Chương 2 Cấu trúc và chức năng của gene

Chương Cấu trúc chức gene Nhiễm sắc thể chứa DNA (deoxyribonucleic acid) mang gene Gen truyền từ bố mẹ sang xem đơn vị di truyền, ảnh hưởng lên cấu trúc chức thể Ở người có khoảng từ 30.000-40.000 gene cấu trúc (gene mã hóa cho RNA protein) I Cấu trúc DNA Thành phần hóa học cấu trúc không gian DNA Phân tử DNA cấu tạo từ đơn phân nucleotide Mỗi nucleotide có thành phần bản: (1) đường pentose deoxyribose; (2) nhóm phosphate (3) bốn loại base Hai loại base cytosine (C) thymine (T) có cấu trúc vòng đơn carbon nitrogen gọi pyrimidine Hai loại base adenine (A) guanine (G) có cấu trúc vòng kép carbon - nitrogen gọi Hình Cấu trúc loại base purine (hình 1) Tên loại base dùng để đặt tên cho nucleotide DNA có cấu trúc khơng gian thang xoắn với tay thang phân tử đường phosphat nối với liên kết phosphodiester bền vững, bậc thang base hai bên nối với qua liên kết hydro yếu theo nguyên tắc bổ sung base adenine với thymine base guanine cytosine Mỗi tay thang vị trí 5’, kết thúc vị trí 3’ phân tử đường deoxyribose hai tay thang ngược chiều Như chuỗi đơn DNA có trình tự nucleotide 5’ - ATGCAG - 3’ chuỗi bổ sung có chiều Hình Cấu trúc xoắn trình tự nucleotide sau: kép DNA 3’ - TACGTC - 5’ (hình 2) Các trình tự khác nucleotide quy định loại protein khác Tính đặc hiệu nhiều loại protein thể địi hỏi phải có lượng lớn thơng tin di truyền Thực tế NST đơn bội giao tử người chứa tới khoảng tỷ cặp nucleotide, số lượng nhiều nhiều so với số nucleotide cần thiết cho việc mã hóa protein thể Hiện tượng cuộn xoắn DNA Tổng chiều dài DNA tế bào khoảng mét để nằm gọn nhân tế bào DNA phải cuộn lại nhiều mức độ khác (hình 3) Đầu tiên đoan DNA với chiều dài tương ứng với khoảng từ 140 đến 150 cặp base (base pair: bp) cuộn quanh lõi protein histon để tạo thành nucleosome Các nucleosome nối với đoạn DNA khoảng 20 - 60 bp Khoảng nucleosome cuộn lại thành solenoid, solenoid cuộn lại thành quai chromatin (chromatin Hình Mơ hình cuộn xoắn DNA loop), quai chromatin có khoảng 100.000 bp (100 kb) Các quai gắn với khung protein Bằng cách DNA giảm chiều dài xuống khoảng 1/10.000 lần so với chiều dài trước cuộn xoắn II Cấu trúc gene Các intron exon Cấu trúc intron exon gene đặc điểm để phân biệt DNA sinh vật eukaryote prokaryote Các intron chiếm phần lớn cấu trúc hầu hết gene thể eukaryote Các đoạn intron enzyme cắt cách xác khỏi phân tử mRNA trước chúng khỏi nhân tế bào Vị trí cắt enzyme xác định đoạn DNA gọi đoạn đồng (consensus sequences) (đoạn có tên thấy phổ biến tất thể eukaryote) nằm cạnh đoạn exon (hình 4) Hình 4: Cấu trúc chi tiết gene Vì hầu hết gene thể eukaryote gồm chủ yếu đoạn intron nên cho phép người ta nghĩ đến việc đoạn có chức Hiện chức intron nghiên cứu, người ta cho đoạn intron làm tăng thêm chiều dài gene tạo thuận lợi cho tái xếp gene cặp NST tương đồng qua trình trao đổi chéo NST giảm phân ảnh hưởng đến thời gian nhân đôi phiên mã DNA Một số intron lại mang gene phiên mã mà khơng liên quan tới chức gene mang intron Ví dụ intron gene gây bệnh u xơ thần kinh type (NF1) chứa gene phiên mã theo hướng ngược với gene NF1 khơng có mối liên hệ chức với gene NF1 Các loại DNA Mặc dù DNA mang thơng tin mã hóa cho protein thực tế có 5% số tỷ cặp nucleotide genome người thực làm chức này, lại phần lớn vật liệu di truyền chưa biết chức Người ta chia DNA thành loại sau: 2.1 DNA độc (single - copy DNA): DNA độc chiếm khoảng 45% genome gồm gene mã hoá cho protein Các đoạn DNA loại thấy lần (hoặc vài lần) genome Tuy nhiên phần mã hóa cho protein chiếm phần nhỏ loại DNA mà thơi, phần lớn cịn lại intron đoạn DNA nằm xen gene 2.2 DNA lặp (repetitive DNA): DNA lặp chiếm 55% lại genome, đoạn DNA lập lập lại lên tới hàng ngàn lần genome, có loại chính: 2.2.1 DNA vệ tinh (satellite DNA) Loại DNA chiếm khoảng 10% genome tập trung số vùng định NST, chúng xếp nối nhau, DNA vệ tinh chia thành loại nhỏ: - DNA vệ tinh alpha: có kích thước 171 bp, lập lập lại nhiều lần với chiều dài hàng triệu bp Loại thấy cạnh tâm động NST - DNA tiểu vệ tinh (minisatellite DNA): có kích thước từ 14 - 500 bp, lập lập lại với chiều dài khoảng vài ngàn bp DNA vi vệ tinh (microsatellite DNA): có kích thước từ - 13 bp, lập lập lại với tổng chiều dài không vài trăm bp Hai loại DNA tiểu vi vệ tinh có khác lớn chiều dài người với người khác điều làm chúng trở nên hữu ích việc lập đồ gene DNA tiểu vệ tinh vi vệ tinh gặp với tần số trung bình kb genome chúng chiếm khoảng 3% genome 2.2.2 DNA lập lại rải rác: Loại DNA chiếm khoảng 45% genome, gồm loại: - - Các yếu tố rải rác có kích thước ngắn (SINEs: short interspersed elements): kích thước từ 90 - 500bp - Các yếu tố rải rác có kích thước dài (LINEs: long interspersed elements): kích thước 7.000 bp III Chức DNA Sự nhân đôi Sự nhân đôi DNA tế bào phân chia giúp tạo xác DNA cho tế bào con, đảm bảo cho việc trì vật chất di truyền ổn định qua hệ tế bào Sự nhân đôi DNA bắt đầu việc phá vỡ liên kết hydrogen yếu base, làm tách cấu trúc kép DNA thành sợi đơn với base trạng thái tự Mỗi sợi đơn đóng vai trị khn (template) base liên kết với base nucleotide tự theo nguyên tắc bổ sung giúp trình nhân đơi diễn xác Bằng cách sau hồn tất q trình nhân đơi DNA gồm có chuỗi đơn cũ chuỗi tổng hợp Phân tử DNA có cấu trúc giống hệt DNA ban đầu (hình 6) Hình Sự nhân đơi DNA Q trình nhân đơi DNA xúc tác nhiều loại enzyme khác nhau, enzyme xúc tác cho việc tháo xoắn, enzyme khác xúc tác cho việc tách DNA thành chuỗi đơn, số enzyme khác thực chức khác q trình nhân đơi DNA polymerase số enzyme phục vụ cho q trình nhân đơi, di chuyển dọc theo sợi đơn DNA từ đầu 3’ đến đầu 5’ gắn nucleotide tự theo nguyên tắc bổ sung vào sợi đơn DNA cách gắn chúng vào đầu 3’ chuỗi polynucleotide tổng hợp Do sợi DNA đơn ln ln hình thành theo chiều từ 5’ đến 3’ q trình nhân đơi mạch phân tử DNA mẹ diễn theo hai chiều ngược Ngoài việc gắn nucleotide, enzyme DNA polymerase thực việc kiểm tra xem nucleotide có bổ sung xác với nucleotide mạch khn khơng, khơng nucleotide bị loại bỏ thay nucleotide khác Quá trình giúp đảm bảo cho nhân đôi DNA diễn cách xác Nếu sai sót q trình nhân đơi khơng sửa chữa thành công làm xuất đột biến đột biến dẫn đến bệnh di truyền Tốc độ nhân đôi DNA khoảng 40 - 50 nucleotide / giây Tốc độ chậm nhiều so với tốc độ nhân đôi vi khuẩn với 500 - 1000 nucleotide / giây Để thực nhân đơi cách nhanh chóng DNA (một vài NST có khoảng 250 triệu nucleotide), nhân đơi xảy nhiều điểm khác DNA, vị trí gọi điểm gốc nhân đôi (replication origins) Cách nhân đôi tạo nhiều chỗ tách chuỗi DNA, chỗ gọi vịng nhân đơi (replication bubble) phía xảy hướng phát triển nhân đơi vịng nhân đơi gọi chạc nhân đơi (replication fork) (hình 7) Hình Sự hình thành vịng nhân đơi giúp q trình nhân đơi diễn nhanh Quá trình phiên mã Quá trình phiên mã (transcription) giúp truyền thông tin di truyền cho việc tổng hợp protein từ gene DNA nhân vào bào tương để tham gia vào trình tổng hợp protein Q trình thực thơng qua phân tử RNA RNA loại acid nucleic có cấu trúc tương tự DNA với phân tử đường, nhóm phosphate nitrogenous base nhiên thay cho đường deoxyribose đường ribose, thay cho thymine uracyl Uracyl có cấu trúc tương tự thymine nên bắt cặp với adenine Một điểm khác biệt quan trọng RNA thường có cấu trúc sợi đơn thay sợi kép DNA Quá trình phiên mã tổng hợp nên loại phân tử RNA thông tin (mRNA: messenger RNA) từ khuôn DNA (hình 8) Bắt đầu cho trình phiên mã số enzyme RNA polymerase ( RNA polymerase II) gắn vào đoạn DNA nằm phía gene gọi vị trí khởi động (promotor site) Dưới xúc tác enzyme cấu trúc xoắn kép đoạn DNA tách đôi hai mạch DNA đóng vai trị khn để tổng hợp mRNA Hình Q trình phiên mã DNA Vị trí khởi động đóng vai trị định mạch trở thành mạch khn việc tổng hợp mRNA thông qua việc định hướng cho enzyme RNA polymerase DNA Trên mạch khuôn, RNA polymerase di chuyển theo chiều từ 3’ đến 5’ cho phép lắp ghép ribonucleotide theo nguyên tắc bổ sung theo chiều từ 5’ đến 3’ với base mạch khuôn theo cách thức tương tự q trình nhân đơi DNA base thymine thay uracyl Sau trình tổng hợp RNA bắt đầu, đầu 5’ phân tử RNA tổng hợp “bít” lại cách thêm vào nucleotide guanine thay đổi mặt hóa học đầu gọi “5’ cap” 5’ cap giúp ngăn cản giáng hóa RNA q trình tổng hợp giúp định vị trí bắt đầu q trình giải mã mRNA Quá trình phiên mã tiếp tục RNA polymerase đọc tới đoạn nucleotide gọi đoạn kết thúc (termination sequence) Khi đến vị trí đoạn gồm từ 100 đến 200 adenine gắn vào đầu 3’ mRNA, cấu trúc gọi đuôi poly - A (poly A-tail) Đi poly-A cho có vai trị giữ cho phân tử định không bị giáng hóa vào bào tương Khi đến vị trí kết thúc, RNA polymerase tiếp tục phiên mã chuỗi DNA thêm vài ngàn base nhiên mRNA đoạn base thêm phía sau poly - A bị Cuối RNA polymerase tách khỏi chuỗi DNA, giải phóng phân tử RNA với cấu trúc chuỗi đơn, phân tử gọi phân tử mã nguyên thủy (primary transcript) Ở số gene người, gene có nhiều vị trí khởi đầu khác nằm vị trí khác làm gene bắt đầu phiên mã vị trí khác dẫn đến việc tổng hợp phân tử protein nhiều khác từ gene Điều cho phép với gene mã hóa cho protein khác mơ khác Điều hịa biểu gen (hình 9) Mặc dù tất tế bào thể mang trình tự DNA giống nhau, hoạt động phiên mã gene không giống Một số gene phiên mã tất tế bào thể, chúng gọi “gene quản gia” (housekeeping gene) chịu trách nhiệm mã hóa cho sản phẩm cần thiết cho tồn chuyển hóa tế bào Số chiếm tỉ lệ nhỏ DNA Trong đa số gene hoạt động mô đặc hiệu thời điểm định tạo nên tính đặc thù cho loại tế bào, loại mô khác qua sản xuất loại protein khác Nhiều loại protein khác tham gia vào trình phiên mã Một số cần thiết cho trình phiên mã gọi yếu tố phiên mã tổng quát (general transcription factors) Một số hoạt động số gene định vào giai đoạn định trình phát triển gọi yếu tố phiên mã đặc hiệu (specific transcription factors) Enzyme RNA polymerase II có vai trị định việc bắt đầu q trình phiên mã thơng qua việc gắn với vị trí khởi động tự khơng thể gắn vào vị trí khơng thể định số lượng mRNA tổng hợp Để thực q trình phiên mã địi hỏi phối hợp phức tạp với khoảng 50 loại protein khác Những yếu tố phiên mã tổng quát cho phép gắn RNA polymerase vào đoạn DNA đặc hiệu đoạn TATA đoạn khác để bắt đầu trình phiên mã vùng khởi động Hình Các yếu tố tham gia vào chế điều khiển hoạt động phiên mã Hoạt động phiên mã gene đặc hiệu gia tăng đáng kể cách tương tác với đoạn DNA gọi tác nhân thúc đẩy (enhancer), đoạn có chiều dài khoảng vài ngàn nucleotide nằm phía trước sau gene Tuy nhiên tác nhân không tương tác trực tiếp với gene mà thay vào chúng gắn với yếu tố phiên mã đặc hiệu gọi tác nhân hoạt hóa (activator) Những tác nhân đến phiên lại gắn với tác nhân phiên mã đặc hiệu thứ hai gọi tác nhân đồng hoạt hóa (co-activator), tác nhân thật gắn với phức hợp yếu tố phiên mã tổng quát nói Chuỗi tác động tác nhân thúc đẩy đến tác nhân hoạt hóa đến tác nhân đồng hoạt hóa đến phức hợp phiên mã tổng quát cuối đến thân gene làm gia tăng tốc độ phiên mã gene đặc hiệu thời điểm định Trong tác nhân thúc đẩy giúp gia tăng hoạt động phiên mã gene đoạn DNA khác có tên tác nhân kìm hãm (silencer) lại ức chế hoạt động phiên mã gene thông qua kiểu tác động tương tự Đột biến xảy đoạn làm nhiệm vụ tác nhân thúc đẩy, tác nhân kìm hãm, vị trí khởi động đột biến gene mã hóa cho yếu tố phiên mã dẫn đến bệnh di truyền Hình 10 Một kiểu motif gắn với đoạn DNA gây sai lầm đặc hiệu theo kiểu helix - loop - helix (xoắn biểu vòng - xoắn) gene Một lượng lớn phức tạp yếu tố phiên mã góp phần vào việc điều hòa cách hiệu hoạt động gene Vấn đề đặt làm chúng định vị cách xác đoạn DNA đặc hiệu? Việc định vị thực thông qua motif gắn DNA (DNA-binding motif) Trong motif, cấu hình phân tử protein cho phép chúng gắn cách xác định đoạn đặc hiệu chuỗi xoắn kép DNA Trong mơt số trường hợp chúng uốn cong DNA để tác nhân thúc đẩy tác động lên gene đích chúng nằm xa (hình 10) Sự cắt nối gene (gene splicing) (hình 11) Phân tử mRNA nguyên thủy (primary mRNA) từ mạch khuôn gene theo nguyên tắc bổ sung Ở thể eukaryote, trước phân tử mRNA khỏi nhân enzyme nhân tế bào cắt intron đồng thời nối đoạn exon lại với để biến mRNA nguyên thủy thành mRNA hoàn chỉnh (mature mRNA) Phân tử sau đưa vào bào tương Một vài gene có vị trí cắt thay đổi (alternative splice sites), điều làm cho phân tử mRNA nguyên thủy bị cắt theo nhiều kiểu khác dẫn đến việc tạo sản phẩm protein khác từ gene Những sai sót trình nối gene, giống sai sót xảy q trình nhân đơi dạng đột biến gây bệnh di truyền 10 Hình 11 Quá trình cắt nối mARN để tạo thành mRNA hoàn chỉnh IV Mã di truyền Các protein cấu tạo từ nhiều chuỗi polypeptide Mỗi chuỗi polypeptid cấu tạo từ đơn vị cấu trúc acid amine Cơ thể có 20 loại acid amine khác nhau, trình tự acid amine chuỗi polypeptide DNA quy định Mỗi acid amine mã hóa ba nucleotide kế DNA, ba nucleotide gọi codon Với loại nucleotide khác có 64 codon khác thành phần trật tự nucleotide, số có codon kết thúc (stop codon) UAA, UAG UGA có nhiệm vụ báo hiệu chấm dứt việc tổng hợp chuỗi polypeptide Trong số 61 mã cịn lại có nhiều codon mã hóa cho acid amine, tượng goi tượng thối hóa mã (degeneration) (bảng 1) Mã di truyền chung cho toàn sinh giới trừ số ngoại lệ codon ti thể Ở DNA ti thể có số codon mã cho acid amine khác với nghĩa codon DNA nhân 11 - UGA mã cho tryptophan thay báo hiệu chấm dứt việc tổng hơp protein - AGA AGG không mã cho arginine mà báo hiệu chấm dứt tổng hợp protein - AUA mã cho methionine thay mã cho isoleucine Bảng Bảng mã di truyền VË TRÊ (âáöu 5’) VË TRÊ A VË TRÊ U C G (âáöu 3’) U Phe Ser Tyr Cys U U Phe Ser Tyr Cys C U Leu Ser STOP STOP A U Leu Ser STOP Trp G C Leu Pro His Arg U C Leu Pro His Arg C C Leu Pro Gln Arg A C Leu Pro Gln Arg G A Ile Thr Asn Ser U A Ile Thr Asn Ser C A Ile Thr Lys Arg A A Met Thr Lys Arg G G Val Ala Asp Gly U G Val Ala Asp Gly C G Val Ala Glu Gly A G Val Ala Glu Gly G Ala: Alanine; Arg: arginine; Asn: asparagine; Asp: aspartic acid; Cys: cysteine; Gln: glutamine; Gla: glutamic acid; Gly: glycine; His: histidine; Ile: isoleucine; Leu: leucine; Lys: lysine; Met: methionine; Phe: phenylalanine; Pro: proline; Ser: serine; Thr: threonine; Trp: tryptophan; Tyr: tyrosine; Val: valine V Hoạt động giải mã (translation) Hoạt động giải mã q trình tổng hợp chuỗi polypeptide dựa khn mRNA Phân tử mRNA không gắn trực tiếp với amino acid mà phải thơng qua vai trị RNA vận chuyển (tRNA : transfer RNA) 12 Phân tử chuỗi RNA với khoảng 80 nucleotide có hình ba nhánh Mỗi phân tử tRNA gắn amino acid vào đầu 3’ qua liên kết cộng hóa trị Ở đầu của phân tử tRNA đoạn nucleo-tide gọi ba đối mã (anticodon) (hình 12) Trình tự nucleotide ba đối mã bắt cặp với codon mRNA theo nguyên tắc bổ sung Bằng cách phân tử mRNA quy định trình tự amino acid cách đặc hiệu thông qua vai trị tRNA Nơi xảy q trình tổng hợp protein bào tương ribosome Bào quan cấu tạo từ protein có hoạt tính enzyme RNA ribosome (rRNA: ribosomal RNA) với tỷ lệ tương đương Chức rRNA giúp gắn mRNA tRNA vào ribosome Trong trình giải mã, ribosome gắn vào vị trí khởi đầu mRNA Tại Hình 12: Cấu trúc phân tử RNA vận vị trí có cođon đặc chuyển hiệu AUG mã hóa cho amino acid methionine, amino acid thường tách khỏi chuỗi polypeptide tổng hợp (hình 13) Ribosome gắn tRNA vào bề mặt để bắt cặp base xảy mRNA tRNA Ribosome di chuyển dọc theo phân tử mRNA từ codon đến codon khác theo hướng từ 5’ đến 3’ Khi qua codon amino acid giải mã thông qua tương tác mRNA tRNA Trong trình enzyme ribosome xúc tác cho việc hình thành liên kết peptide amino acid kế dẫn đến phát triển chuỗi polypeptide Khi ribosome đến codon kết thúc mRNA, giải mã trình hình thành chuỗi polypeptide ngừng lại 13 Hình 13: Quá trình giải mã mRNA Đầu amino (-NH2) chuỗi polypeptide tương ứng với đầu 5’ mRNA nhóm carboxyl (-COOH) tương ứng với đầu 3’ Khi hồn tất q trình giải mã, mRNA, ribosome, chuỗi polypeptide tách rời chuỗi polypeptide giải phóng vào tế bào chất Trước chuỗi poly-peptide tổng hợp bắt đầu thực hoạt động chức thường phải trãi qua số biến đổi 14 Những biến đổi gọi biến đổi sau giải mã (posttranslational modification) Sự biến đổi diễn theo kiểu khác Chuỗi polypeptide cắt thành đoạn nhỏ chuỗi polypeptide khác gắn lại với để tạo thành phân tử protein lớn chuỗi bên carbohydrate gắn thêm vào chuỗi polypeptide v.v Những biến đổi cần thiết để phân tử protein có cấu trúc khơng gian xác, giúp chúng ổn định cấu trúc thực chức sinh học 15 ... trước cuộn xoắn II Cấu trúc gene Các intron exon Cấu trúc intron exon gene đặc điểm để phân biệt DNA sinh vật eukaryote prokaryote Các intron chiếm phần lớn cấu trúc hầu hết gene thể eukaryote... khơng liên quan tới chức gene mang intron Ví dụ intron gene gây bệnh u xơ thần kinh type (NF1) chứa gene phiên mã theo hướng ngược với gene NF1 khơng có mối liên hệ chức với gene NF1 Các loại DNA... cạnh đoạn exon (hình 4) Hình 4: Cấu trúc chi tiết gene Vì hầu hết gene thể eukaryote gồm chủ yếu đoạn intron nên cho phép người ta nghĩ đến việc đoạn có chức Hiện chức intron nghiên cứu, người