Bài giảng SHPT nâng cao

Bài giảng SHPT nâng cao Chương 1. Cơ chế biểu hiện gen trong thực vật 1. Khái niệm cơ bản - Sự đa dạng vĩ đại và chức năng tuyệt vời của thực vật - Quá trình tích lũy đặc thù vị trí của những protein đặc thù phản ảnh quá trình điều hòa. - Quá trình tổng hợp, vận chuyển và tan dã các phân tử protein và RNA được điều hòa rất nghiêm ngặt. - Điều hòa theo cả 2 cơ chế là phản ứng tăng cường và ức chế - Các yếu tố promoter, enhancer, silencer, các yếu tố phiên mã và các yếu tố gây biến đổi nhiễm sắc đóng vai trò làm tăng cường hay ức chế phiên mã gen. - Cơ chế điều hòa gen có liên quan đến phản ứng với auxin - Cắt nối thay thế nhau các tiền phiên mã có liên quan đến điều hòa biểu hiện gen. - Điều hòa thông qua quá trình dịch mã tạo protein và vận chuyển protein. - Thiết kế promoter và các yếu tố phiên mã sử dụng trong công nghệ sinh học nhằm điều hòa hoạt động của gen. - Kiểu hình là kết quả tương tác giữa kiểu gen với các yếu tố môi trường bên trong và ngoài cơ thể, trong đó kiểu gen đóng vai trò quyết định, môi trường đóng vai trò quan trọng. 1 - Sự thành công của cây trồng được đánh giá thông qua một số thông số: + Thông qua khả năng sinh sản, sinh ra được nhiều con cháu, hệ số nhân cao. + Các con cháu lại có khả năng sống sót và tồn tại rồi phát triển tốt, tỷ lệ sống sót cao. + Rồi các con cháu này lại tiếp tục tồn tại và sống sót cao và cứ như vậy. - Khả năng thành công của thực vật đòi hỏi khả năng thích ứng của sinh vật đó với các điều kiện môi trường khác nhau và luôn thay đổi từ khi hạt nẩy mầm đến khi cây có khả năng sinh sản tạo ra hạt mới và phát tán đi. - Hầu hết các chức năng của thưc vật đều được thực hiện thông qua hoạt động của các protein. - Biểu hiện của gen được phản ảnh thông qua quá trình sinh ra những protein đặc thù và sự điều khiển chúng thông qua các khía cạnh là chúng được sinh ra ở đâu, khi nào sinh ra và sinh ra được bao nhiêu. 2. Sự đa dạng vĩ đại và chức năng tuyệt vời của thực vật - Cây Sequoiadendron giganticus trưởng thành có kích thước 2.5 x 10 11 lớn hơn hạt của nó. - Một chồi măng có thể sinh trưởng tới 1 m/ 1 ngày. - Khả năng thoát hơi nước, một cây ngô trong chu kỳ sống có thể thoát hơi nước hết 200 lít. - Sinh sản bao gồm quá trình ra hoa, kết hạt, hình thành quả và sự chín của hạt. 2 - Đặc tính phẩn quang của cây bao gồm tính hướng và phản ứng quang chu kỳ. - Thực vật có khả năng chống lại sâu bệnh và sự xâm thực bởi các thực vật khác. - Thực vật có khả năng chống chịu lại các điều kiện vô sinh bất thuận như hạn, nhiệt độ quá thái và các điều kiện về đất. - Hiện tượng cây Crocus nẩy chồi chui lên từ lớp tuyết sâu, cây nắp ấm thuộc họ ly tiết ra các chất bay hơi nhằm hấp dẫn các loại ruồi nhặng đến để ăn thịt, tiêu hóa côn trùng để lấy phospho và đạm. 3. Cơ chế điều khiển biểu hiện gen Dòng thông tin di truyền từ gen (DNA) phiên mã tạo thành RNA dịch mã thành Protein, các protein này sau đó biến đổi sau dịch mã để đi vào ty thể, nạp thể, các cơ quan tử khác hay xuất ra ngoài tế bào. Tất cả các quá trình đó đều được điều khiển tăng cường, ức chế hay bị phân rã ở các mức độ bao nhiêu, khi nào và ở đâu. 3.1. Nhiễm sắc chất và quá trình điều hòa phiên mã - DNA nằm trong nhiễm sắc thể, cấu trúc với protein histone tạo thành các nucleosome (146 bp quấn quanh 8 phân tử protein histone) và solenoid. Trình tự DNA nào nằm trong các cấu trúc này thường khó hoạt động và không phiên mã. - Thí nghiệm chứng minh rằng, những vùng genome nào sẵn sàng phiên mã thường có đặc tính mẫn cảm với các enzyme deoxyribonuclease, các enzyme này có tác dụng làm lỏng lẻo cấu trúc nhiễm sắc. 3 - Nếu acetyl protein histone tại vùng đuôi amino acid, có ảnh hưởng đến quá trính bám gắn của protein với DNA do đó DNA nhân được cởi nút đã làm tăng cường quá trình phiên mã các vùng DNA lân cận. - Phiên mã gen có liên quan mật thiết đến cấu trúc của gen, đặc biệt là ở vùng promoter, hộp CAAT và TATA (-25 - -30), một số gen có thể trình tự 5UTR và 3UTR hoặc intron thậm trí ở cả những vùng mã hóa cũng có thể tham gia vào thành phần promoter. Hình. Sơ đồ gen eukaryote điển hình - Hoạt động của enzyme RNA polymerase II chịu tác động tham gia bởi nhiều yếu tố phiên mã TF đặc thù khác. Sơ đồ và các bước tác động theo thứ tự DNA + TFIID, TFIIB, TFIIA, RNA Pol II, TRIIE và TFIIH. Chương 16 KIỂM TRA DI TRUYỀN PHẢN ỨNG MIỄN DỊCH - Khi một chất ngoại lai mang đặc tính kháng nguyên (antigen, thí dụ như protein vỏ của virus) được đưa vào máu của động vật có vú chúng sẽ kích thích tạo cơ chế bảo vệ hay phản ứng miễn dịch, kết quả sẽ tổng hợp nên một nhóm các protein cực quan trọng được gọi là các kháng thể (antibody). - Mỗi kháng thể có một kháng nguyên tương ứng đặc hiệu. Các kháng thể này sẽ bọc đặc thù lấy kháng nguyên tương ứng sau đó tạo điều kiện thuận lợi để đưa chúng qua máu ra khỏi cơ thể. - Các nhà khoa học đã khám phá ra có một số trình tự DNA mã hóa một khối lượng khổng lồ các kháng thể trong hệ thống miễn dịch ở động vật có vú. Các trình tự DNA này được lắp ghép trong quá trình phân hóa ở trong các tế bào sản sinh kháng thể bằng cách xẩy ra các sự kiện sắp xếp lại genome (genome rearrangements). 4 1. Thành phần của hệ thống miễn dịch - Tế bào bạch cầu của máu động vật đóng vai trò trung tâm trong phản ứng miễn dịch của động vật có xương sống. - Có ba loại tế bào bạch cầu khác nhau đảm nhiệm phản ứng miễn dịch đó là: + Tế bào lympho B (lymphocyte B) gọi tắt là tế bào B vì nó được sinh ra ở trong các tế bào tủy sống của động vật có xương sống. + Tế bào lympho T (lymphocyte T) được gọi tắt là tế bào T vì nó được sinh ra từ tuyến giáp trạng (thymus gland). + Tế bào đại thực bào (macrophage). - Hình 16.1 mô tả sơ đồ các thành phần của hệ thống miễn dịch ở động vật có xương sống. - Kháng thể được tổng hợp bởi tế bào B, khi được tiết ra ngoài tế bào hoặc nằm trên bề mặt màng tế bào B tùy theo một số điều kiện nhất định. - Trong quá trình phản ứng miễn dịch thể dịch (humoral immune response) thì các kháng thể được sinh ra từ tế bào B sẽ ra ngoài tế bào và bọc đặc thù lấy kháng nguyên nằm tự do ở trong máu và kết dính (agglutination) chúng lại. 5 - Phức hợp giữa kháng thể với kháng nguyên này sau đó được đại thực bào nuốt vào bên trong rồi bị phân rã (hình 16.1 trái) - Tế bào T làm môi trường trung gian cho quá trình phản ứng miễn dịch của tế bào. Tế bào T tổng hợp nên chất tiếp nhận (protein thụ cảm) với kháng nguyên, chất tiếp nhận nhận biết kháng nguyên nằm trên bề mặt màng tế bào T có tác dụng kích hoạt quá trình phân rã những tế bào nào có chứa các kháng nguyên, như các tế bào bị nhiễm virut chẳng hạn như hình 16.1 (phải). - Các tế bào T khác nhau có biểu hiện chức năng này hơi khác nhau. - Tuy nhiên, nhìn chung quá trình tấn công của tế bào T vào những tế bào mang kháng nguyên yêu cầu có sự tham gia của cả chất (protein) tiếp nhận tế bào T đặc thù (specific T cell receptor) với một hoặc một số chất (proteins) tiếp nhận kháng nguyên tương hợp (histocompatibility antigen receptor). 6 - Cơ chế của mối tương tác giữa chất tiếp nhận tế bào T đặc thù với chất tiếp nhận kháng nguyên tương hợp sẽ được mô tả ở các phần dưới đây. 2. Nguồn sinh kháng thể khổng lồ - Có sự đa dạng vô tận các kháng thể có thể được tổng hợp nếu khi gặp các kháng nguyên trong cơ thể động vật mà trước đó chúng có thể chưa từng gặp. - Làm thế nào một cơ thể động vật có thể tổng hợp được kháng thể nhất định để bọc rất đặc thù đối với mỗi một kháng nguyên đặc thù mà trước kia nó chưa bao giờ biết hoặc đối mặt với kháng nguyên đó. - Làm thế nào một cơ thể có đầy đủ các thông tin di truyền để mã hóa cho các trình tự amino acid của một đa dạng vô tận của các kháng thể. - Chúng ta không thể biết được có bao nhiêu kháng thể mà đời một người hay một con chuột có thể tạo ra, nhưng chúng ta biết chắc rằng con số này sẽ rất lớn, được tính bằng hàng triệu. - Chắc chắn rằng không thể tất cả các gen trong một cơ thể con người có bộ genome chứa 3,2 tỷ bp đều sinh ra kháng thể. a/ Các giả giả thuyết về khả năng tạo ra tính đa dạng kháng thể Hiện có 3 giả thuyết đưa ra giải thích hiện tượng này: + Thuyết dòng mầm (germ line) cho rằng có một gen dòng mầm tách biệt đối với mỗi một kháng thể. Thuyết này đúng về khía cạnh tổng hợp protein nhưng lại phi lý vì không có đủ DNA để đảm nhận chức năng này. + Thuyết đột biến Soma cho rằng chỉ có một hoặc một vài gen dòng mầm đặc thù cho mỗi một lớp kháng thể chủ yếu và tính đa dạng được sinh ra bởi tần số cao của đột biến soma. Là đột biến xảy ra trong các tế bào soma sản sinh ra kháng thể hoặc xẩy ra ở trong các tế bào mầm sinh ra tế bào tạo kháng thể. Tuy nhiên, hiện chưa có một phát hiện nào cho thấy có một tần suất đột biến cao chỉ xẩy ra ở trong những gen nhất định và chỉ ở trong những loại tế bào nhất định. Tuy nhiên, bằng cơ chế nào quá trình đó xẩy ra và làm thế nào quá trình đó được điều khiển thì vẫn không rõ. 7 + Thuyết gen nhỏ (minigene) cho rằng sự đa dạng của kháng thể là do sự thay đổi của nhiều đoạn nhỏ của một vài gen tạo thành một vô số các tổ hợp có thể. Sự sắp xếp lại có thể xẩy ra bằng các quá trình tái tổ hợp trong tế bào soma. Quá trình này đòi hỏi cơ chế hoàn toàn khác biệt trong việc sắp xếp lại các đoạn DNA trong genome. - Hiện nay chúng ta biết rõ rằng thuyết gene nhỏ đã giải thích đúng về sự đa dạng của các kháng thể quan sát thấy. Tuy nhiên, đột biến soma cũng đóng góp làm tăng thêm sự đa dạng của các kháng thể. Hơn nữa, chúng ta biết rõ rằng có một đoạn ở vùng bảo thủ của mỗi một chuỗi kháng thể được đặc thù bởi một gen hay một đoạn gen, đoạn gen này có trong genome với chỉ một số ít copy. Bởi thế tất cả ba thuyết nêu trên đều đúng ở một khía cạnh nào đó. b/ Cấu trúc của kháng thể - Kháng thể thuộc vào một lớp các protein là globulin miễn dịch (immunoglobulin), mỗi kháng thể chứa 4 chuỗi polypeptide, hai chuỗi nặng giống nhau và hai chuỗi nhẹ 8 giống nhau, chúng gắn với nhau bằng liên kết lưu huỳnh (hình 16.2 thiếu). - Chuỗi nhẹ dài 220 amino acid, chuỗi nặng dài khoảng 440 – 450 amino acid. Mỗi chuỗi nặng và nhẹ đều có một vùng biến động nằm ở đầu tận cùng đầu chứa amin của trình tự amino acid, trong vùng này thường xuyên thay đổi để kháng thể tạo ra có tính đặc thù cao cho mỗi kháng nguyên khác nhau. Vùng bảo thủ nằm ở đầu carboxyl có trình tự amino acid giống nhau trong tất cả các kháng thể thuộc cùng một lớp Ig nhất định. Vùng này không có liên quan gì đến tính bọc đặc thù đối với kháng nguyên. Vùng biến động của tất cả các chuỗi kháng thể đều dài khoảng 110 amino acid. - Vùng protein mang chức năng đặc thù được gọi là trung tâm (domain), mỗi kháng thể có hai vị trí trung tâm bọc kháng nguyên đặc thù. Mỗi trung tâm bọc kháng 9 nguyên đặc thù được hình thành ở vùng biến động, một ở chuỗi nặng và một ở chuỗi nhẹ (hình 16.3). - Vùng bảo thủ, của hai chuỗi nặng tương tác với nhau để hình thành nên một vị trí trung tâm bọc kháng nguyên thứ ba gọi là effector (effector function domain), vị trí này chịu trách nhiệm giúp kháng thể tương tác một cách chính xác với các thành phần khác của hệ thống miễn dịch. - Có 5 lớp kháng thể tồn tại là: IgM, IgD, IgG, IgE, và IgA, chúng được phân chia dựa trên cơ sở cấu trúc vùng bảo thủ của chuỗi nặng hay cấu trúc của vùng chức năng effector. Thí dụ kháng thể IgD luôn luôn được bám lên bề mặt màng các tế bào sinh ra chúng, còn kháng thể IgG thì lại luôn luôn được tiết ra ngoài, đi vào máu đi vòng quanh cơ thể. - Chuỗi nhẹ kháng thể có hai loại là kappa và lamda, chúng được xác định dựa trên cơ sở cấu trúc vùng bảo thủ của chuỗi nhẹ. - Một số kháng thể có thể có tính đặc thù bọc kháng nguyên giống nhau, điều này là do các vùng biến động của 4 chuỗi tạo nên, nhưng lại có chức năng miễn dịch khác nhau, vì chức năng này được xác định là do vùng bảo thủ của chuỗi nặng quyết định. - Bởi thế, khi chúng ta kiểm tra cấu trúc của các kháng thể chúng ta thấy tính đa dạng của chúng thường nằm ở hầu hết vùng biến động của phân tử kháng thể. Nếu các polypeptide này được tổng hợp từ các trình tự cặp Nu trên đường thẳng của các gen, nếu một gen sinh ra một polypeptide, thì genome phải chứa một dãy khổng lồ các gen có trình tự biến động cao tại đầu này còn đầu kia phải có trình tự giống nhau cần thiết. - Nhờ kỹ thuật tái tổ hợp DNA chúng ta có thể tách, xác định được trình tự của nhiều đoạn DNA trên nhiễm sắc thể của chuột và người mã hóa tạo ra các chuỗi kháng thể. Kết quả đã giải thích được cơ chế tạo ra sự đa dạng khổng lồ của các kháng thể trong cơ thể chúng ta. 3. Sự đa dạng kháng thể là do sự sắp xếp lại Genome trong quá trình phân hóa tế bào B 10 [...]... chức năng bài tiết và bám vào màng tế bào của một kháng thể nhất định Kháng thể đầu tiên xuất hiện trong tế bào B đang phát triển là các phần tử kháng thể IgM bọc lên màng tế bào Kết quả làm tế bào này chuyển thành có khả năng tạo ra dạng bài tiết cho kháng thể IgM Hai dạng kháng thể IgM trên chỉ khác nhau ở phần đầu tận cùng C của chuỗi nặng Chuỗi nặng của dạng bọc lên màng dài hơn dạng bài tiết dài... từ đầu cuối của exon thứ 4 (hình 16.7 b) vì thế đã làm thay đổi trình tự amino acid Trong kháng thể bài tiết, có chứa vùng bảo thủ của chuỗi nặng là sản phẩm của 4 exon đầu (hình 16.7c) - Việc sử dụng các đường hướng khác nhau trong quá trình phiên mã và thành thục RNA để tổng hợp lên các dạng kháng thể bài tiết và bám màng đã được xẩy ra đối với lớp kháng thể IgM Bằng chứng gần đây chứng tỏ rằng đường... đầu tận cùng C, nơi này có thể là một trình tự chịu trách nhiệm gắn bám lên bề mặt màng tế bào Trình tự kỵ nước này nếu được thay thế bằng một trình tự kỵ nước khác dài 20 amino acid sẽ tạo thành dạng bài tiết - Trình tự mã hóa các exon của các đoạn gen C H bị ngắt quãng bởi các trình tự không mã hóa intron, giống như đối với nhiều gen của sinh vật nhân chuẩn, các đoạn gen CH chứa từ 4- 6 exon và 3... chuỗi kháng thể gây nên Thí dụ số lượng chuỗi nhẹ kappa ở người có thể có là 300 đoạn gen V K x 5 đoạn gen Jk sẽ bằng 1500 đoạn gen VKJK được hình thành Vùng biến động của chuỗi nặng còn tạo ra sự đa dạng cao hơn nhờ các đoạn gen D của nó được nhân bội lên Nếu giả sử có 300 đoạn gen V H, 25 đoạn đoạn gen D và 6 đoạn gen J H trong dòng tế bào mầm ở người, thì sẽ có 45000 vùng biến động của chuỗi nặng khác... lượng lớn các gen Hơn nữa, nhiều gen chứa một số lượng lớn các allen xác định và khả năng mà có 2 cá thể bất kỳ nào giống nhau về tất cả các gen MHC là cực kỳ nhỏ 25 - Các gen MHC có tính đa hình rất cao do có một số lượng lớn alen của những gen cá biệt thường được phân ly trong một quần thể nhất định - Gen MHC mã hóa 3 lớp protein khác nhau có liên quan đến nhiều khía cạnh của phản ứng miễn dịch Cấu... là không có quá trình tái sắp xếp lại 26 genome liên quan đến kiểm tra di truyền tạo ra sự đa dạng kháng nguyên MHC Thay vào đó, sự đa dạng quan sát được là do có một số lớn các gen MHC có tính đa hình cao 12 Tóm lại - Hệ thống miễn dịch động vật xương sống giúp bảo vệ chúng chống lại sự xâm nhiễm của vi sinh vật gây bệnh và các chất ngoại lai khác Hệ thống miễn dịch rất phức tạp, có liên quan đến 3... hợp tương hợp ghép mô (HLA) Ở người thường chịu trách nhiệm gây đào thải mô, trong phẫu thuật cấy ghép mô và cơ quan Các gen mã hóa kháng nguyên tương hợp ghép mô thuộc lớp I thường có tính đa hình rất cao, bởi vậy cá thể khác nhau thường mang những kháng nguyên tương hợp ghép mô không giống nhau 29 Chương 17 Cơ chế di truyền điều khiển quá trình phân chia tế bào, gen ung thư và tiền ung thư I Đặt vấn... qua lại rất phức tạp giữa các mô, cơ quan thực động vật đa bào nên sự liên lạc giữa các tế bào đóng một vai trò trung tâm và cần thiết trong quá trình sinh trưởng tế bào và phân hóa động thực vật bậc cao 33 - Làm thế nào các tế bào liên lạc được với nhau? Cơ chế nào quá trình phân hóa, sinh trưởng và phân chia tế bào được điều khiển - Hiện nay chúng ta biết rằng có rất nhiều yếu tố kích thích hoặc... không còn khả năng phân chia hoặc là mất khả năng dừng phân chia - Hiện tại chúng ta chưa rõ chi tiết quá trình phân chia tế bào được kiểm soát như thế nào đối với bất kỳ tế bào của bất kỳ động vật bậc cao nào, và chúng ta chưa nhận diện được hết tất cả các gen điều hòa điều khiển quá trình này ở bất kỳ sinh vật nhân chuẩn nào Tuy nhiên những nghiên cứu gần đây về các gen của virut gọi là gen ung thu . Bài giảng SHPT nâng cao Chương 1. Cơ chế biểu hiện gen trong thực vật 1. Khái niệm cơ bản - Sự đa dạng vĩ. con cháu, hệ số nhân cao. + Các con cháu lại có khả năng sống sót và tồn tại rồi phát triển tốt, tỷ lệ sống sót cao. + Rồi các con cháu này lại tiếp tục tồn tại và sống sót cao và cứ như vậy. -. năng tạo ra dạng bài tiết cho kháng thể IgM. Hai dạng kháng thể IgM trên chỉ khác nhau ở phần đầu tận cùng C của chuỗi nặng. Chuỗi nặng của dạng bọc lên màng dài hơn dạng bài tiết dài 21 amino