Đại cương về gen và trọng tâm các dạng câu hỏi ôn luyện cho học sinh giỏi về gen”

KỲ THI TRẠI HÈ HÙNG VƯƠNG LẦN THỨ XI – NĂM 2015   CHUYÊN ĐỀ: ĐẠI CƯƠNG VỀ GEN VÀ TRỌNG TÂM CÁC DẠNG CÂU HỎI ÔN LUYỆN CHO HỌC SINH GIỎI VỀ GEN MÃ : SI05 Năm học 2014 - 2015 MỤC LỤC CHUYÊN ĐỀ: ĐẠI CƯƠNG VỀ GEN VÀ TRỌNG TÂM CÁC DẠNG CÂU HỎI ÔN LUYỆN CHO HỌC SINH GIỎI VỀ GEN Phần 1: MỞ ĐẦU……………………………………………………………… Phần : NỘI DUNG…………………………………………………………… A ĐẠI CƯƠNG VỀ GEN …………………………………………… …… I Khái niệm về genome và cấu trúc của genome ở Prokaryote và Eukaryote I.1 Genome……………………………………………………………… I.2 Cấu trúc của genome ở Prokaryote và Eukaryote……………… I.2.1 Genome của vi khuẩn………………………………………… I.2.2 Genome của sinh vật nhân chuẩn…………………………… II Đại cương về gen…………………………………………………………… II.1 Khái niệm về gen ……………………… ………………………… II.2 Phân loại gen……………………………………………………… II.2.1 Gen cấu trúc sinh vật nhân sơ (prokaryote)……………… II.2.2 Gen cấu trúc sinh vật nhân chuẩn (eukaryote)… B TRỌNG TÂM CÁC DẠNG CÂU HỎI ÔN LUYỆN CHO HỌC SINH GIỎI VỀ GEN………………………………………………………………… Phần 3: KẾT LUẬN…………………………………………………………… BẢNG PHỤ LỤC……………………………………………………………… TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 2 2 2 4 10 11 13 16 28 29 30 Phần : MỞ ĐẦU Nhân loại sống cuối thập niên kỉ 21 – kỉ Công nghệ sinh học Di truyền học sâu vào vấn đề tồn lưu truyền sống nên giữ vị trí đặc biệt quan trọng, có người ví "Di truyền học trái tim Sinh học", không nhiều, liên quan chi phối lĩnh vực sinh học, từ chế phân tử sống tiến hóa toàn giới sinh vật hành tinh Trong thực tế, di truyền phân tử, một những lĩnh vực của di truyền học, đã và được đẩy mạnh nghiên cứu mạnh mẽ nhất và càng đào sâu tìm hiểu chúng ta càng thấy được sự logic, chặt chẽ và vô tận của nó Các đề thi học sinh giỏi Quốc tế, học sinh giỏi Quốc gia nhiều năm gần đều khai thác triệt để các vấn đề xoay quanh lĩnh vực Di truyền học phân tử cho các câu hỏi phần Di truyền học hay tích hợp giữa Di truyền học và Tiến hóa Hơn thế nữa, rất nhiều các lĩnh vực khác của sinh học hiện cũng đều được giải thích dựa nền tảng là những kiến thức nền của Di truyền phân tử Vì vậy, nhằm cung cấp nhìn rõ nét về một số mảng về Di truyền học nói chung và Di truyền phân tử nói riêng, chọn chuyên đề : “Đại cương về gen và trọng tâm các dạng câu hỏi ôn luyện cho học sinh giỏi về gen” Cấu trúc chuyên đề gồm phần: Phần 1: Mở đầu Phần 2: Nội dung A Đại cương về gen B Trọng tâm các dạng câu hỏi ôn luyện cho học sinh giỏi về gen Phần 3: Kết luận Phần : NỘI DUNG A ĐẠI CƯƠNG VỀ GEN I Khái niệm về genome và cấu trúc của genome ở Prokaryote và Eukaryote I.1 Genome Genome (hay còn gọi là hệ gen), là cấu trúc chứa toàn vật chất di truyền thể sinh vật, mã hóa ADN (ở số virut ARN) Mỗi genome chứa tất thông tin cần thiết để xây dựng trì thể Dự án genome dự án xác định cấu trúc di truyền xác genome thể sống, nghĩa trình tự ADN tất gen Dự án genome số sinh vật mô hình hoàn thành Trình tự genome sinh vật mô hình có ý nghĩa nghiên cứu chuyên ngành khoa học genome học (genomics) Dựa vào đây, nhà sinh học phân tử phân tích cấu trúc, hoạt động chức gen, làm sáng tỏ vai trò các đoạn trình tự ADN lặp lại, các đoạn ADN không chứa mã di truyền, và các đoạn ADN nằm gen Điều đặc biệt có ý nghĩa so sánh genome với nhau, hiểu hoạt động genome thể sống, mối quan hệ chúng, đa dạng sinh học mức độ tiến hóa Kết bước đầu so sánh genome loài sinh vật với cho thấy có ba đặc điểm bật: 1) gen phân bố genome không theo qui luật, 2) kích thước genome thay đổi không tỷ lệ thuận (tương quan) với tính phức tạp loài, 3) số lượng nhiễm sắc thể khác loài gần I.2 Cấu trúc của genome ở prokaryote và eukaryote Genome chứa thông tin di truyền đặc trưng cho loài, chí cho cá thể loài Genome bao gồm phân tử ADN ARN Đối với sinh vật bậc cao, kích thước genome thay đổi từ 10 bp (động vật có vú) đến 1011 bp (thực vật) Khác với tế bào sinh vật nhân sơ (prokaryote), gen genome eukaryote thường tồn nhiều thường bị gián đoạn đoạn trình tự nuclêôtit không mang thông tin di truyền (các intron) Vì vậy, vấn đề quan tâm cần phải biết số lượng gen khác có mặt genome số lượng gen hoạt động loại mô, giai đoạn phát triển tỷ lệ gen so với kích thước genome I.2.1 Genome của vi khuẩn - Genome của vi khuẩn có cấu tạo rất đơn giản: Kích thước nhỏ, toàn bộ genome của vi khuẩn là một phân tử ADN ở dạng vòng, mạch kép và không có màng nhân bao bọc Các gen tồn đơn bản và ở trạng thái đơn bội Các đột biến điểm phát sinh đều có thể được biểu hiện kiểu hình Vì vậy, vi khuẩn sinh sản rất nhanh đồng thời liên tục biến đổi thành những chủng loại mới để có thể thích nghi được với những điều kiện môi trường khác và thường xuyên thay đổi quá trình tiến hóa Hình Genome của vi khuẩn E.coli (Nguồn: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) - Toàn bộ hệ gen của vi khuẩn chứa đoạn ADN không lặp lại, và hầu hết các đoạn trình tự nuclêôtit này đều được tham gia mã hóa cho các prôtêin cho tế bào - Genome của vi khuẩn chỉ chứa một số ít các gen, đó phân bố sát nhau, không bị gián đoạn đoạn ADN không chứa mã di truyền (intron) Tuy nhiên, gần một số công trình nghiên cứu cho thấy ở nhóm đối tượng sinh vật cổ (Archae) cũng thuộc giới sinh vật nhân sơ thì có hệ gen phân mảnh, xen kẽ các đoạn có ý nghĩa mã hóa (exôn) có các đoạn trình tự nuclêôtit không có ý nghĩa mã hóa (intron) - Ngoài ra, số vi sinh vật chứa thêm plasmit, một dạng phân tử ADN kích thước rất bé, tồn tại ở dạng mạch vòng tự tế bào chất của vi khuẩn và một số chủng nấm men, có khả tự nhân lên độc lập với hệ genome của vi khuẩn Plasmit thường chứa số gen có tính đặc thù cao và có ý nghĩa rất quan trọng giúp cho vi khuẩn có thêm những đặc tính khác biệt gen kháng kháng sinh giúp chúng sinh trưởng và phát triển tốt điều kiện môi trường có các chất kháng sinh diệt khuẩn , gen giúp cho vi sinh vật có khả tuyển chọn được khoáng môi trường tuyển chọn, một số gen thị màu,… Bên cạnh đó, các vi khuẩn có thể truyền cho những gen đặc biệt này thông qua cầu tiếp hợp giúp cho các quần thể vi khuẩn có thể tồn tại và chống chọi tốt với những điều kiện môi trường xung quanh, đồng thời gây nên những khó khăn nhất định cho người công cuộc chống lại các bệnh truyền nhiễm vi sinh vật gây Hình Plasmit của vi khuẩn E.coli (Nguồn: https://voer.edu.vn/m/plasmid/41c26b02) I.2.2 Genome của sinh vật nhân chuẩn 99% genome nằm nhân tế bào Phần lại nằm số bào quan (ty thể, lạp thể) Genome nhân có một số đặc điểm sau: - Thường có kích thước rất lớn (12Mb đến 120.000Mb) và phân bố NST dạng thẳng Các NST có kích thước rất dài được đóng xoắn rất chặt và gói gọn nhân tế bào Các phân tử ADN ở sinh vật nhân chuẩn có cấu trúc hệ gen rất phức tạp, gồm trình tự nuclêôtit lặp lại thành phần không lặp lại Hình 23 cặp nhiễm sắc thể ở người được xác được qua phương pháp tế bào học (nhuộm băng NST) (Nguồn: http://sciencedoing.blogspot.com/2013/01/human-male-degenerativesex.html) - Các loại ADN genome: + Các trình tự lặp lại nhiều lần: Chiếm 10-15% genome, trình tự ADN ngắn (10-200kb), không làm nhiệm vụ mã hóa cho bất kì prôtêin nào, chúng tập trung chủ yếu vùng chuyên biệt NST (tâm động, đầu mút NST,…) + Các trình tự lặp lại trung bình: 25-40%, đoạn ADN có kích thước lớn (100-1000kb) Những đoạn trình tự này thường không có chức mã hóa cho bất kì sản phẩm nào mã hóa cho rARN, tARN, 5S ARN + Các trình tự nhất: Là gen mã hóa cho prôtêin, có trình tự đặc trưng cho gen + Trên thực tế, hầu hết trình tự các trình tự nuclêôtit phân bố thành phần ADN không lặp lại Các gen chiếm tỷ lệ nhỏ so với toàn genome (1-2% genome) Các gen thường phân bố xa gen chứa nhiều intron Các chức của intron ngày một được làm rõ và có thể nhận định rằng sự xuất hiện của intron là một xu hướng tiến hóa đặc biệt của một nhánh vi sinh vật cổ đồng thời intron cũng có rất nhiều chức quan trọng quá trình điều hòa hoạt động của gen, biệt hóa tế bào và sự xáo trộn exôn-intron tạo các phân tử mARN khác nhau, Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng đưa giả thuyết chứng minh rằng sự xuất hiện của các gen phân mảnh có một số yếu tố đặc biệt liên quan đến sự xuất hiện của màng nhân ở sinh vật nhân thực quá trình tiến hóa + Các gen tế bào sinh vật nhân thực thường có nhiều Các gen xếp vào họ gen Cấu trúc họ gen ở có một số điểm gần tương đồng với các mô hình điều hòa hoạt động của gen opêrôn ở sinh vật nhân sơ cũng có rất nhiều điểm khác biệt Mỗi gen họ thường hoạt động thời điểm định trình phát triển cá thể hay các mô riêng biệt Sự hoạt động của các gen này được điều hòa một cách nhịp nhàng và chặt chẽ bởi rất nhiều chế điều hòa hoạt động của gen phức tạp và nhiều cấp độ Còn đối với genome nằm tế bào chất, cụ thể là nằm ở hai bào quan là ty thể và lục lạp, có nguồn gốc sâu xa từ vi khuẩn hiếu khí nội cộng sinh, có một số đặc điểm sau: + Genome ty thể: Là phân tử ADN dạng mạch vòng kép, chứa gen mã hóa cho rARN ty thể số enzyme tham gia vào chuỗi hô hấp Ngoài ra, ty thể chứa gen mã hóa tRNA, ribôxôm số prôtêin liên quan đến trình phiên mã, dịch mã, vận chuyển prôtêin khác vào ty thể từ tế bào chất Hình ADN ty thể người Bao gồm 22 gen tARN, gen rARN, 13 vùng mã hóa prôtêin (Nguồn: http://humupd.oxfordjournals.org/content/16/5/488/F1.expansion.html) + Genome lục lạp: chứa ADN dạng kép, mạch vòng, chứa khoảng 200 gen Các gen mã hoá cho rARNvà tARN prôtêin cần cho hoạt động quang hợp Cả hai nhóm genome này đều di truyền theo dòng mẹ, không xảy hiện tượng tái tổ hợp di truyền giống gen ở nhân và tồn tại ở trạng thái đơn bội nên các đột biến điểm phát sinh thì nhanh chóng được biểu hiện kiểu hình của thể Hình ADN lục lạp (Nguồn: http://tolweb.org/notes/?note_id=4148) Trước có những dẫn chứng chứng minh các phân tử ADN ty thể, lục lạp có khả nhân lên một cách độc lập với hệ genome nhân của tế bào, đó là số lượng bản của ty thể và lục lạp tế bào là rất lớn Hiện nay, các nhà khoa học tìm một số thông tin để làm nền tảng chứng minh rằng sự nhân lên và hoạt động của ty thể và lục lạp có phụ thuộc vào một số prôtêin được tạo từ hệ gen của nhân tế bào vận chuyển tế bào chất II Đại cương về gen II.1 Khái niệm về gen Theo khái niệm truyền thống, gen đoạn của phân tử ADN mang thông tin mã hóa cho một sản phẩm nhất định, đó là các sản phẩm cần thiết hoạt động sống tế bào Gen tham gia vào quá trình phiên mã tạo các phân tử ARN gồm rất nhiều loại với các chức khác nhau, đó có ba loại ARN chính là mARN, rARN, tARN tham gia vào quá trình dịch mã tổng hợp prôtêin loại ARN khác tham gia vào quá trình kiểm soát và điều hòa hoạt động genome Ngày nay, định nghĩa về gen ở các đối tượng sinh vật khác nhau, và cả đối tượng không phải sinh vật sống - vi rút, cũng được mở rộng Cụ thể, thông qua nghiên cứu nhiều chủng virút khác nhau, người ta nhận thấy rằng không chỉ ADN mà ARN cũng có thể cấu tạo nên vật chất di truyền, thậm chí thông qua quá trình nhân lên của vật chất di truyền ở các đối tượng vi rút này còn có sự khác biệt rất lớn so với các sinh vật sống đã biết Vi rút tìm thấy nơi có sống tồn kể từ tế bào sống tiến hóa thành Nguồn gốc vi rút không rõ ràng chúng không tạo hóa thạch, kĩ thuật phân tử sử dụng để so sánh ARN hay ADN vi rút công cụ hiệu để nghiên cứu xem chúng phát sinh Nhìn chung, có ba giả thuyết để giải thích nguồn gốc vi rút sau: + Giả thuyết thoái lui: Giả thuyết cho vi rút tế bào nhỏ mà ký sinh bên tế bào lớn Trải qua thời gian, gen không cần thiết cho ký sinh Những vi khuẩn Rickettsia Chlamydia sống tế bào giống vi rút, sinh sản bên tế bào vật chủ Những vi khuẩn hỗ trợ cho giả thuyết thoái lui, phụ thuộc ký sinh chúng làm gen cho phép chúng tồn bên tế bào + Giả thuyết nguồn gốc từ tế bào: Theo giả thuyết này, số vi rút tiến hóa từ mảnh ADN hay ARN mà "thoát ra" từ hệ gen sinh vật lớn ADN thoát từ plasmit (những đoạn ADN trần mà di chuyển tế bào) từ transposon (những phân tử ADN mà nhân lên di chuyển quanh vị trí khác bên gen tế bào) Từng gọi "gen nhảy", transposon ví dụ yếu tố di truyền di động nguồn gốc số vi rút Chúng phát ngô Barbara McClintock vào năm 1950 + Giả thuyết đồng tiến hóa: Còn gọi "giả thuyết vi rút - đầu tiên", đề xuất vi rút tiến hóa từ phân tử prôtêin axít nuclêic phức tạp thời điểm tế bào xuất lần đầu Trái Đất, không bị phụ thuộc vào tế bào hàng tỷ năm Viroid phân tử ARN mà không phân loại vi rút chúng thiếu lớp vỏ prôtêin Tuy nhiên, chúng có đặc tính tương đồng với vài loại vi rút thường gọi "tác nhân vi rút" B TRỌNG TÂM CÁC CÂU HỎI ÔN LUYỆN HỌC SINH GIỎI VỀ GEN Câu 1: Gen gì? Phân biệt gen phân mảnh gen không phân mảnh Cấu tạo đoạn intron Đột biến vùng intron gây ảnh hưởng nào? Hướng dẫn trả lời: * Khái niệm: Gen đoạn ADN ARN mang thông tin mã hoá cho sản phẩm xác định Sản phẩm phân tử ARN hay chuỗi pôlipeptit * Phân biệt gen phân mảnh và gen không phân mảnh: - Gen không phân mảnh có vùng mã hóa liên tục chủ yếu sinh vật nhân sơ (trừ vi khuẩn cổ) - Gen phân mảnh có vùng mã hóa không liên tục, xen kẽ đoạn mã hóa axit amin (đoạn exôn) đoạn không mã hóa axit amin (đoạn intron), phần lớn gen sinh vật nhân thực * Cấu tạo đoạn intron : Mang ba không mã hoá trật tự nuclêôtit lặp lặp lại nhiều lần Ví dụ: Intron gen mã hoá myoglobin có 13 nuclêôtit lặp lại nhiều lần * Đột biến vùng intron gây ảnh hưởng: đột biến xảy vị trí tiếp xúc với đoạn exon gây hậu nghiêm trọng (vì enzim không nhận biết vị trí nối hay cắt dẫn đến sai lệch); đột biến xảy vị trí khác intron không gây ảnh hưởng Câu 2: Nêu hai khác biệt gen cấu trúc điển hình sinh vật nhân sơ với gen điển hình sinh vật nhân thực Cấu trúc loại gen có ý nghĩa cho sinh vật nhân sơ sinh vật nhân thực? Hướng dẫn trả lời: - Gen sinh vật nhân sơ gen không phân mảnh, có vùng mã hoá bao gồm toàn trình tự nuclêôtit mã hoá cho axit amin Gen sinh vật nhân thực phần lớn gen phân mảnh, vùng mã hoá bao gồm exon intron - Gen sinh vật nhân thực thường dài gen sinh vật nhân sơ - Gen sinh vật nhân sơ trình tự nuclêôtit “thừa” (intron) nên tiết kiệm vật chất di truyền lượng cần cho nhân đôi ADN trình phiên mã, dịch mã - Do có đan xen trình tự không mã hoá (intron) với trình tự mã hoá (exôn) nên thông qua cắt bỏ intron nối exôn sau phiên mã, từ 16 gen sinh vật nhân thực tạo mARN trưởng thành khác nhau, từ dịch mã loại chuỗi pôlipeptit khác mô khác thể Điều có ý nghĩa với sinh vật đa bào chúng tiết kiệm thông tin di truyền tạo nhiều loại prôtein thể - Intron cung cấp vị trí để tái tổ hợp exon (trao đổi exôn) tạo gen khác từ exôn để tạo nên gen khác trình biệt hoá tế bào qúa trình tiến hoá tạo nên gen Câu 3: Bảng cho thấy kích thước hệ gen số lượng gen (tính trung bình) triệu cặp nuclêôtit hệ gen sinh vật khác Bảng số liệu nói lên điều gì? Giải thích Loài sinh vật Kích thước hệ gen Số lượng gen trung bình Vi khuẩn H influenzae 1,8 950 Nấm men 12 500 Ruồi giấm 180 100 Người 3200 10 Hướng dẫn trả lời: Bảng số liệu cho ta thấy: - Kích thước hệ gen tăng dần theo mức độ phức tạp tổ chức thể sinh vật - Số lượng gen trung bình triệu nucleôtit hệ gen giảm dần từ sinh vật nhân sơ đến sinh vật nhân thực đơn giản (nấm men) Các loài động vật có cấu tạo phức tạp (như người) có số lượng gen trung bình triệu nu thấp - Hệ gen sinh vật có cấu trúc phức tạp có nhiều nuclêotit không làm nhiệm vụ mã hoá cho prôtein Sở dĩ có khác biệt do: + Cơ thể có cấu tạo phức tạp cần có nhiều gen mã hoá cho prôtein khác nên làm tăng kích thước hệ gen Tuy nhiên sinh vật bậc cao có tồn nhiều trình tự nuclêôtit lặp lại gen, intron, gen giả… + Các loài vi khuẩn gen phân mảnh tượng lặp gen + Các sinh vật nhân thực có cấu tạo phức tạp gen chúng có nhiều intron Chỉ gen nấm men chứa intron Gen người có từ vài tới nhiều intron 17 + Số lượng gen không tăng theo tỷ lệ thuận với kích thước hệ gen sinh vật có cấu tạo thể có gen phân mảnh nên gen quy định nhiều prôtein khác việc cắt nối mARN theo cách khác + Do có gen phân mảnh nên trình hoạt động, exon xếp lại theo cách khác để tạo prôtein khác mà không cần đến nhiều gen Câu 4: Sơ đồ vùng phiên mã từ gen mã hóa prôtein sinh vật nhân chuẩn (các số số ribô nuclêôtit) EXON INTRON1 ENXON INTRON2 EXON3 100 75 50 70 25 a Số nuclêôtit, chiều dài đoạn ADN b Độ dài mARN trưởng thành sau tinh chế bao nhiêu? Giải thích Hướng dẫn trả lời: a Số nuclêôtit: (100+ 75+ 50+ 70+ 25) x = 640 nu chiều dài đoạn ADN: 320 x 3,4= 1088Å b Độ dài (số nuclêôtit) mARN trưởng thành sau tinh chế 100 + 50 + 25 = 175 ribônuclêôtit tương ứng với 175x 3,4= 595Å Sau tinh chế, intron bị cắt bỏ khỏi mARN sơ khai nối exôn lại để tạo nên mARN trưởng thành Câu 5: Hãy vẽ hình minh hoạ thích tên phần phân tử ARN thông tin (mARN) điển hình tế bào sinh vật nhân thực sau phân tử khỏi màng nhân vào tế bào chất Nêu chức phần Hướng dẫn trả lời: - Vẽ hình thích: Vùng không mã hóa đầu 5’ Vùng mã hóa gen Mũ đầu 5’ Vùng không mã hóa đầu 3’ Đuôi Poly (A) AUG m7-G Bộ ba mở đầu Bộ ba kết thúc Trình tự kết thúc phiên mã - Chức vùng: 18 + Mũ đầu 5’ (m7-G): bảo vệ phân tử mARN vận chuyển từ nhân đến tế bào chất; giúp nhận biết chiều dịch mã + Bộ ba mã mở đầu: dịch mã gen + Bộ ba mã kết thúc: dịch mã gen kết thúc + Trình tự kết thúc phiên mã: phiên mã (tổng hợp mARN) kết thúc + Đuôi poly A: bảo vệ phân tử mARN vận chuyển từ nhân đến tế bào chất; có liên quan đến thời gian tồn phân tử mARN tế bào chất; giúp nhận biết chiều dịch mã + Vùng mã hóa gen: vùng mã hóa tổng hợp nên chuỗi pôlipeptit + Các vùng lại vùng không mã hóa đầu 5’ 3’ (chức chưa biết đầy đủ) Câu 6: Hãy nêu khác biệt mARN thành thục tiền mARN trình phiên mã sinh vật nhân thực Hướng dẫn trả lời: Tiền mARN mARN thành thục Mới phiên mã từ ADN, nằm Là sản phẩm trình chế biến tiền nhân mARN chuẩn bị vận chuyển tế bào chất Kích thước dài mang exon Kích thước ngắn mang exôn intron vùng mã hóa (nếu không tính đuôi polyA) Không có phần dầu 3’, 5’ Có “mũ” 7-metylguanin đầu 5’ đuôi cải biến polyA đầu 3’ Thường có kích thước hoàn Có chiều dài hoàn chỉnh từ vận chỉnh, cắt intron xảy chuyển từ nhân tế bào chất phiên mã chưa kết kết thúc dịch mã thúc Là sản phẩm từ hình thành nên Là khuôn tổng hợp nên phân tử prôtein mARN thành thục (một phân tử (Ở sinh vật nhân thực, thường phân tiền mARN tạo nên số tử mARN thành thục dùng để tổng phân tử mARN thành thục khác hợp chuỗi pôlipeptit nhất) nhau) 19 Câu 7: Trình tự ADN lặp lại (DNA repeat sequence) gì? Trình tự lặp lại liền kề (tandemly repeated DNA) gì? Thế minisatellite microsatellite? Ứng dụng minisatellite microsatellite Hướng dẫn trả lời: - Khái niệm: Trình tự ADN lặp lại (DNA repeat sequence) trình tự ADN lặp lại nhiều lần gen - ADN có trình tự lặp lại liền kề (ADN vệ tinh): Là đoạn ADN có chứa trình tự ADN lặp lại liền hình thành nên băng vệ tinh phân tích ADN genome phương pháp ly tâm chênh lệch tỷ trọng + Đơn vị lặp lại ADN vệ tinh thay đổi từ vài (200 bp) ADN vệ tinh thường tìm thấy tâm động vùng dị nhiễm sắc NST Chúng thuộc nhóm ADN có trình tự lặp lại cao DNA tiểu vệ tinh (Minisatellite) vi vệ tinh (microsatellite) + ADN tiểu vệ tinh ADN vi vệ tinh gọi ADN vệ tinh dù chúng không xuất băng vệ tinh phân tích tỉ trọng ADN + ADN tiểu vệ tinh: đoạn ADN có nhiều đơn vị lặp lại 25 bp, có chiều dài khoảng 20 kb + ADN vi vệ tinh (SSR): ADN có đơn vị lặp lại ngắn, thường bp ngắn có chiều dài thường nhỏ 150 bp - Ví dụ: • Motif 5’-TTAGGG-3’ lặp lại hàng trăm lần đầu cuối NST người dạng ADN tiểu vệ tinh điển hình • Ở lúa, dạng SSR (GA)n, (GT)n, (AT)n, (GGT)n - Ứng dụng: Tiểu vệ tinh vi vệ tinh dùng marker di truyền (“Dấu vân tay” ADN) để xác định đặc trưng cá thể, nhận dạng tội phạm, lập đồ gen, xác định mối quan hệ huyết thống, bệnh di truyền, nghiên cứu tiến hoá, nghiên cứu di truyền quần thể Câu 8: Hãy nêu mô tả trình lặp lại phân bố rải rác (Interspersed repetitive DNA) genome? Hướng dẫn trả lời: - Khái niệm : Là đoạn ADN có khả di động (yếu tố chuyển vị) vị trí khác hay nhiều genome 20 - Phân loại: nhóm + Nhóm yếu tố di chuyển thông qua trung gian ARN (RNA transposons – retroelement) + Nhóm yếu tố di chuyển không qua trung gian ARN (ADN transposons) Nhóm yếu tố di chuyển thông qua trung gian ARN (RNA transposons) • Cơ chế: Retroposon -> ARN -> cADN -> ADN -> di chuyển (vào vị trí khác genome - NST NST khác) • Enzyme tham gia: E phiên mã ngược (reverse transcriptase) (được mã hoá gen nằm đoạn retroposon) • Kết quả: có hai nhiều retroposon vị trí khác genome Các yếu tố di chuyển không thông qua ARN(DNA transposons) - Khái niệm : Là đoạn ADN có khả di chuyển đôc lập vị trí khác genome, qua trung gian ARN • Cơ chế di chuyển: chế  Sự di chuyển có tính tự tái (cơ chế y chính): Phiên yếu tố chuyển vị chép từ vị trí ban đầu tái tổ hợp vào vị trí mục tiêu Sau lần di chuyển số lượng tăng lên  Sự di chuyển có tính bảo thủ (Cơ chế cắt-dán): yếu tố chuyển vị tách khỏi vị trí ban đầu sau tái tổ hợp lại vị trí Trong trường hợp này, số lượng transposon không thay đổi Câu 9: Nêu thành phần cấu trúc genome người? Hướng dẫn trả lời: Kích thước: dài khoảng 3200Mb, ADN có liên quan đến gen Trong gen gồm vùng mã hóa không mã hóa - Vùng không mã hóa gồm: Pseudogene, đoạn gen, intron vùng leader 21 + Pseudogene (gen giả): giống với gen biết lô cút khác chức đột biến thêm cấu trúc làm khả phiên dịch mã gen • Phần lớn ADN lại (chiếm 2/3) trình tự ADN gen gồm trình tự lặp lại (420 Mb): liền kề phân bố rải rác Trong trình tự lặp lại liền kề lại bao gồm trình tự ADN satellite, microsatellite minisatellite Còn trình tự phân bố rải rác bao gồm LTRs, SINE, LINE ADN transposon • Trình tự khác (miscellaneous) chiếm 25% gồm: SD (Shine-Dalgano Sequence) phần tất trình tự vùng leader nằm trước codon khởi đầu AUG, trình tự bổ sung với đầu 16S rARN vị trí bọc ribosome Vùng 16S rARN theo Shine Dalgano (1974) đóng vai trò ghép cặp bazơ việc kết thúc khởi đầu trình tổng hợp protein mARN • SSR (Simple sequence repeats) trình tự lặp lại đơn giản nằm rải rắc genome • Số lại 17% ADN genome đến chưa rõ thuộc loại cấu trúc Câu 10: Mô tả trình kết thúc tổng hợp ADN đầu telomere nhiễm sắc thể, vẽ sơ đồ minh họa Cơ chế bảo vệ telomere sinh vật xảy nào? Hướng dẫn trả lời: Mô tả trình kết thúc tổng hợp ADN đầu telomere nhiễm sắc thể - Tại mạch tiến sợi đơn kéo dài từ điểm khởi đầu tới hết đầu mút NST - Tại mạch lùi đoạn kết thúc chưa chạm tới đầu 3’ Cơ chế chống nguy - Các đầu telomere có chứa đoạn lặp lại giống Đầu cuối đoạn ADN đầu NST chứa đạo lặp lại ngẫu nhiên TTGGGG Đặc điểm có hầu hết loài sinh vật Tuy nhiên có khác trình tự lặp loài - Ví dụ người: + Trình tự lặp TTAGGG Để không bị đoạn ADN telomere cần có loại enzyme telomeraza gắn thêm đoạn 3’ AACCCCAAC 5’ vào đầu 3’ ADN telomere, bổ sung với đoạn lặp lại TTAGGG 22 + Enzyme telomeraza ARN di chuyển sang phải dọc theo phân tử ADN nhờ hoạt tính trùng phân + Sau enzyme primaza xúc tác tạo mồi 3’-5’ ADN polymeraza sử dụng đầu 3’ cheo dài làm nguyên để lấp đầy đoạn cuối cho mạch đơn ADN +Mồi bị loại bỏ enzyme ADN ligaza nối lại chỗ trống Cơ chế bảo vệ telomere sinh vật - Để tránh vật liệu di truyền sau lần tái telomere cần kết hợp với prôtêin để tạo thành mũ bảo vệ - Cấu tạo mũ bảo vệ gồm loại prôtêin: TRF1, TRF2, WRN Chúng liên kết với bọc lấy vùng lặp lại telomere ẩn dấu đầu cheo 3’ - Mũ bảo vệ có chức năng: + Ngăn cản không cho enzyme đềôxiribônuclêaza phân giải đầu mút ADN + Ngăn cản không cho nhiễm sắc thể nhân dính vào + Tạo ổn định Câu 11: Nêu đặc điểm cấu trúc gen eukaryote trình tự cầu nối exôn –intron lên quan đến trình cắt nối tạo mRNA trưởng thành Hướng dẫn trả lời: Cấu trúc gen tổng hợp mARN mã hóa prôtêin Eucaryote : có vùng - Vùng 5’: Mang trình tự điều hòa biểu gen hoạt hóa phiên mã gồm + Promoter : định vị đầu 5’ không dịch mã Vùng chứa trình tự bảo thủ “ hộp TATA” cách vị trí +1 khoảng 25-30 bp có chức xác định vị trí bắt đầu phiên mã Ngoài có “hộp CCAAT” phổ biến hơn, cách vị trí +1 khoảng 75-80bp có tác dụng làm tăng hiệu phiên mã + Vị trí gắn vùng đặc hiệu mô: trình tự ADN tương tác với prôtêin đặc hiệu huy gen cấu trúc sản xuất prôtêin đặc hiệu loại mô + Vị trí gắn vùng tăng cường phiên mã (enhancer) = gen tăng cường: gắn tác nhân hoạt hóa kích thích phiên mã Chúng đầu 5’ 3’ - Vùng phiên mã: gồm intron xen kẽ với exôn, hai phiên mã có exôn dịch mã + Các itron: Chiếm phần lớn gen Mỗi intron bắt đầu GT kết thúc AG, chúng loại bỏ sau mARN tổng hợp xong 23 + Các exôn: nối với tạo thành mARN hoàn chỉnh trước có mặt tế bào chất Quá trình cắt nối phức tạp dẫn đến sai lệch làm thay đổi prôtêin + Hai đầu 5’và 3’của vùng phiên mã: không dịch mã, chúng giữ chức kiểm soát Đầu 5’ tính từ vị trí bắt đầu phiên mã có codon khởi đầu ATG, đầu 3’ có codon kết thúc vị trí gắn đuôi polyA - Vùng 3’: Chức chưa rõ Ở số gen mang trình tự điều hòa chuyên biệt hoặc làm bền phân tử mARN, từ đó quy định thời gian tồn tại của mARN tế bào Câu 12: Trình bày trình cải biến từ tiền mRNA thành mRNA trưởng thành eukaryote, trình có xảy prokaryote hay không? Hướng dẫn trả lời: a Quá trình biến đổi từ mARN tiền thân thành mARN hoàn chỉnh gồm giai đoạn: - Sự gắn mũ “chụp” đầu 5’ - Gắn đuôi polyA - Quá trình ghép nối * Sự gắn mũ “chụp” đầu 5’: Đầu 5’ gắn mũ 7-methyl guanin ( Guanin có gắn nhóm methyl N7 ) nhờ liên kết 5’-5’ phosphat mũ “chụp” giúp mARN chuyển thực dịch mã tế bào chất * Gắn đuôi PolyA : Enzyme polyA polymeraza xúc tác gắn đuôi polyA (200-250 A) vào đầu 3’ mARN Vai trò của đuổi Poly A là ổn định mARN tham gia vào trình vận chuyển mARN từ nhân tế bào chất b Quá trình ghép nối tạo mARN hoàn chỉnh - Là cắt intron nối exôn lại với - Có kiểu cắt nối: + Những intron tiền tARN cắt xác nhờ enzyme endonucleaza nối lại hoạt tính enzyme cắt nối đặc thù + Intron tARN rARN cắt bỏ phản ứng tự hoạt hóa phân tử ARN + Intron mARN cắt bỏ bới nhân tố phức hợp Ribonucleo- Prôtêin gọi Spliceosome Câu 13: a Hoạt động của yếu tố di truyền vận động tác động đến hệ gen của sinh vật nhân thực thế nào? 24 b Nêu sự khác biệt về hậu quả đột biến đối với thể động vật một yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng điều hòa ở đầu một gen cấu trúc quy định một loại protein được thể hiện ở giai đoạn phát triển của phôi với trường hợp đột biến yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng mã hóa của gen cấu trúc đó Hướng dẫn trả lời: a Hoạt động của yếu tố di truyền vận động tác động đến hệ gen của sinh vật nhân thực sau: - Yếu tố di truyền vận động có thể làm tăng số lượng bản của chúng nằm rải rác hệ gen cung cấp các vị trí tái tổ hợp tương đồng dẫn đến các đột biến tái cấu trúc nhiễm sắc thể, tái tổ hợp các exon - Yếu tố di truyền vận động di chuyển có thể gây các đột biến gen dẫn đến tạo các sản phẩm bất thường của gen hoặc gây sai sót biểu hiện của những gen nhất định (gen biểu hiện nhầm thời điểm, nhầm vị trí, hoặc biểu hiện quá mức chèn vào vùng điều hòa của gen) - Yếu tố di truyền vận động có thể chuyển các gen bình thường từ vị trí này sang vị trí khác hệ gen ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen b Khác biệt về hậu quả đột biến một yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng điều hòa ở đầu một gen cấu trúc quy định một loại protein được thể hiện ở giai đoạn phát triển của phôi với trường hợp đột biến yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng mã hóa của gen cấu trúc: - Khi yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng mã hóa của một gen quy định tổng hợp chuỗi polypeptit thì chỉ gây sản phẩm bất thường hoặc không tạo sản phẩm và chỉ ảnh hưởng tới một số ít tính trạng - Khi yếu tố di truyền vận động chèn vào giữa vùng điều hòa có thể gây nên hậu quả nghiêm trọng nó làm cho gen biểu hiện nhầm thời điểm hoặc nhầm vị trí dẫn đến quái thai hoặc gây chết Vì vậy hậu quả gây trường hợp này sẽ nguy hiểm so với đột biến ở vùng cấu trúc, đặc biệt là đối với gen điều hòa mà sản phẩm của nó điều hòa hoạt động của hàng loạt gen khác Câu 14: Các nhà khoa học đề xuất giả thuyết hình thành loài trình tiến hóa sau: Theo giả thuyết 1, gen hình thành qua trình tái tổ hợp exôn gen có trước; giả thuyết cho gen lặp lại thành 25 nhiều sao, sau bị đột biến điểm phân hóa dẫn đến hình thành gen Để tìm hiểu thêm gen A B (có chức khác nhau) loài khác tiến hóa theo giả thuyết hay giả thuyết Người ta nghiên cứu sản phẩm protein chúng loài khác Hãy cho biết kết nghiên cứu ủng hộ cho giả thuyết kết nghiên cứu ủng hộ cho giả thuyết 2? Hướng dẫn trả lời: - Nếu protein gen A B mã hóa có đoạn trình tự axit amin định giống chứng tỏ trình tự quy định exon giống ủng hộ giả thuyết tái tổ hợp lại exôn - Nếu trình tự axit amin chuỗi polipeptit giống khác số vị trí ủng hộ giả thuyết Câu 15: Trên quan điểm di truyền tiến hóa, giải thích: Tại số lượng chức gen người tinh tinh giống loài lại khác nhiều đặc điểm hình thái đặc điểm sinh học khác? Hướng dẫn trả lời: - Số lượng gen người tinh tinh giống chứng tỏ loài phân hóa từ tổ tiên chung (cách khoảng - triệu năm) Thời gian vài triệu năm chưa đủ để đột biến tạo cách biệt lớn mặt di truyền - Thời gian tiến hóa ngắn số đột biến gen điều hòa khiến cho việc điều hòa biểu gen giai đoạn phát triển khác khiến cho đặc điểm hình thái khác Ví dụ, hộp sọ người tinh tinh thời gian đầu trình phôi thai có hình dạng giống sau xương hàm người không phát triển dài tinh tinh xương hàm tiếp tục phát triển khiến cho cằm tinh tinh trưởng thành nhô nhiều mặt người lại phẳng với cằm tương đối ngắn Câu 16: Gen giả gì?Trong trường hợp gen giả hình thành?Trong điều kiện gen giả biểu hiện? Hướng dẫn trả lời: - Gen giả khái niệm dung để mô tả trình tự giống gen không khà tổng hợp protein hay ARN, hay không hữu ích mặt sinh học - Các trường hợp gen giả hình thành: 26 + Đột biến chuyển đoạn làm promoter + Đột biến lặp đoạn,đoạn lặp promoter + Đột biến làm sai hỏng promoter + Đột biến làm sai hỏng trình tự điều hòa khiến khả phiên dịch mã + Hình thành trình tái tổ hợp + Hình thành vi rút đưa vào - Các trường hợp gen giả biểu hiện: + Đột biến chuyển đoạn làm gắn promoter vào trình tự gen giả + Đột biến hồi biến promoter 27 Phần 3: KẾT LUẬN Như chúng ta đã có cái nhìn tổng quan về cấu trúc của genome ở các nhóm sinh vật khác nhau, đồng thời mở cho chúng ta những hướng mới để mở rộng tầm hiểu biết về các khái niệm trước về genome, về gen, và các trình tự ADN không làm nhiệm vụ mã hóa mà tham gia vào các nhiệm vụ khác hệ gen của tế bào Đồng thời, chuyên đề cũng mong muốn đã góp phần cung cấp một lượng thông tin vừa đủ về sự khác biệt cấu trúc của genome giữa hai nhóm đối tượng sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, qua đó có thể cập nhật được với những câu hỏi thi học sinh giỏi các cấp những năm gần Với mong muốn xây dựng chuyên đề hỗ trợ nhằm nâng cao hiệu giảng dạy phần Di truyền học cố gắng nghiên cứu, sưu tầm, chọn lọc xếp phù hợp với logic kiến thức Nhưng thời gian có hạn bản thân vẫn quá trình tích lũy kinh nghiệm sau mới trường nên chuyên đề chắn không tránh khỏi mắc phải một số sai sót nhất định Với tinh thần giao lưu, học hỏi và thiện chí cùng giúp đỡ tiến bộ, mong nhận đóng góp thầy cô, đồng nghiệp bạn bè Một lần nữa xin chân thành cảm ơn thầy cô, đồng nghiệp bạn bè đã tạo điều kiện cho được tham gia giao lưu viết chuyên đề này 28 BẢNG PHỤ LỤC Hình 10 11 12 Nội dung Genome của vi khuẩn E.coli Plasmit của vi khuẩn E.coli 23 cặp nhiễm sắc thể ở người được xác được qua phương pháp tế bào học (nhuộm băng NST) ADN ty thể người ADN lục lạp Vi rút Sputnik kí sinh bên một vi rút khác thuộc họ Mimivirus Phân loại vi rút theo vật chất di truyền của Baltimore Vùng trung tâm của promoter của operon Tryptophan ở vi khuẩn Vùng 5’UTR và 3’UTR gen cấu trúc Cấu trúc operon genome vi khuẩn Một operon đơn vị phiên mã đơn bao gồm chuỗi gen cấu trúc, promoter operator Cấu trúc gen phân mảnh ở sinh vật nhân chuẩn Các gen bị gián đoạn biểu thông qua ARN tiền thân 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bồi dưỡng học sinh giỏi Sinh học trung học phổ thông Di truyền và Tiến hóa, Vũ Đức Lưu, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Công nghệ sinh học phân tử – Nguyên lý và ứng dụng của ADN tái tổ hợp, Bernald R Glick (Chủ biên), NXB Khoa học và Kỹ thuật Di truyền học phân tử và tế bào, Đinh Đoàn Long, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Giáo trình Sinh học phân tử, Nguyễn Hoàng Lộc (Chủ biên), NXB Đại học Huế Sinh học 12 chuyên sâu, Tập Phần Di truyền học, Vũ Đức Lưu, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Sinh học phân tử, Võ Thị Thương Lan, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Tuyển tập các đề thi từ kì thi học sinh giỏi Quốc tế, kì thi vòng 2chọn học sinh giỏi dự thi Olympic Quốc tế và kì thi học sinh giỏi Quốc gia một số năm gần Tuyển tập một số thông tin lấy mạng Internet (Đã ghi rõ nguồn) 30 [...]... trình cắt các intron và nối các exôn lại với nhau Hình 12 Các gen bị gián đoạn được biểu hiện thông qua ARN tiền thân Các intron được loại bỏ, trong khi đó các exon được nối lại với nhau mRNA chỉ có các trình tự của exôn được dịch mã thành chuỗi pôlipeptit (Nguồn: Giáo trình Sinh học phân tử – Nguyễn Hoàng Lộc) 15 B TRỌNG TÂM CÁC CÂU HỎI ÔN LUYỆN HỌC SINH GIỎI VỀ GEN Câu 1: Gen là gì?... 5 Sinh học 12 chuyên sâu, Tập 1 Phần Di truyền học, Vũ Đức Lưu, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 6 Sinh học phân tử, Võ Thị Thương Lan, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 7 Tuyển tập các đề thi từ kì thi học sinh giỏi Quốc tế, kì thi vòng 2cho n học sinh giỏi dự thi Olympic Quốc tế và kì thi học sinh giỏi Quốc gia một số năm gần đây 8 Tuyển tập một số thông tin... thông Di truyền và Tiến hóa, Vũ Đức Lưu, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 2 Công nghệ sinh học phân tử – Nguyên lý và ứng dụng của ADN tái tổ hợp, Bernald R Glick (Chủ biên), NXB Khoa học và Kỹ thuật 3 Di truyền học phân tử và tế bào, Đinh Đoàn Long, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 4 Giáo trình Sinh học phân tử, Nguyễn Hoàng Lộc (Chủ biên), NXB Đại học Huế 5 Sinh. .. nếu dựa vào chức năng của gen có thể chia thành hai loại là gen cấu trúc và gen điều hòa Nếu dựa trên sự phân mảnh của gen, tức là vùng mã hóa có sự xen kẽ giữa các đoạn có ý nghĩa mã hóa (exôn) và các đoạn vô nghĩa (intron) hay có tính liên tục, người ta chia gen thành hai nhóm là gen phân mảnh và gen không phân mảnh Thậm chí, khi xét về genome của... ADN không làm nhiệm vụ mã hóa mà tham gia vào các nhiệm vụ khác trong hệ gen của tế bào Đồng thời, chuyên đề cũng mong muốn đã góp phần cung cấp một lượng thông tin vừa đủ về sự khác biệt trong cấu trúc của genome giữa hai nhóm đối tượng sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, qua đó có thể cập nhật được với những câu hỏi thi học sinh giỏi các. .. trường hợp gen giả được biểu hiện: + Đột biến chuyển đoạn làm gắn promoter vào trình tự gen giả + Đột biến hồi biến promoter 27 Phần 3: KẾT LUẬN Như vậy chúng ta đã có cái nhìn tổng quan về cấu trúc của genome ở các nhóm sinh vật khác nhau, đồng thời mở ra cho chúng ta những hướng đi mới để mở rộng tầm hiểu biết về các khái niệm trước đây về genome, về gen, và các trình... của gen là trình tự tăng cường (enhancer) phân bố ở gần, xa hoặc trong gen; ngoài ra còn co các trình tự kìm hãm (silencer) giúp cho quá trình điều hòa hoạt động của gen diễn ra một cách nhịp nhàng hơn - Vùng mang thông tin di truyền: Gồm các đoạn trình tự ADN mang thông tin mã hóa exôn xen kẽ với các đoạn không có thông tin mã hóa intron và có 2 đầu 5’UTR và 3’UTR... ví dụ như các gen mã hóa cho các enzyme cần thiết cho quá trình chuyển hóa glucose Do có chung promoter điều khiển cho mọi gen nằm trong một opêrôn cho nên chỉ có một loại phân tử mRNA được tổng hợp từ một opêrôn (mang thông tin di truyền của tất cả các gen nằm trong đó) Nói cách khác, quá trình phiên mã của các gen trong một opêrôn xảy ra đồng thời và phân tử mRNA đặc trưng cho opêrôn được gọi là... nhau II.2.2 Gen cấu trúc ở sinh vật nhân chuẩn (eukaryote): 13 Ở sinh vật nhân chuẩn, cấu trúc hệ gen phức tạp hơn rất nhiều so với hệ gen của sinh vật nhân sơ Một gen cấu trúc điển hình ở các tế bào eukaryote gồm có 3 phần chính: vùng điều khiển hoạt động của gen, vùng mang thông tin di truyền và vùng kết thúc của gen Hình 11 Cấu trúc gen phân mảnh ở sinh vật nhân... sơ là gen không phân mảnh, có vùng mã hoá bao gồm toàn trình tự các nuclêôtit mã hoá cho các axit amin Gen của sinh vật nhân thực phần lớn là gen phân mảnh, vùng mã hoá bao gồm các exon và intron - Gen của sinh vật nhân thực thường dài hơn gen của sinh vật nhân sơ - Gen của sinh vật nhân sơ không có các trình tự nuclêôtit “thừa” (intron) nên tiết kiệm được vật chất di truyền và năng lượng cần cho nhân