Cấu trúc nhiễm sắc thể và sự tái bản DNA

Nhiễm sắc thể NST là một cấu trúc có tổ chức của ADN và protein nằm trong các tế bào.Đó là một phần đơn lẻ của chuỗi ADN có chức nhiều gen,cấu trúc quy định và các trình tự nucleotit khá

Nhóm 8 Cấu trúc nhiễm sắc thể và sự tái bản DNA PhầnI MỞ ĐẦU

Khái niệm về nhiễm sắc thể:

Nhiễm sắc thể (NST) được Flemming phát hiện từ cuối thế kỷ XIX (1882).Trong các tế bào đang phân chia nguyên nhiễm, chúng bắt màu thuốc nhuộm rất mạnh

NST được cấu trúc và hoạt động như một thể toàn vẹn thống nhất, trong

đó, các đơn vị di truyền (các gen - ADN) được tập hợp lại theo một quy luật tổ chức xác định và phối hợp hoạt động một cách nhịp nhàng (theo kiểu “đóng”, “mở” gen) để đảm bảo đặc tính di truyền và biến dị cho cơ thể

Nhiễm sắc thể (NST) là một cấu trúc có tổ chức của ADN và protein nằm trong các tế bào.Đó là một phần đơn lẻ của chuỗi ADN có chức nhiều

gen,cấu trúc quy định và các trình tự nucleotit khác

NST khác nhau giữa các sinh vật khác nhau.Các phân tử ADN có thể hình tròn hoặc hình que và có thể bao gồm từ 100.000 đến 1000.000.000

nucleotit trong một chuỗi dài

Thông thường, các tế bào có nhân điển hình có nhiễm sắc thể hình que lớn và các tế bào prokaryote (các tế bào không có nhân xác định) có các nhiễm sắc thể tròn nhỏ hơn.Ngoài ra, các tế bào có thể chứa nhiều hơn một loại nhiễm sắc thể Nhiễm sắc thể có bốn hình dạng đặc trưng là hình móc, hình que, hình hạt và chữ V

Nhiễm sắc thể là vật liệu di truyền ở cấp độ tế bào, có vai trò rất quan trọng trong di truyền

NST có khả năng tự nhân đôi,phân li,tổ hợp ổn định qua các thế hệ

NST có khả năng bị đột biến thay đổi số lượng cấu trúc tạo ra những đặc trưng di truyền mới

Phần II Cấu trúc nhiễm sắc thể và quá trình tái bản ADN

I Cấu trúc Nhiễm sắc thể

1 Nhiễm sắc thể virus

Virus vô cùng đa dạng, nhưng NST của đa số là những phân tử ADN (một

số ít là ARN).Ở các virus khác nhau các phân tử ADN có thể khác nhau về kích thước, về số mạch trong phân tử và một vài đặc tính khác

Ví dụ 1: nhiễm sắc thể là phân tử ADN Nhiễm sắc thể của thực khuẩn thể là một phân tử ADN đơn độc, dày 20Å, dài 17µm, có trọng lượng phân tử lớn hơn 30.000.000 và số lượng gen chứa trong nó khoảng

30 - 40

Về thành phần hoá học thì nó chỉ chứa polynucleotide, không chứa các vật liệu phi polynucleotide Tuỳ theo phương pháp làm xuất hiện NST

mà nó có thể có dạng vòng hoặc dạng duỗi thẳng; nó đồng nhất về mặt hình thái, không tạo thành hạch nhân Trên NST, không phân biệt được tâm động

Về phương diện di truyền, chúng hoạt động theo cấu trúc duỗi thẳng, và như thế, bản đồ di truyền của chúng có điểm khởi đầu và điểm tận cùng

Ví dụ 2: nhiễm sắc thể chỉ có ARN Nhiễm sắc thể của virus khảm thuốc lá chỉ có ARN, không có ADN.Xoắn ARN xếp trong lớp protide và toàn bộ virus có dạng hình trụ tròn, dạng 1 mạch polynucleotide hoặc dạng xoắn kép.Có thể tách rời ARN của virus khảm thuốc lá khỏi vỏ protide và bằng cách tập hợp ARN và protide có thể tái tạo thành virus italic

2 Nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân sơ

Tế bào vi khuẩn và vi khuẩn lam có nhân nguyên thuỷ (procaryota) phân tán không có màng nhân Trong miền nhân, người ta quan sát thấy nhiều sợi chất nhiễm sắc mảnh có kích thước gần bằng kích thước của ADN, nhưng không thể theo dõi được sự liên tục của các sợi đó Trong mỗi miền nhân chỉ có 1 NST như thế, mặc dầu có một số vi khuẩn được xem là đa nhân

NST vi khuẩn là những phân tử ADN trần, chuỗi kép, mạch vòng, ADN thường dính với màng tế bào ở một điểm hoặc một số điểm Dưới kính hiển vi điện tử, ADN có dạng siêu xoắn

Tính siêu xoắn chịu sự kiểm soát của enzyme topoisomerase.NST dạng xoắn có chứa các chuỗi ARN mới tổng hợp, polymerase ARN, nhưng không có ribosome

Ngoài NST chính, ở vi khuẩn còn thấy có một loại ADN khác ở dạng vòng kép nhỏ gọi là các plasmid Chúng được sao chép độc lập với NST chính Trong quần thể vi khuẩn tự nhiên, ADN plasmid có thể chiếm tới 1 - 2% tổng số ADN có trong tế bào

3 Nhiễm sắc thể ở cơ thể bậc cao (eucaryote)

Ở cơ thể bậc cao có dạng NST chính thức có thể quan sát rõ hình dạng của chúng ở kỳ giữa

a Cấu trúc hiển vi của NST

Các NST của eucaryote có tổ chức phức tạp gồm ADN và nhiều loại protein gắn vào.Trong số đó, histone là protein giữ vai trò cốt lõi trong việc cuộn xoắn của ADN

Nhiễm sắc thể có cấu trúc gồm bốn bậc cấu trúc không gian.Cấu trúc bậc một là chuỗi xoắn kép ADN Các cấu trúc bậc cao hơn là sự cuộn xoắn của ADN đó, kết hợp với các protein như protein Histon, Protamin, các proteinphi Histon, 1 số ion kim loại như Ca++,

Na+,K+…

● Sợi ADN cuốn quanh các hạt nucleosome được gọi là cấu trúc cơ bản của sợi nhiễm sắc hay là cấu trúc bậc 1 của sợi nhiễm sắc, cấu trúc này làm sợi ADN ngắn đi khoảng 7 lần

▪ Các histone là những protein nhỏ chứa nhiều acid amin mang điện tích dương (lyzin và arginin) nên gắn chặt với ADN tích điện âm Sợi ADN dài quấn quanh các protein histone tạo nên nucleosome là đơn vị cấu trúc của NST Nucleosome cấu tạo từ 8 phân tử histone: (H3,H4,H2A,H2B)x2 phân tử, các hạt có hình trụ dẹt, đường kính 10nm

▪ Phân tử AND cuốn quanh các hạt này được 13

/4 vòng tương ứng với

146 cặp nu Giữa 2 hạt là 1 đoạn AND không cuốn histone, đoạn này có

chiều dài rất biến động Giữa 2 hạt còn có phân tử histone H1 giữ vai trò đặc biệt trong việc ổn định cấu trúc của chuỗi hạt

Các nucleosome xếp khít nhau tạo thành chromatine là phức hợp nucleoprotein.Sợi chromatine sau nhiều lần xoắn uốn khúc gắn với những protein không histone tạo ra NST

● Sợi nhiễm sắc cơ bản( cấu trúc bậc 1) có thể cuộn xếp theo kiểu lò xo nén tạo cấu trúc bậc 2 gọi là cấu trúc solenoid có đường kính khoảng 30nm

- Mỗi bước cuộn solenoid trung bình có 6 hạt nucleosome Cấu trúc này khi được hình đều đặn sẽ làm giảm chiều dài sợi cơ bản 6 lần, sợi AND giảm 40 lần

- Cơ chế hình thành cấu trúc solenoid được giải thích bằng giả thiết là: phân tử histone H1 tham gia vào sự tạo xoắn của sợi cơ bản

● Hình thái, cấu trúc NST luôn có sự biến đổi trong suốt chu kỳ tế bào Ở pha phân bào, sợi nhiễm sắc cơ bản, cấu trúc solenoid tiếp tục co xoắn, kết tụ mạnh hơn làm cho NST ngày càng ngắn đi, làm tăng bề rộng của nó Các mức kết tụ này có thể diễn ra như sau:

▪ Hình thành mức kết tụ bậc 3 do cấu trúc bậc 2 tiếp tục co xoắn tạo các dải cuộn gấp dựa theo hệ thống khung xương tựa có bản chất protein

▪ Cuối cùng, hệ thống này cuộn xếp lần cuối để hình thành cấu trúc NST ở trung kỳ, đây là mức kết tụ cuối của NST điều này cho ta hình ảnh rõ nét nhất về NST trong quá trình phân chia của tế bào

Các bậc cấu trúc của nhiễm sắc thể

b C ấutrúc NST ở trung kỳ:

Đối với tất cả tế bào của một cơ thể thì NST thường có dạng không đổi và có thể là cố định đối với loài và cả giống

Các NST ở kỳ trung gian: gồm 2 sợi nhiễm sắc tử (chromatide) phân biệt nhau và chỉ dính với nhau ở tâm động Mỗi chromatide có bao ngoài, trong chứa sợi nhiễm sắc (chromonema) đường kính khoảng 20Å Hiện nay, người ta cho rằng sợi nhiễm sắc là những sợi nucleoprotein có cấu tạo xoắn tạo thành tổ chức sợi nhiều cấp, có đường kính khác nhau, số lượng sợi, tuỳ theo đối tượng cũng như các kỳ phân bào, có thể là 2, 4, 8 sợi

▪ Tâm động hay là eo thắt sơ cấp: vị trí tâm động trên NST có thể ảnh hưởng đến hình dạng của NST trong quá trình phân bào Tuỳ theo vị trí của tâm động và độ dài của vai do nó quy định mà các thể nhiễm sắc có các kiểu sau:

+ Kiểu tâm giữa: tâm động ở chính giữa NST, 2 vai thể nhiễm sắc bằng nhau

+ Kiểu tâm lệch: tâm động ở gần một đầu mút thể nhiễm sắc, có dạng móc, các vai của nhiễm sắc thể có độ dài khác nhau

+ Kiểu tâm mút: tâm động ở cuối NST NST có hình gậy

+ Nhiều tâm

+ không có tâm: kiểu này NST không di chuyển về 2 cực tế bào được

▪ Eo thắt thứ cấp - thể kèm (vệ tinh): trên NST còn thấy có các eo thắt thứ cấp Nếu eo thắt thứ cấp đủ sâu và dài thì bộ phận do eo thắt đó tách biệt ra được gọi là thể kèm hay vệ tinh

Thể kèm là một cấu trúc nhỏ ở phía đầu mút NST, nối sau eo thắt Vùng này không nối với sợi tơ vô sắc, có vai trò quan trọng trong tổng hợp ARN ribosome của tế bào Trong nhân chỉ có 1 số NST có thể kèm và eo thứ cấp

▪ Hạt nhiễm sắc: ở nhiều loài sinh vật, dọc theo chiều dài của NST được chia thành từng đĩa màu hay hạt nhiễm sắc (chromomere) Hạt nhiễm sắc chính là phần xoắncủa sợi nhiễm sắc.Nghĩa là sợi nhiễm sắc và hạt nhiễm sắc là một sợi nucleoproteid đồng nhất Cấu trúc hạt là đểtăng chiều dài của sợi nucleoproteid, tăng khảnăng mangvật liệu di truyền của NST

▪ Hạt mút (telomere): ở phần cuối tự do của NST thường có một cấu trúc đặc biệt gọi là hạt mút (telomere) Cấu tạo gồm 3 loại protein( TRF1, TRF2, WRN).Chúng liên kết với nhau rồi bọc lại các trình tự lặp lại ở telomere

Hạt mút có vai trò quan trọng đối với sự bền vững của nhiễm sắc thể và ngăn không cho các NST trong nhân dính và nhau Ở hạt mút dễ xảy ra sự dung hợp đoạn NST khi nó bị mất

Nếu không có telomere ở cuối NST thì sợi nhiễm sắc sẽ bị gãy, khiến NST không ổn định, sẽ ngắn dần lại qua mỗi lần tái bản Đây là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư và 1 số bệnh già hóa khác

telomere

▪ Mỗi một NST thường được phân hoá thành 2miền khác nhau là miền dịnhiễm sắc (heterochromatine) và miền nguyên nhiễm

sắc(eurochromatine):

- Miền nguyên nhiễm sắc hay miền hoạt động chứa tất cả các phức hệ gen cơ bản của tế bào Trong thời kỳ nghỉ, sợi nhiễm sắc của miền này ở trạng thái mở xoắn

- Về mặt sinh hoá thì miền nguyên nhiễm sắc phân hoá rất cao, nếu như một phần rất nhỏ của miền nhiễm sắc thực bị tổn thương, hay bị phá huỷ sẽ dẫn tới sự chết của tế bào

▪Miền dị nhiễm sắc tập trung nhiều ADN dạng kiến trúc trùng lặp bội số cao, rất cao:

- Vùng này sợi nhiễm sắc kết tụ mạnh, thực hiện chu kỳ co-duỗi xoắn kém đều, phần lớn trơ về mặt di truyền Vùng nguyên nhiễm sắc ngược lại

- Vùng dị nhiễm sắc thì trong phần lớn chu kỳ tế bào chúng vẫn ở trạng thái xoắn lại Sự mất đi hay tổn thương một phần lớn miền dị nhiễm sắc cũng không làm cho tế bào chết được

- Vùng dị nhiễm sắc có 2 loại: ổn định và không ổn định Vùng dị nhiễm sắc ổn định đặc trưng cho từng NST, vùng này dùng để phân biệt 2 NST giống hệt về kích thước, hình dạng

- Vùng dị nhiễm sắc thường gặp ở tâm động và NST giới tính

- Theo quan điểm hiện nay thì miền dị nhiễm sắc của NST là một nhân

tố quan trọng trong hệ thống kiểm tra sự tổng hợp ARN ribosome (Ritossa, Spilgelman, 1965)

II Quá trình tái bản DNA

1 Tái bản DNAở sinh vật nhân sơ

a Nguyên tắc bán bảo toàn:

Sự tái bản DNA được thực hiện theo nguyên lý bán bảo toàn do Watson và Crick đề xuất (1953) dựa trên cơ sở tính đặc thù liên kết hydro giữa các bazo bổ sung của 2 mạch đơn Mỗi một mạch đơn được dùng để làm khuôn để tổng hợp thêm mạch đơn mới trên cơ sở nguyên lý ghép cặp

bổ sung giữa các bazo, kết quả tạo ra 2 phân tử DNA trong đó mỗi phân tử

có một mạch đơn cũ và một mạch đơn mới

Chứng minh cho điều này là thí nghiệm của nhà khoa học trẻ M.Meselson và F.Stahl tiến hành vào năm 1958 Họ đã nuôi vi khuẩn E.coli trong môi trường chỉ có nguồn N nặng đánh dấu phóng xạ N15

b Cơ chế tái bản:

Trong tự nhiên có ba mô hình cấu tạo phân tử DNA tồn tại, dạng 1: siêu xoắn, dạng 2: xoắn (vòng) và dạng 3: thẳng ở sinh vật nhân chuẩn bậc cao DNA vòng, ở sinh vật tiền nhân, chúng có thể ở trạng thái xoắn và siêu xoắn, khi tái bản thường bắt đầu đứt tại một điểm của một trong hai mạch đơn DNA.Còn dạng thẳng cũng cắt đứtở 1 điểm nhưng đứt ở cả hai mạch đơn và có thể đứt ở nhiều vị trí khác nhau trên mộtNST Vị trí đứt khởi đầu tái bản thường nằm ở những vùng DNA có chứa nhiều trình tự

AT, dài từ 100 đến 200bp

- Đầu tiên là quá trình tháo xoắn do nhiều enzyme thamgia có tên gọi

là topisomerase, enzyme này có 2 loại là:

+ Topoisomerase I tháo xoắn dạng DNA siêu xoắn, chúng gắn vào DNA và cắt một trong 2 sợi, sau khi tạo được sợi DNA tháo xoắn thì enzyme này nối chỗ đứt lại, điển hình của enzyme này là protein з của E.coli

+ Topoisomerase II cắt cả hai mạch của phân tử DNA, sau khi tháo xoắn tạo ra DNA thẳng thì enzyme này lại có nhiệm vụ tự nối các vị trí vừa cắt lại

Kết quả của quá trình tháo xoắn đã tạo nên chạc tái bản, sẵnsàng cho quá trình tổng hợp sợi đơn mới Sơ đồ chạc 3 tái bản DNA:

Ở nhiễm sắc thể vòng của vi khuẩn, quá trình tái bản bắt đầu từ một điểm sau đó lan ra theo 2 hướng đến khi đụng vào nhau ở điểm đối diện, tạo thành 2 nhiễm sắc thể vòng xoắn

- Hai mạch đơn của phân tử DNA được tách rời nhau nhờ những enzyme gọi là Helicase.ở E.coli có 2 helicase Enzyme này phá vỡ liên kếthydro giữa các bazơ trên 2 sợi đơn bổ sung Có nhiều loại helicase cùng đồng thời hoạt động , một số gắn trên mạch theo hướng 3’-5’ như(các protein của gen Rep), một số khác gắn trên mạch theo hướng 5’-3’ như helicaseII và III

- Các mạch đơn sau đó tách rời nhau một cách ổn định là nhờ các protein SSB(single strand binding proteins, SSBPs) Những protein này gắn lên khắp các nơi củamạch đơn đang được kéo dài làm 2 mạch đơn không kết hợp lại với nhau Nhờ vậy mà tốc độ tái bản tăng lên hàng 100 lần so với ngoài cơ thể khi không có SSB trợ giúp

- Nếu promoter đặt ở đầu 5’ của sợi DNA thì tổng hợp sẽ theohướng

từ mạch đơn đầu 3’ nguyên bản (leading strand) sẽ tiến hành tổng hợp liên tục, còn mạch nguyên bản kia từ đầu 5’ sẽ tổng hợp đứt đoạn theo từng đoạn okazaki

- Tái bản bắt đầu từ việc tổng hợp mồi (primer) RNA:

+Sợi đơn DNA mới được tổng hợp bắt đầu từ đoạn RNA mồi, việc tổng hợp RNA mồi do enzyme có tên là primase tiến hành Mồi RNA là một chuỗi RNA ngắn chứa 8-12 nucleotide Để enzyme này hoạt động được cần phải hình thành được một phức hợp giữa enzyme primase với ít nhất

là 6 protein khác nhau

+ Primosome tiến hành phản ứng sinh mồi đầu tiên cho sợi tiến ( leading)

và tổng hợp mồi lặp lại để tổng hợp những đoạn okazaki cho mạch lùi (lagging)

- Tham gia tổng hợp DNA ở vi khuẩn có 2 enzyme DNA polymerase là DNA polymerase I và polymerase III Enzyme tổng hợp kéo dài sợi mới trong quá trình sao chép nhiễm sắc thể ở E.coli là enzyme DNA polymerase III.DNA pol I và pol IIIđều có chức năng đọc sửa 3’-5’ exonuclease Hoạt tính tổng hợp và phân rã theo hướng 5’-3’, cả 2 đặc tính này đều có ở polypeptide của DNA polymerase III

- Sự tổng hợp hai mạch đơn mới xảy ra liên tục trên mạch bổ sung với sợi leading và gián đoạn trên sợi lagging

- Enzyme DNA pol III tổng hợp mạch bổ sung từ đầu 3’-OH tự do của mồi ARN

- Mạch khuôn được sử dụng đến đâu các protein SSB được giải phóng ra đến đó

- Vì chiều tổng hợp DNA luôn từ hướng 5’-3’, cho nên sự thành chuỗi polynucleotide mới trên 2 mạch khuôn diễn ra theo 2 hướng ngược chiều nhau

+Trên mạch khuôn hướng 3’-5’, sinh tổng hợp mạch đơn mới diễn ra theo chiều cùng hướng với hướng tháo xoắn, mạch này được tổng hợp liên tục được gọi là mạch tiến

+Trên mạch khuôn 5’-3’ sinh tổng hợp mạch đơn mới diễn ra theo hướng ngược với hướng tháo xoắn, xẩy ra không liên tục mà dưới dạng những đoạn ngắn gọi là đoạn Okazaki ( kích thước mỗi đoạn dài từ 1000 đến

2000 bp) mạch này gọi là mạch chậm hay lùi

- Quá trình hoàn chỉnh sợi mới tổng hợp