LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU SỰ SẮP XẾP CỦA CÁC DNA OLIGOMER TRÊN NHIỄM SẮC THỂ VI KHUẨN VÀ NẤM MEN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU SỰ SẮP XẾP CỦA CÁC DNA OLIGOMER TRÊN NHIỄM SẮC THỂ VI KHUẨN VÀ NẤM MEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU SỰ SẮP XẾP CỦA CÁC DNA OLIGOMER TRÊN NHIỄM SẮC THỂ VI KHUẨN VÀ NẤM MEN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Chuyên ngành: Mã số chuyên ngành: Công nghệ Sinh học 62428005 Phản biện độc lập 1: GS.TS Trần Linh Thước Phản biện độc lập 2: PGS.TS Trần Liên Hà Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Thị Lang Phản biện 2: PGS.TS Trần Văn Lăng Phản biện 3: PGS.TS Lê Thị Thủy Tiên NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Đức Lượng LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chữ ký Phan Thị Huyền TÓM TẮT LUẬN ÁN Nhằm mục tiêu đạt kiến thức sâu phân bố nucleotide phân tử DNA nhiễm sắc thể vi khuẩn nấm men, đồng thời để thiết lập phương pháp phân loại vi khuẩn có mối quan hệ tiến hóa gần cấp độ giống, luận án thực hai nội dung nghiên cứu sau: Nội dung 1: Nghiên cứu xếp oligomer phân tử DNA nhiễm sắc thể vi khuẩn nấm men Những tìm hiểu bước đầu xếp oligomer phân tử DNA nhiễm sắc thể bao gồm việc khảo sát mối quan hệ kích thước oligomer tính đối xứng phân tử DNA nhiễm sắc thể, xem xét tính bất đối xứng monomer cục đoạn DNA nhiễm sắc thể, đồng thời xác định có mặt oligomer dọc theo chiều dài sợi đơn phân tử DNA nhiễm sắc thể Các kết cho thấy kích thước oligomer lớn mức độ đối xứng phân tử DNA nhiễm sắc thể giảm, phân tử DNA nhiễm sắc thể mang tính đối xứng mức độ nhiễm sắc thể vùng cục phân tử DNA nhiễm sắc thể biểu tính bất đối xứng Ở mức độ nhiễm sắc thể, phân bố oligomer oligomer bổ sung đảo ngược (BSĐN) tương ứng chúng trình tự mang thơng tin mã hóa protein đóng góp tương đương với phân bố chúng trình tự khơng mã hóa protein vào tính đối xứng phân tử DNA nhiễm sắc thể Trong trình tự mang thơng tin mã hóa protein, trimer mã hóa codon phân bố theo qui tắc tương đương tần suất xuất chúng sở vị trí nucleotide codon định dạng sử dụng codon, góp phần tạo nên tính đối xứng phân tử DNA nhiễm sắc thể Các kết khám phá sâu cho thấy phân bố trimer mã hóa codon trình tự sense phân tử DNA nhiễm sắc thể có mối quan hệ mật thiết với phân bố chúng trình tự antisense phân tử Sự phân bố trimer mã hóa codon trình tự sense antisense dọc theo chiều dài phân tử DNA nhiễm sắc thể vi khuẩn sở mối quan hệ định hình rõ hai replichore Mật độ phân bố trimer mã hóa codon trình tự sense antisense hai replichore phân tử DNA nhiễm sắc thể vi khuẩn cho thấy trimer mã hóa codon trimer BSĐN tương ứng chúng sở mối quan hệ phân bố cân đối trình tự sense antisense hai replichore, góp phần tạo nên tính đối xứng phân tử DNA nhiễm sắc thể Trong trình tự khơng mã hóa protein, phân bố trimer không giống trình tự mang thơng tin mã hóa protein Nội dung 2: Ứng dụng phân bố trimer gene để phân loại vi khuẩn có mối quan hệ tiến hóa gần Trên sở tính đặc trưng loài sử dụng codon định dạng xếp trimer trình tự mang thơng tin mã hóa protein mức độ nhiễm sắc thể, tính đặc trưng lồi mật độ phân bố trimer gene xác định ứng dụng để phân loại vi khuẩn họ Enterobacteriaceae, Burkholderiaceae Pseudomonadaceae Kết nội dung nghiên cứu cho thấy mật độ phân bố trimer gene sử dụng để phân loại vi khuẩn cấp độ giống ABSTRACT Aims to get deep knowledge about the distribution of nucleotides in the chromosomes of bacteria and yeast, and to establish a method for classifying the closely related bacteria below genus level, this thesis has made two main research contents, as follows: Content 1: Study on the oligomer arrangement in the bacterial and yeast chromosomes Initial study includes the investigation on the relationship between the oligomer size and the chromosomal strand symmetry, the consideration of the monomer asymmetry of local sequences in the chromosome, and the determination of the presence of individual oligomers along the length of the single strand of chromosomal DNA molecules The results showed that the larger the oligomer size, the less symmetric the chromosomes were, and that while the whole chromosome was symmetric, the local sequences of the chromosomes were asymmetric At the chromosomal level, the distribution of oligomers and their respective reverse complements in the sequences that carried the information to encode proteins and that in the protein non-coding sequences contributed equivalently to the chromosomal strand symmetry In the sequences carrying information for encoding the proteins, the trimers were distributed according to a rule that exhibited the equivalence in their frequencies on the basis of the position of the nucleotides in a codon and thus shaping the codon usage, contributing to the chromosomal strand symmetry Deeper investigation results showed that the distribution of the codon encoding trimers in the sense sequences of each chromosome had a very close relationship with that in the antisense sequences The distribution of codon encoding trimers in the sense and antisense sequences along the length of the bacterial chromosomes on the basis of this relationship clearly shaped two replichores Densities of codon encoding trimers in the sense and antisense sequences on the replichores of the bacterial chromosome showed that the codon encoding trimers and their respective reverse complements on the basis of this relationship were distributed in the sense and antisense sequences to balance the two replichores, thus contributing to the bacterial chromosomal strand symmetry In the protein non-coding sequences, the distribution of trimers was different in comparison with that in the sequences that carried the information for encoding the proteins Content 2: Based on the species-specificity of the codon usage shaped by the trimer arrangement in the sequences that carried the information for encoding the proteins at the chromosomal level, the speciesspecificity of the trimer densities in genomes was determined and was applied in the classification of closely related bacteria belonging to the Enterobacteriaceae, Burkholderiaceae and Pseudomonadaceae families The results of this research content showed that the trimer densities in genomes could be used to classify the bacteria below genus level LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Nguyễn Đức Lượng tận tình hướng dẫn giúp đỡ, lời cảm ơn chân thành xin gửi đến tập thể Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học tạo điều kiện thuận lợi cho tơi thực hồn thành luận án Xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Ban Chủ Nhiệm Văn Phịng Khoa Kỹ Thuật Hóa Học giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận án Xin cảm ơn Q Thầy, Cơ Hội đồng đánh giá chuyên đề Tiến sĩ, Quí Thầy, Cô Hội đồng đánh giá luận án cấp Bộ Mơn, cấp Khoa cấp Trường đóng góp ý kiến q báu cho tơi thực hồn chỉnh luận án Xin cảm ơn Q Thầy, Cơ, anh, chị, em Khoa Kỹ Thuật Hóa Học động viên khích lệ, cảm ơn bạn bè cổ vũ động viên tơi lúc khó khăn trình thực luận án Cuối cùng, xin cảm ơn Mẹ gia đình sát cánh bên con, cho động lực để cố gắng Nghiên cứu sinh Phan Thị Huyền MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH PHỤ DANH MỤC BẢNG PHỤ CÁC TỪ VIẾT TẮT DNA Deoxyribonucleic acid A Adenine C Cytosine G Guanine T Thymine NST Nhiễm sắc thể bp Base pair kbp Kilobase pair Mb Megabase kDa Kilodalton BSĐN Bổ sung đảo ngược Sợi T Sợi đơn DNA làm khuôn cho trình phiên mã Sợi NT Sợi đơn DNA bổ sung với sợi làm khn cho q trình phiên mã rDNA ribosomal DNA rRNA ribosomal RNA mRNA RNA thông tin tRNA RNA vận chuyển NCBI National Center for Biotechnology Information CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Cùng với tiến tin học sinh học kỹ thuật thao tác sinh học phân tử, trình tự hồn chỉnh gene (genome) trở thành nguồn thông tin q giá hỗ trợ cho việc tìm hiểu cấu trúc gene trình sinh học xảy tế bào sinh vật Các mối liên hệ cấu trúc gene trình sinh học xảy tế bào xác định thơng qua việc thay đổi xóa bỏ trình tự nucleotide gene Tuy nhiên, kỹ thuật cao sinh học phân tử chưa đủ để việc thay đổi xóa bỏ trình tự nucleotide gene thành công Các nghiên cứu gần số nhà khoa học giới việc tìm hiểu, thay đổi tạo trình tự gene tiết lộ liên quan xếp nucleotide gene đến số trình sinh học xảy tế bào [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7] Các kết nghiên cứu cho thấy q trình sinh học tác động lên thành cơng thí nghiệm tìm hiểu, thay đổi tạo trình tự gene Mặc dù sinh vật khác có gene với trình tự nucleotide khác nhau, nghiên cứu vào năm 2001 [8] 2002 [9] cho thấy phân tử DNA nhiễm sắc thể gene có chung đặc điểm, tính đối xứng Khơng tính đối xứng sở khoảng cách hai vật thể thường đề cập hình học, tính đối xứng phân tử DNA nhiễm sắc thể sinh vật đặc điểm dựa phân bố nucleotide phân tử DNA nhiễm sắc thể Rõ ràng, phân tử DNA nhiễm sắc thể khơng giống trình tự nucleotide lại giống đặc tính đối xứng, có nghĩa nucleotide phải xếp theo qui tắc để phân tử DNA nhiễm sắc thể trở nên đối xứng Tuy nhiên, chưa có qui tắc xếp nucleotide phân tử DNA nhiễm sắc thể công bố Mặt khác, nhờ phát triển vượt trội kỹ thuật xác định trình tự DNA, số lượng vi sinh vật với trình tự gene xác định hoàn chỉnh tăng lên đáng kể [10] Sự góp mặt trình tự gene hoàn chỉnh vi sinh vật mở hướng cho việc nhận biết loài, việc phân loại vi sinh vật cách nhanh chóng dựa mức độ đồng dạng trình tự 16S rDNA – trình tự mang thơng tin mã hóa cho thành phần 16S rRNA máy tổng hợp protein ribosome Tuy nhiên, trình tự 16S rDNA gần phát không đủ đặc trưng để sử dụng với vai trò này, đặc biệt phân loại vi sinh vật cấp độ giống (genus), mà loài giống chủng (strain) loài (species) không giống khả gây bệnh cho người, thực vật động vật cần phân biệt [11], [12], [13], [14], [15], [16] Các trình tự nucleotide tổng thể gene có tính đặc trưng lồi, việc so sánh trình tự để xây dựng mối quan hệ tiến hóa lồi vấn đề khơng đơn giản Việc tìm cơng cụ để phân loại sinh vật nhờ trình tự nucleotide hồn chỉnh gene cho đời phương pháp phân loại dựa dấu hiệu gene (genomic signature) – dấu hiệu phát sở tần suất xuất oligomer trình tự nucleotide nhiễm sắc thể Tuy nhiên, phương pháp phân loại sinh vật dựa dấu hiệu gene nói chung phức tạp phương thức thuật toán sử dụng Chúng chưa sử dụng cách thống khơng thể phân biệt số vi sinh vật không đủ đặc trưng để phân biệt số vi khuẩn cấp độ giống [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23] 10 ... sp PCC6803 vào nhiễm sắc thể vi khuẩn B subtilis cách chèn toàn DNA nhiễm sắc thể Synechocystis vào điểm phân tử DNA nhiễm sắc thể Bacillus Thí nghiệm thành cơng phân tử DNA nhiễm sắc thể tạo thành... histone DNA sợi đơi Các hình màu đen-trắng hình ảnh DNA nhiễm sắc thể kính hiển điện tử vi truyền suốt [25] 2.4 SỰ SAO CHÉP DNA NHIỄM SẮC THỂ 2.4.1 Sự chép DNA nhiễm sắc thể tế bào vi khuẩn Ở... quan hệ tiến hóa gần cấp độ giống, luận án thực hai nội dung nghiên cứu sau: Nội dung 1: Nghiên cứu xếp oligomer phân tử DNA nhiễm sắc thể vi khuẩn nấm men Những tìm hiểu bước đầu xếp oligomer