1. Đột biến gen
1.4. Tỏc nhõn gõy đột biến
1.4.1. Cỏc tỏc nhõn hoỏ học
• Đột biến gõy ra bởi cỏc chất tương tự nucleoside
Một số hợp chất hoỏ học cú thể làm tăng tần số hỗ biến và qua đú gõy ra cỏc đột biến. Vớ dụ kinh điển là 5-bromodeoxyuridine (BrdU), thường gọi là 5-bromouracil (5-BU; Hỡnh 7.7 và 7.8), một chất giống như thymidine ngoại trừ thay một nguyờn tử bromine (Br) cho một nhúm methyl ở vị trớ 5. Tuy nhiờn, một khi 5-BU được kết hợp vào chỗ của thymidine, nú cú thể gõy rắc rối. Rắc rối bắt nguồn từ chỗ 5-BU cú xu hướng tăng cường bật sang dạng hỗ biến enol để cú thể kết cặp
thay chỗ AT. Kết quả là tạo ra đồng hoỏn AT→ GC. Do hỗ biến mà 5-BU cú thể gõy đồng hoỏn hai chiều, AT GC.
Hỡnh 7.7. Cỏc kiểu kết cặp bazơ của 5-BU với A (phổ biến) và với G (hiếm).
Một húa chất gõy đột biến khỏc là 2-aminopurine (2-AP), chất tương tự của A, cú thể cặp với T. Khi bị proton húa, 2-AP cú thể kết cặp nhầm với C để gõy đột biến đồng hoỏn AT → GC ở lần tỏi bản sau.
• Đột biến gõy ra bởi sự alkyl hoỏ của cỏc bazơ
Một số chất trong mụi trường là cỏc chất cú ỏi lực với điện tử (electrophyle); chỳng tỡm cỏc trung tõm điện tớch õm trong cỏc phõn tử khỏc và bỏm vào. Nhiều chất khỏc thuộc mụi trường được chuyển hoỏ trong cơ thể thành ra cỏc hợp chất cú ỏi lực điện tử. Một trong những trung tõm điện tớch õm rừ nhất trong sinh học là phõn tử ADN. Mỗi nucleotide chứa một điện tớch õm toàn phần trờn phosphate và cỏc điện tớch õm từng phần trờn cỏc bazơ. Khi cỏc chất ỏi lực điện tử bắt gặp cỏc trung tõm điện tớch õm này, chỳng sẽ tấn cụng, thụng thường là gắn thờm cỏc nhúm chứa carbon - nhúm alkyl, gọi là alkyl hoỏ (alkylation).
Nhiều tỏc nhõn gõy ung thư (carcinogen) là cỏc chất ỏi lực điện tử dường như hoạt động bằng cỏch tấn cụng ADN và alkyl hoỏ nú. Nhiều tỏc nhõn đột biến được sử dụng trong phũng thớ nghiệm để gõy tạo cỏc đột biến cũng là cỏc tỏc nhõn alkyl hoỏ, vớ dụ ethylmethane sulfonate (EMS). Khi xử lý bằng EMS (Hỡnh 7.9), hoỏ chất này nhường nhúm ethyl (CH3-CH2) cho ADN mà cụ thể là cho oxy O6 của guanine tạo ra O6-alkylguanine. Bazơ được alkyl hoỏ này cặp với thymine thay vỡ cytosine. Kết quả là sinh ra đồng hoỏn GC → AT ở lần tỏi bản sau.
Hỡnh 7.8. Cỏc chất tương tự nucleoside. Dạng keto phổ biến của 5-BU là chất tương tự thymidine, cú
thể cặp với A (a); cũn dạng ion hoỏ (enol) của 5-BU cú thể cặp với G (b). 2-aminopurine (2-AP) là chất tương tự adenosine, cú thể cặp với T (c); khi ở dạng proton hoỏ, nú cú thể cặp với C (d).
Hỡnh 7.9. Alkyl húa của bởi EMS. Bờn trỏi là cặp bazơ guanine–cytosine bỡnh thường. Lưu ý oxy
O6 tự do (màu đỏ) trờn guanine. Ethylmethane sulfonate (EMS) cho một nhúm ethyl (đậm cú gạch) vào oxy O6, tạo ra O6-ethylguanine (hỡnh bờn phải), ở đú xảy ra kết cặp bazơ với thymine thay vỡ cystosine. Sau nhiều hơn một lần tỏi bản, một cặp bazơ A–T sẽ thay thế một cặp G–C. Đõy là đột biến đồng hoỏn GC → AT.
1.4.2. Cỏc tỏc nhõn vật lý
Trong số tỏc nhõn phúng xạ gõy đột biến, cỏc tia tử ngoại, tia gamma và tia X là phổ biến trong tự nhiờn và trong cỏc thớ nghiệm gõy đột biến. Cỏc loại bức xạ khỏc nhau gõy ra cỏc kiểu tổn thương khỏc nhau.
Cỏc tia cực tớm (ultraviolet radiation = UV) cú năng lượng tương đối thấp, và chỳng gõy ra kiểu tổn thương vừa phải, đú là cỏc dimer pyrimidine mà phổ biến là dimer thymine (–T=T–; Hỡnh 7.11). Tổn thương này biểu hiện ở sự biến dạng của chuỗi xoắn kộp, làm cản trở sự kết cặp của cỏc bazơ purine (Adenine) trong tỏi bản. Hậu quả là cú thể làm chết tế bào hoặc tạo ra đột biến do việc lắp sai nucleotide vào vị trớ đối diện với dimer trong khi tỏi bản. Loại bức xạ cực tớm làm tổn thương ADN nặng nhất ở bước súng khoảng 260 nm, là vựng súng mà ADN hấp thụ mạnh nhất. Bức xạ này cú rất nhiều trong ỏnh sỏng mặt trời và cú nguy cơ gõy ung thư da (Hỡnh 7.10).
Hỡnh 7.10. Cỏc biểu hiện ở kiểu hỡnh lõm sàng của những người bị bệnh ung thư da (Xeroderma pigmentosum), chủ yếu do tỏc động của cỏc tia cực tớm.
Cỏc tổn thương do bức xạ cực tớm đối với ADN (dimer thymine) cú thể được sửa chữa trực tiếp bằng photolyase; enzyme này sử dụng năng lượng ỏnh sỏng từ bước súng gần với tia UV đến ỏnh sang xanh để cắt đứt cỏc liờn kết giữ hai pyrimidine với nhau.
Cỏc tia gamma và tia X cú năng lượng lớn hơn nhiều; chỳng ion húa cỏc phõn tử xung quanh ADN và tạo thành cỏc gốc tự do cú khả năng phản ứng cao: tấn cụng ADN, biến đổi cỏc bazơ hoặc làm đứt góy cỏc sợi.
Hỡnh 7.11. Sự hỡnh thành dimer thymine bởi tia cực tớm (UV). (a) Vớ dụ dimer T; (b) Tổng quỏt
cho dimer pyrimidine, chỳ ý vũng cyclobutan.
Hồi biến (reversion) hay đột biến ngược (back-mutation) là đột biến quay lại kiểu hỡnh
ban đầu. Cỏc đột biến gõy ra bởi cỏc bazơ tương đồng hoặc HNO2 cú thể hồi biến bằng cỏch tiếp tục xử lý chớnh tỏc nhõn đú. Tuy nhiờn một số chất như hydroxylamine vỡ chỉ phản ứng đặc thự với cytosine và làm phỏt sinh đồng hoỏn một chiều GC → AT, nờn khụng thể hồi biến bằng chớnh nú.