen – 1 protein + 1 gen – 1 polypeptide + 1 gen – 1 i phân t sinh h c

Nguyên t c truy n thông tin di truy n trong t

Ý ngh a và m c a các b c truy n thông tin (1)

1 Phiên mã (transcription):

+ Ch n l a ph n thông tin di truy n c n s ng t gen + Chuy n thông tin di truy n t DNA thành RNA

+ Kích th c RNA nh n 1/1000 l n so v i DNA + RNA kém b n do có C2’-OH, ch n t i trong m t th i gian

nh nh trong t bào + Ph ng th c mã hóa thông tin không thay i + B n ch t hóa h c và ki u liên k t h u nh không thay i

Ý ngh a và m c a các b c truy n thông tin (2)

2 D ch mã (translation):

+ Thông tin di truy c d ch thành trình t các amino acid

có b n ch t hóa h c và ki u liên k t khác + Các s n ph m phiên mã c d ch mã khác nhau + S n ph m d ch mã có c u trúc và ch c n ng a d ng

+ Protein không b n v ng và b th y phân sau m t th i gian

3 Bi i sau d ch mã (post-translational modification):

+ Giúp ki m soát cao h n s bi u hi n c a gen + Th c hi n b ng nh ng bi i c ng hóa tr ho c không c ng hóa tr

u hòa Truy n tin

CH C N NG

Ch c n ng a d ng c a protein

Dòng thông tin bào prokaryote và eukaryote

- Prokaryote: DNA → RNA → Protein → Functional protein

- Eukaryote: DNA → pre-mRNA → RNA → Protein → Functional protein

Mã di truy n (codon)

ng n v phiên mã (transcription unit)

- S ng h p RNA luôn theo chi u 5’ – 3’

n v phiên mã (transcription)

n v phiên mã:

+ Promoter: trình t DNA n i g n RNA polymerase

+ Trình t mang mã: m trình t các b ba mã hóa (codon) b u

ng AUG (Met, fMet) và codon k t thúc (Khung c m : Open reading frame, ORF)

+ Terminator: trình t mã hóa c u trúc k t thúc phiên mã

- RNA polymerase g n v i promoter thông qua nhân t sigma

Mạch DNA khuôn

Mạch DNA mang mã

Phiên mã theo các n v phiên mã

Ba b c trong s phiên mã: kh i s (initiation)

Các s ki n trong kh i s phiên mã

Phiên mã eukaryote

So sánh phiên mã prokaryote và eukaryote (1)

1 Prokaryote:

+ M t lo i RNA polymerase t ng h p t t c RNA

+ mRNA th ng ch a nhi u ORF (nhi u gen, polycistron)

So sánh phiên mã prokaryote và eukaryote (2)

+ Pre mRNA có ch a chóp 7-Methyl-guanosine u 5’ và

ch uôi polyA (100-200 adenine) u 3’

+ Pre mRNA c ch bi n (splicing) lo i b intron và n i

các exon lai tr c khi i vào t bào ch t

+ mRNA tr ng thành trong t bào ch t ch a thông tin liên t c + mRNA ch ch a 1 ORF (m t gen, monocistron)

+ RNA polymerase I và III: t ng h p rRNA, tRNA và các RNA

nh khác

+ RNA polymerase II: t ng h p mRNA

n chóp 5’, uôi polyA và splicing trong phiên mã

eukaryote

+ 5’-UTR (untranslated region): vùng 5’ không d ch mã

+ Vùng d ch mã: 1 hay nhi u khung d ch mã (open reading frame, ORF) + 3’-UTR: vùng 3’ không d ch mã

+ C u trúc k t thúc (terminator)

n mRNA:

+ Ph thu c vào c u trúc b c cao u 5’ và 3’, cap 5’ và uôi polyA

+ mRNA c a prokaryote c u trúc n gi n, th i gian bán phân ng n (phút) + mRNA c a eukaryote có th i gian bán phân dài: 30 phút – 24 gi

n v

phiên mã

a operon RNA

prokaryote

RNA ribosome (rRNA)

u trúc b c hai c a rRNA

RNA v n chuy n (tRNA)

n chuyên bi t amino acid lên tRNA t ng ng

- Liên k t ester hình thành gi a 3-OH c a tRNA và –COOH c a amino acid

ng ng nh xúc tác c a aminoacyl tRNA synthetase t ng ng

Mô hình phân t minh

a tính chuyên bi t gi a enzyme, amino acid và tRNA

Các RNA khác

- Ribozyme: RNA có ho t tính xúc tác ph n

ng hóa h c; ví d intron xúc tác s t intron và n i exon trong spilcing

- ssRNA (small stable RN): các RNA nh , b n.

Ví d : tmRNA (transfer-messenger RNA) trong hòan t t d ch mã các mRNA không có stop-codon

ch mã trên

polysome ng th i

i phiên mã

prokaryote

Ba b c trong d ch mã: kh i s (initiation)

- G m các s ki n l p ghép có tr t t a mRNA, các ti u ph n ribosome, tRNAMet t i codon kh i s , tr c khi hình thành m t liên k t peptide

Ba b c trong d ch mã: kéo dài (elongation)

- Các nhân t kéo dài d ch mã (elongation factor, EF) giúp a tRNAaa vào v trí A và c ng s xúc tác hình thành liên k t peptide

Ba b c trong d ch mã: kéo dài (elongation)

Hình thành

liên kết peptide

Dịch chuyển một codon

Hình thành liên k t peptide và s ch chuy n c a

ribosome trong d ch mã

Ba b c trong

ch mã:

t thúc (termination)

- Th y phân liên k t ester gi a peptide và tRNA

- Hai ti u ph n

ribosome tách ly và

i khuôn mRNA

Bi i sau d ch mã (post-translational modification)

- Bi i c ng hóa tr : n thêm ng, phosphate, methyl…

- Bi i không c ng hóa tr :

+ G n v i m t h p ch t phân t ng nh (tác nhân bi n c u) + G n v i m t protein khác

+ T ng tác v i chaperone phân t

t bi n (mutation) làm thay i ki u gen và ki u hình

+ Thêm ho c m t m t base: làm l ch khung d ch mã

+ Thay th base này b ng base khác: t bi n l ch ngh a (mis-sense),

t bi n trung tính (neutral) hay l ng (silent), t bi n m t ngh a

+ Chuy n v gen: 10-4/th

- Tác nhân gây t bi n: tia x , hóa ch t, sinh h c

m ki m soát phiên mã c a gen eukaryote

u hòa bi u hi n c a gen trong bi t hóa và phát tri n

U HÒA S BI U HI N C A GEN

VÀ S PHÁT TRI N

áp ng thích nghi c a t bào, cá th hình thái, sinh lý, sinh

hóa… i v i s thay i c a môi tr ng

- S bi u hi n n i ti p, có ch ng trình c a các gen sinh v t

- S bi t hóa thành nhi u t bào có ch c n ng khác nhau trong c th

a bao b c cao

Hi n t ng u hòa s bi u hi n c a gen

- H u nh không

có bi t hóa

m bi u hi n c a gen eukaryote

- Ph ng th u hòa ph c t p h n và có s bi t hóa

u hòa s bi u hi n c a gen mã hóa enzyme

c phiên mã, d ch mã và sau d ch mã

u hòa s

ng h p enzyme

và ho t tính enzyme

Bi i sau

ch mã b ng c

ch bi n c u (bi i l p th )

u hòa phiên mã prokaryote:

ki m soát âm (negative control)

- Liên quan n repressor và operator

- Khi repressor g n vào operator → không t o mRNA

- Repressor u hòa sau d ch mã: tr ng thái có ho t tính và

không có ho t tính:

+ Repressor c ho t hóa b i Effector và g n vào operator: s bi u

hi n c a trp operon b c ch (repression) b i tryptophane

+ Repressor b t ho t không g n vào operator: s bi u hi n c a lac

operon c c ng (induction) b ng lactose

Xúc tác s th y phân lactose b i β galactosidase

-Ki m soát âm s bi u

hi n c a operon lactose

Ki m soát âm s bi u

hi n c a operon tryptophane

u hòa phiên mã:

ki m soát d ng (positive control)

- Liên quan n activator và activator-binding site (ho c enhancer)

- Activator g n vào enhancer → ng c ng t o mRNA

- Activator u hòa sau d ch mã: tr ng thái có ho t tính và không có ho t tính

- Activator c ho t hóa b ng effector (cAMP) n vào

activator-binding site: tr ng h p lac operon, mal operon

u hòa

ki m soát

ng

lac operon

u hòa

ki m soát

ng

mal operon

Vai trò

a activator

trong

ki m sóat

ng

ng tác gi a protein và nucleic acid

- ng tác không chuyên bi t: histone-DNA

- ng tác chuyên bi t: protein là dimer, m i monomer g n vào m t trình t xác nh trên m t s i DNA

- m c a trình t n protein: p l o ng c (trên m t

ch)

ng tác

gi a protein

và nucleic

acid

m c u trúc c a DNA binding protein

- C u trúc b c 2 (xo n α-helix), ph nh c u hình

và ph n ch a trình t nh n di n (n i g n)

- Xo n-g p-xo n (helix-turn-helix motif)

- Ngón tay g n k m (zinc finger)

- Dây kéo leucine (leucine zipper)

t s u trúc DNA binding protein

u hòa phiên mã eukaryote

- Ph ng th u hòa ph c t p h n

- Promoter bao g m: TATA box và UPE (upstream element)

- H u h t các gen u hòa b ng th i nhi u trình t u hòa

u hòa theo c ch ki m soát d ng b i activator và các Enhancer

m cách xa v phía th ng l u ho c h u c a promoter

u hòa theo c ch ki m soát âm b i repressor và trình t u hòa (repressor-binding site)

Promoter prokaryote và eukaryote

Enhancer và ki m sóat d ng eukaryote

u hòa s bi u hi n c a gen trong quá

trình bi t hóa và phát tri n

- Các t bào khác nhau th a bào u có l ng DNA nh

nhau và có kh ng b t c p b sung v i nhau

- Các t bào bi t hóa khác nhau có hàm l ng, ch ng lo i mRNA

và protein khác nhau

- Các gen c bi u hi n theo ch ng trình th i gian

- Phiên mã là c ch ch u c a s u hòa bi u hi n c a gen trong bi t hóa và phát tri n

thay i ch phình trên NST kh ng l ru i gi m

+ Bên ngoài t bào ch : c u trúc , không ho ng, virion

hay virus particle

+ Bên trong t bào ch :

* D ng nucleic acid: ác tính (nhân b n), ti m tan

*D ng c u trúc : s n ph m c a quá trình nhân b n, thoát ra

kh i t bào ch

+ RNA virus: ssRNA, dsRNA

+ RNA-DNA virus: ssRNA (m ch n), dsDNA (m ch kép)

m nhân b n virút trong t bào ch

- S nhân b n, sinh s n (reproduction) c a virus: t 01 virion ban u nhân b n lên thành nhi u virion trong t bào ch

- Các b c trong s xâm nhi m và nhân b n c a virút trong t bào ch

+ Nh n di n, bám dính (attachment) + Xâm nh p (penetration)

+ Bi u hi n c a gen s m (early gene expression) + Sao mã (replication)

+ Bi u hi n gen mu n t o các protein v (late gene expression) + L p v capsid (assembly) và n p b gen (packaging)

Vai trò c a virút h c

- Giúp nghiên c u di truy n h c và hóa sinh h c bi n d ng bào

- Hi u s ti n tri n b nh gây ra b i virus, ph ng pháp phòng ch ng

- T o các công c u hi u trong nghiên c u di truy n vi sinh v t và

+ M t s virút có b gen c phân n thành vài phân t

- V protein (capsid): c u t o b i các protein n v (capsomer) t o hình chu i xo n ho c v 20 m t

- Nucleocapsid: ph c h p capsid và b gen

- M t s virút có c u trúc uôi ho inh giúp xâm nhi m t bào ch

- Virút ng v t còn có màng bao có ngu n g c t bào ch

u trúc virion

Virút vi khu n (bacteriophage)

Phage ác tính và phage ôn hòa

- Phage ác tính (lytic bacteriophage): sau khi vào bên trong t bào ch

th c hi n ngay chu trình tan (lytic cycle): bi u hi n gen, nhân b n và làm tan t bào ch

- Phage ôn hòa (temperate bacteriophage): sau khi vào bên trong t bào

ch có th th c hi n m t trong hai chu trình:

+ Chu trình ti m tan (lysogenic cycle): b gen virus g n vào bên trong gen t bào ch

+ Chu trình tan (lytic cycle)