Sinh học phân tử - Chương V.doc

Sinh học phân tử

Chương V Các chế gây biến đổi DNA I Đột biến Đặc điểm đột biến - - - - - - Đột biến thay đổi đột ngột có khả di truyền vật chất di truyền (DNA), đột biến bao gồm nội dung thay đổi vật chất di truyền q trình làm thay đổi Một thể sinh vật có biểu kiểu hình khác thường kết đột biến gọi thể đột biến (mutant) Thay đổi kiểu gen bao gồm thay đổi số lượng nhiễm sắc thể, cấu trúc nhiễm sắc thể, nhóm gen liên kết nhỏ thay đổi gen Chúng ta đề cập đến đột biến gen, nhiều đột biến thay đổi cặp bazơ, thay cặp cặp khác, lặp lại, tăng vaì nu(đột biến điểm) Đột biến nguyên nhân tạo tất biến dị di truyền, làm sở cho tiến hóa Nếu khơng có đột biến tất gen tồn dạng, khơng có tồn nhiều alen, việc phân tích di truyền khơng thể tiến hành điều vô quan trọng sinh vật khơng thể tiến hóa, khơng thể thích ứng với thay đổi mơi trường Đột biến tự nhiên (spontaneous mutation) đột biến xảy khơng rõ ngun nhân, sai sót tái DNA Đột biến nhân tạo (induced mutation) xảy thể sinh vật tiếp xúc với tác nhân gây đột biến người xử lý như: tia phóng xạ ion, tia tử ngoại, húa cht phn ng tơng tác vi DNA v RNA Tần số sai sót nhận thấy từ nucleotit tái dự đốn khoảng 10-5, chu kỳ ®äc sửa sai (proofreading) nhờ hoạt tính exonuclease 3’-5’ DNA polymerase giảm tần số sai sót xuống cịn 10-10 (10-5x10-5) Thêm số chế khác làm giảm tỷ lệ sai sót xuống Tần số đột biến vi khuẩn tự nhiên từ 10-8 -10-10 nu/1 hệ, sinh vật nhân thật từ 10-7 – 10-9 nu/1 hệ Đột biến xảy ngẫu nhiên không định hướng theo môi trường (tác nhân gây đột biến), quan sát nhiều quẩn thể sinh vật ngày trở lên chống lại thuốc trừ sâu loại ruồi nhà chống lại DDT, vi sinh vật chống lại kháng sinh dùng liên tục Điều khơng phải mơi trường định hướng đột biến mà quần thể ngẫu nhiên có đột biến chống chịu, đột biến tồn tại, sinh sôi nảy nở tạo thành quần thể hệ sau Việc chọn lọc chủng vi khuẩn kháng kháng sinh streptomicine từ quần thể vi khuẩn xử lý streptomicine ví dụ minh chứng cho điều Cách làm sau: pha lỗng tế bào ni Streptomicine, số tế bào có đột biến kháng sống phần lớn chết Biểu đột biến thể từ nhỏ đến biến đổi hình thái làm sinh vật chết 44 - Gen đoạn DNA mã hóa chuỗi polypeptide, đột biến xảy nội gen tạo thành dạng alen gen tạo protein Những gen chứa đột biến nhỏ muốn phát phải dùng kỹ thuật đặc biệt gọi (isoallele) Đột biến trội lặn, thể đơn bội virus, vi khuẩn dạng trội lặn biểu kiểu hình, cịn thể nhị bội đột biến trội lặn phát qua phân tích quần thể đời sau chuyển chúng trạng thái đồng hợp tử, hầu hết đột biến lặn nhị bội biểu trừ số đột biến nằm nhiễm sắc thể giới tính - Dạng đột biến dễ phân tích đột biến gây chết có điều kiện, chúng chết môi trường tồn mơi trường khác Có dạng đột biến là: + Đột biến dinh dưỡng thụ động đột biến xảy vi sinh vật làm cho sống môi trường tối thiểu + Đột biến mẫn cảm nhiệt độ đột biến biểu phạm vi nhiệt độ định, có sản phẩm gen khơng bền ngồi ngưỡng nhiệt độ Cũng đột biến điều kiện nhiệt độ bình thường điều kiện khác biểu đột biến + Đột biến mẫn cảm ức chế đột biến bù lại cho đột biến khác dẫn đến trở thành bình thường gần bình thường có thêm đột biến - Hầu hết đột biến biểu hiệu kiểu hình kết hoạt tính sản phẩm gen bị giảm khơng có hoạt tính sản phẩm gen Điều hiệu chọn lọc lâu đời tính thích ứng tối ưu dạng dại (allele dại) - Đột biến xảy tế bào trạng thái chu kỳ tế bào, xảy tế bào soma, tế bào không sinh giao tử có mơ đó, truyền qua sinh sản vơ tính ví dụ giống táo Delicious giống cam navel Nếu đột biến trội xảy tế bào phơi hiệu đột biến biểu cháu, nhiên đột biến lặn khơng biểu - Đột biến hemoglobin Hemoglobin đại phân tử có mặt hồng cầu có nhiệm vụ vận chuyển oxy từ phổi đến tất mơ khác thể Có kiểu hemoglobin người dạng F trạng thái trẻ sơ sinh (new born) dạng A người trưởng thành Hemoglobin A gồm chuỗi α giống chuỗi β, dạng F gồm chuỗi β chuỗi γ Mỗi chuỗi mã hóa gen đặc trưng Chuỗi α chứa 141 axit amin, chuỗi β γ chứa 146 axit amin, chuỗi giống trình tự chuỗi axit amin, người ta cho chúng xuất phát từ gen chung Có nhiều biến dạng hemoglobin phát chủ yếu từ Hemoglobin A Một chúng đột biến tế bào hồng cầu lưỡi liềm Hemoglobin S (alen S, Hbsβ/HBsβ) dạng biến đổi chuỗi β Phân tử kết tủa bị thiếu oxy, hình thành lên thể ác tính làm biến đổi hình thái tế bào hồng cầu tạo thành hình lưỡi liềm (h×nh 1.5) 45 Hình 1.5 Đột biến hồng cầu thành hình lỡi liÒm Cơ sở phân tử đột biến - Watson Crick mô tả chuỗi xoắn kép DNA, đề xuất chế chép DNA bán bảo toàn sở ghép cặp đặc thù bazơ để giải thích q trình truyền đạt trung thành thơng tin di truyền từ hệ sang hệ khác Hai ơng cịn đề xuất chế giải thích đột biến tự nhiên cấu trúc bazơ nitơ không bất biến Ngun tử hydro rời từ ví trí NH2 chuyển đến ví trí purine pyrimidine để tạo thành bazơ hiếm, thí dụ nguyên tử H từ nhóm amin trở thành NH H đến kết hợp với O thành OH vòng nitơ, q trình gọi (tautomeric –shift, trơi dạt ngun tử H (h×nh 2.5) - Thí dụ Thymine Guanine dạng bình thường dạng keto chuyển thành trạng thái enol, chúng kết hợp với dạng keto Guanine Thymine liên kết hydro Có dạng đột biến điểm: - Tương tự adenine cytosine bình thường dạng amino trở thành dạng imino chúng kết hợp với dạng amino cytosine adenine liên kết hydro (h×nh 3.5) Điều trái với bình thường T=A, G≡C Các trạng thái tautomeric thường tồn thời gian ngắn, nhiên xuất vào lúc tái bản, trình nhận nhầm đột biến dễ xảy Kết tạo thay bazơ purine pyrimidine dạng bazơ purine pyrimidine khác (đây gọi trình transition, trình chuyển tiếp hay q trình q độ (hốn vị) Hình 2.5 Trạng thái tautomeric chuyển từ trạng thái bình thường keto, amino thành dạng enol imino bazơ nitơ 46 - Quá trình thay cặp bazơ liên quan đến việc thay purine - pyrimidine ngược lại gọi trình transversion (sự chuyển qua) Thêm bớt vài cặp bazơ gọi đột biến thay đổi khung đọc mã (frame shift mutation) (h×nh 4.5) Hình 3.5 Hiện tượng ghép cặp đơi nhầm bazơ dẫn đến ghép bất bình thường A = C G ≡ T Hình 4.5 Sơ đồ đột biến thêm cặp bazơ làm thay đổi khung đọc mã tạo chuỗi protein bị biến đổi - Cã thĨ tãm t¾t số khả biến đổi làm thay nu phân tử DNA tái trình bầy h×nh 5.5 Hình 5.5 Sơ đồ khả biến đổi bazơ xẩy ra, mũi tên đường liền bazơ Pu –Pu Py-Py, đường đứt Pu - Py ngược lại 47 HËu qu¶ cđa ®ét biÕn DNA - HËu qu¶ cđa ®ét biÕn t thuộc vào nơi xẩy đột biến kiểu đột biến xẩy - Đột biến điểm xẩy đoạn DNA phiên mà sẽ: + Làm biến đổi thành codon kh¸c nhng m· ho¸ cïng mét acid amin so với trớc gọi đột biến câm (Synonymous or silent mutation) + Biến đổi thành codon khác mà hoá acid amin khác (missense mutation) + Biến đổi codon từ mà hoá cho acid amin thành codon dừng dịch mà tạo protein ngắn lại (nonsense mutation) - Đột biến xẩy đoạn không phiên mà gồm vùng mà enzyme RNA polymerase protein khác bọc lấy cho phép trình phiên mà tiến hành ảnh hởng đến cờng độ phiên mÃ, lợng mRNA protein sinh Dới góc độ RNA vùng bị ảnh hởng bao gồm: + vÞ trÝ bäc ribosome cđa mRNA vi khn + vÞ trí cắt để kết nối exon mRNA sinh vật nhân chuẩn + vị trí điều hoà trình dịch mà định vị mRNA tế bào Các dạng đột biến khó phát so với đột biến xẩy vùng mà hoá ảnh hởng không nhiều đến biểu kiểu hình sinh vật Ung th hậu đột biến U ác tính hay u ung th tập hợp tế bào đợc sinh từ tế bào gốc bất bình thờng Tế bào ung th khác với tế bào bình thờng nhiều đặc tính nh: tốc độ phân chia nhanh hơn, xâm lấn lÃnh địa tế bào khác, có tốc độ trao đổi chất cao có hình dạng bất thờng Nguyên nhân số yếu tố điều khiển phát triển tế bào bình thờng tế bào ung th bị biến đổi Rất nhiều loại tế bào có khả trở thành tế bào ung th Một số đợc truyền từ cha mẹ qua dòng tế bào phôi, nhng hầu hết đột biến tế bào soma gây lên Có nhiều tác nhân gây tế bào ung th có loại đột biến gây ung th đột biến gen trực tiếp sinh ung th đột biến gen ức chế đặc tính gây ung th Loại đầu có đặc điểm thờng gen đột biến ung th sinh protein ung th tÕ bµo khối u cần alen đột biến gây lên khối u Còn đột biến gen chức ức chế ung th đột biến lặn, tạo protein làm phần hết khả ức chế ung th Đồng thời để phát triển thành ung th cần phải có alen locus gen bị đột biến Loại đột biến tiền ung th (proto-oncogene) chia làm loại: loại gây ung th sản phẩm protein đợc hoạt hoá có mặt tín hiệu điều hoà phù hợp nh chất nhận yếu tố sinh trởng, protein truyền tín hiệu chất điều hoà phiên mà Loại sản phẩm gen đột biến hoạt động ức chế khả phá huỷ tế bào bị sai hong, kết gây tế bào ung th Bình thờng có số gen có chức điều khiển chu kỳ phân chia tế bào bình thờng, gen bị đột biến dẫn đến tế bào phân chia bất thờng gây ung th 48 Tác nhân lí hóa gây đột biến a Tác nhân vật lý Tia phóng xạ, tia X quang, tia γ, tia vũ trụ, tia cực tím, phóng xạ ion X quang, có bước sóng 0.1-1nm, có lượng cao dùng chẩn đốn y học chúng có khả xun qua mơ Trong q trình xun, chúng va đập vào nguyên tử, giải phóng electron tạo ion tích điện dương, ion đập vào phân tử khác lại giải phóng electron (điện tử) Tia cực tím (UV) có lượng thấp hấp thụ bazơ purine pyrimidine biến thành dạng hoạt hóa kích động Vì lượng tia thấp nên khả đâm xuyên vào mô chậm chạp thường xuyên vào lớp bề mặt tế bào sinh vật đa bào, nên thướng có tác dụng gây đột biến sinh vật đơn bào DNA hấp phụ tối đa tia UV bước sóng 254 nm bước sóng gây tần số đột biến cao Cơ chế hấp phụ UV gây tạo chất dễ hoạt hóa (h×nh 6.5), cytosine + UV + H2O tạo thành cytosine hydrat, có thymine nằm gần cạnh + UV tạo thành thymine C5= C5 Thymine (thymine dimer), dạng gây lên trình ghép nhầm làm chấm dứt trình tái Hình 6.5 Tác động tia UV làm biến đổi bazơ pyrimidine thành dạng b Tác nhân hóa học chia làm nhóm Hơi độc sulfur (mustard gas sulfur mustard) (b¶ng 1.5), có tác dụng alkyl hố bazơ 49 Bảng 1.5 Hơi độc có tác dụng gây biến đổi bazơ cua DNA Bazơ tương đồng như: BU (5 Bromouracil) 2AP (2 aminopurine), tác dụng làm tăng tần số ghép cặp nhầm, BU bazơ tương đồng với thymine, Br vị trí C5 tương tự nhóm –CH3 C5 thymine Sự có mặt Br làm thay đổi phân bố điện tích, làm tăng khả chuyển vị nguyên tử hydro Ở trạng thái keto bền, BU ghép cặp với Adenine, sau có chuyển vị hydro thành dạng enol 5BU lại ghép cặp với Guanine (Hình 3.5) Hiệu gây đột biến 5BU tương tự q trình tautomeric shift (h×nh 7.5) 50 Hình 7.5 Cơ chế tạo đột biến điểm tượng trôi dạt tautomeric tạo bazơ gây trình ghép cặp đôi nhầm Nếu 5BU tồn trạng thái enol Nu phosphate thời điểm gắn nhập vào mạch DNA, gắn vào guanine mạch gốc gây tượng transition (hoán vị) từ GC AT (h×nh 8.5) Nếu 5BU kết gắn với Adenine dạng keto, sau tautomeric shift biến thành dạng enol, q trình chép sau tạo hốn vị từ A-T thành GC (hình 11.26b) Do 5BU gây q trình hốn vị theo hướng AT↔ GC, nên tạo hướng đột biến Hình 8.5 Sơ đồ tác động dạng enol 5BU kèm theo trình tái DNA gây nên đột biến 51 HNO2 tác động vào DNA lúc tái không tái bản, cách oxy hóa khử gốc amin bazơ, A, G, C (h×nh 9.5) Thí dụ làm adenine biến thành hypoxanthine, chất ghép cặp với cytosine với thymine, cytosin đảo thành uracine ghép cặp với adenine thay bình thường ghép với guanine Quá trình khử amin Guanine biến thành xanthine, chất ghép cặp với cytosine giống Guanine Do khử amin Guanine không tạo đột biến giống adenine cytosine HNO2 gây đột biến hoán vị theo hướng AT↔GC Thuốc nhuộm acridine proflavin hàng loạt hợp chất có tên gọi ICR170, ICR-191 chất có tác dụng gây đột biến mạnh, tạo đột biến thêm cặp bazơ ICR có chứa phần acridine gồm chuỗi có kích thước khác nhau, chất thường tác nhân alkyl hóa Acridine tích điện dương tự xen vào cặp bazơ xếp chồng (h×nh 10.5), làm tăng độ cứng thay đổi tính ổn định chuỗi xoắn kép, tạo thắt nút nhẹ phân tử DNA Khi phân tử DNA có chứa acridine xen vào mà tái xẩy tăng thêm cặp bazơ kết tạo đột biến Hình 9.5 Cơ chế gây đột biến tác động HNO2: a) biến đổi adenine thành hypoxanthine làm cặp AT biến thành GC; b) biến đổi cytosine thành uracine làm cặp GC biến thành AT; biến đổi guanine thành xanthine dẫn đến AT biến thành GC ngược lại 52 Hình 10.5 Quá trình chèn xen acridine proflavin vào chuỗi xoắn kép DNA cặp bazơ tăng thêm dẫn đến đột biến Tác nhân alkyl hóa hydroxyl hóa như: MMS, EMS (methyl ethyl methane sulfonate, nitroguanidine (NTG), chúng có tác dụng gây đột biến mạnh cách chuyển gốc methyl ethyl vào bazơ làm trình ghép cặp bình thường bị đảo lộn dẫn đến đột biến thay bazơ purine pyrimidine bazơ khác nhóm Thí dụ: Ethyl hóa vị trí 7N vào 6-O chất EMS tạo thành ethyl guanine s ghộp cp vi thymine(hình 11.5 12.5) Hỡnh 11.5 Giả thuyết gây đột biến EMS (a) làm Guanine ghép nhầm với Thymine; (b)do NH2OH làm Adenine ghép nhầm với Cytosine 53 truyền từ tế bào F+ sang tế bào F- tế bào trở thành tế bào F+ Bởi trộn lẫn hai tế bào với hệ sau cho hầu hết tế bào F + Yếu tố F kết gắn vào nhiều vị trí chế trao đổi tương đồng (h×nh 20.5) Việc kết gắn yếu tố F vào nhiễm sắc thể tế bào ký chủ đoạn DNA ngắn gọi nhân tố IS Tế bào vi khuẩn chứa nhân tố F kết gắn vào gọi tế bào Hfr (High frequency recombination) Ở trạng thái kết gắn Hfr, yếu tố F làm vật trung gian cho việc chuyển phần nhiễm sắc thể tế bào Hfr sang cho tế bào nhận F-, thường phần nhiễm sắc thể Hfr chuyển sang Cơ chế chuyển DNA từ tế bào cho sang tế bào nhận trình tiếp hợp bắt đầu việc cắt mạch điểm đặc thù yếu tố F Đầu 5’ sợi đơn bị cắt sau chuyển qua ống tiếp hợp vào tế bào nhận (h×nh 21.5) Vì điểm bắt đầu chuyển nằm phạm vi yếu tố F nên phần F chuyển từ tế bào Hfr cho tế bào F-, chuyển theo gen nằm nhiễm sắc thể Hfr Phần lại F cuối chuyển theo Hình 21.5 Cơ chế truyền DNA trình tiếp hợp a) Tế bào cho chứa F+ Hfr b) Khi tiếp hợp với F- enzyme endonuclease cắt sợi đơn DNA yếu tố F điểm c) Đầu 5’ sợi bị cắt yếu tố F tế bào cho tái để bù lại theo chế vòng lăn, sợi đơn vừa cắt chuyển sang tế bào F- qua ống tiếp hợp, tổng hợp thành sợi kép theo đoạn Okazaki, sau gắn lại ligase thành thể tế bào F+ 63 Mơ hình tái tổ hợp theo Holliday (Holliday model) Là mơ hình mơ tả hàng loạt kiện đứt nối xảy trình trao đổi chéo nhiễm sắc thể tương đồng sinh vật nhân thật bậc cao a Để hiểu chế cần nắm số vấn đề sau: - Trao đổi chéo xẩy cặp nhiÔm sắc thể tng ng quỏ trỡnh gim phõn (hình 22.5 vµ 23.5) Hình 22.5 Sơ đồ trao đổi chéo locus gen A, a B, b Trao đổi chéo xẩy nhiễm sắc thể chi em hình thành nên giao tử tái tổ hợp 64 Hình 23.5 Trao đổi chéo xẩy nấm Neurospora locus gen A,a B,b a) Trao đổi chéo xẩy trước nhân đôi nhiễm sắc thể qua phân bào giảm nhiễm tạo 100% giao tử tái tổ hợp b) trao đổi chéo xẩy sau tái DNA, giai đoạn tứ tử thể thu 50% giao tử tái tổ hợp gen - Vị trí gen nhiễm sắc thể gọi locus, chúng xắp xếp thành chuỗi đường thẳng - alen gen thể dị hợp tử chiếm vị trí tương ứng nhiễm sắc thể tương đồng, alen A nằm nhiễm sắc thể tương đồng allele (a) nằm nhiễm sắc thể tương đồng - Trao đổi chéo liên quan đến việc gãy nhiễm sắc thể tương đồng (thực tế nhiễm sắc thể tử) trao đổi phần cho - Trao đổi chéo xảy giai đoạn sợi thô (pachytene) giai đoạn nhiễm sắc thể tương đồng (tetrad) hoàn toàn tiếp hợp với nhau, gồm nhiễm sắc tử kép hay cặp lưỡng trị Trao đổi chéo xảy nhiễm sắc tử xảy nhiễm sắc tử nhiễm sắc thể tương đồng không phát chức giống - Trao đổi chéo tạo thành nhiễm sắc thể có tổ hợp gen liên kết gọi trao đổi chéo vùng locus gen - Tần số trao đổi chéo locus tăng dần theo khoảng cách gen b Cơ chế trao đổi chéo đơn theo Holliday (h×nh 24.5) - phân tử DNA kép nhiễm sắc tử không chị em xếp thẳng hàng cân xứng với nhau, để trao đỏi không làm nhân lên thông tin di truyền (a) - sợi đơn đối cực bị khía đứt vị trí tương ứng nhờ enzyme endonulease, làm gẫy (b) - Mỗi chuỗi gẫy rời khỏi mạch cũ nhờ enzyme bọc DNA (DNA binding) protein tháo xoắn DNA (DNA unwinding protein) ghép cặp với mạch đơn không gãy chuỗi kép đối diện nhờ protein RecA (c) - Enzyme ligase gắn liền sợi gãy lại để tạo thành điểm nhánh (d c), nhánh tự quay vặn sang phải trái (f), thay đổi vị trí chuyển động gọi tượng dịch chuyển nhánh (branch migration) Thí dụ: Nhánh chéo rời sang phải lúc phân tử DNA vẽ có vai bị kéo đứt chuyển đến hình (g), đoạn ab bị quay 1800 so với đoạn AB, kết tạo lên hình X, hình thấy rõ phần (sector) sợi DNA đơn vùng nhánh - Để tách cấu trúc thành sợi kép trình cắt sợi đơn enzyme endonuclease vùng nhánh chéo xảy Chiều cắt xảy theo hướng thẳng đứng tạo hình (h) cắt ngang trở lại ban đầu chiều cắt thẳng đứng sợi kép tách có dạng hình (i), sau vết khía kết dính lại nhờ enzym DNA ligase sợi kép mạch chứa mảnh hình (j) Trong trường hợp nhiễm sắc tử trao đổi chéo đơn (Ab aB) người ta phát thấy cấu trúc tương tự phân tử vẽ hình (g) quan sát kính hiển vi điện tử có tên Holliday intermediate (1964) hay cấu trúc (χ) Quá trình tái tổ hợp xảy cần có điều kiện: 65 - vùng DNA tái tổ hợp phải có trình tự tương đồng - Và trình tự phải có điểm đứt mạch Điều khiển trình tái tổ hợp protein RecB RecC (là sản phẩm gen RecB RecC hệ thống SOS), có tác dụng tháo xoắn cắt đứt mạch DNA Sự cắt đứt phức hợp RecBC nhận trình tự gọi trình tự χ cắt cách vài bazơ, sau protein RecA gắn lên mạch DNA bị đứt tạo thuận lợi cho việc nhận biết trình tự tương đồng mạch hình thành lên phân tử lai cắt sửa lại nhờ enzym exonulease DNA polymerase Hình 24.5 Sơ đồ đường hướng gãy nối lại sợi nhiễm sắc thể tương đồng với tham gia số enzyme theo Holliday, 1964 bổ xung H Potter D Dressler, 1976 c Trao đổi chéo kép(h×nh 25.5) Là mơ hình gãy mạch kép tái tổ hợp (a) nhiễm sắc tử tương đồng chứa gen A & B tác động enzym endonuclease exonuclease tạo thành lỗ hổng (gap) 66 (b), tiếp tục xúc tác enzym làm sợi DNA nhiễm sắc tử tương đồng bị gẫy rời (c) Đầu mạch đơn tự chỗ cắt bị xen gắn phân tử DNA nhiễm sắc thể tương đồng (d), trình xúc tác protein kiểu RecA, tạo thành bắt chéo Sau bắt chéo bị đứt lấp đầy enzym polymerase ligase Quá trình kết gắn làm sợi kép dính vào vị trí bắt chéo tạo thành phân tử DNA tái tổ hợp (f) Hình 25.5 Mơ hình trao đổi chéo kép gen A,a B,b d Trao đổi chéo kết hợp với chuyển đổi gen sửa chữa đoạn gen hỏng (gen conversion)(h×nh 26.5) Khi xảy ghép nhầm m nhiễm sắc tử tứ trị (tetrad), nhờ chế tổng hợp sửa chữa (repair synthesis) chỉnh lại chỗ nhầm, chuyển m thành m + đồng thời vừa xảy trao đổi chéo đơn dẫn đến tạo nhiễm sắc tử có 3m+ 1m khơng 67 bình thường m+ 2m (m dạng đột biến) Nếu số lượng gen hoạt động tiêu chuẩn chọn lọc, gen khơng hoạt động bị đào thải sau nhiều lần tái tổ hợp 68 69 Hình 26.5 Mơ hình trao đổi chéo kép Holliday kết hợp với loại bỏ phần sai hỏng tạo loại giao tử khác e Quá trình tái tổ hợp gen lặp lại Trong genome có nhiều gen lặp lại, có trao đổi chéo xẩy đoạn gen tương đồng sinh tượng mất, tăng đảo đoạn dẫn đến đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể Q trình tái tổ hợp làm tăng giảm số lượng gen lặp lại Nếu gen lặp lại nhiều lần nhiễm sắc thể, bắt cặp xảy (vị trí bắt chéo nào) nhiễm sắc thể tương đồng Tái tổ hợp xẩy khơng cặp nhiễm sắc thể tương đồng dẫn đến tạo nhiễm sắc thể có nhiều cịn nhiễm sắc thể Tái tổ hợp sở cho điều hòa biểu gen Nhiều gen điều kiện bình thường bất hoạt thiếu trình tự khởi động, tái tổ hợp trình tự khởi động chuyển đến trở lên hoạt động III Các gen nhảy hay yÕu tố di động (transposable element) Đầu tiên phát Barbara McClintock thông qua phân tích tính biến động di truyền ngơ, nhờ mà năm 1983 bà nhận giải thưởng Nobel Ỹu tố nhảy trình tự DNA có khả gắn xen vào hay rời khỏi DNA nhiễm sắc thể, trình tự có chứa gen dẫn đến làm biến đổi hoạt động di truyền gen Ở E.coli có yÕu tố nhẩy trình tự IS (insert sequence) trình tự gắn xen Sau người ta phát động vật thực vật có yÕu tố tương tự có cấu trúc phức tạp gọi chung transposon Trình tự IS 70 Phát E.coli tác động ức chế chúng lên hoạt động gen, có IS xen vào gen tương ứng vi khuẩn khả lên men galactose, yÕu tố dời khỏi gen trình lên men galactose lại tiến hành IS có chiều dài khoảng kb, loại nhỏ dài từ 10-40 bp gồm đoạn trung tâm đặc trưng cho IS, đầu đoạn ngắn (khoảng 15-25 bp) giống ngược chiều Vì trình tự IS khơng mã hóa protein phát thông qua tác hại chúng Hai đầu cña IS nơi nhận biết enzyme transporase, IS chứa gen mã hóa enzyme transporase, xúc tác cho q trình gắn xen (h×nh 27.5) Hình 27.5 Sơ đồ cấu trúc nhân tố IS50 đầu IS50, tính từ gồm dài bp, giống ngược chiều (terminal inverted repeats) tiếp đến đoạn tái đích dài bp giống chiều (target site duplication) YÕu tố IS 50 gắn xen vào nhiễm sắc thể vi khuẩn thể plasmid tạo duplication vị trí gắn xen, dài từ 3-12 cặp nu, gọi vị trí đích, coi tác nhân gây nên gẫy so le sợi DNA mạch kép (h×nh 28.5) Ở vi khuẩn E.coli, IS hỗ trợ cho việc gắn xen episome vào nhiễm sắc thể vi khuẩn Hình 28.5 Sơ đồ tạo ví trí tái đích trình gắn xen nhân tố IS Nhân tố gây nên gẫy cắt vị trí DNA đích sau gắn xen IS vào, phần sợi đơn trống lấp đầy lại tạo nên đoạn lặp lại bên giống ngược chiều Transposon Là dạng trình tự nhảy, phát sinh vật tiền nhân sinh vật nhân thật, chặn bên đoạn lặp lại có chiều ngược nhau, tiếp đến lại kẹp đoạn lặp lại trực triếp (hình 27.5) Transposon có kích thước lớn IS, bên mang gen mã hóa cho enzyme transporase resolvase, enzyme xúc 71 tác cho trình tái tổ hợp đặc thù vị trí Giữa transposon có trình tự lặp lại trực tiếp có cấu trúc đồng kết gắn (cointergrate structure), q trình kết gắn phân tử DNA vịng, chúng có chứa transposon vịng, cịn DNA khơng Transposon tổng hợp (composite transposon) - Được tạo thành sau IS khác gắn xen vào vị trí gần Đoạn DNA chúng sau di rời hoạt tính đồng kết gắn nhân tố kề bên cạnh thí dụ dạng transposon ny c trỡnh by (hình 29.5, 30.5 31.5 Hình 29.5 Cấu trúc trasposon tổng hợp, chiều số np a) Cấu tạo Tn9 gồm IS1 dài 768 np kẹp biên gen cam chống lại chloramphenol b) Tn5 gồm yếu tố IS50 dài 1533 np kẹp biên gene kháng kanamycin c) Tn10 gồm yếu tố IS10 kẹp biên gen kháng lại tetracycline Hình 30.5 Tác dụng điều khiển Tn5 vào : a) Hình 9.6 trang 234 ngld trình lây nhiễm thực khuẩn thể mang Tn5 vào vi khuẩn E.coli Tế bào chứa Tn5 hạn chế trình chuyển nạp Cơ sở di truyền gen điều khiển Tn5 sau : b) Yếu tố IS50R tạo protein, protein men transposase, xúc tác cho q trình chuyển vị cịn protein khác repressor lại ức chế trình chuyển vị Protein ức chế thường nhiều transposase hiệu ức chế thường vượt trội 72 Hình 31.5 Cấu tạo gen Tn3 gồm gen protein chúng tạo chiều dài gen Các chế hoán chuyển gen vi khuẩn Trước hết dưíi tác động enzyme transporase, đoạn DNA nơi nhận đoạn gắn xen bị cắt đứt mạch, hình thành lên đầu so le (cohensive end) Sau việc hốn vị gen thực nhờ enzyme resolvase Enzyme resolvase có vai trị xúc tác cho trình tái tổ hợp đặc thù vị trí transposon tồn đoạn lặp lại trực tiếp cấu trúc đồng kết gắn Q trình xảy khả năng: 1/ Transposon tái bản, cũ lại vị trí ban đầu, chuyển đến vị trí 2/ Transposon bị cắt rời chuyển sang vị trí vị trí cũ bị transposon (h×nh 32.5) Hình 32.5 Q trình hốn chuyển Tn3 Plasmid cho chứa copy Tn3 cịn plasmid nhận khơng chứa Tn3 gặp nhờ men transposase gen tnpA Tn3 sinh xúc tác việc hình thành nên đồng kết gắn làm plasmid kết gắn lại với Trong q trình xẩy Tn3 nhân đơi tạo thành Tn3 đầu gắn Enzyme resolvase gen tmpR tạo ra, xúc tiến trình nội trao đổi chéo, tạo thành plasmid chứa Tn3 73 Ví dụ q trình chuyển vị Tn3 Khi plasmid cho, chứa copy Tn3 plasmid nhận không chứa Tn3 trộn lẫn với Enzyme transporase sinh nhờ gen tnpA Tn3 xúc tác cho trình đồng kết gắn plasmid lại, kết tạo thành plasmid lai tái tổ hợp, trình Tn3 tái nên có thêm copy đầu nối đối diện plasmid lai Enzyme resolvase tạo nhờ gen TnpA Tn3 xúc tiến trình nội tái tổ hợp Tn3 Kết trình tái tổ hợp làm plasmid tách thể có thêm Tn3 Các transposon Eukaryote Nếu transposon vi khuẩn có nguồn gốc từ DNA phần lớn transposon Eukaryote bắt nguồn từ RNA Các RNA gắn xen vào gen theo chế gièng nh retroviut sử dụng, mà chúng cịn gọi retroposon Thí dụ chế xâm nhiễm virut HIV vào thể (h×nh 33.5) Virut HIV (human immunodefiency virus) retrovirut hay Retroposon , thc nhãm virus chÐp ngỵc Retroposon có loại, loại từ RNA tế bào, loại từ RNA virut Hình 33.5 Vịng i ca virỳt HIV-1 Bên thể virut vỏ glycoprotein (gp) 120, nhờ mà chúng bám đợc vào b mt t bo th cm T CD4, tế bào hấp thụ virút, RNA cña virut chuyển thành DNA nhờ enzyme reverse transcriptase Sau DNA cña virut nhập gắn vào DNA tế bào ký chủ chở thành HIV provirut HIV provirus ViƯc ®iỊu khiĨn trình phiờn mó sinh RNA ph thuc vo sn phẩm gen tat rev Giai đoạn đầu, chưa có sản phẩm Rev phần RNA cắt rời virut HIV, chuyển tế bào chất dịch mã, tạo thành protein Tat, Rev Nef Protein Tat quay lại kích thÝch phiên mã để sinh nhiều RNA Khi lượng protein Rev đạt đến mức độ định tồn chuỗi RNA virút sÏ rời khỏi nhân, tế bào chất để dÞch m· sinh protein virút Thành phần gồm: protein cấu trúc, enzyme reverse transcriptase, protein vỏ virút env, gag 74 pol… Các protein lắp ghép lại để bọc lấy RNA virut để tạo thành thể virút mới, tế bào lây nhiễm sang tế bào khỏc - Virus gây nên hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải AIDS (acquaired immune deficiency syndrome), xâm nhập vào thể ngời thờng đợc tế bào đại thực bào T CD4 hỗ trợ hấp thụ sống ký sinh đây, sau sống tế bào nÃo - Khi bị nhiễm lúc đầu hạch bạch huyết, mệt mỏi, đau mình, sốt lạnh lùng Số lợng tế bào T CD4 bị giảm nhng kháng thể đợc tiết để chống lại virus, lợng kháng thể có máu tiêu chẩn đoán nhiễm HIV Nhng kháng thể tác dụng tiêu diệt virus chúng ký sinh bên tế bào nằm nhiễm sắc thể - Giai đoạn sau nhiễm virus HIV có biểu số tế bào T CD4 bị giảm mạnh xuống dới 250 tế bào/1mm3 (ngời khỏe có 800 tế bào T CD4), hạch bạch huyết cổ, nách bẹn bị sng Đến giai đoạn AIDS (giai đoạn 3) bệnh nhân thờng mắc phải bệnh nh lao phổi, viêm phổi phụ nữ ung th di - Nguy hiểm HIV phá hủy tế bào miễn dịch T CD4 mà RNA phiên mà ngợc thành DNA gắn nhập vào DNA tế bào T CD4 - HIV chÕt ë nhiƯt ®é cao (135 F 10 phót), bëi c¸c hãa chÊt tÈy rưa, diƯt trïng - HIV lây qua máu, tinh dịch, tinh âm đạo sữa mẹ HIV xâm nhập qua vết rách lớp màng nhầy lót quan sinh dục, trực tràng miệng, tiêm chích ma túy, truyền qua thai nhi, qua máu sinh đẻ qua sữa cho bó a Ở nấm Saccharomyces cerevisiae NÊm nµy có 35 copy yếu tố nhẩy gọi TY genome đơn bội Các transposon dài 5900 cặp nucleotit, bị chặn biên bên trình tự DNA gọi trình tự δ dài khoảng 340 bp (h×nh 34.5) có trình tự theo chiều gọi trình tự lặp lại tận dài trực tiếp (long terminal repeats, LTRs) =5900np δ 340 np TyA TyB δ 340 np Hình 34.5 Cấu tạo gen yếu tố Ty nấm men chiều dài gen, trình tự lp li u di 340 np, Ty chứa gen lµ TyA TyB Đơi có LTR từ TY bị tách khỏi TY ngắn vào TY khác tạo lên solo δ, trình kết trình tái tổ hợp LTR nhân tố TY hồn chỉnh (h×nh 35.5) Số phận phân tử vịng hình thành qua q trình tái tổ hợp sau chưa rõ, người ta tách phân tử từ tế bào nấm men Yếu tố TY chặn biên trình tự lặp lại trực tiếp gồm bp, trình tự tạo thành cách nhân đôi DNA vị trí TY xen vào 75 Tái vị trí đính khơng có trình tự cố định, phần lớn có chứa cặp AT Điều chứng tá yếu tố TY thường hay xen vào vùng giàu A-T genome Hình 35.5 Quá trình hình thành trình tự solo δ cách cắt yếu tố Ty Q trình cắt có liên quan đến tái tổ hợp tương đồng trình tự solo δ đầu yếu tố TY b Transposon ngô - Nhân tố Ac Ds ngô + Ac yÕu tố chức nhiễm sắc thể thường chứa 4563 bp chặn bên đoạn lặp lại dài nu (h×nh 36.5) Trình tự nu hình thành Ac gắn xen vào vị trí nhiễm sắc thể Hai đầu đoạn Ac có đoạn lặp lại ngược chiều dài 11 nu, đoạn đóng vai trị quan trọng q trình di chuyển Tất Ac ngơ có cấu trúc tương tự khơng giống + Khác với Ac, Ds cấu trúc khác nhau, có nhóm Ds sinh từ Ac trình tự Một nhóm Ds khác lại chứa trình tự lặp lại đầu cuối Ac ngược nhau, số trình tự gần cuối, phần DNA cịn lại khác (hình 36.5c) Những thành viên gia đình Ac/Ds gọi nhân tố Ds dị thường (aberrant Ds) Nhóm thứ Ds có đặc điểm xếp cõng đặc thù (pecular piggybacking arragement) (hình 36.5d) Khi Ds gắn xen vào Ds khác theo hướng ngược chiỊu nhau, Ds kép có vai trị làm gãy nhiễm sắc thể 76 Hình 36.5 (a) Cấu tạo nhân tố Ac;(b) yếu tố Ds không độc lập có nguồn gốc từ Ac cách đoạn gags giũa, (c) Ds dị thường chứa trình tự tận bán tận có nguồn gốc từ Ac chặn biên đoạn DNA khác không thuộc Ac (d) yếu tố Dc kép yếu tố Dc Dc lồng ghép vào - Alu: đoạn DNA lặp lại rải rác genome người, dài khoảng 300bp, có c¶ thÈy 500000 copy này, chiếm tổng chiều dài khoảng 5% lượng DNA người Mỗi đoạn cấu tạo đoạn dài 140bp DNA, gắn đầu đoạn dài 31bp Đoạn có khả di động, bị cắt enzyme giới hạn endonuclease Alu Tóm lại: Mặc dù transposon retroposon khơng đóng vai trị sinh học, lại có tác động đến hoạt hóa gen sinh vật mang chúng, nên có ý nghĩa q trình tiến hố sinh giới 77 ... biến đổi - Cã thĨ tãm t¾t số khả biến đổi làm thay nu phân tử DNA tái trình bầy h×nh 5.5 Hình 5.5 Sơ đồ khả biến đổi bazơ xẩy ra, mũi tên đường liền bazơ Pu –Pu Py-Py, đường đứt Pu - Py ngược... bước sóng 0. 1-1 nm, có lượng cao dùng chẩn đốn y học chúng có khả xun qua mơ Trong q trình xun, chúng va đập vào nguyên tử, giải phóng electron tạo ion tích điện dương, ion đập vào phân tử khác lại... mang alen a+ sợi đơn DNA chủ mang alen a Lúc phân tử DNA gọi phân tử dị hợp kép, làm trung gian trình đột biến tái tổ hợp sửa chữa DNA Khi tái lần sau phân ly tạo nên thể vi khuẩn biến nạp b Chuyển