Lý do chọn đề tàiTrong sinh giới, một sinh vật được sinh ra, lớn lên, già đi rồi chết. Và con người cũng không phải là ngoại lệ, sự già đi của con người là một tất yếu của tự nhiên, được tự nhiên “lập trình” từ trước. Từ xưa đã có bao câu chuyện về các phương thuốc huyền bí “cải lão hoàn đồng” hay phép màu “trường sinh bất lão”. Tuy nhiên, trong thực tế, chỉ đến giữa thế kỉ XX và cũng chỉ ở các nước phát triển, nhờ có tiến bộ về mức sống và chăm sóc y tế, con người mới có tuổi thọ trung bình vượt hẳn lên so với tuổi sinh sản. Và chỉ vài chục năm gần đây, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật trong nghiên cứu Sinh học phân tử đã giúp chúng ta dần dần hiểu được phần nào đâu là nguyên nhân làm cho con người già đi.Con người được tạo ra từ sự kết hợp của trứng và tinh trùng, để tạo ra một tế bào phôi thai. Tế bào đó tiếp tục tự nhân đôi theo cấp số nhân: 1, 2, 4, 8, 16,…, 2n trong tử cung người mẹ cho đến khi thành hình hài của một đứa bé hoàn chỉnh sau khoảng 9 tháng 10 ngày. Mỗi chúng ta đều đã được sinh ra như thế. Do đó, đã có giả thuyết cho rằng tế bào của con người có khả năng nhân đôi mãi mãi, vì thế, chúng ta mới có thể lớn lên từ một đứa bé. Nhưng tại sao chúng ta không lớn lên mãi mà lại già đi? Mãi đến tận năm 1961, hai nhà khoa học người Mỹ Leonard Hayflick và Paul Moorehead mới phát hiện ra tế bào con người khi được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm thì đều có tuổi thọ nhất định, chứ không hề nhân đôi lên mãi mãi. Phát hiện này đã mở đầu cho một giai đoạn mới trong nghiên cứu về quá trình già đi của con người, hay còn gọi là quá trình lão hóa. Các nhà khoa học nhờ đó mà nhận ra rằng con người già đi là do các tế bào dần dần mất đi khả năng nhân đôi của chúng đó cũng là lúc con người già đi để rồi qua đời. Vậy, nguyên nhân nào dẫn đến sự ngừng phân chia của tế bào? Tại sao có những loại tế bào trong cơ thể lại có khả năng phân chia vô hạn? Và những điều này đã được ứng dụng để giải thích các vấn đề trong thực tế ra sao? Để làm rõ một trong số các nguyên nhân dẫn đến vấn đề này, người viết đã chọn đề tài “Telomere, enzyme Telomerase và ứng dụng công nghệ gen ”.Mục đích nghiên cứuThông qua đề tài này giúp bản thân nắm vững hơn những kiến thức lý thuyết về đầu mút nhiễm sắc thể telomere, nghiên cứu rõ hơn mối liên hệ giữa telomere, enzyme telomerase, sự lão hóa và ung thư và ứng dụng công nghệ gen vào chữa các bệnh lão hóa, ung thư.Đồng thời nhằm học tập phương pháp nghiên cứu khoa học, cũng như tích lũy kiến thức phục vụ cho quá trình học tập và giảng dạy về sau.Phương pháp nghiên cứuPhương pháp phân loại lý thuyết: Sắp xếp các tài liệu khoa học từ nhiều nguồn như giáo trình, bài giảng, tạp chí khoa học, internet thành từng đơn vị kiến thức và từng vấn đề.Phương pháp hệ thống hóa lý thuyết: Sắp xếp các thông tin đã thu thập được thành một hệ thống với kết cấu chặt chẽ.Phương pháp chuyên gia: Hỏi ý kiến giáo viên hướng dẫn về vấn đề nghiên cứu.4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứuĐối tượng nghiên cứu: Sinh vật nhân chuẩn.Phạm vi nghiên cứu: Chỉ tập trung nghiên cứu Telomere, enzyme Telomerase trong tế bào và một số vấn đề liên quan đến ứng dụng của công nghệ gen với quá trình lão hóa, ung thư.
Trang 1Phần I MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Trong sinh giới, một sinh vật được sinh ra, lớn lên, già đi rồi chết Và con ngườicũng không phải là ngoại lệ, sự già đi của con người là một tất yếu của tự nhiên, được tựnhiên “lập trình” từ trước Từ xưa đã có bao câu chuyện về các phương thuốc huyền bí
“cải lão hoàn đồng” hay phép màu “trường sinh bất lão” Tuy nhiên, trong thực tế, chỉ đếngiữa thế kỉ XX và cũng chỉ ở các nước phát triển, nhờ có tiến bộ về mức sống và chămsóc y tế, con người mới có tuổi thọ trung bình vượt hẳn lên so với tuổi sinh sản Và chỉvài chục năm gần đây, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật trong nghiên cứu Sinh họcphân tử đã giúp chúng ta dần dần hiểu được phần nào đâu là nguyên nhân làm cho conngười già đi
Con người được tạo ra từ sự kết hợp của trứng và tinh trùng, để tạo ra một tế bàophôi thai Tế bào đó tiếp tục tự nhân đôi theo cấp số nhân: 1, 2, 4, 8, 16,…, 2n trong tửcung người mẹ cho đến khi thành hình hài của một đứa bé hoàn chỉnh sau khoảng 9 tháng
10 ngày Mỗi chúng ta đều đã được sinh ra như thế Do đó, đã có giả thuyết cho rằng tếbào của con người có khả năng nhân đôi mãi mãi, vì thế, chúng ta mới có thể lớn lên từmột đứa bé Nhưng tại sao chúng ta không lớn lên mãi mà lại già đi? Mãi đến tận năm
1961, hai nhà khoa học người Mỹ Leonard Hayflick và Paul Moorehead mới phát hiện ra
tế bào con người khi được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm thì đều có tuổi thọ nhất định,chứ không hề nhân đôi lên mãi mãi Phát hiện này đã mở đầu cho một giai đoạn mới trongnghiên cứu về quá trình già đi của con người, hay còn gọi là quá trình lão hóa Các nhàkhoa học nhờ đó mà nhận ra rằng con người già đi là do các tế bào dần dần mất đi khảnăng nhân đôi của chúng - đó cũng là lúc con người già đi để rồi qua đời
Vậy, nguyên nhân nào dẫn đến sự ngừng phân chia của tế bào? Tại sao có nhữngloại tế bào trong cơ thể lại có khả năng phân chia vô hạn? Và những điều này đã đượcứng dụng để giải thích các vấn đề trong thực tế ra sao? Để làm rõ một trong số các
nguyên nhân dẫn đến vấn đề này, người viết đã chọn đề tài “Telomere, enzyme Telomerase và ứng dụng công nghệ gen ”.
Trang 22 Mục đích nghiên cứu
Thông qua đề tài này giúp bản thân nắm vững hơn những kiến thức lý thuyết về đầu
mút nhiễm sắc thể - telomere, nghiên cứu rõ hơn mối liên hệ giữa telomere, enzyme
telomerase, sự lão hóa và ung thư và ứng dụng công nghệ gen vào chữa các bệnh lão hóa,
ung thư
Đồng thời nhằm học tập phương pháp nghiên cứu khoa học, cũng như tích lũy kiếnthức phục vụ cho quá trình học tập và giảng dạy về sau
3 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân loại lý thuyết: Sắp xếp các tài liệu khoa học từ nhiều nguồn
như giáo trình, bài giảng, tạp chí khoa học, internet thành từng đơn vị kiến thức và từngvấn đề
- Phương pháp hệ thống hóa lý thuyết: Sắp xếp các thông tin đã thu thập được thành
một hệ thống với kết cấu chặt chẽ
- Phương pháp chuyên gia: Hỏi ý kiến giáo viên hướng dẫn về vấn đề nghiên cứu.
4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Sinh vật nhân chuẩn.
- Phạm vi nghiên cứu: Chỉ tập trung nghiên cứu Telomere, enzyme Telomerase
trong tế bào và một số vấn đề liên quan đến ứng dụng của công nghệ gen với quá trình lãohóa, ung thư
Trang 3Phần II NỘI DUNG
I Tổng quan
1.1 Hệ quả sau mỗi lần phân chia của tế bào nhân thực
Sự phân chia tế bào xảy ra dựa trên cơ sở sự nhân đôi (tái bản) của ADN
Hình 1: Tóm tắt quá trình sao chép AND ở vi khuẩn.
Trong cơ chế tái bản, ADN được tổng hợp theo hai mạch song song nhau Sự tháo
xoắn được thực hiện từ đầu nọ đến đầu kia của ADN với sự xúc tác của enzyme helicase, mạch kép của ADN tháo xoắn đến đâu sẽ được phức hệ enzyme ADN polymerase xúc tác tổng hợp mạch mới ngay đến đó Vấn đề xuất hiện ở đây là hệ enzyme ADN polymerase
cần có đầu 3’-OH tự do thực hiện quá trình tổng hợp kéo dài mạch Nhờ trong tế bào có
enzyme ARN polymerase, tự nó có đầu 3’-OH tự do nên nó có khả năng khởi đầu quá
Mạch ra chậm
Điểm khởi đầu sao chép
Bóng sao chép ADN tổng quát
5 ADN pol III đang hoàn thành tổng hợp đoạn
Okazaki thứ tư Khi nó tiếp cận mồi của
Okazaki thứ 3, nó sẽ tách ra, rồi di chuyển đến
chạc sao chép và tiếp tục bổ sung nucleotide
vào đầu 3’ của đoạn mồi thuộc đoạn Okazaki
6 ADN pol I loại bỏ đoạn mồi ở
đầu 5’ của đoạn Okazaki thứ 2, thay thế nó bằng các nucleotide ADN bằng việc bổ sung từng nucleotide vào đầu 3’ của đoạn
3 Mạch dẫn đầu được tổng
hợp liên tục theo chiều 3’ bởi AND polymerase III.
5’-1 Helise
2 Protein liên kết mạch
đơn giúp mạch khuôn sau
khi tháo xoắn trở nên ổn
định.
Trang 4trình tổng hợp Do đó, cơ chế tự nhân đôi trong nhân tế bào đã “mượn tạm” enzyme nàythực hiện quá trình tổng hợp ra đoạn nhỏ mạch ARN (các primer - ARN mồi) bổ sung với
mạch khuôn ADN nhằm tạo đầu 3’-OH tự do giúp ADN polymerase thực hiện chức năng
của mình
Tuy nhiên, việc khắc phục “nhược điểm” này lại để lộ ra một “nhược điểm” kháctrong cơ chế tái sinh ở cấp độ phân tử – sự tái bản ADN Do mạch ADN chỉ có thể được
tổng hợp theo chiều từ 5’ - 3’ (dưới tác dụng của ADN polymerase khi trượt trên mạch
khuôn theo chiều 3’ – 5’) nên sự tái bản trên hai mạch đơn của ADN diễn ra không giốngnhau:
+ Một mạch được tổng hợp liên tục cùng chiều với sự tháo xoắn ADN gọi là mạchdẫn đầu với chỉ một đoạn primer cho mỗi vị trí khởi sự tái bản (điểm ori)
+ Một mạch được tổng hợp gián đoạn ngược chiều với sự tháo xoắn ADN gọi
là mạch ra chậm với nhiều đoạn primer khởi đầu cho từng phân đoạn Okazaki có chiều
dài khoảng 1000 – 2000 cặp nucleotide Các primer này dài từ hàng chục đến hàng trămnucleotide Trên mạch ra chậm, sau khi hoàn tất quá trình tổng hợp các phân đoạn
Okazaki, ADN polymerase I với hoạt tính exonuclease sẽ vừa phân giải các primer, vừa
tổng hợp đoạn ADN thay thế dựa trên đầu 3′-OH của đoạn ADN đã tổng hợp trước đó
Mặc dù khả năng sao chép của enzyme ADN polymerase là “ấn tượng”, nhưng trong tế bào luôn có lượng nhỏ trình tự mà enzyme ADN
polymerase không thể sao chép và sửa chữa được.
Đối với các phân tử ADN mạch thẳng, chẳng hạn
như ở nhiễm sắc thể sinh vật nhân thực, các ADN
polymerase chỉ có thể bổ sung các nucleotide vào
đầu 3’-OH của chuỗi polynucletide đang kéo dài,
điều này dẫn đến vấn đề là: Bộ máy sao chép
không có cách nào để sao chép hoàn chỉnh phần
đầu 5’-P của các mạch ADN con Ngay cả một
đoạn Okazaki có thể bắt đầu bằng một đoạn mồi
ARN liên kết với đầu tận cùng của mạch ADN
làm khuôn cũng không được thay thế bằng ADN
Hình 2: Đầu mút phân tử ADN mạch thẳng ngắn lại sau mỗi lần sao chép.
Trang 5bởi không có sẵn đầu 3’-OH ở phía trước để phản ứng bổ sung các nucleotide có thể diễn
ra Kết quả là sau mỗi lần sao chép, phân tử ADN sợi kép ngày càng ngắn lại và có cácđầu không bằng nhau (còn gọi là đầu “so le”)
Hiện tượng phân tử ADN có xu hướng ngắn đi sau mỗi lần sao chép thường không xảy ra
ở các sinh vật nhân sơ, bởi vì các phân tử ADN của chúng có dạng vòng (tức là không cóđầu mút) Vậy, cơ chế nào đã bảo vệ các gene của sinh vật nhân thực không mất đi saucác lần sao chép ADN nối tiếp nhau?
Các kết quả nghiên cứu đầu tiên của Elizabeth Blackburn và các cộng sự đã giải đáp chovấn đề này Các telomere không chứa các gene; thay vì thế chúng có cấu trúc đơn giảngồm các trình tự ngắn (6-8 bp) lặp lại nối tiếp cả ngàn lần và đặc thù cho từng loài
1.2 Lịch sử nghiên cứu
Ý tưởng về nhiễm sắc thể có cấu trúc đầu mút đặc biệt đượcxuất hiện đầu tiên từ thí nghiệm của Hermann Muller
- Năm 1928: Muller dùng tia X xử lý trên đối tượng
Drosophila Kết quả mà ông đạt được là những đảo đoạn hoặc
khuyết đoạn ở đầu mút nhiễm sắc thể Khi ấy, ông chỉ gợi ýchúng là “phần tận cùng”(end part) mà thôi, và vai trò củachúng như thế nào ông cũng chưa biết đến
- Năm 1941-1942: Ý tưởng về telomere có phần phát triểnhơn nhờ những thí nghiệm trên ngô của BarbaraMcClintock Bà cho rằng, telomere là dạng cấu trúc nằm ở đầu mút và chúng cần thiếtcho tính ổn định của nhiễm sắc thể
Mãi đến những năm 70, qua nhiêù công trình nghiên cứu của các nhà khoa học đươngthời, nổi trội trong số đó là nữ khoa học gia Elizabeth Blacburn
- Năm 1978: E.Blackburn nghiên cứu các gen ở nhóm lông tơ Tetrahymena, bà phát hiện
thấy chúng chứa những bản sao nối tiếp với trình tự gồm 6 nucleotit TTGGGG Từ đó, cáitên telomere (đầu mút nhiễm sắc thể) được đặt ra với cấu trúc chỉ là những trình tự lặpđơn giản
Bên cạnh đó, một sự kiện cũng không kém phần quan trọng đó là phát hiện về enzyme
Hình 3: Hermann Muller
Trang 6của telomere, chính là telomerase.
- Năm 1984: C Greider và E.Blackburn nghiên cứu về ADN nấm men Họ đã phát hiệnthấy ở chúng có một phương thức tái bản đầu mút khác thường, không giống như kiểu táibản bởi ADN polymerase Họ thấy
rằng nhờ một tác nhân khởi đầu đã
kéo dài telomere bằng cách nối
thêm vào những trình tự đoạn lặp
Họ đặt tên cho tác nhân đó là
telomerase Với công trình trên, 3
nhà khoa học Blackburn, Szostak
và Greider đã được nhận giải
Nobel Y học năm 2009
- Năm 1984, Greider đã tìm ra dấu vết hoạt động của enzyme trong dịch chiết tế bào Bà
và Blackburn đã gọi chúng là Telomerase Telomerase cung cấp cơ sở để ADNpolymerase sao chép toàn bộ chiều dài của ADN Với những công trình trên, 3 nhà khoahọc Blackburn, Szostak và Greider đã được nhận giải Nobel Y học năm 2009
Trong cùng thời gian cũng như sau đó, có nhiều thí nghiệm cũng đã chứng tỏ đầu mútnhiễm sắc thể ở sinh vật nhân chuẩn cũng có cấu trúc tương tự nhau, cũng gồm nhiềunucleotit lặp lại đơn giản Ngoài ra, telomere với những cấu trúc mới được khám phá, nócòn gắn kết với một số protein khác nữa Theo dòng thời gian, ta có thể kể đến một sốcông trình sau:
- Năm 1980: Oka và cs tìm thấy trình tự đầu mút ở Hypotrichous là TTTTGGG.
- Năm 1986-1987: Cũng từ đối tượng Hypotrichous clitaes này, Gottchling và Price phát
hiện những protein đặc biệt liên kết với telomere
- Năm 1988: Eric Richards tìm thấy ở Arabidopsis với trình tự là TTTAGGG
Đặc biệt cũng trong năm này trình tự telomere ở người là TTAGGG cũng được nhận rabởi Moyzis
- Năm 1989: Henderson và Blackburn thấy ở telomere có sợi lơ lửng 3’ nhô ra giàu C
- Năm 1990: Nhóm của Titia de Lange phát hiện TRF1-một loại protein gắn kết với ADNtelomere đặc trưng ở động vật có vú
Hình 4: E.Blackburn, C Greider và W.Szostak
Trang 7- Năm 1999: Nhóm Titia và Jack Griffth nhận thấy hiện tượng telomere uốn gấp trở lạitạo thành cấu trúc giống như dây thòng lọng, họ gọi đó là nút telomere (t-loop).
Bên cạnh đó, một vấn đề liên quan mà chúng ta không thể không nhắc đến khi nói
về telomere Đó là sự lão hoá của tế bào Nghiên cứu về sự lão hoá của tế bào có nguồngốc từ suy nghĩ đầu tiên của nhà sinh học người Đức August Weismann
- Năm 1881, Weismann cho rằng có thể tế bào ở động
vật bậc cao có giới hạn về khả năng tăng sinh Nhưng
về vấn đề này thì ông lại không có đủ bằng chứng cho
những dự đoán của mình Weismann chỉ phát biểu “…
cái chết xảy ra bởi vì mô đã mệt mỏi, nó không thể tái
tạo trở lại Đồng thời, mô cũng có giới hạn sinh
trưởng, có nghĩa tế bào không phải phân chia mãi mà
chúng có giới hạn” (Weismann-1891)
- Đến năm 1907: Tế bào bị chết đã được quan sát kỹ
từ thí nghiệm nuôi cấy mô bởi Ross Harrison
Trong thời gian tiếp đó, đã có nhiều công trình nghiên cứu về sự lão hoá và cáichết của tế bào cũng như xuất hiện nhiều bàn cãi xung quanh vấn đề đó Nhưng đại đa sốngười ta lại tin rằng, nếu tế bào được nuôi dưỡng trong môi trường đầy đủ dinh dưỡngchúng sẽ tăng sinh mãi
Mãi đến năm 1960, Leonard Hayflick với thí nghiệm nuôi những tế bào sinhdưỡng trong môi trường dinh dưỡng đầy đủ, ông thấy chúng chỉ phân chia xấp xỉ khoảng
50 lần rồi dừng hẳn Sau đó, những tế bào này giống như bị “già đi”, màng hỏng, tiêu thụ
ít thức ăn
Khi kết quả này được công bố, vẫn có một số người chưa thừa nhận nó, bởi họ vẫncho tế bào có khả năng tăng sinh vô hạn
Cho đến những năm 1977-1985 thì
Hayflick mới chứng minh cho mọi người thấy sở
dĩ những tế bào có đươc khả năng tăng sinh vô
hạn ấy là do chúng đã bị một tác nhân nào đó làm
biến đổi, chúng không còn giữ đặc tính của một tế
Hình 5: AugustWeismann
Trang 8bào bình thường nữa Củng cố cho thuyết này còn có các nghiên cứu của các nhà sinh họckhác như:
- Năm 1973: Olovnikov nhận thấy rằng, giới hạn sống đó là do vật chất di truyền bị mất
đi qua các lần tái bản
- Năm 1990: Harley và cs đã tìm ra mối tương quan giữa chiều dài của telomere và tuổithọ của tế bào Ông đã chứng minh bằng sự ngắn dần của telomere theo tuổi thọ qua thínghiệm trên nguyên bào sợi ở người
- Năm 1992: Allsopp và cs cũng chứng minh sự tái bản ở nguyên bào sợi cũng phụ thuộcvào chiều dài telomere Theo ông, telomere ngắn đi theo cùng tuổi thọ của con người
- Năm 1994: Kim và cs nhận thấy hầu hết ở những tế bào bất tử trong ung thư đều có sựhoạt hoá của telomerase Trong khi những tế bào khác lại không Điều đó chứng tỏ, chính
sự có mặt của telomerase làm telomere kéo dài, cho nên những tế bào ung thư cứ tăngsinh mãi
II Telomere
Mỗi nhiễm sắc thể eukaryote có các đầu mút với cấu trúc đặc trưng gọi là telomere.Các telomere không chứa các gene; thay vì thế chúng gồm những trình tự ngắn (6-8 bp)lặp lại nối tiếp cả ngàn lần và có tính bảo tồn cao trong tiến hóa Chẳng hạn, ở
Tetrahymena – một nhóm động vật nguyên sinh có lông tơ, đó là ¿, Caenorhibditis:
telomere như sau: 5’-TTAGGG-3’
Hình 6: Leonard Hayflick
Trang 92.1 Cấu tạo của Telomere
Mỗi lần phân bào, bình quân một người mất 30 – 200 cặp base ở các Telomere của
tế bào đó Những tế bào bình thường chỉ có thể phân chia khoảng 40 – 70 lần cùng với sựngắn dần của các Telomere cho đến khi lão hóa, chết hoặc duy trì những sai sót di truyềndẫn đến ung thư Trong các tế bào máu ở người, độ dài của Telomere biến đổi như sau:
Sự biến đổi cặp base trong telomere theo độ tuổi ở tế bào máu người
Hình 7: (a) Ảnh chụp bộ NST người bằng kĩ thuật FISH và (b) thành phần cấu trúc
một telomere
Trang 10Các prôtêin bám dọc suốt Telomere Một nhóm gồm các thành phần này gọi làTelosome (hay Shelterin) Thành phần cơ bản của Shelterin hay Telosome được biểu hiệntrong hình sau:
Shelterin hay Telosome có những thành phần chủ yếu:
- Nhóm bám trên các trình tự TTAGGG bằng cách nhận diện trực tiếp: TRF1, TRF2,POT1
- Nhóm các prôtêin cho phép tế bào phân biệt Telomere với những phần ADN bị sai hỏng(không có gắn những thành phần này): TIN2, TPP1, RAP1
+ Telomeric Repeat Binding Factor 1 (TRF1): Gắn vào mạch kép bằng cách nhận
diện những trình tự lặp đặc trưng của Telomere
+ Telomeric Repeat Binding Factor 2 (TRF2): Gắn vào để kết nối đoạn mạch đơn
và đoạn mạch kép trong Telomere, làm cho Telomere cong lại như hình một chiếc kẹpgiấy Chúng cũng đi kèm với TRF1 trong Telosome
+ Protection of Telomere 1 (POT1): Gắn vào mạch đơn của ADN và trùm lấy
phần cuối của đoạn mạch kép trong Telomere, đảm bảo cho phần này không bị tổnthương, hoặc bị kích thích tiến hành tổng hợp tiếp tục thành mạch kép
+ Telomere Protecting Protein 1 (TPP1): Tương tác với POT1.
+ TIN2: Tương tác với TPP1
+ RAP1: Tương tác với TIN2 và TRF2.
Hình 8: Sơ đồ cấu tạo của Shelterin (Telosome)
Trang 11Nhờ sự bảo vệ chặt chẽ của các prôtêin cùng cấu trúc “kẹp tóc” mà Telomere giúpcác nhiễm sắc thể không có “cơ hội” gắn kết với nhau ở đầu tận cùng của chúng, đồngthời bảo vệ Telomere khỏi sự tấn công của các enzyme polymerase có hoạttính exonuclease (phân giải acid nucleic từ đầu 3′-OH hoặc 5’-OH) Sau khi hoàn tất quá trình gắn kết prôtêin vào Telomere, mô hình cấu trúc phức hợp có dạng như sau:
2.2 Chức năng Telomere
- Giúp phân biệt đầu mút thật sự của nhiễm sắc thể với các đoạn đứt gãy khác trên cùng
nhiễm sắc thể hoặc từ các nhiễm sắc thể khác trong cùng một tế bào Nhờ vậy, cơ chế sửa
sai của tế bào sẽ phân biệt được đâu là đầu mút và đâu là đoạn đứt gãy để không sửa chữanhầm Mặt khác, ADN ở vùng đầu mút có tần số tái tổ hợp cao nên dễ bị phân giải, chínhcác prôtêin gắn kết với vùng đầu nhiễm sắc thể sẽ giúp hạn chế vấn đề này
- Giúp tế bào phân chia mà không làm mất gene Nếu không có Telomere, những gene cấu trúc quy định những tính trạng của cơ thể sẽ bị rút ngắn dần sau mỗi lần phân bào -
Là "đồng hồ di truyền cho sự lão hóa": Sau mỗi lần phân bào, Telomere bị mất khoảng 50
-100 base và cứ như thế sẽ ngắn dần đi Đến khi đầu mút nhiễm sắc thể quá ngắn, chạmvào đoạn gene chức năng quan trọng thì tế bào sẽ mất khả năng phân chia, bị già hóa vàchết Như vậy độ dài Telomere được xem như thước đo tuổi thọ của tế bào Chẳng hạn,
Hình 9: Cấu trúc phân tử của Telomere
Trang 12các tế bào soma cứ sau 30 - 50 lần nguyên phân sẽ mất hẳn khả năng phân chia, bước vào
giai đoạn lão hóa và chết tự nhiên Cái đó gọi là giới hạn Hayflick
- Giữ cho các nhiễm sắc thể không bị dung hợp với nhau
hoặc tự dung hợp ở những vị trí tận cùng Khi cắt bỏ đoạn
Telomere ở 2 đầu của các nhiễm sắc thể, người ta phát hiện
ra nhiều nhóm nhiễm sắc thể dính nhau ở đầu tận cùng,
hoặc tự dính vào nhau ở 2 đầu gây nên sự khép vòng Chức
năng này có được do sự hình thành cấu trúc kẹp tóc trong
Telomere: phần ADN tận cùng cuộn xắn lại, giúp cho
những phần ADN mạch đơn không thể kết cặp bổ sung một
cách ngẫu nhiên với nhau
- Khi đầu tận cùng của nhiễm sắc thể mất telomere, tế bào
sẽ nhận diện đầu tận cùng có vẻ như bị sai hỏng (không có sự lặp lại của trình tựTTAGGG) và tiến hành các hoạt động sửa sai phần mà thực ra không có sự sai sót nào.Kết quả có thể làm dừng quá trình tự nhân đôi, thậm chí gây chết
III Telomerase
3.1 Bản chất, cấu tạo của enzyme telomerase
Telomerase là một ribonucleoprotein có bản chất là một enzyme phiên mã ngược ởchỗ nó tổng hợp ADN từ một khuôn ARN và có vai trò tổng hợp các đoạn lặp củaTelomere đã bị mất đi trong quá trình phân bào
Enzyme này chỉ có mặt trong các loại tế bào mầm, tế bào gốc phôi, tế bào ung thư và
ở các sinh vật nhân thực đơn bào như Tetrahymena thermophila Trong khi đó, các tế bào
soma bình thường của động vật có vú không có mặt Telomerase, hoặc nếu có thì hàmlượng cũng rất không đáng kể
Cấu tạo phân tử của enzyme Telomerase gồm 2 thành phần:
- Phần ARN (TERC – Telomere RNA Component): Cung cấp khuôn ARN cho việc tổnghợp trình tự lặp ngắn của telomere, đặc trưng cho mỗi loài
Hình: Sự dung hợp NST khi cắt bỏ Telomere
Trang 13Hình 10: Sơ đồ cấu tạo telomerase ở người
Ví dụ: Telomerase của Tetrahymena có đoạn ARN dài 160 nucleotide có chứa trình tự
3’-CAACCCCAA-5’ làm khuôn cho tổng hợp các đoạn lặp 5’TTGGGG-3’ trong cácTelomere của nó; ở người, phân tử ARN trong Telomerase dài khoảng 450 nucleotide cóchứa trình tự 3’-AAUCCC-5’ làm khuôn cho sự tổng hợp các đoạn lặp Telomere 5’-TTAGGG-3’ trên các mạch đơn có đầu mút 3’
- Phần prôtêin – enzyme phiên mã ngược (TERT – Telomerase Reverse Transcriptase):Đảm nhiệm công việc xúc tác, phục vụ cho quá trình kéo dài mạch Telomere từ TERC(như retrovirus)
Thành phần ARN của Telomerase người có chừng 445 nucleotide, trong đó cácnucleotide 46-56 là vị trí gắn vào đầu cùng 3’-OH của Telomere, và đó là khuôn để từ đóthêm vào các nucleotide của Telomere
Telomerase ở người cấu thành bởi các
thành phần chính sau: Telomerase
ARN (hTR hay hTERC), phân tử
Telomerase phiên mã ngược
(hTERT), và dyskerin (DKC1) Các
gene quy định các thành phần này
được phân bố trên các nhiễm sắc thể
khác nhau của genome người Gene
hTERT được dịch mã thành một prôtêin gồm 1132 acid amin Chuỗi polypeptide hTERTnày được cuộn với hTERC, một ARN không quy định tính trạng gồm 451 nucleotide.hTERT có một cấu trúc kiểu găng tay hở cho phép nó trùm lên sợi nhiễm sắc thể để thêmvào các trình tự lặp lại Telomere
III.2 Tiến hóa của ARN telomerase
Telomerase ở động vật có xương sống