CẤU TRÚC GENE của PROKARRYOTE

Sinh vật prokaryote có bộ gen gồm: Một hoặc một vài phân tử DNA mạch kép dạng vòng, dạng sợi hoặc cả dạng vòng và dạng sợi. Bộ gen của sinh vật prokaryote chưa có cấu trúc nhiễm sắc thể điển hình, cấu trúc bộ gen đơn giản, kích thước bộ gen nhỏ, số lượng gen ít. Bộ gen prokaryote có tỷ lệ DNA mang mã di truyền tương đối cao Trong tế bào vi khuẩn có tới 85 – 95% hàm lượng DNA trong tế bào mang mã di truyền (khác biệt với gen nhân của sinh vật eukaryote, tỷ lệ DNA mang mã di truyền rất thấp). Ví dụ: khi nghiên cứu hệ gen nhân ở E.coli, cho thấy tỷ lệ DNA mang mã di truyền rất cao, chỉ khoảng 11% DNA không mang mã.

CẤU TRÚC GENE CỦA PROKARYOTE VÀ EUKARYOTE

I Khái quát về gene, bộ gene.

Gene: Gene là một đoạn của phân tử DNA mang thông tin mã hóa một chuỗi polypeptide hay một phân tử ARN Bao gồm:

Gen cấu trúc: là gene mang thông tin mã hóa cho các sản phẩm tạo nên thành phần cấu trúc hay chức năng của tế bào

 Gen điều hòa: là những gene tạo ra sản phẩm kiểm soát hoạt động của cac gene khác

Cấu trúc của DNA gồm 2 mạch đơn song song được xoắn lại với nhau thành 1 chuỗi xoắn kép Mỗi mạch đơn là 1 chuỗi nucleotid gồm 4 loại Nucleotid A,T,G và C sắp xếp kế tiếp nhau, liên kết với nhau bằng liên kết phosphodieste Hai mạch đơn nối với nhau nhờ các cầu nối hydro giữa các bazo nito theo nguyên tắc bổ sung A=T, GΞC Mỗi mạch đơn là 1 trình tự có định hướng, với đầu 5’ là gốc phosphat tự do và đầu 3’ là gốc hydroxyl tự do.

Genome (bộ gene): Là tập hợp chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền của một cơ thể sinh vật được mã hóa trong DNA (RNA).

Bộ gen gồm:

- DNA (RNA) nằm trong các gen

- DNA (RNA) không nằm trong các gen (các trình tự lặp, các đoạn chưa rõ chức năng)

- Các gen trong nhân và gen trong các bào quan khác ngoài nhân như các gen của ti thể, lạp thể và gen trên plasmid…

Bộ gen mang toàn bộ thông tin di truyền đặc trưng của cá thể và của loài

Locus : Các gene nằm trên nhiễm sắc thể ở trong nhân tế bào và xếp thành hàng trên nhiễm sắc thể gọi là locus.

Alen: Là những trạng thái khác nhau của cùng một gen.

ii Cấu trúc gene của prokaryote.

Prokaryote: Sinh vật nhân sơ hay sinh vật tiền nhân hoặc sinh vật nhân nguyên thủy là nhóm sinh vật mà tế bào không có màng nhân

Sinh vật prokaryote gồm hai nhóm:

- Vi khuẩn (Bacteria).

- Cổ khuẩn (Eubacteria hay

Archae/Archaeobacteria).

Prokaryote gồm các sinh vật chưa có nhân thực,

bao gồm các đại diện điển hình như vi khuẩn, vi

khuẩn lam, xạ khuẩn, một số loài nấm sợi

1 Đặc điểm cấu trúc bộ gen.

Sinh vật prokaryote có bộ gen gồm:

- Một hoặc một vài phân tử DNA mạch kép dạng vòng, dạng sợi hoặc cả dạng vòng và dạng sợi

- Bộ gen của sinh vật prokaryote chưa có cấu trúc nhiễm sắc thể điển hình, cấu trúc bộ gen đơn giản, kích thước bộ gen nhỏ, số lượng gen ít.

Bộ gen prokaryote có tỷ lệ DNA mang mã di truyền tương đối cao

- Trong tế bào vi khuẩn có tới 85 – 95% hàm lượng DNA trong tế bào mang mã di truyền (khác biệt với gen nhân của sinh vật eukaryote, tỷ lệ DNA mang

mã di truyền rất thấp).

Ví dụ: khi nghiên cứu hệ gen nhân ở E.coli, cho thấy tỷ lệ DNA mang mã di truyền rất cao, chỉ khoảng 11% DNA không mang mã.

2 Cấu trúc gene của prokaryote.

Tế bào sinh vật prokaryote có phần lớn DNA mang mã di truyền, nằm trong các gen Một phần nhỏ DNA không mang mã di truyền nằm ở các đoạn DNA

lặp lại, các đoạn DNA (spacer DNA), hoặc một vài trình tự chưa rõ chức năng…

Trong tế bào sinh vật prokaryote có hai nhóm gen:

- Gen đơn

- Các gen nằm trong operon (các cistron)

Gen mã hóa protein của sinh vật prokaryote có cấu trúc tương đối đồng nhất, chủ yếu gồm các trình tự mang mã di truyền (khác với gen phân đoạn trong tế bào sinh vật eukaryote gồm các đoạn exon xen kẽ với các đoạn intron).

2.1 Cấu trúc các gen đơn:

Nhóm gen đơn mang mã di truyền, mã hóa các chuỗi peptid và protein chiếm tỷ lệ khá cao trong tế bào sinh vật prokaryote Mỗi gen đơn có cấu trúc 3 vùng

gen:

- Vùng điều khiển hay vùng 5’ promoter.

- Vùng ORF (open reading frame)

hay vùng mang mã di truyền

- Vùng kết thúc hay vùng 3’ terminator.

Vùng 5’ promoter:

- Vùng 5’ promoter chứa một số trình tự đặc hiệu (promoter, operator, enhancer, silencer…) có chức năng điều hòa hoạt động gen trong đó hai trình tự cực kì

quan trọng là promoter và operator.

- Promoter là trình tự nhận biết, vị trí tiếp cận với gen của RNA polymerase và các nhân tố phiên mã.

- Khác với sinh vật bậc cao, ở sinh vật prokaryote có 1 loại promoter với cấu trúc chung tương đối giống nhau trong gen mã hóa mRNA, rRNA và tRNA (ở sinh vật eukaryote có 3 loại promoter khác nhau).

- Promoter ở phía trước nucleotid đầu tiên được phiên mã (nucleotid +1), trình tự nucleotid ở phía trước nucleotid +1 là các nucleotid mang dấu âm (-)

- Cấu trúc promoter gồm 2 phần: tâm promoter (core promoter) và phần mở rộng

- Tâm promoter trong các gen của sinh vật prokaryote gồm 2 trình tự đặc trưng:

+ Trình tự TATAAT ở vị trí -10 (TATA box), trình tự TTGACAT ở vị trí -35 (gọi là CAAT box)

+ Hai trình tự đặc hiệu TATA box, CAAT box là vị trí nhận biết và bám của RNA polymerase trong quá trình phiên mã

+ Hai trình tự này cực kỳ quan trọng vì khi gen bị đột biến hoặc bị thay đổi nhiều ở các trình tự đặc hiệu trong vùng -10 và -35 (tức là thay đổi 1Nu hoặc vài Nu) thì sẽ làm mất khả năng nhận biết và bám của RNA polymerase với mRNA trong quá trình phiên mã Có thể gây phiên mã không bình thường hoặc gây bất hoạt gen

- Operator là một trình tự Nucleotid đặc hiệu trong vùng 5’ promoter, là vị trí bám của các protein đặc hiệu, tham gia quá trình điều hòa hoạt động biểu hiện gen, có thể gây hoạt hóa hoặc ức chế hoạt động của gen.

- Enhancer và silencer là các trình tự Nu nằm trong vùng mở rộng của promoter, có thể nằm ở vùng ORF hoặc nằm ở các vị trí xa gen trình tự enhancer tham gia điều hòa hoạt động gen, có thể làm tăng mức độ phiên mã của gen lên Trình tự silencer là vị trí gắn các protein điều hòa, làm giảm cường độ phiên mã hoặc gây ngừng hoạt động của gen.

Vùng ORF:

- Ở sinh vật prokaryote bao gồm các trình

tự nucleotid mang mã di truyền, mã hóa các

chuỗi polypeptid hoặc các loại RNA khác.

- Vùng ORF được tính từ nucleotid đầu tiên

được phiên mã (nucleotid này có kí hiệu là +1) đến nucleotid đầu tiên của vùng 3’ terminator.

- Ở các gen khác nhau, nucleotid +1 có thể là các nucleotid A, T, G hoặc C.

Tùy từng loại gen và chức năng của gen, vùng ORF được phiên mã tạo thành mRNA hoặc các loại RNA khác: tRNA, rRNA, small RNA…(tùy theo cấu trúc của gen) Các mRNA có thể được dịch mã tạo nên các chuỗi polypeptid hoặc protein.

Operon là cấu trúc đặc trưng trong bộ gen

của nhiều loại vi khuẩn Operon gồm các gen

cùng hướng trao đổi chất có chung một vùng

5’ promoter và cùng vùng 3’ terminator, mỗi

gen trong operon mã hóa một chuỗi một chuỗi

polypeptid khác nhau, được gọi là các cistron

(một operon có thể có hai hay nhiều cistron).

Các operon là cấu trúc đặc trưng trong bộ gen của vi khuẩn, giúp vi khuẩn thích ứng nhanh với điều kiện môi trường sống thay đổi.

iii Cấu trúc gene của eukaryote

Eukaryote: Sinh vật nhân chuẩn, còn gọi là sinh vật nhân thực (sinh vật nhân

điển hình) là một sinh vật gồm các tế bào phức tạp, trong đó vật liệu di truyền được sắp đặt trong nhân có màng bao bọc Sinh vật nhân chuẩn gồm có động vật , thực vật

và nấm, hầu hết chúng là sinh vật đa bào

Eukaryote bao gồm nhiều nhóm sinh vật rất

đa dạng, từ nấm men đến các loại sinh vật ở

bậc cao trong thang tiến hóa của sinh giới:

thực vật có hoa, động vật có vú và con người

Eukaryote gồm các sinh vật có tế bào đã phân hóa

điển hình, có màng nhân phân biệt nhân và tế bào

chất.

1 Đặc điểm bộ gene của eukaryote.

Bộ gen của sinh vật Eukaryote gồm hệ gen nhân và hệ gen ngoài nhân, vật chất di truyền là các phân tử DNA mạch kép DNA của sinh vật Eukaryote có tỷ lệ A+T/C+G thay

đổi theo, tùy theo mức độ tiến hóa của loài Trong tế bào nhân chứa hàm lượng DNA rất lớn, gồm nhiều phân tử DNA khác nhau Mỗi phân tử DNA kết hợp với histon (protein kiềm) tạo nên các nhiễm sắc thể Số lượng nhiễm sắc thể đặc trưng riêng của mỗi loài sinh vật bậc cao Ví dụ: nấm men có nhiễm sắc thể lưỡng bội 2n=16, người 2n=46…

Nhiễm sắc thể của sinh vật eukaryote cấu trúc từ các

chuỗi polynucleosom cuộn xoắn Mỗi nucleosom gồm

các histon + nonhiston (để giữ) + phân tử DNA cuộn

xoắn vòng quanh Các nucleosom liên kết với nhau

nhờ histon H1 tạo nên các chuỗi polynucleosom,

chuỗi polynucleosom cuộn gấp khúc, tạo nên các

nhiễm sắc thể

Các loài sinh vật eukaryote khác nhau có tỷ lệ DNA trong các

gen mã hóa protein trong các tế bào rất khác nhau Loài sinh vật càng ở bậc cao trong thang tiến hóa, có bộ gen với tỷ lệ DNA mã hóa protein càng thấp Ví dụ, ở nấm men

saccharomyces cerevisiae trong mỗi tế bào có khoảng 70%

hàm lượng DNA trong các gen mã hóa protein; ở người, trong mỗi tế bào chỉ khoảng 1,5-2% hàm lượng DNA mã hóa protein

2 Cấu trúc gene của eukaryote.

Cấu trúc gen mang mã di truyền của sinh vật eukaryote có 3 vùng tương tự như cấu trúc gen ở sinh vật prokaryote: vùng 5’ promoter, vùng ORF và vùng 3’

terminator.

Vùng 5’ promoter:

- Vùng 5’ promoter có các trình tự đặc hiệu: promoter, operater, enhancer,silencer…và vùng mở rộng gồm các trình tự nucleotid đặc hiệu khác Trong đó có 2 trình tự đặc biệt quan trọng là promoter và operater.

- Promoter là trình tự nucleotid đặc hiệu, là vị trí bám của các enzym phiên mã RNA polymerase.

- Oprerater là vị trí bám của các protein điều hòa phiên mã.

- Sinh vật eukaryote có 3 loại promoter cho 3 loại enzym phiên mã RNA polymerase khác nhau (Tức là gen mang mã di truyền của sinh vật eukaryote chia

làm 3 nhóm chính, mỗi nhóm gen có loại promoter khác nhau và mỗi promoter có cấu trúc thích hợp với một loại RNA polymerase khác nhau.

+ Promoter nhóm I là promoter của các gen mã hóa rRNA 18S, rRNA 28S và rRNA 5,8S Promoter nhóm I có 2 trình tự nucleotid đặc trưng trình tự nucleotid trong tâm promoter (core promoter) nằm ở vị trí -40 đến +20 và trình tự UCE (upsteam control element) ở vị trí -156 đến -107 Là vị trí tiếp xúc của enzym polymerase I.

+ Promoter nhóm II là promoter của các

gen mã hóa protein và một số gen mã hóa các

loại RNA (small RNA U1, U2, U3…) Promoter

nhóm II có tâm promoter với trình tự nucleotid

đặc hiệu TATA box ở vị trí -25, trình tự CAAT

-box ở vị trí -80, GC box ở vị trí -100 Là vị trí tiếp xúc của enzym polymerase II).

+ Promoter nhóm III là promoter của các gen mã hóa các loại tRNA, rRNA 5S và một số phân tử RNA có kích thước nhỏ (small RNA như , U6…) Vị trí đặc trưng đang tiếp tục được nghiên cứu và là vị trí tiếp xúc của enzym RNA polymerase III.

Vùng ORF:

- Ở sinh vật eukaryote phần lớn các gen mã hóa

protein là gen phân đoạn, trừ một số gen mã hóa

histon và gen sốc nhiệt không chứa intron.

- Vùng ORF của các gen mã hóa protein ở sinh

vật eukaryote có cấu trúc xen kẽ các exon (đoạn

DNA mang mã di truyền) xen kẽ với các intron

(đoạn DNA không mang mã di truyền), nên được

gọi là gen phân đoạn

- Ở các loài sinh vật ở bậc cao trong hệ thống tiến hóa, các gen mã hóa protein có hàm lượng DNA trong intron chiếm tỷ lệ lớn.

- Số lượng intron trong các gen mang mã di truyền, hàm lượng DNA của các intron trong gen khác nhau tùy từng gen Kích thước một intron có thể từ vài chục

bp đến hàng nghìn cặp bp tùy từng gen, tùy theo các loài sinh vật khác nhau.

Vùng 3’ terminator:

- Vùng 3’ terminator của các gen ở sinh vật prokaryote gồm:

- Các trình tự tín hiệu kết thúc (vị trí gắn bám của các protein đặc hiệu)

- Trình tự gắn đuôi polyadenin (poly A)

- Trình tự kết thúc phân biệt gen này với gen khác và một số trình tự lặp ngắn chưa rõ chức năng.

- Vùng 3’ terminator không mang mã di truyền, nhưng là cấu trúc không thể thiếu được của gen.

iV VÍ DỤ VỀ CẤU TRÚC GEN MỘT SỐ LOẠI PROKARYOTE VÀ EUKARYOTE.

1 Cấu trúc bộ gene của một số prokaryote.

VD1: Vi khuẩn Escherichia Coli K12

- Là 1 phân tử DNA xoắn kép dài 1,6mm tạo thành 40-50 vòng siêu xoắn, mỗi vòng kích thước khoảng 100kb

- Được giải mã hoàn thiện năm 1977

- Trong bộ gene E.Coli:

+ 89% hàm lượng DNA mang mã di truyền, gồm 4258 gene mã hóa Protein, 122 gen mã hóa các dạng RNA, và các gen mã hóa các trình tự điều hòa hoạt động của gen, các gen nhảy…Các gene mã hóa protein trong bộ gen của vi khuẩn E.coli trung bình 317 acid amin/ 1 chuỗi polipeptid

+ Phần không mang mã di truyền trong bộ gen trong bộ gen E.Coli chiếmkhoảng 11%, bao gồm các đoạn DNA intergenic và 77 trình tự lặp lại Các đoạn intergenic có kích thước trung bình là 130bp, đoạn có kích thước lớn nhất là đoạn lặp các DNA không mang mã, khoảng 1730bp

- Bộ gen vi khuẩn E.coli K12 có khoảng 630-700 Operon, có 1632 gene chưa rõ chức năng, chiểm khoảng 38,6% bộ gen

VD 2: Vi khuẩn Methanococcus Jannaschii.

- Viện nghiên cứu bộ gene giải trình tự năm 1996, là vi khuẩn tự dưỡng đầu tiên được giải trình tự

- Chỉ gồm một phân tử DNA xoắn kép dạng vòng, kích thước lớn (1666976 bp) và hai phân tử DNA dạng sợi có kích thước 58407 bp và 16550 bp

- Bộ gene gồm 1743 gen mang mã di truyền Trong đó:

+ 1682 gen nằm trên DNA dạng vòng

+ Phân tử DNA dạng sợi có kích thước lớn có 44 gene

+ DNA có kích thước nhỏ có 12 gene

- Các gene mã hóa protein thường tập trung

2 Cấu trúc gen của một số Eukaryote.

VD2: Bộ gen cây mù tạc ( Mustard- Arabidopsis Thaliana)

- Thuộc ngành thực vật có hoa, kích thước bộ gen 125mb, gồm 25498 gen

- Bộ gen cây mù tạc được giải trình tự năm 2000

- Cây mù tạc có 5 cặp NST

- Bộ gen gồm các gen có kích thước nhỏ, 1 gen có

kích thước trung bình 4,6kb Các gen có cấu trúc

exon xen kẽ intron, kích thước trung bình 1 exon

gồm khoảng 250bp, kích thước trung bình một

intron 170bp

- Hàm lượng DNA ti thể của cây chiếm gần 25% tổng lượng DNA trong tế bào (ở tế bào động vật, hệ gen ti thể chiếm khoảng 5% bộ gen)

- Trong bộ gen cây mù tạc DNA lặp lại

=> Như vậy sinh vật càng có mức độ tiến hóa cao thì sự phân hóa bộ gen càng phức tạp, tỉ lệ DNA lặp lại trong bộ gen càng lớn và tỉ lệ DNA mã hóa protein trong bộ gen càng giảm

VD3: Bộ gen người:

- Bộ gen người có cấu trúc tương đối phức tạp, gồm hệ gen nhân và gen ti thể

+ Gen nhân có kích thước khoảng nucleotid (3000mb), gấp 3 lần kích thước bộ gen C Elegans hoặc D Melanogaster

- Bộ gen người gồm 22 cặp NST thường và 2 cặp NST giới tính (đàn ông mang cặp NST XY, đàn bà mang cặp NST XX) Hàm lượng DNA trong các NST phân bố không đồng đều, biến động từ 48Mb-279Mb

- Trong bộ gen người các gen mã hóa protein có cấu trúc xen kẽ exon và intron, exon có kích thước nhỏ còn intron có kích thước rất lớn, mỗi gen thường có từ 1-75 exon

 

- Bộ gen người có tỉ lệ gen mã hóa protein thấp( chiếm dưới 3% hàm lượng DNA bộ gen), hàm lượng DNA lặp lại chiếm tỉ lệ rất cao (trên 70% hàm lượng DNA của tế bào).

- Kết quả giải mã bộ gen người cho thấy, bộ gen người có khoảng 32 000-40 000 gen, tỉ lệ G-C=41%, các trình tự DNA mã hóa protein chiếm khoảng 1,7% hàm lượng DNA của

bộ gen

- Trong bộ gen người hàm lượng DNA không mang mã di truyền chiếm tỉ lệ rất cao (DNA giữa các gen (intergenic) chiếm 52% , hàm lượng DNA trong các intron chiếm 34%, các trình tự DNA lặp lại không mang mã di truyền chiếm khoảng 12% hàm lượng DNA

của tế bào…)

+ Intergenic DNA là các trình tự DNA nằm giữa các gen

lặp lại nhiều lần một trình tự nhất định, bao gồm các trình

tự điều hòa, promoter, enhancer… Các yếu tố di truyền

vận động (transposable elements),các đoạn SINE, LINE

…và các gen giả không được dịch mã