TIEU LUAN HE GEN ( Genome)

GEN & HỆ GEN (GENOME) A ĐẶT VẤN ĐỀ Đúng Francois Jancob phát biểu: “Sinh vật học đại có mục đích giải thích đặc tính thể sống thông qua cấu trúc phân tử thành phần” Hiện với phát triển phương pháp nghiên cứu sinh học phân tử giúp tăng tốc giải trình tự hệ gen (genome) việc ứng dụng tin sinh học vào phân tích hệ gen nhiều loài sinh vật có hệ gen người làm sáng tỏ thêm nhiều vấn đề cấu trúc hoạt động chức gen hệ gen (genome) Đồng thời mở nhiều hướng ứng dụng công nghệ sinh học phân tử vào giải vấn đề sinh học y học ngày Để tìm hiểu thêm quan điểm đặc điểm cấu trúc hoạt động chức gen hệ gen sinh vật em chọn đề tài: Gen hệ gen (genome) để tìm hiểu nghiên cứu B NỘI DUNG I – GEN Khái niệm gen Trải qua thời gian dài, khái niệm định nghĩa gen hình thành dựa vào kết thí nghiệm Đầu tiên, Menden đưa kết luận tính trạng định allen gen Một gen có nhiều allen Mức độ biểu tính trạng phụ thuộc vào kết hợp hai allen Tiếp theo, dựa đồ di truyền Mogan cộng đề xuất cho biết vị trí gen liên quan đến tính trạng nhiễm sắc thể từ kết thí nghiệm, nhà di truyền đưa đặc tính để xác định gen: (1) Gen qui định tính trạng quan sát chiếm vị trí nhiễm sắc thể (2) Gen xem đơn vị di truyền nhỏ bị đột biến (3) Gen xem đơn vị di truyền nhỏ mà trao đổi chéo xảy gen Trao đổi chéo thực gen tương đồng Các nhà sinh học phân tử dựa kết thực nghiệm đưa định nghĩa gen mặt chức là: trình tự nucleotide đặc thù phân tử ADN nhiễm sắc thể “mã hóa cho chuỗi polypeptide” Tiếp HVTH: Phạm Thành Định GEN & HỆ GEN (GENOME) tục nghiên cứu sinh học phân tử nhận thấy, phần lớn gen sinh vật nhân thực có đoạn không mã hóa ( intron ), vốn chiếm tỉ lệ lớn gen, lại trình tự tương ứng chuỗi polypeptide Bên cạnh đó, trình tự khởi đầu phiên mã trình tự điều hòa khác ADN thuộc vùng biên gen không phiên mã xem phần chức thiết yếu gen Và có trình tự ADN mã hóa cho rARN, tARN(vốn không dịch mã) vô quan trọng hoạt động chức gen Từ đó, sinh học phân tử ngày định nghĩa gen sau: Gen vùng ADN biểu để tạo sản phẩm cuối có chức (sản phẩm chuỗi polypeptide có hoạt tính phân tử ARN cần thiết cho hoạt động tế bào) Như vậy, gen bao gồm vùng chứa mã di truyền (codon region) mà gồm đoạn ADN (các vùng ADN điều khiển (regulatory elements)) cần thiết cho việc phiên mã Mặt khác, có đoạn ADN có cấu trúc hay trình tự nucleotide giống gen chúng không phiên mã không biểu chức nên chúng xem gen Cấu trúc hoạt động chức gen 2.1 Cấu trúc chung gen Một gen thường xem gồm có hai phần, phần mang mã di truyền phiên mã sang phân tử mARN phần ADN làm nhiệm vụ điều khiển hoạt động gen ( Hình I.1) Cả hai phần có cấu trúc giống sinh vật nhân sơ (prokaryote) sinh vật nhân thực (eukaryote) Tuy nhiên, gen eucaryote có cấu trúc đặc thù liên quan đến chế kiểm soát khác hoạt động gen Cấu trúc gen điển hình nói chung có promoter, vị trí để ARN polymerase hoạt động khởi đầu phiên mã Vùng ADN mang mã di truyền phiên mã sang phân tử mARN độ dài gen thay đổi tùy theo số lượng độ dài intron chứa vùng mã hóa Không phải phiên mã di truyền phân tử mARN dịch mã sang phân tử protein Hai đầu 5’ 3’ phân tử mARN gồm số nucleotide không dịch mã mà lại liên quan đến tính bền vững phân tử mARN tham gia kiểm soát trình HVTH: Phạm Thành Định GEN & HỆ GEN (GENOME) dịch mã Hai đoạn gọi vùng không dịch mã 5’ 3’ UTR (untranslated region) Vùng không dịch mã 5’ UTR nằm trước điểm khởi đầu dịch mã (3 nucleotide AUG mã hóa cho methionine chuỗi polypeptide) vùng không dịch mã 3’ UTR nằm sau điểm kết thúc dịch mã (stop codon UAA, UGA UAG) Đôi nằm xa gen, thấy enhancer (vùng tăng cường) silencer (vùng ức chế) có vai trò liên quan đến trình phiên mã Hình I.1 Cấu trúc chung gen Hoạt động gen đánh giá thông qua trình phiên mã (tổng hợp mARN) trình dịch mã (tổng hợp protein) Hoạt động kiểm soát chặt chẽ chế khác giai đoạn, bắt đầu kết thúc phiên mã, trình biến đổi mARN, định tính bền vững kiểm tra lại thông tin di truyền phân tử Do cấu trúc xếp gen procaryote khác với gen eucaryote nên phối hợp chế điều khiển mang tính chất riêng biệt cho loại hệ gen (genome) 2.2 Gen sinh vật nhân sơ ( prokaryote ) Các gen procaryote thường xếp nằm gần chịu điều khiển chung promoter, tức chúng phiên mã sang phân tử mARN Cấu trúc gọi operon Như vậy, operon gồm hai hay nhiều gen nằm cạnh nhiễm sắc thể Thông thường, gen tham gia vào đường chuyển hóa, ví dụ gen mã hóa cho enzyme cần thiết cho trình chuyển hóa lactose Do có chung promoter điều khiển cho gen nằm operon HVTH: Phạm Thành Định GEN & HỆ GEN (GENOME) có loại phân tử mARN tổng hợp từ operon (mang thông tin di truyền tất gen nằm đó) Nói cách khác, trình phiên mã gen operon xảy đồng thời phân tử mARN đặc trưng cho operon gọi mARN-polycistron Tuy nhiên, có hai điều cần ghi nhớ gen prokaryote là: (1) Các gen có vùng mã hóa liên tục, tức gen đoạn không mã hóa ( intron ), nên sau phiên mã tạo mARN trưởng thành tham gia vào trình dịch mã tổng hợp chuỗi polypeptide Hình I.2 Cấu trúc gen Procaryote ( vùng mã hóa liên tục) (2) Quá trình dịch mã phân tử mARN-polycistron xảy hoàn toàn độc lập với Mỗi đoạn tương ứng với gen phân tử có vị trí bám ribosome, có mã bắt đầu kết thúc tổng hợp chuỗi polypeptide riêng biệt Do đó, tốc độ tổng hợp protein phân tử mARN-polycistron hoàn toàn khác (Hình I.3) HVTH: Phạm Thành Định GEN & HỆ GEN (GENOME) Hình I.3 Cấu trúc operon Lac vi khuẩn Một operon đơn vị phiên mã đơn bao gồm chuỗi gen cấu trúc (structural genes), promoter operator Do tế bào procaryote cấu trúc nhân (chưa có màng nhân) gen đoạn không mã hóa ( intron ) nên trình phiên mã ( tổng hợp mARN ) dịch mã ( tổng hợp protein ) xảy đồng thời 2.3 Gen sinh vật nhân thực (eucaryote) Ở sinh vật nhân thực có tượng gen bị gián đoạn (interupted gene) ( Hình I.4 ) Hiện tượng khám phá lần năm 1977 tìm thấy phổ biến sinh vật nhân thực ( eukaryote ) Khi so sánh trình tự nucleotide gen với phân tử mARN phiên mã từ gen đó, nhà khoa học phát thấy gen có chứa đoạn không mang mã di truyền Những đoạn không tìm thấy phân tử mARN sử dụng làm khuôn để tổng hợp protein Chúng gọi đoạn không mã hóa (intron) Như bên cạnh việc chứa đoạn mang mã di truyền (exon), đa số gen sinh vật nhân thực ( eukaryote ) chứa đoạn không mã hóa ( intron ) Mặc dù không chứa mã di truyền bị cắt khỏi phân tử mARN, đột biến xảy đoạn không mã hóa ( intron ) ngăn cản phản ứng nối đoạn mã hóa ( exon ) với nhau, tạo nên phân tử mARN sai hỏng không sử dụng để dịch mã tổng hợp protein Khi phân tử ARN phiên mã từ gen, phải trải qua HVTH: Phạm Thành Định GEN & HỆ GEN (GENOME) trình loại bỏ đoạn intron, nối exon với (phản ứng splicing) Phản ứng cắt nối xảy với loại mARN, rARN tARN Để tạo phân tử ARN hoàn thiện, việc cắt intron, nối exon tuân theo qui luật nghiêm ngặt xác để đảm bảo thứ tự chúng Điều đáng lưu ý với ADN ty thể lục lạp, đoạn không mã hóa ( intron ) gen đoạn mã hóa ( exon ) gen khác sản phẩm protein hai gen có chức hoàn toàn độc lập Ngoài ra, số gen phiên mã tạo mARN chúng không dịch mã Những phân tử mARN trải qua phản ứng cắt nối intron-exon để tạo đoạn ARN ngắn Chúng tiếp tục phân huỷ thành phân tử ARN kích thước nhỏ 22-25 nucleotides (miRNAs: micro RNAs) Các phân tử miRNAs tham gia vào nhiều trình kiểm soát hoạt động số gen hệ gen (genome), chủ yếu trình sau phiên mã Trong chế kiểm soát này, miRNAs làm nhiệm vụ nhận biết mARN số gen khác để phân hủy mARN Đây chế kiểm soát hoạt động gen sau phiên mã phát vào năm cuối thập kỷ 20 Hình I.4 Cấu trúc gen sinh vật nhân thực (eukaryote) HVTH: Phạm Thành Định GEN & HỆ GEN (GENOME) Ở sinh vật bậc cao, gen mã cho protein hay tARN, rARN bị gián đoạn Độ dài trung bình đoạn mã hóa (exon) khoảng 200 bp đoạn không mã hóa (intron) lớn 10 kb chí đạt tới 50-60 kb Một điểm đáng ý nữa, tượng gen nằm gối lên (overlapping genes) xảy ADN nằm nhân tế bào nhân thực (eucaryote) Hiện tượng hay gặp hệ gen (genome) sinh vật nhân sơ ( prokaryote ) với gen phân bố bào quan tế bào nhân thực ( eukaryote ) ti thể, lục lạp II HỆ GEN (GENOME) Khái niệm hệ gen (genome) Hệ gen (genome) chứa toàn thông tin di truyền lập trình đảm bảo hoạt động sống cho tế bào Đa số hệ gen vi khuẩn (prokaryote ) phân bố nhiễm sắc thể có kích thước nhỏ có dạng vòng khép kín Ngược lại, phần hệ gen nhân tế bào nhân thực (eukaryote) thường lớn phân bố nhiễm sắc thể dạng thẳng Từ năm 70, thí nghiệm gây bão hoà đột biến, nhà di truyền học xác định số gen nằm đoạn nhiễm sắc thể Ngày kỹ thuật phân tích ADN đại (các phép lai Southern, northern, microarray ), cho phép xác định số gen hoạt động tế bào Ví dụ, tế bào nấm men (sinh vật eukaryot bậc thấp) có khoảng 4000 gen hoạt động, tế bào động vật có vú khoảng 10.000 - 15.000 gen Như vậy, độ dài trung bình gen khoảng 10000 bp tổng số chiều dài gen hoạt động tế bào chiếm 1-2% hệ gen Hay nói cách khác phần nhỏ hệ gen mang thông tin di truyền cần thiết cho hoạt động sống tế bào So sánh kích thước hệ gen số loài gần bậc thang tiến hoá (tức có độ phức tạp loài tương tự nhau) hệ gen loài cách xa (tức có tính phức tạp khác nhau) cho thấy kích thước hệ gen (genome) luôn tỷ lệ với tính phức tạp loài Ví dụ, hệ gen người có kích thước khoảng 3,2x10 bp, hệ gen ( genome ) loài lưỡng cư dài tương tự cỡ 3,1x109 bp thực vật đạt đến 1011 bp Có lẽ loài lưỡng cư lại có tính phức tạp thể chúng ta? HVTH: Phạm Thành Định GEN & HỆ GEN (GENOME) Mặt khác, loài nhận thấy mâu thuẫn kích thước hệ gen Ví dụ, ruồi sống nhà (Musca domestica) có hệ gen (genome) cỡ 8,6x108 bp, lớn gấp lần kích thước hệ gen ruồi giấm (D.melanogaster) với hệ gen cỡ 1,4x108 bp Ngoài ra, kích thước hệ gen quần thể lưỡng cư thay đổi từ 10 bp đến 1011 bp (khác gấp 100 lần).Vì loài kích thước hệ gen (genome) lại biến thiên nhiều vậy? Kết bước đầu so sánh hệ gen (genome) loài sinh vật với cho phép rút ba đặc điểm bật hệ gen sinh vật là: Thứ nhất, gen phân bố không theo qui luật hệ gen Thứ hai, kích thước hệ gen thay đổi không tỷ lệ với tính phức tạp loài Thứ ba là, số lượng nhiễm sắc thể khác loài gần Nếu phân tích chi tiết gen định vị trí đoạn không mã hóa (intron), đoạn mã hóa (exon), đoạn ADN điều khiển hoạt động gen vv yếu tố quan trọng để so sánh tìm mối quan hệ loài Ngoài ra, tổng số gen nói chung, số lượng gen có nhiều hệ gen (genome), tỷ lệ loại ADN lặp lại thành phần chúng di chuyển gen từ hệ gen riêng biệt bào quan (ty thể, lục lạp) sang hệ gen nhân chịu ảnh hưởng thời gian, phản ánh trình tiến hoá loài Hình II.1 Kích cỡ hệ gen số gen mang tính chất đặc trưng cho loài (Theo Campbell, 2008) Hệ gen sinh vật nhân sơ (prokaryote) HVTH: Phạm Thành Định GEN & HỆ GEN (GENOME) Hệ gen (genome) tế bào nhân sơ (prokaryote) không lớn nên số lượng hệ gen loài vi khuẩn xác định trình tự ngày nhiều Nhờ thông tin liệu cấu trúc hệ gen sinh vật nhân sơ (prokaryote), phân bố gen, cách thức kiểm soát hoạt động chức chúng ngày phong phú trở nên rõ ràng Hệ gen (genome) sinh vật nhân sơ (prokaryote) có kích thước nhỏ nhiều so với hệ gen sinh vật nhân thực (eukaryote) Bên cạnh nhiễm sắc thể dạng vòng chứa phần lớn thông tin di truyền, tế bào nhân sơ (prokaryote) có nhiều loại plasmid Trước đây, plasmid xem phân tử ADN dạng vòng chứa gen không quan trọng Ví dụ, plasmid thường mang gen liên quan đến tính chống chịu kháng sinh Do đó, tế bào tồn thiếu vắng gen Tuy nhiên, khái niệm plasmid mở rộng thực nghiệm tìm thấy số tế bào nhân sơ (prokaryote ) có chứa phân tử ADN kích thước nhỏ, dạng thẳng mang gen tương tự plasmid dạng vòng Vì vậy, plasmid hiểu đoạn ADN kích thước nhỏ mang số gen không định sống tế bào Hơn nữa, loại plasmid tìm thấy loại tế bào nhân sơ (prokaryote) khác Mặt khác, plasmid có khả biến nạp từ loại tế bào nhân sơ (prokaryote) sang loại khác Vì vậy, có chứa gen plasmid dường không xem phần hệ gen (genome) Hầu hết hệ gen (genome) sinh vật nhân sơ nhỏ Mb (5.000.000 nucleotide) thường phân bố nhiễm sắc thể dạng vòng Đặc biệt, số hệ gen ( genome ) tế bào nhân sơ phân tử ARN kết hợp hai loại ADN ARN Ngoài ra, hệ gen (genome) sinh vật nhân sơ (prokaryote) bao gồm gen phân bố đoạn thẳng ADN hai loại phân tử ADN dạng thẳng dạng vòng Ví dụ, nhiễm sắc thể dạng thẳng phát lần Borrelia burgdorferi vào năm 1989 Nhiễm sắc thể dài 910 kb gồm 853 gen Bên cạnh đó, tế bào Borrelia burgdorferi có tới 17 plasmid dạng vòng dạng thẳng với tổng chiều dài 533 kb liên quan tới 430 gen Hầu hết gen phân bố plasmid không quan trọng, có số gen cần thiết cho trình tổng hợp purine protein màng tế bào Do đó, tổng số 17 plasmid, vài plasmid chứa gen xem phận hệ gen (genome) tế bào Borrelia burgdorferi HVTH: Phạm Thành Định GEN & HỆ GEN (GENOME) Hệ gen (genome) sinh vật nhân sơ (prokaryote) không đóng gói cấu trúc nucleosome hệ gen sinh vật nhân thực không bao bọc màng nhân Nhiễm sắc thể dạng vòng có cấu trúc không gian giống cánh hoa hoa, cánh đoạn ADN có cấu trúc siêu xoắn (supercoil) Các cánh không đính vào lõi protein Hệ gen (genome) vi khuẩn có khoảng 40-50 cánh Cấu trúc kiểu hoa gọi nucleoide (Hình II.1) Cấu trúc nucleoide giúp hệ gen (genome) chiếm thể tích nhỏ tế bào Ngoài ra, cấu trúc không gian nhiễm sắc thể trì nhờ phân tử ARN kích thước nhỏ tương tác với protein Do đó, bị đứt gãy, cấu trúc siêu xoắn nhiễm sắc thể mở cách cục cánh bị tổn thương không xảy toàn hệ gen (genome) Thực nghiệm phát protein tham gia vào trình đóng gói hệ gen (genome) hình thành nucleoide, protein HU có chức tương tự histone tế bào sinh vật nhân thực (eukaryote) Mặc dù có cấu trúc khác với histone HU dạng tetramer tạo thành lõi quấn quanh đoạn ADN khoảng 60 bp Như vậy, protein HU có chức tương tự histone việc qui định nghiêm ngặt cấu trúc không gian sợi nhiễm sắc thể Tuy nhiên, chưa xác định lõi có phân bố đặn hay tập trung "nhị hoa" nucleoide Hình II.1: Nhiễm sắc thể tế bào nhân sơ ( Prokaryote) Hệ gen sinh vật nhân thực (eukaryote) HVTH: Phạm Thành Định 10 GEN & HỆ GEN (GENOME) Hệ gen (genome) tế bàosinh vật nhân thực (eukaryote) bao gồm nhiễm sắc thể phân bố nhân AND phân bố số bào quan lục lạp, ty thể Tuy nhiên, hầu hết số lượng ADN gen tập trung chủ yếu nhân nên ADN (nhiễm sắc thể) phân bố nhân nhà sinh học quan tâm nhiều Hình II.2: Hệ gen (genome) sinh vật nhân thực phân bố chủ yếu nhân tế bào Các nhiễm sắc thể phân tử ADN liên kết với protein, dạng thẳng Không có mối liên hệ ràng buộc ba thông số sinh học: số lượng nhiễm sắc thể, kích thước hệ gen (genome) tính phức tạp loài Ví dụ, nấm men S.cerevisiae xem sinh vật nhân thực (eucaryote) bậc thấp lại có số lượng nhiễm sắc thể nhiều gấp lần ruồi giấm D melanogaster Ngoài ra, kích thước hệ gen (genome) kỳ nhông lớn gấp 30 lần hệ gen (genome) người số lượng nhiễm sắc thể nửa Hơn nữa, số nhiễm sắc thể có kích thước nhỏ (các nhiễm sắc thể mini) có mật độ phân bố gen cao Ví dụ, hệ gen gà gồm 39 nhiễm sắc thể, nhiễm sắc thể bình thường chiếm 66% ADN có 25% gen phân bố nhiễm sắc thể đó; 33 nhiễm sắc thể lại nhiễm sắc thể mini chiếm 1/3 ADN có tới 75% gen Những so sánh lý thú cho thấy bí hiểm tiến hoá cấu trúc hệ HVTH: Phạm Thành Định 11 GEN & HỆ GEN (GENOME) gen (genome) sinh vật khác mà sinh học chưa giải thích Kích thước hệ gen (genome) nhân tế bào nhân thực (eucaryote) thay đổi từ 12 Mb (nấm men S.cerevisiae) đến 120.000 Mb (thực vật F.assyriaca) Hệ gen (genome) bao gồm thành phần ADN không lặp lại ADN lặp lại Phần lớn gen phân bố thành phần ADN không lặp lại số lượng chúng tăng với tính phức tạp loài Tuy nhiên, điều đặc biệt lưu ý tính phức tạp không phụ thuộc vào số lượng gen mà xác định thành phần ADN lặp lại Vì vậy, luôn tồn mối tương quan tỷ lệ thuận kích thước hệ gen (genome) tính phức tạp loài Ví dụ, kích thước hệ gen (genome) người khoảng 109 bp hệ gen (genome) số loài lưỡng cư thực vật đạt đến 1011 bp Hệ gen (genome) người giải mã hoàn toàn (2001) bao gồm thành phần ADN trình bày hình II.3 Hình II.3: Các loại ADN genome người (theo Brown, 2001) Hệ gen sinh vật nhân thực ( eukaryote ) có điểm đặc biệt hệ gen đơn bội thể đa bào có tồn nhiều họ gen (family genes) Ngoài ra, có trình tự nucleotide giống với gen biết trình tự không phiên mã không dịch mã Chúng gọi giả gen (pseudogen) Họ gen(family genes) HVTH: Phạm Thành Định 12 GEN & HỆ GEN (GENOME) Hệ gen (genome) sinh vật nhân thực (ecaryote), hệ gen đơn bội thể đa bào có khoảng 1/4 đến 1/2 số gen mã cho protein gen đơn lẻ (single copy gene), không tồn thứ hai Số gen lại thường tồn hai nhiều sao, gen không bắt buộc phải giống hoàn toàn trình tiến hoá chúng chịu đột biến thêm, mất, thay cặp nucleotide Các gen hình thành từ gen tổ tiên xếp vào họ gen (family genes) Các gen họ tập trung thành nhóm (trên nhiễm sắc thể) phân tán hệ gen (genome) nhiễm sắc thể khác Sản phẩm thành viên họ có chức giống hệt có liên quan đến gen thường hoạt động thời điểm định loại tế bào biệt hoá khác Ví dụ, việc tổng hợp protein globin (được mã gen họ gen) chúng hoạt động giai đoạn định trình phát triển phôi thai thể trưởng thành HVTH: Phạm Thành Định 13 GEN & HỆ GEN (GENOME) Hình II.4: Các họ gen người (Theo Campbell, 2008) Ngoài ra, hệ gen lại có số gen gồm nhiều giống hệt lặp lặp lại liên tục vùng nhiễm sắc thể (tandem repeat genes) Ví dụ, gen mã cho ARNr, ARNt, histone, vv III CÁC YẾU TỐ DI TRUYỀN DI ĐỘNG Cả sinh vật nhân sơ sinh vật nhân thực có hệ gen đoạn trình tự ADN co thể di chuyển từ vị trí sang vị trí khác hệ gen Những đoạn trình tự ADN gọi yếu tố di truyền di động, hay gọi tắt yếu tố di động Sự thay đổi trật tự đoạn DNA genome HVTH: Phạm Thành Định 14 GEN & HỆ GEN (GENOME) Kích thước cấu trúc hệ gen (genome) loài khác Nguyên nhân đa dạng do: (1) trao đổi chéo cặp nhiễm sắc thể tương đồng xảy phân bào giảm nhiễm dẫn đến đa dạng loài; (2) hệ gen (genome) trật tự đoạn ADN cấu trúc gen xếp lại, đặc trưng cho cá thể Chính yếu tố di truyền có khả di chuyển vị trí hệ gen hệ gen khác góp phần làm đa dạng di truyền cá thể loài Các yếu tố di truyền có khả di chuyển xếp vào ba nhóm tùy thuộc vào tính độc lập chúng: - Nhóm thứ gồm yếu tố có khả di chuyển vị trí khác hệ gen - Nhóm thứ hai gồm yếu tố có khả ghép vào tách khỏi hệ gen để tồn độc lập tế bào (các episome plasmid F, bacteriophage) - Nhóm thứ ba di chuyển kiểm soát tế bào giai đoạn sinh trưởng phát triển định để xếp khởi động số gen đặc biệt (hình thành cassette hoạt động nấm men S cerevisiae, ký sinh trùng đơn bào Trypanosome) Sự di chuyển yếu tố nhóm thứ hai thứ ba liên quan tới tái tổ hợp tương đồng tái tổ hợp vị trí đặc hiệu Mặc dù khả tồn độc lập bên hệ gen, nhóm thứ tự kiểm soát di chuyển chúng hệ gen không đòi hỏi tương đồng chúng với vị trí ghép vào Do đó, nói chúng di chuyển cách tự hệ gen gọi tên chung yếu tố di chuyển (transposable elements, transposons) Sự di chuyển transposon retrotransposon Các sinh vật nhân thực có hai loại yếu tố di động Loại thứ gọi transposon loại yếu tố di chuyển hệ gen thông qua ADN trung gian Các transposon di chuyển chế “cắt – dán” chúng chuyển dời khỏi vị trí gốc, chế “sao chép- dán” chúng để lại ví trí gốc Loại thứ hai phổ biến sinh vật nhân thực retrotransposon; loại yếu tố di chuyển hệ gen thông qua ARN HVTH: Phạm Thành Định 15 GEN & HỆ GEN (GENOME) trung gian; phiên mã ADN retrotransposon Các retrotransposon để lại vị trí đích trình chuyển vị, chúng phiên mã thành ARN trung gian (Hình III.5.b) trước cài vào vị trí đích, phân tử ARN trung gian phiên mã ngược tạo thành ADN enzyme phiên mã ngược retrotransposon mã hóa Hoạt động cài trình tự ADN phiên mã ngược vào vị trí xúc tác enzyme tế bào Hình III 5: Sự di chuyển yếu tố di động sinh vật nhân thực Khi di chuyển, transposon gây việc xếp tổ chức lại genome cá thể tạo đoạn ADN vị trí chúng ghép vào tách Chúng di chuyển tới vị trí hoàn toàn không cần mối quan hệ hai vị trí cũ Khi tách transposon mang theo đoạn DNA bên cạnh, gây đoạn vị trí cũ Ngược lại, ghép vào vị trí mới, chúng gây tượng thêm đoạn chuyển đoạn vị trí Do đó, transposon giống vector chuyên chở ADN từ nơi sang nơi khác hệ gen từ hệ gen sang hệ gen khác Ngoài ra, trao đổi chéo transposon tương đồng hai vị trí khác trên hai nhiễm sắc thể tạo biến đổi tương tự Những biến đổi dẫn đến việc xếp lại hệ gen, tạo tính đa dạng chúng tính đặc thù riêng cá thể Đặc biệt, thay đổi vị trí transposon ảnh hưởng đến hoạt động gen phân bố xung quanh chúng không làm thay đổi trật tự nucleotide gen Các transposon chia làm hai nhóm dựa vào khả di chuyển độc lập hay phải phụ thuộc vào có mặt transposon khác: HVTH: Phạm Thành Định 16 GEN & HỆ GEN (GENOME) - Nhóm thứ gồm đoạn ADN có khả di chuyển độc lập Chúng chứa gen mã hóa cho protein điều khiển trình đó, ví dụ enzyme nhận biết hai đầu transposon để tách chúng khỏi vị trí cũ ghép vào vị trí Do đó, trình thực hoàn toàn độc lập Nhờ khả này, chúng tạo đột biến không bền vững - Nhóm thứ hai gồm transposon khả tự hoạt động, tức chúng khả di chuyển không mang đủ thông tin di truyền mã hóa cho enzyme cần thiết Vì vậy, transposon loại tạo đột biến gen cách tự phát đột biến bền vững Việc di chuyển transposon nhóm phụ thuộc vào có mặt transposon có khả hoạt động độc lập nhóm Hai transposon xếp vào nhóm chúng có cấu trúc tương đồng nhau, đặc biệt đoạn oligonucleotide phân bố hai đầu transposon Đây vị trí để enzyme nhận biết cắt nối transposon vị trí đến Các transposon đơn giản vi khuẩn gọi IS (insertion sequences) Chúng nằm chromosome plasmid Transposon vi khuẩn không giữ chức tế bào Trình tự nucleotide đầu IS thường lặp lại ngược chiều so với đầu (inverted repeat) Ví dụ GGTAT-Xn-ATACC Do đó, sợi đôi IS tách thành hai sợi đơn sợi có khả hình thành liên kết bổ sung hai đầu IS tạo cấu trúc thân-quai/cán-thòng lọng (stem-loop) Transposon thường mã hóa cho enzyme transposase làm nhiệm vụ nhận biết chuỗi nucleotide lặp lại ngược chiều (inverted repeat) để cắt transposon di chuyển Khi IS ghép vào vị trí genome đoạn ngắn DNA vị trí nhân đôi, tức hai đầu IS chặn nucleotide giống nhau, xếp theo chiều Vì vậy, đoạn ngắn DNA gọi “lặp lại xuôi chiều” (direct repeat) Chiều dài chúng thường khoảng bp (Hình III.6) Dựa vào có mặt đoạn chiều ngược chiều xác định vị trí transposon ghép vào chuyển HVTH: Phạm Thành Định 17 GEN & HỆ GEN (GENOME) Hình III.6: Một transposon có đoạn lặp lại ngược chiều gồm nucleotide (123456789) gắn vào vị trí có nucleotide (ATGCA) (Đoạn ngắn ATGCA có mặt hai đầu IS có trình tự nucleotide xếp theo chiều) Ngoài IS, vi khuẩn có đoạn DNA có khả di chuyển với kích thước dài hơn, gọi Tn Các Tn thường phân bố plasmid (phân tử DNA dạng vòng, kích thước thường không lớn) có khả chèn vào vị trí genome Chúng thường mang thông tin di truyền mã hóa cho protein kháng kháng sinh Giữa IS Tn có mối quan hệ trình tự nucleotide Các Tn thường giới hạn hai đầu loại IS Quá trình di chuyển transposon từ vị trí cũ (vị trí cho, donor) sang vị trí (vị trí nhận, recipient) xảy theo hai chế khác nhau: - Cơ chế y (transposon có mặt hai vị trí) Theo chế này, phiên sau chép từ vị trí cho ghép vào vị trí nhận Như vậy, lần di chuyển số lượng tăng lên Quá trình liên quan đến hai loại enzyme: transposase (tác động vào hai đầu gốc transposon) resolvase (tác động lên sao) HVTH: Phạm Thành Định 18 GEN & HỆ GEN (GENOME) - Cơ chế tách khỏi vị trí cũ di chuyển đến vị trí Theo chế này, transposon tách khỏi vị trí cũ ghép vào vị trí Như vậy, số lượng transposon không thay đổi Kiểu di chuyển cần enzyme transposase Khi transposon chuyển đi, vị trí cũ bị gãy nối lại nhờ chế sửa chữa DNA tế bào C KẾT LUẬN Hệ gen (genome) chứa thông tin di truyền đặc trưng cho loài, chí cho cá thể loài Ở sinh vật nhân sơ (prokaryote) gen thường tồn đơn lẻ có vùng mã hóa liên tục sinh vật nhân thực (eukaryote) thường tồn nhiều thường bị gián đoạn đoạn không mã hóa (các intron) Hệ gen sinh vật nhân sơ (prokaryote) không đóng gói cấu trúc nhiễm sắc thể (nucleosome) hệ gen sinh vật nhân thực không bao bọc màng nhân Các gen có liên quan chức bố trí OPERON điều hòa phiên mã Trong hoạt động gen sinh vật nhân thực điều hòa nhiều chế phức tạp gen có nhiều giống khác chút vai trò tập hợp thành họ gen (family genes) Kích thước cấu trúc hệ gen (genome) loài khác tượng trao đổi chéo cặp nhiễm sắc thể tương đồng xảy phân bào giảm nhiễm; xếp lại trật tự đoạn ADN cấu trúc gen hệ gen yếu tố di truyền có khả di chuyển (yếu tố di động) vị trí hệ gen hệ gen khác Do vậy, hệ gen (genome) loài không đặc trưng số lượng gen mà đặc trưng kích thước Có khi, hai loài có số lượng gen tương đương loài (thường tiến hóa hơn) hệ gen có nhiều khác gen tồn mà làm cho kích thước hệ gen lại khác xa MỤC LỤC A ĐẶT VẤN ĐỀ………………………………………………………….… …… Trang HVTH: Phạm Thành Định 19 GEN & HỆ GEN (GENOME) B NỘI DUNG…………………………………………… ………… ….………… Trang I – GEN ………………………………………………… ……………….………… Trang 1 Khái niệm gen…………………………………………………….……… Trang Cấu trúc hoạt động chức gen………….……………… Trang 2.1 Cấu trúc chung gen……………………………….…………… Trang 2.2 Gen sinh vật nhân sơ ( prokaryote ) ……………… …………… Trang 2.3 Gen sinh vật nhân thực (eucaryote) ………………………………… Trang II HỆ GEN (GENOME) ……………………………………………… …… Trang Khái niệm hệ gen (genome) ……………………………… ……………… Trang Hệ gen sinh vật nhân sơ (prokaryote) ………………….……… Trang Hệ gen sinh vật nhân thực (eukaryote) ……………… ……… Trang 11 Họ gen(family genes) ……………………………………….…… ………… Trang 13 III CÁC YẾU TỐ DI TRUYỀN DI ĐỘNG……………… ………… Trang 14 Sự thay đổi trật tự đoạn DNA genome …… ………Trang 15 Sự di chuyển transposon retrotransposon…….……… Trang 15 C KẾT LUẬN………………………………………………………….… ……… Trang 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS TS Nguyễn Bá Lộc (2002) Bài giảng Sinh học phân tử Đại học Sư phạm Đại học Huế Campbell (dịch), N.A et al., (2008) Sinh hoc San Francisco: Pearson International Edition HVTH: Phạm Thành Định 20 GEN & HỆ GEN (GENOME) Đinh Đoàn Long, Đỗ Lê Thăng(2008) Cơ sở di truyền học phân tử tế bào; NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội Võ Thị Hương Lan, (2007) Một số vấn đề sinh học phân tử; NXB Đại học quốc gia Hà Nội Các địa trang web: Ebook Online, Sinh học phân tử/Chương 2: Genome 6.PPT]chuong3.gen+genome HVTH: Phạm Thành Định 21