Sinh học phân tử là khoa học nghiên cứu các hiện tượng sống ở mức độ phân tử. Phạm vi nghiên cứu của môn học này có phần trùng lặp với một số môn học khác trong sinh học đặc biệt là di truyền học và hóa sinh học. Sinh học phân tử chủ yếu tập trung nghiên cứu mối tương tác giữa các hệ thống cấu trúc khác nhau trong tế bào, bao gồm mối quan hệ qua lại giữa quá trình tổng hợp của DNA, RNA và protein và tìm hiểu cách thức điều hòa các mối tương tác này. Hiện nay, sinh học phân tử và sinh học tế bào được xem là nền tảng quan trọng của công nghệ sinh học. Nhờ phát triển các công cụ cơ bản của sinh học phân tử như các enzyme cắt hạn chế, DNA ligase, các vector tạo dòng, lai phân tử, kỹ thuật PCR... sinh học phân tử ngày càng đạt nhiều thành tựu ứng dụng quan trọng.
Genome ti thể lục lạp Genome ti thể lục lạp (2 tiết) ü Nguồn gốc tiến hóa ti thể lục lạp ü Cấu trúc genome ti thể lục lạp ü Số lượng gene đặc điểm genome ti thể lục lạp ü Sự thay đổi genome lục lạp ti thể q trình tiến hóa ü Vai trị gene ti thể trình lão hóa bệnh tật người ü Vai trị gene lục lạp plastid thực vật Biểu gene điều hòa biểu gene (1 tiết) ü Gene, số lượng gene biểu gene ü Các gene biểu (housekeeping gene) ü Các gene chịu kiểm sốt chế điều hịa (induced genes) ü Tại tế bào cần có chế điều hòa hoạt động gene Genome ti thể lục lạp • Nguồn gốc tiến hóa ti thể lục lạp • Tại ti thể lục lạp có vật chất di truyền riêng? • Cơ chế trì genome ti thể lục lạp tế bào • Phương thức di truyền ti thể lục lạp • Cấu trúc genome: số lượng gene đặc điểm quan trọng • Vai trị ti thể lão hóa bệnh tật • Sự khác biệt genome ti thể lục lạp Ti thể Genome ty thể Genome ty thể Chức năng/ Sản phẩm Gen Bộ máy dịch mã RNA ribosome rrn5, rrn18, rrn26 Protein ribosome rps1,rps3, rps7, rps12 Bán phân tử nhỏ rps13, rps14, rps19 Bán phân tử lớn rp12, rp15, rp116 RNA vận chuyển Ít 16 Các bán phân tử chuỗi hô hấp NADH dehydrogenase nad1, nad2, nad3, nad4, nad41, nad5, nad6, nad7, nad9 Cytochrome b Cob Cytochrome c oxidase cox I, coxII, coxIII ATP synthase atp1, atp16, atp9 Cytochrome c biogenesis Ít gen Khung đọc mã bảo thủ Ít biết 10 gen (conserved open reading frames) Genome ty thể • Số lượng genome ty thể chưa biết rõ: - có từ – 10 genome/ty thể - Ví dụ: Mỗi ty thể người có khoảng 10 phân tử giống (khoảng 8000/tế bào), S cerevisiae số lượng khoảng 6500, gần 100 genome /1 ty thể • DNA ty thể tồn chủ yếu dạng mạch vịng kép, đơi có xuất dạng mạch thẳng như: nấm men, Paramecium, Chlamydomonas Genome ty thể • Thơng tin di truyền genome ty thể: genome ty thể chứa gen mã hóa cho rRNA ty thể số enzyme protein tham gia vào chuỗi hơ hấp • Ngồi ra, ty thể cịn chứa gen mã hóa tRNA, protein ribosome số protein khác liên quan đến trình phiên mã, dịch mã, vận chuyển protein khác vào ty thể từ tế bào chất Chức Ty thể • Chu trình Krebs: – Pyruvate, sản phẩm glycolysis tạo tế bào chất – Đươc vận chuyển vào ty thể (bên màng) Sau chuyển hố thánh acetyl CoA – Acid béo vận chuyển vào ty thể chuyển hố thành acetyl CoA – Chu trình Krebs chuyển hố acetyl CoA thành CO2 electrons cao năng, vận chuyển NADH FADH2 Chức Ty thể • Vận chuyển Electron: – Electrons cao giải phóng từ NADH FADH2, vận chuyển trơng qua phức hợp proteins đính màng – Mỗi phức hợp sử dụng lượng electrons để đẩy inon H+ vào khoảng gian bào màng – Phức hợp protein cuối đưa electrons tới Oxy, tạo thành phân tử nước – Inon H+ đưa trở lại matrix, theo gradient nồng độ thấp, thông qua phức hợp thứ 4, ATP synthase (ATPase), tạo ATP từ ADP nhóm phosphate Các gen lục lạp chức Gen Số Intron Chức trnL – UAA tRNA TrnI - GAU tRNA TrnA - UGC tRNA TrnV - UAC tRNA TrnG - UCC tRNA TrnK - UUU tRNA Rps12 exon Protein ribosome AtpF1 Bán phân tử ATP synthase Rps16 Protein ribosome NdhA Bán phân tử NADH dehydrogenase NdhB Bán phân tử NADH dehydrogenase 23 Sr ADN 23S rRNA Ghi Gắn Trans 61 62 Ứng dụng • Do đặc thù di truyền dịng mẹ Chuyển gene sử dụng plastid • Giảm nguy rủi ro an toàn sinh học hạt phấn gây 63 Tiến hóa genome • So sánh genome • Hiện tượng lặp gene, động lực tiến hóa • Hiện tượng chuyển gene • Tiến hóa genome 64 ü ü ü ü Biểu gene điều hòa biểu gene Gene, số lượng gene biểu gene Các gene biểu (housekeeping gene) Các gene chịu kiểm soát chế điều hịa (induced genes) Tại tế bào cần có chế điều hòa hoạt động gene? 65 Số lượng gen 6000 genes nấm men; 18,500 giun; 13,600 ruồi dấm; 25,000 Arabidopsis; khoảng 20,000 tới 25,000 chuột người; lúa lại có tới 40 000 gene Số lượng gen số sinh vật nhân chuẩn Số gen NST số sinh vật Loài DNA tổng số (bp) Số nhiễm sắc thể (2x) Số lượng gen Vi khuẩn (Escherichia coli) 4.639.221 4.405 Nấm men (Saccharomyces cerevisiae) 12.068.000 16 6.200 Tuyến trùng(Caenorhabditis elegans) 97.000.000 12 19.000 Thực vật (Arabidopsis thaliana) 125.000.000 10 25.500 Ruồi dấm (Drosophila melanogaster) 180.000.000 18 13.600 Lúa nước (Oryza sativa) 480.000.000 24 57.000 Chuột (Mus musculus) 2.500.000.000 40 30.000-35.000 Người (Homo sapiens) 3.200.000.000 46 30.000-35.000 Kích thước genome Biểu gene điều hòa biểu gene ü Tế bào tổng hợp protein nhiều hay nhu cầu tế bào tuỳ giai đoạn phát triển thể ü ADN nằm thể nhiễm sắc có cấu trúc bện xoắn phức tạp trước phiên mã, thể nhiễm sắc phải tháo xoắn ü Sự điều hòa hoạt động gen sinh vật nhân chuẩn qua nhiều mức điều hòa, qua nhiều giai đoạn như: thể nhiễm sắc tháo xoắn, phiên mã, biến đổi sau phiên mã, dịch mã biến đổi sau dịch mã ü Trong loại tế bào, loại mARN có tuổi thọ khác ü Các protein tổng hợp xong tiếp tục chịu chế kiểm soát enzym ü Enzym phân giải protein bị sai lệch khơng cịn cần thiết đồng thời tổng hợp protein khác thay 69 Biểu gene điều hòa biểu gene ü Ở sinh vật nhân chuẩn bên cạnh vùng khởi động (promotor) phiên mã người ta cịn thấy có yếu tố điều hịa khác gen tăng cường (enhancer), gen bất hoạt (gen im lặng- silencer) ü Các gen tăng cường tác động lên gen điều hòa gây nên biến đổi cấu trúc nucleoxom; ü Gen bất hoạt làm ngừng qúa trình phiên mã ü Về tín hiệu, ngồi tín hiệu đóng mở gen có tế bào chất đến từ mơi trường cịn có nhiều tín hiệu đến từ tế bào bên cạnh, từ mơ quan khác nhau,ví dụ chất sinh trưởng (growth factors), hormon steroid tín hiệu hoạt hóa gen ü Về chế phức tạp thể điều chỉnh theo nhiều cấp độ, lệ thuộc vào phối hợp với 70 Biểu gene điều hòa biểu gene Sự điều hòa hoạt động gen thực cấp độ khác nhau: 1. Tổ chức ADN thể nhiễm sắc bao gồm tổ chức phân tử, siêu hiển vi hiển vi 2. Sự phiên mã ADN thành ARN, bao gồm nhân tố tham gia phiên mã như: ARN polymeraza, phức hợp nhân tố phiên mã, nhân tố liên kết với vùng điều chỉnh gen (nhân tố liên kết gọi TRANS, vùng ADN bị liên kết gọi CIS) 3. Qúa trình xử lý, chế biến ARN sau phiên mã, gồm qúa trình chín ARN 4. Sự chun chở mARN từ dịch nhân qua lỗ màng nhân tế bào chất, nơi cần để dịch mã 5. Sự dịch mã riboxom để tạo thành protein: protein cấu trúc, protein enzym protein điều chỉnh 6. Sự tồn phân giải mARN - tuổi thọ mARN 7. Các biến đổi protein sau dịch mã bao gồm gluxit hóa (glycosylation), photphorin hóa, tạo thành cấu trúc 3D 8. Sự cung cấp protein địa chỉ, nơi tế bào thể cần sử dụng 9. Sử dụng phân giải protein tổng hợp 71 House keeping genes Tế bào soma động vật có xương sống bậc cao có khoảng 20 - 20.000 gen hoạt động, thuộc loại: - Những gen phổ biến gọi “gen giữ nhà” (house keeping genes) gen chiếm đa số, hoạt động tất dạng tế bào Ví dụ, gen mã hóa cho enzym qúa trình đường phân - Những gen đặc thù hoạt động số dạng tế bào Các gen chịu trách nhiệm biệt hóa tế bào cấu tạo chức Các gen hoạt động (mở) số tế bào khơng hoạt động (đóng) số tế bào khác, - ví dụ gen mã hóa cho hemoglobin hoạt động dịng tế bào tuỷ xương biệt hóa thành hồng cầu, cịn tế bào biểu bì da gen mã hóa cho keratin trạng thái hoạt động, cịn gen mã hóa cho hemoglobin bị đóng 72 The list is based on DNA-microarray data : E Eisenberg and E.Y Levanon, Trends in Genetics 29, (2013) 73 74 ... will be tested free of charge 35 Sự dung hợp ti thể http://www.sciencedaily.com/releases /2 010 /04 /10 0 415 125 9 42. htm Cell 14 1, 28 0? ?28 9, April 16 , 2 010 ? ?2 010 Elsevier36 Inc Nếu có tái tổ hợp ti... dịch mã RNA ribosome rrn5, rrn18, rrn26 Protein ribosome rps1,rps3, rps7, rps 12 Bán phân tử nhỏ rps 13 , rps14, rps19 Bán phân tử lớn rp 12, rp15, rp 116 RNA vận chuyển Ít 16 Các bán phân tử chuỗi hô... thể 13 http://micro.magnet.fsu.edu/cells/mitochondria/mitochondria.html Genome ty thể động vật • Kích thước: 14 kb - 42kb • Có khoảng 37 gene: Daphnia pulex (15 ,33 3bp) – 12 S and 16 S rRNA – 13