Bài giảng sinh học phân tử chương 2 cấu trúc genome

Chương Cấu trúc genome Genome (hệ gen, gen) thuật ngữ dùng với nghĩa khác sau: - Nguyên liệu di truyền thể: 1) nhiễm sắc thể tế bào vi khuẩn (hoặc loại nhiễm sắc thể loại có mặt, ví dụ: nhiễm sắc thể lớn bé Vibrio cholerae), 2) DNA RNA virion, 3) nhiễm sắc thể với plasmid kết hợp (ví dụ: nhiễm sắc thể hai plasmid nhỏ vi khuẩn Buchnera) - Tất gen (khác nhau) tế bào virion - Bộ nhiễm sắc thể đơn bội genome đơn bội tế bào Chuỗi genome hồn chỉnh (nghĩa trình tự hoàn chỉnh nucleotide genome) cơng bố cho số lồi vi khuẩn Các trình tự khác cơng bố, ví dụ genome cúc dại (Arabidopsis thaliana) genome người Genome chứa tồn thơng tin di truyền chương trình cần thiết cho thể hoạt động Ở sinh vật nhân thật (eukaryote), 99% genome nằm nhân tế bào phần lại nằm số quan tử ty thể lạp thể Đa số genome vi khuẩn phần genome chứa quan tử thường có kích thước nhỏ dạng vịng khép kín Ngược lại, phần genome nhân thường lớn phân bố nhiễm sắc thể dạng thẳng Dự án genome dự án xác định cấu trúc di truyền xác genome thể sống, nghĩa trình tự DNA tất gen Dự án genome số sinh vật mơ hình (model organisms) hồn thành sau: - Các genome vi khuẩn Các trình tự hoàn chỉnh genome Escherichia coli xác định theo phương thức tổ hợp/tập hợp (consortium) phịng thí nghiệm Năm 1995, hai trình tự genome hồn chỉnh vi khuẩn Haemophilus influenzae Mycoplasma genitalium hồn thành Lồi M genitalium có genome đơn Sinh học phân tử 26 giản (khoảng 580.067 base), dựa vào vật chủ để vận hành nhiều máy trao đổi chất Lồi H influenzae vi khuẩn đặc trưng hơn, có genome khoảng 1.830.121 base với 1.749 gen - Chuỗi genome hoàn chỉnh nấm men Saccharomyces cerevisiae hoàn chỉnh năm 1996, nhờ consortium phịng thí nghiệm Genome chúng dài 12.146.000 base - Các dự án genome động vật như: chuột, cừu, lợn, giun tròn (Caenorhabditis elegans), ruồi giấm (Drosophila melanogaster)…, thực vật như: lúa nước, lúa mì, ngơ, táo, cúc dại…, mà bật số dự án genome người thực Ngày 12 2001 genome người công bố với khoảng 30.000 gen, nhiều so với dự kiến trước (hàng trăm ngàn gen), gấp hai lần giun tròn ruồi giấm Người ta xác định hệ gen người giống 98% so với tinh tinh có đến 99% giống dân tộc, cá thể Do đó, vấn đề hình thành phát triển nhân cách, số thông minh phải chủ yếu sở xã hội rèn luyện người để phát triển tiềm sinh học thân Trình tự genome sinh vật mơ 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 DNA lặp lại, DNA không chứa mã di truyền, DNA 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 khơng tỷ lệ thuận (tương quan) với tính phức tạp loài, 3) số lượng nhiễm sắc thể khác loài gần I Thành phần đặc điểm genome Genome chứa thông tin di truyền đặc trưng cho lồi, chí cho cá thể lồi Genome bao gồm phân tử DNA Sinh học phân tử 27 RNA Đối với sinh vật bậc cao, kích thước genome thay đổi từ 109 bp (động vật có vú) đến 1011 bp (thực vật) Khác với tế bào tiền nhân (prokaryote), gen genome eukaryote thường tồn nhiều thường bị gián đoạn đoạn mã mù 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 Genome quan tử Hầu hết genome quan tử, ln ln, có dạng phân tử DNA mạch vịng đơn chuỗi Genome quan tử mã hóa cho số, khơng phải tất cả, protein tìm thấy quan tử Do có nhiều quan tử tế bào, có nhiều genome quan tử tế bào Mặc dù thân genome quan tử Nhưng cấu tạo gồm chuỗi lặp lại1 liên quan với chuỗi không lặp lại2 nhân Về nguyên tắc, gen quan tử phiên mã dịch mã quan tử 1.1 Genome ty thể DNA ty thể (mitochondrial DNA-mtDNA) genome độc lập, thường mạch vòng, định vị ty thể - DNA ty thể tế bào động vật mã hóa đặc trưng cho 13 protein, rRNA 22 tRNA - DNA ty thể nấm men S cerevisiae dài mtDNA tế bào động vật năm lần có mặt đoạn intron dài Các genome ty thể có kích thước tổng số khác nhau, tế bào động vật có kích thước genome nhỏ (khoảng 16,5 kb động vật có vú) (Hình 2.1) Có khoảng vài trăm ty thể tế bào Mỗi ty thể có DNA lặp lại mơ tả chuỗi diện genome DNA khơng lặp lại chứa chuỗi nhất: có genome đơn bội Sinh học phân tử 28 nhiều DNA Số lượng tổng số DNA ty thể so với DNA nhân nhỏ (200 gen + Các gen nằm cách telomere 50 kb Tương tự nấm men, gen mã hóa cho VSG nằm rải rác genome trạng thái không hoạt động Một gen hoạt hóa chép vào vị trí hoạt động (expression site) nguyên bảo tồn vị trí tĩnh Bản gen gốc vào vị trí hoạt động gọi ELC (bản hoạt động-expression linked copy) Vị trí hoạt động nằm gần telomere Như vậy, việc chọn gen gốc để chép tạo hoạt động phụ thuộc vào vị trí gen gốc telomere nằm phía telomere Có hai giả thiết để gen trở nên hoạt hóa sau: - Vị trí hoạt động khơng thay đổi mà có ELC thay cho Bản gen gốc thay cho gen khác vị trí đó, điều xảy tương tự gen cassette tĩnh chép vào cassette hoạt động trường hợp với nấm men - Vị trí hoạt động thay đổi, cần tổng hợp VSG mới, gen vị trí hoạt động cũ bị ngừng gen vị trí khác (gần telomere) khởi động Một số phân tử mRNA tương ứng với VSG khác phân lập xác định trình tự nucleotide (thông qua cDNA) Điều ngạc nhiên phần oligonucleotide đầu 3’ gen VSG khác với phần 3’ mRNA phiên mã từ gen Mặt khác, gen khơng có phần 5’ giống mRNA Như vậy, mRNA không tổng hợp hồn tồn khn mẫu gen Phần 3’ mRNA tương ứng với phần 3’ vị trí hoạt động ELC, phần 5’ (gồm 35 nucleotides) tổng hợp từ đoạn DNA khác gắn vào mRNA (hiện tượng trans-splicing) Khuếch đại gen Số lượng số gen tăng lên tạm thời trình phát triển tế bào soma Việc tăng số lượng gen đặc biệt phụ thuộc vào điều kiện cụ thể tế bào xảy không phổ biến Các nằm tập trung thành nhóm gồm nối tiếp khác tồn đoạn DNA có khả tái độc lập Chẳng hạn: Sinh học phân tử 54 - Sự nhân gen mã hóa cho rRNA trứng ếch Trứng ếch có đường kính khoảng 2-3 mm, dự trữ nhiều rRNA Chúng phiên mã từ nhiều gen rDNA Các gen nhân lên (khoảng 2.000 lần) theo chế “vòng tròn quay” (xem chương 4) trình phát triển tồn dạng vịng trịn khép kín - Khi ni cấy tế bào động vật có vú mơi trường đặc biệt, DNA số vị trí genome nhân lên Ví dụ: ni cấy tế bào ung thư môi trường chứa độc tố methotrexate Chất ức chế hoạt tính enzyme dihydrofolate reductase (DHFR) giữ vai trò tổng hợp nucleotide DNA Các tế bào ung thư nuôi cấy mơi trường có chất độc phát triển thành quần lạc tế bào kháng lại độc tố Khi nồng độ chất độc tăng dần, nồng độ DHFR tăng theo, đạt tới 1.000 lần lớn mức bình thường Nồng độ enzyme tăng số lượng gen mã hóa cho chúng tăng Cơ chế xác tượng chưa rõ ràng, xảy theo hai cách: - Trao đổi chéo không cân hai nhiễm sắc tử (chromatid) nhiễm sắc thể dẫn đến số tế bào khơng có gen dhfr số khác có hai gen Trong mơi trường có độc tố, trao đổi chéo không cân lặp lặp lại tế bào chứa nhiều gen dhfr phát triển tốt môi trường - Các đoạn DNA (100-1.000 kb) chứa 2-4 gen dhfr (~31 kb/gen) chép từ nhiễm sắc thể bình thường tạo nhiễm sắc thể nhỏ, khơng có tâm động Các nhiễm sắc thể nhỏ ghép vào nhiễm sắc thể bình thường khác Quá trình lặp lặp lại qua số lần phân bào nguyên nhiễm, tế bào mang số lượng lớn gen dhfr có điều kiện phát triển thuận lợi mơi trường có chứa độc tố Biến nạp gen Một phương thức tăng khả di truyền ứng dụng tương tác vật chủ cộng sinh-ký sinh, DNA lạ chuyển vào tế bào vật chủ từ vi khuẩn Cơ chế tương tự với tiếp hợp vi khuẩn Sự biểu DNA vi khuẩn vật chủ làm thay đổi kiểu hình Sinh học phân tử 55 tế bào Ví dụ điển hình vi khuẩn A tumefaciens cảm ứng tạo khối u tế bào thực vật bị chúng xâm nhiễm Khi DNA lạ đưa vào tế bào eukaryote, tồn ngồi nhiễm sắc thể hợp genome Nếu xảy theo trường hợp thứ hai, genome mang đột biến di truyền nhiều DNA lạ tiếp tục hoạt động làm xuất tính trạng Việc đưa gen lạ vào tế bào soma tế bào sinh dục mà trì hoạt động gen gọi chuyển nhiễm (transfection) Cá thể biểu tính trạng nhờ hoạt động gen lạ đưa vào tế bào sinh dục gọi cá thể chuyển gen Quá trình làm thay đổi ổn định genome DNA sau tiêm vào tế bào trứng động vật hợp genome truyền cho hệ sau thành phần di truyền bình thường Khả đưa gen chức đặc trưng trở thành kỹ thuật y học sử dụng cho việc chữa bệnh di truyền Tài liệu tham khảo/đọc thêm Võ Thị Thương Lan 2002 Sinh học phân tử NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson JD 2002 Molecular Biology of the Cell 3rd ed Garland Publishing, Inc New York, USA Cantor CR and Smith CL 1999 Genomics John Wiley & Sons, Inc New York, USA Dale JW and Von Schanzt M 2002 From Gene to Genome John Wiley & Sons, Ltd West Sussex, UK Lewin B 2000 Gene VII Oxford University Press, Oxford, UK Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL and Darnell J 2004 Molecular Cell Biology 5th ed WH Freeman and Company, New York, USA Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M and Loscik R 2004 Molecular Biology of the Gene The Benjamin Cummings/Cold Spring Habor Laboratory Press, San Francisco, CA, USA Weaver RF 2003 Molecular Biology 2nd ed McGraw-Hill Company Inc New York, USA Sinh học phân tử 56 ... phát triển tiềm sinh học thân Trình tự genome sinh vật mơ 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... rRNA tRNA Sinh học phân tử 30 - DNA lạp thể dài từ 120 -190 kb Các genome lạp thể phân tích trình tự cho thấy có khoảng 87-183 gen Bảng 2. 2 mơ tả chức mã hóa genome lạp thể trồng Bảng 2. 2 Genome. .. kích thước genome Genome quan tử Hầu hết genome quan tử, khơng phải ln ln, có dạng phân tử DNA mạch vòng đơn chuỗi Genome quan tử mã hóa cho số, khơng phải tất cả, protein tìm thấy quan tử Do có