Vào năm 1951-52, việc nghiờn cứu cấu trỳc ba chiều của DNA
bằng phõn tớch nhiễu xạ tia X được bắt đầu bởi Maurice Wilkins và
Rosalind Franklin. Cỏc bức ảnh chụp được 1952 (hỡnh 3.1) gợi ý
rằng DNA cú cấu trỳc xoắn gồm hai hoặc ba chuỗi. Lỳc này ở Anh cũn cú một số nghiờn cứu khỏc nhằm phỏt triển lý thuyết nhiễu xạ
của Linus Pauling để tỡm hiểu cấu trỳc DNA. Tuy nhiờn, giải phỏp
đỳng đắn nhất là chuỗi xoắn kộp bổ sung do Watson và Crick đưa
ra năm 1953 (Hỡnh 3.2 và 3.3). Mụ hỡnh này hoàn hoàn toàn phự
hợp với cỏc số liệu của Wilkins và Franklin cũng như của Chargaff. Sự kiện này mở ra một bước ngoặt mới cho cho sự ra đời và phỏt triển với tốc độ nhanh chúng của di truyền học phõn tử.
Hỡnh 3.1 (a) R.Franklin (trỏi) và M.Wilkins; và (b) Ảnh chụp cấu trỳc DNA tinh thể bằng tia X của Franklin.
(a) (b)
Hỡnh 3.2 (a) J.Watson (trỏi) và F.Crick; và (b) Mụ hỡnh cấu trỳc tinh thể DNA.
Hỡnh 3.3 Cỏc mụ hỡnh cấu trỳc chuỗi xoắn kộp DNA.
1. Mụ hỡnh Watson-Crick
Mụ hỡnh Watson-Crick (DNA dạng B; Hỡnh 3.3) cú cỏc đặc điểm
sau:
(1) DNA gồm hai chuỗi đối song song (antiparallel) cựng uốn
quanh một trục trung tõm theo chiều xoắn phải, với đường kớnh 20Ao (1Angstrom = 10-10m), gồm nhiều vũng xoắn lặp lại một cỏch đều đặn và chiều cao mỗi vũng xoắn là 34 Ao, ứng với 10 cặp base
(2) Cỏc bộ khung đường-phosphate phõn bố ở mặt ngoài chuỗi
xoắn và cỏc base nằm ở bờn trong; chỳng xếp trờn những mặt
phẳng song song với nhau và thẳng gúc với trục phõn tử, với
khoảng cỏch trung bỡnh 3,4 Ao.
(3) Hai sợi đơn gắn bú với nhau bằng cỏc mối liờn kết hydro
(vốn là lực húa học yếu) được hỡnh thành giữa cỏc cặp base đối diện theo nguyờn tắc bổ sung "một purine - một pyrimidine". Cụ thể là, trong DNA chỉ tồn tại hai kiểu kết cặp base đặc thự là A-T (với hai liờn kết hydro) và G-C (với ba liờn kết hydro) (Hỡnh 3.3 và 3.4). (4) Tớnh chất bổ sung theo cặp base dẫn đến sự bổ sung về trỡnh tự cỏc base giữa hai sợi đơn của mỗi chuỗi xoắn kộp. Vỡ vậy, trong bất kỳ một phõn tử DNA sợi kộp nào hoặc một đoạn của nú
bao giờ cũng cú: A = T và G = C; nghĩa là: [A + G] = [T + C] hay 1 = + + C T G A
(đõy là tỷ số giữa cỏc base purine và cỏc base pyrimidine), cũn tỷ lệ C G T A + +
là đặc thự cho từng loài (thực chất đõy là tỷ lệ giữa
hai base khụng bổ sung cho nhau hoặc giữa hai base cựng nhúm,
vớ dụ A/G hoặc T/C).
Như vậy, mụ hỡnh cấu trỳc chuỗi xoắn kộp của Watson-Crick
(1953) hoàn toàn thoả món và cho phộp lý giải một cỏch thoảđỏng
cỏc kết quả nghiờn cứu của Chargaff (1949). Vỡ vậy người ta gọi
cỏc biểu thức A = T và G = C là cỏc quy luật hay quy tắc Chargaff
(Chargaff's rules).
Theo nguyờn tắc bổ sung của cỏc cặp base, ta cú thể xỏc định trỡnh tự base ở sợi bổ sung khi biết được trỡnh tự base của một sợi đơn. Vớ dụ:
Sợi cho trước: 5'- AATTCTTAAATTC -3'
Hỡnh 3.4 Hai kiểu kết cặp base của DNA. Cặp AT nối với nhau bằng hai liờn kết hydro và cặp GC - ba liờn kết hydro (biểu thị bằng cỏc đường chấm: ---). Cỏc nguyờn tử C1'đại diện cho vị trớ của đường và phosphate ở mỗi cặp nucleotide.
Túm lại, hai đặc điểm quan trọng nhất trong cấu trỳc DNA là sự
phõn cực ngược chiều của hai sợi đơn (5'→3' và 3'→5') và nguyờn tắc bổ sung của cỏc cặp base (A-T và G-C). Đõy là hai nguyờn lý căn bản chi phối cỏc cơ chế di truyền ở cấp độ phõn tử (tỏi bản, phiờn mó và dịch mó), mà ta cú thể hỡnh dung tổng quỏt dưới dạng cỏc kờnh truyền thụng tin di truyền trong tế bào (được gọi là Giỏo lý
hay Lý thuyết trung tõm, Central Dogma, của Sinh học phõn tử; Hỡnh 3.5) sau đõy:
Hỡnh 3.5 Lý thuyết trung tõm của Sinh học phõn tử
Về tầm vúc vĩ đại của phỏt minh cấu trỳc phõn tử DNA,
Lawrence Bragg - Giỏm đốc Phũng thớ nghiệm Cavendish
(England) - đỏnh giỏ rằng: "Sự phỏt minh ra cấu trỳc DNA với tất cả cỏc hệ quả sinh học của nú là một trong cỏc sự kiện khoa học to lớn nhất của thế kỷ chỳng ta..." (Watson 1968, bản Việt dịch của Lờ
Đỡnh Lương và Thỏi Doón Tĩnh, Nxb KH-KT tr.9). Nhờ phỏt minh vĩ
đại đú, Watson và Crick cựng chia xẻ với Wilkins giải thưởng Nobel năm 1962.
Thật vậy, nhỡn lại ta thấy rằng Watson và Crick đó cụng bố
phỏc thảo về mụ hỡnh cấu trỳc DNA trong bài bỏo nhan đề "A
Structure for Deoxyribose Nucleic Acid" trờn tạp chớ Nature Vol.
171, trang 737 ngày 25-4-1953 (& http://www.nature.com/). Đõy là
một bài bỏo khoa học kinh điển rất ấn tượng và khụng bỡnh thường tý nào! Một cỏch chớnh xỏc, bài bỏo này chỉ dài 900 chữ với vỏn vẹn 128 dũng, nhưng đằng sau mỗi dũng là cả một lịch sử khoa học kỳ diệu, một cõu chuyện thỳ vị. Bài bỏo này được cụng bố rất nhanh, chưa đầy một thỏng kể từ sau ngày gởi đăng.
Trờn thực tế, Crick muốn làm sỏng tỏ cỏc hàm ý sinh học của
mụ hỡnh này, nhưng Watson thỡ chẳng hài lũng với cỏch làm như
vậy. Hai ụng đó thoả thuận trong một cõu mà nú đó trở thành một
trong những cõu núi giản lược vĩ đại trong tài liệu khoa học:
"Chỳng ta khụng thể khụng nhận thấy rằng nguyờn tắc kết cặp base đặc thự mà chỳng tụi nờu lờn ngay lập tức gợi ra một cơ chế sao chộp khả dĩ cho vật chất (di truyền) núi chung". ["It has not escaped our noticed that the specific base pairing we have proposed immediately suggests a possible copying mechanism for the general (genetic) material."].
Hỡnh 3.6 Mụ hỡnh tỏi bản của DNA do Watson gợi ý từ 1953.
Như cõu núi đầy khờu gợi này đó chỉ rừ, mụ hỡnh của Watson
và Crick quả thực gợi ra một cơ chế sao chộp cho DNA. Vỡ một sợi là bổ sung (complement) của sợi kia, nờn hai sợi cú thể được tỏch
ra và mỗi sợi sau đú cú thể dựng làm khuụn (template) cho việc
xõy dựng nờn một sợi mới cặp với nú (Hỡnh 3.6). Bằng cơ chế tỏi bản bỏn bảo toàn (semiconservative replication) như thế sẽ đảm bảo được hai phõn tử DNA con tạo ra cú cấu trỳc giống hệt DNA
cha mẹ, và qua đú cỏc tế bào sinh ra sẽ chứa cỏc gene giống
nhau; nghĩa là cú thể giải thớch được tại sao con cỏi thường giống cha mẹ. Quả thực đõy là sự tiờn đoỏn thiờn tài mà sự đỳng đắn của nú đó được chứng minh bằng cỏc thực nghiệm khỏc nhau chỉ sau đú vài năm (xem chương 5).
Đến đõy hẳn là chỳng ta cú thể hiểu tại sao Watson lại đưa ra được những nhận định sắc sảo tuyệt vời và cực kỳ chớnh xỏc đến như vậy, chẳng hạn: "Một cấu trỳc tuyệt đẹp như thế, lẽ tự nhiờn là phải tồn tại trờn thực tế", hay "Cỏch giải quyết đỳng khụng những phải đẹp mà cũn phải đơn giản". Bạn cú thể làm sỏng tỏ điều này? Và bạn cú thể học được gỡ từ bài bỏo kinh điển của Watson và Crick với nhan đề "A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid" trờn
tạp chớ Nature ngày 25-4-1953 (& http://www.nature.com/) và từ
Lời bỡnh độc đỏo của Tom Zinnen (2004) về bài bỏo khoa học này (& http://www.accessexcellence.com/ )?
2. Cỏc dạng DNA xoắn phải và xoắn trỏi
Tuy nhiờn, sau này người ta cũn phỏt hiện ra nhiều dạng xoắn phải
khỏc (A, C, D...); chỳng cú một số biến đổi so với DNA-B (xem
Bảng 3.2).
DNA dạng A DNA dạng B DNA dạng Z
Hỡnh 3.7 Cỏc mụ hỡnh DNA dạng A, B và Z ( hỡnh trờn) và thiết diện cắt ngang của chỳng cho thấy vị trớ phõn bố của một cặp base.
Bờn cạnh cỏc dạng DNA xoắn phải, Alexander Rich và đồng sự
(1979) cũn phỏt hiện thờm một dạng DNA xoắn trỏi duy nhất cho
đến nay. Dạng DNA này cú bộ khung hỡnh zigzag (nờn gọi là DNA-
Z, và cũng là chữ cỏi cuối cựng trong bảng chữ cỏi Latin) uốn gập khỳc theo chiều xoắn trỏi, mỗi vũng xoắn dài 45,6Ao chứa 12 cặp
base. Nhỡn chung, so với DNA dạng B, DNA-Z dài và gầy hơn, cỏc
rónh lớn bị dẹt ra phần bề mặt của chuỗi xoắn; cũn DNA dạng A ngắn và to mập hơn (Hỡnh 3.7 và Bảng 3.2).
sắp xếp xen kẽ nhau trờn một sợi thỡ cú thể tiếp nhận cấu hỡnh DNA-Z, vớ dụ:
5'--GCGCGCGC--3' 3'--CGCGCGCG--5'
Sự chuyển đổi này cũng được tạo thuận lợi bởi sự cú mặt của 5-
methylcytosine và bởi trạng thỏi siờu xoắn nghịch (negative
supercoiling). DNA là một phõn tử đụng học và vỡ vậy nú cú thể
chuyển từ một cấu hỡnh này sang một cấu hỡnh khỏc dựa trờn cỏc lực bờn ngoài trong tế bào. Cú thể là sự chuyển đổi từ dạng B sang dạng Z cú liờn quan đến sự điều hoà biểu hiện gene. Mặc dự Rich
khỏm phỏ DNA-Z khi nghiờn cứu về cỏc hợp chất mụ hỡnh, cấu trỳc
này dường như cũng cú mặt trong cỏc tế bào sống ở một tỷ lệ nhỏ song chức năng của nú vẫn cũn chưa thật sự hiểu rừ. Bảng 3.2 Một sốđặc điểm chớnh của cỏc DNA dạng A, B, C và Z Dạng Chiều xoắn Số bp/vũng xoắn Đường kớnh chuỗi xoắn A Phải 11,0 23Ao B Phải 10,0 19Ao C Phải 9,3 19Ao Z Trỏi 12,0 18Ao
*Nguồn: J.Kimball (từ internet). Về chi tiết, cú thể xem trong Watson
et al (1987, tr.249) và Twyman (1998; tr.229). 3. Cỏc DNA mạch vũng sợi kộp và sợi đơn
Kể từ sau khỏm phỏ quan trọng của Watson và Crick, cho đến
nay khụng những đó phỏt hiện thờm cỏc dạng DNA xoắn phải và
xoắn trỏi, mà trờn thực tế cũn cú cỏc bộ gene được tổ chức theo những thể thức khỏc, đú là: DNA sợi kộp dạng vũng cú mặt ở hầu hết cỏc bộ gene prokaryote, bộ gene một số virus và bộ gene tế bào chất của cỏc tế bào eukaryote (cỏc phõn tử DNA ty thể và lạp thể); DNA sợi đơn vũng của một số virus ký sinh ở vi khuẩn; và bộ
gene RNA của nhiều virus ký sinh ở cỏc thực vật và động vật.
Đỏng kể là cỏc virus RNA gõy ung thư, HIV/AIDS và cỏc virus
thuộc họ corona gõy viờm phổi cấp (SARS) với nhiều biến thể cú khả năng lõy lan sang nhiều vật chủ khỏc nhau và cú nguy cơ làm xuất hiện nạn đại dịch trờn phạm vi toàn cầu hiện nay. Vấn đề này sẽđược đề cập thờm ở mục III dưới đõy và ở Bảng 3.3.
ệThảo luận thờm về cỏc bậc cấu trỳc của cỏc nucleic acid:
X Cấu trỳc bậc một của nucleic acid là cỏc chuỗi polynucleotide;
Y Cấu trỳc bậc hai của cỏc nucleic acid được sinh ra bởi hai loại tương tỏc khụng phải đồng hoỏ trị: sự kết cặp base (base pairing) và sự co cụm base (base stacking). Sự kết cặp base liờn quan với cỏc liờn kết hydro và là lực chiếm ưu thế khiến cho cỏc sợi nucleic acid kết hợp với nhau, nhưng cấu trỳc được giữổn định
bằng cỏc tương tỏc hydrophobic giữa cỏc base kề sỏt nhau mang
lại bằng cỏc điện tử pi (π) trong cỏc vũng. Cỏc mối tương tỏc π-π này được mụ tả như là cỏc lực kộo co cụm base. Cấu trỳc bậc hai của DNA được đặc trưng bằng sự kết cặp base giữa cỏc phõn tử
để sinh ra cỏc phõn tử sợi kộp hay sợi đụi (double-stranded or
duplex; ký hiệu là dsDNA). Cỏc cấu trỳc bậc hai trong RNA, vốn tồn tại nguyờn thuỷ ở dạng sợi đơn (single-stranded form), núi chung phản ảnh cỏc mối tương tỏc base nội trong phõn tử.
y Trong cấu trỳc của cỏc chuỗi xoắn kộp DNA, quan trọng nhất là sự kết cặp base bổ sung (complementary base pairing) A-T và
G-C. Cỏc cặp base Watson-Crick này (Watson-Crick base pairs)
tạo thành cơ sở của hầu hết cỏc tương tỏc cấu trỳc bậc hai trong
cỏc nucleic acid, cũng như giải thớch cho cỏc quy tắc Chargaff, và
chỳng đồng thời xỏc định cỏch thức DNA cú thể hoạt động như là
cỏi khuụn cho tỏi bản và phiờn mó... Trong RNA, uracil thay thế cho
thymine, nhưng vỡ uracil cú cấu trỳc hoỏ học tương tự với thymine
và hỡnh thành cỏc liờn kết hydro với adenine y như thế, cả hai
nucleic acid lai theo cựng cỏc quy tắc chung. Tuy nhiờn, vỡ cỏc mối
tương tỏc này cú mặt khắp nơi, nờn cú những sơ đồ kết cặp base biến đổi đụi chỳt so với cỏc kiểu kết cặp Watson-Crick; chỳng đúng cỏc vai trũ quan trọng trong việc hỡnh thành cỏc cấu trỳc bậc hai và bậc ba.
y Cho đến nay, bờn cạnh cỏc cặp base Watson-Crick chiếm ưu
thế trong cỏc cấu trỳc và chức năng của cỏc nucleic acid, người ta thấy cú 28 cỏch sắp xếp khả dĩ của ớt nhất hai liờn kết hydro giữa cỏc base; điều này cung cấp cơ sở cho một nhúm đa dạng cỏc tương tỏc. Cú ý nghĩa đỏng kể nhất trong số cỏc cấu hỡnh biến đổi
này là cỏc cặp base Hoogsteen (Hoogsteen base pairs), vốn gúp
phần vào cấu trỳc bậc ba của tRNA và cho phộp hỡnh thành cỏc
chuỗi xoắn ba (triple helices). Một sự sửa đổi so với cỏc cặp base
được xem xột trở lại ở cỏc chương 4 (cấu trỳc và chức năng của
tRNA) và 6 (mục III: mó di truyền, giả thuyết linh hoạt).
y Về cỏc cấu hỡnh chuỗi xoắn và tớnh mềm dẻo cục bộ trong cấu trỳc DNA: Bờn cạnh cấu trỳc DNA sợi kộp (dsDNA) dạng B
phổ biến do Watson và Crick đưa ra năm 1953, cũn cú cỏc dạng
biến đổi khỏc như đó đề cập ở trờn. Một đặc điểm khỏc nữa đú là
tớnh mềm dẻo cục bộ (local flexibility) trong cấu trỳc DNA. Nhiều thực nghiệm đó cho thấy rằng DNA dạng B đặc biệt mềm dẻo linh hoạt, nú khụng tồn tại ở cỏc dạng cú cấu hỡnh cứng nhắc mà cú thể thay đổi một cỏch uyển chuyển giữa cỏc cấu hỡnh khỏc nhau do cỏc hiện tượng đa hỡnh cục bộ gõy ra, chẳng hạn như DNA cú thể uốn gập và hoỏn chuyển chuỗi xoắn (helical transitions) nội trong một phõn tửđơn (vớ dụ sự hoỏn chuyển qua lại giữa cỏc dạng B và Z đó núi ở trờn). DNA cuộn gập cũng cú thểđược cảm ứng bởi cỏc protein và tạo vũng (circularization). Việc cuộn lại do cảm ứng cần
thiết cho sự đúng gúi DNA trong cỏc nhiễm sắc thể (Hỡnh 3.10) và
cho tỏi bản, tỏi tổ hợp và phiờn mó (chương 5 và 6). Cỏc protein
cũng cú thể nhận biết DNA được cuộn lại theo thể thức nào đú (vớ dụ cỏc topoisomerase nhận biết cỏc khởi điểm tỏi bản).
y Cấu trỳc bậc hai trong RNA và DNA khụng thuộc dạng sợi
đụi: Trong RNA và cỏc vựng DNA sợi đơn, cấu trỳc bậc hai được
xỏc định bằng sự kết cặp base nội phõn tử. Cấu trỳc bậc hai trong RNA đúng vai trũ chớnh yếu trong biểu hiện gene và điều hoà của
nú. Vớ dụ: sự kết cặp base giữa rRNA và mRNA kiểm soỏt việc
khởi đầu tổng hợp protein; sự kết cặp base giữa tRNA và mRNA xảy ra trong dịch mó; cỏc cấu trỳc kẹp túc trong RNA (RNA hairpin
loop) và cỏc vũng thõn (stem loops) kiểm soỏt sự kết thỳc phiờn
mó, hiệu quả dịch mó và sự ổn định của mRNA; và sự kết cặp
base RNA-RNA cũng đúng vai trũ quan trọng trong việc tỏch bỏ
cỏc intron (xem cỏc chương 4 và 6).
Z Cấu trỳc bậc ba của cỏc nucleic acid phản ảnh cỏc mối tương tỏc gúp phần kiến thiết toàn bộ hỡnh dỏng ba chiều của DNA và RNA. Điều này bao gồm cỏc tương tỏc giữa cỏc yếu tố cấu trỳc bậc hai khỏc nhau, cỏc mối tương tỏc giữa cỏc sợi đơn và cỏc yếu tố cấu trỳc bậc hai, và cỏc đặc điểm hỡnh thể của cỏc nucleic acid.
y Cỏc tương tỏc sợi bậc ba trong DNA: Trong DNA, cỏc mối tương tỏc bậc ba cú liờn quan tới sự tương tỏc giữa cỏc sợi đơn với cỏc sợi đụi hoặc tương tỏc giữa cỏc sợi đụi với cỏc sợi đụi, kết
quadruple strand structures). Cỏc guanine cú thể hỡnh thành cỏc bộ
bốn base (base tetrads), và cỏc DNA chứa cỏc loạt gốc guanine cú thể tạo thành cỏc cấu trỳc bộ bốn mà từ đú cú thể gúp phần vào cấu trỳc telomere (chương 5). Vớ dụ, DNA dạng H là một dạng của