CẤU TRÚC NST & SỰ TÁI BẢN DNA

Khái quát chung về NST 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 chứa nhiều gen,cấu trúc quy định và các

CẤU TRÚC NST &

SỰ TÁI BẢN DNA

Khái quát chung về NST

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

NST khác nhau ở các sinh vật khác nhau Phân tử ADN có thể hình tròn, hình que…

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

I Cấu trúc của nhiễm sắc thể

1 Nhiễm sắc thể virus

• NST của virus có thể là phân tử

ADN hay ARN

• Về thành phần hoá học thì nó

chỉ chứa polynucleotide, không

chứa các vật liệu phi

polynucleotide

• Về phương diện di truyền,

chúng hoạt động theo cấu trúc

duỗi thẳng, như thế, bản đồ di

truyền của chúng có điểm khởi

đầu và điểm tận cùng

2 Nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân sơ

Tế bào vi khuẩn và vi khuẩn lam có

nhân nguyên thuỷ (procaryota) phân

• Tính siêu xoắn chịu sự kiểm soát

của enzyme topoisomerase NST

dạng xoắn có chứa các chuỗi ARN

mới tổng hợp, polymerase ARN

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

3.1 Cấu trúc trên phân tử của sợi nhiễm sắc

Nhiễm sắc thể có cấu trúc gồm bốn bậc cấu trúc không gian:

- Cấu trúc bậc 1: Sợi cơ bản – nucleosome

- Cấu trúc bậc 2: Sợi chất nhiễm sắc- solenoid

- Cấu trúc bậc 3: Sợi tiền cromatid

Cấu trúc bậc 1 của sợi nhiễm sắc:

- Sợi ADN quấn quanh các protein histone tạo nên nucleosome

- 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 DNA cuốn quanh các hạt này được 13/4 vòng tương ứng với 146 cặp nu

- Nối 2 hạt nucleosome là 1 đoạn DNA không cuốn histone

- Giữa 2 hạt còn có phân tử histone H1 có vai trò đặc biệt trong việc ổn định cấu trúc của chuỗi hạt

Nucleosome

Cấu trúc bậc 2

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

- 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

Cấu trúc bậc 3

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

Cấu trúc bậc 4

• Cuối cùng, cấu trúc bậc 3 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 NST

3.2 Cấu trúc nhiễm sắc thể ở trung kỳ

- Các NST ở kỳ trung gian: gồm 2 sợi nhiễm sắc tử (chromatide) phân biệt nhau và dính với nhau ở tâm động

- Mỗi chromatide có bao ngoài, trong chứa sợi nhiễm sắc (chromonema) đường kính khoảng 20Å

- Tâm động( eo thắt sơ cấp): 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

Vị trí tâm động trên NST NST ở trung kỳ

• Eo thắt thứ cấp - thể kèm (vệ tinh): trên NST còn thấy

- Hạt nhiễm sắc chính là phần xoắn của sợi nhiễm sắc

• 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)

Vị trí telomere

• Mỗi một NST thường được phân hoá thành 2 miền khác nhau là miền

dị nhiễm sắc (heterochromatine) và miền nguyên nhiễm sắc

II Tái bản DNA

• 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)

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

• Điểm khởi đầu sao chép:

Ở vi khuẩn chỉ có 1 điểm khởi đầu sao chép

Ở eurcaryota quá trình tái bản diễn ra tại nhiều điểm

Đơn vị tái bản là vùng DNA được tái bản từ 1 điểm khởi đầu gọi là replicon

1 Tái bản DNA ở sinh vật nhân sơ

Cơ chế tái bản:

• Quá trình tháo xoắn:

Enzyme Topoizomerase

(gyrase) cắt đứt 1 mạch

của chuỗi xoắn kép rồi

nhanh chóng nối lại

Kết quả của quá này tạo

ra chạc tái bản, sẵn sàng

cho quá trình tổng hợp

sợi đơn mới

Sơ đồ chạc 3 tái bản DNA

 Enzyme Helicase phá vỡ liên kết hydro giữa các bazơ trên 2 sợi đơn bổ sung giúp hai mạch đơn tách rời nhau

 Protein SSB(single strand binding proteins, SSBPs) gắn lên khắp các nơi của mạch đơn làm 2 mạch đơn ổn định và không kết hợp lại với nhau

• Quá trình lắp ráp:

 Nếu mạch khuôn là đầu 3’ sẽ tiến hành tổng hợp liên tục, còn mạch khuôn là đầu 5’ sẽ tổng hợp đứt đoạn theo từng đoạn okazaki

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

- Việc tổng hợp RNA mồi do enzyme có tên là primase tiến hành

- Primosome tiến hành phản ứng sinh mồi đầu tiên cho

mạch tiến ( leading) và mạch lùi (lagging)

 Tham gia tổng hợp DNA ở vi khuẩn có enzyme DNA

polymerase I và polymerase III

- 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

 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(leading strand)

 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(lagging strand)

• Quá trình hoàn chỉnh sợi mới tổng hợp

- Sau khi tái bản kết thúc, các mồi RNA bị phân rã bởi hoạt tính 5’-3’ exonuclease của DNA pol I, để lại các lỗ hổng, sau đó các lỗ hổng này được lấp đầy nhờ chính enzyme DNA polymerase I

- Tiếp theo enzyme ligase sẽ nối tất cả chỗ giãn đoạn trên mạch mới

Tái bản DNA ở sinh vật nhân sơ

2 Tái bản DNA ở sinh vật nhân chuẩn:

• Ở sinh vật nhân chuẩn quá trình tái

bản bắt đầu từ nhiều điểm, diễn ra

theo 2 chiều dẫn tới các vòng hợp

nhất

• So với tái bản ở sinh vật nhân sơ

thì tái bản ở sinh vật nhân chuẩn

phức tạp hơn và diễn ra chậm hơn

• Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm

ngặt quá trình sao chép

a Các enzyme tham gia tái bản DNA ở sinh vật nhân chuẩn:

• Enzyme topoizomrase (gyrase) cắt ADN ở 1 sợi và khôi

• ADN polymerase β tổng hợp và sửa chữa để hoàn chỉnh

sợi đơn DNA

• ADN polymerase ɣ được tìm thấy ở ty thể, lạp thể

• ADN polymerase δ

• Ngoài các enzyme trên còn có sự tham gia của nhiều

protein chuyên biệt: CAF-1, protein β, RF-A và RF-C

• Enzyme polymerase α sau khi được giải phóng sẽ chuyển đến

mạch đối diện và tổng hợp liên tục mạch

Tái bản DNA ở sinh vật nhân chuẩn

Kết thúc tổng hợp tại đầu telomere của mỗi nhiễm sắc thể:

• Ở mạch tiến, sợi đơn mới được kéo dài từ điểm khởi đầu tới điểm kết thúc nhưng ở mạch lùi thì còn một đoạn kết thúc trống chưa chạm đến đầu 3’

• Để không bị mất DNA telomere ở đầu 3’ thì cần một enzyme tên

là telomerase để gắn thêm các cặp nu vào đầu 3’ của DNA telomere, bổ sung với đoạn lặp lại

• Tiếp theo enzyme telomerase RNA sẽ di chuyển sang phải dọc theo phân tử DNA vì vậy đầu 3’ có thể kéo dài thêm nhờ hoạt tính trùng phân

• Sau đó, enzyme primase, xúc tác tạo mồi và DNA polymerase sử dụng đầu 3’ làm nguyên bản để lấp đầy đầu cuối cho mạch đơn DNA kia

• Cuối cùng loại bỏ mồi va ligase sẽ nối chỗ trống lại Kết quả chiều dài của NST qua mỗi lần tái bản không thau đổi

Tổng hợp đoạn Telomere

3 Tái bản DNA theo kiểu vòng lăn

• Tái bản bắt đầu từ một điểm cắt trên

một sợi của chuỗi DNA kép Từ điểm

cắt mở ra đầu 3’-OH và đầu 5’-P

- DNA helicase và protein SSB bám vào

mạch đôi, tháo xoắn và giữ cho hai mạch

luôn tách nhau

- Sự tổng hợp mới bắt đầu bằng sự lắp ráp

vào đầu 3’-OH (tạo mạch tiến, liên tục),

đồng thời đầu 5’-P dịch khỏi vòng và sự

lắp ráp được tiến hành theo những đoạn

nhỏ( mạch lùi, gián đoạn)

- Khi sự chuyển động kết thúc một vòng,

thì một vòng AND mới được hoàn tất

Sửa chữa sai sót khi tái bản DNA

• Trong quá trình sao chép có thể xảy ra các sai sót như gắn nhầm các nu mà không theo nguyên tắc bổ sung hoặc các chất hóa học có khả năng thay thế các nu

• Để đảm bảo sự sao chép chính xác tế bào phải có cơ chế để kiểm soát việc này:

 Cơ chế đọc sửa của DNA pol I và III là cơ chế quan trọng nhất

 Enzyme hoạt quang

 Sửa chữa bằng tái tổ hợp

 Cơ chế cắt bỏ và chỉnh sửa đúng

Kết luận

• Cấu trúc trên phân tử của sợi nhiễm sắc và quá trình kết tụ của

nó có ý nghĩa lớn trong sự hoạt hóa gene thể hiện thông tin di truyền, trong sự vận động, phân phối đều và chính xác vật chất

di truyền cho các thế hệ tế bào

• Tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn có sự khác nhau nhưng đều tuân theo nguyên lý bán bảo toàn (do quy tắc

bổ sung giữa các cặp bazo) Qua đó đảm bảo sự tái bản ổn định và chính xác Tuy nhiên quá trình tái bản AND cũng có thể chịu một số tác động ngoại cảnh gây ra sự đột biến tạo ra những đặc trưng di truyền mới làm nguyên liệu cho tiến hóa