- Làm nhiệm vụ truyền đạt thông tin quy định cấu trúc của protein cần tổng
1. NST Ở NGƯỜI VÀ BỆNH HỌC NST Nhiễm sắc thể
1.1.2. Cấu trúc siêu hiển
Ở sinh vật có nhân, cấu trúc cơ bản của nhiễm sắc thể là sợi nhiễm sắc. Mỗi nhiễm sắc thể trước khi tự nhân đơi gồm có một sợi và sau khi phân ly lại trở về dạng một sợi. Cũng có trường hợp, nhiễm sắc thể có nhiều sợi như ở một số cơn trùng, mỗi nhiễm sắc thể trước khi tự nhân đơi có 2 sợi, sau khi tự nhân đơi thì gồm có 4 sợi. Trong tuyến nước bọt của ấu trùng côn trùng 2 cánh, mỗi nhiễm sắc thể là một bó gồm hàng ngàn, hàng vạn sợi nhiễm sắc thể khổng lồ ( ấu trùng ruồi giấm ).
Thành phần hóa học củ sợi nhiễm sắc gồm: 25% AND, 10% ARN, 25% protein histon và 40% protein khơng phải là histon. Tỷ lệ này có xê dịch tùy lồi. AND làm thành lõi của sợi nhiễm sắc có dạng xoắn như lò xo. Mỗi nhiễm sắc thể thường chứa một phân tử AND.
Đơn vị cấu trúc cơ bản trong AND, dọc theo chiều dài nhiễm sắc thể ở sinh vật có nhân là nucleoxom. Mõi nucleoxom gồm 8 phân tử histon được And quấn quanh 13/4 vòng mỗi vòng gồm 80 cặp nucleotit. Như vậy 13/4 vòng gồm 140 cặp nucleotit , có đường kính khoảng 100A0. Nhiều nucleoxom nối với nhau bằng đoạn AND nối, tạo thành chuỗi nhiều nucleoxom. Đây chính là sợi cơ bản, có chiều ngang khỏang 100A0, nhìn thấy được dưới kính hiển vi điện tử. Sợi cơ bản của nhiễm sắc thể cuộn lại tạo nên sợi nhiễm sắc, có chiều ngang khoảng 300A0. sợi nhiễm sắc cuộn lạ xoắn tiếp nữa tạo nên một ống rỗng có bề ngang khoảng 2000A0. ống rỗng này cuộn lại xoắn thêm một lần nữa tạo thành cuộn ngắn hơn, có bề ngang 6000A0 tạo thành cấu truc của cromatic.
Nhiễm sắc thể ở prokaryote
Nhiễm sắc thể ở prokaryote gồm chuổi xoắn kép DNA dạng vòng, cuộn lại một cách tinh vi hay siêu xoắn, tương tác với các phân tử protein. Các protein này có chức năng ổn định cấu trúc của nhiễm sắc thể
VD: Ở E.coli, các protein HU (positive charged & dimeric protein), H-MS giống
như histon ở Eukaryote có vai trị trong nèn DNA. Các protein khác như IHF (integration host factor, RNA polymerase và RNA có vai trị trong tổ chức DNA Ở prokaryote, nhiễm sắc thể nén chặt hình thành vùng nhân và đính trên màng nguyên sinh.
DNA của vi khuẩn ở thể xoắn (a), vòng tròn (b) và siêu xoắn (c)
Nhiễm sắc thể ở Eukaryote
Nhiễm sắc thể của Eukaryote được cấu tạo từ sợi nhiễm sắc (chromatin) là phức hợp giữa DNA và protein. Protein của nhiễm sắc thể: Histon và nonhiston chiếm khoảng 80% trong lượng nhiễm sắc thể.
Histon protein có thành phần amino acid tích điện dương (base) chẳng hạn như
Arginine, Lysine và Histidine cao. Histon tham gia vào cấu trúc chuỗi nucleosome và solenoid. Có năm loại protein histon: H2A, H2B H3, H4 và H1.
Nonhiston protein có thành phần amino acid tích điệm âm (acid) cao. Protein này
tham gia vào đóng xoắn DNA để hình thành các bậc cấu trúc cao hơn, sao chép DNA (DNA polymerase), phân ly nhiễm sắc thế (protein động cơ trong trung tâm 0 của tâm động) và tham gia vào q trình sao mã, điều hồ biểu hiện gene.
Đơn vị cấu trúc cơ bản của nhiễm sắc thể là các nucleosme có đường kính 100
Anstrong. Nucleosome được hình thành do một chuỗi DNA khoảng 146 bp quấn quanh một lõi protein gồm 8 phân tử histon (2H2A, 2H2B, 2H3 và 2H4). Hai nucleosome được nối với nhau bởi một đoạn DNA khoảng 55 bp.
Chuỗi nucleosome tiếp tục xoắn để hình thành cấu trúc phức tạp hơn là solenoid có đường kính 300 Anstrong. Mỗi solenoid có khoảng 60 nucleosome được ổn định bởi Histon H1. Khi H1 được giải phóng solenoid trở về dạng nucleosome.
Solenoid tiếp tục xoắn hình thành các sợi có đường kính 300nm, 700nm
(chromatin) và 1400nm (chromosome) dưới sự hỗ trợ của các protein nonhiston.
Các mức độ đóng xoắn của chromatin
Chất nguyên nhiễm sắc: là chất nhiễm sắc ở trạng thái xoắn, trạng thái hoạt động. Chất dị nhiễm sắc: là chất nhiễm sắc cuộn xoắn cao nhất, trạng thái khơng hoạt động.
Tính đặc trưng của bợ nhiễm sắc thể
Mỗi lồi sinh vật eukaryote đều có bộ nhiễm sắc thể đặc trưng về số lượng, hình thái và cấu trúc. Đây là tính đặc trưng để phân biệt các lồi với nhau, khơng phản ánh trình độ tiến hố cao hay thấp.
Ở những loài giao phối, tế bào sinh dưỡng (soma) mang bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n) của lồi. Trong đó, nhiễm sắc thể tồn tại thành từng cặp tương đồng (homologous), một chiếc có nguồn gốc từ bố, một chiếc có nguồn gốc từ mẹ. Trong giao tử chứa bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n), mỗi nhiễm sắc thể chỉ có một chiếc.
Bằng các kỹ thuật tế bào học hiện đại, căn cứ các mặt chức năng, cấu trúc, hình thái và tính đặc thù trong hoạt động, người ta đã phân biệt các loại nhiễm sắc thể khác nhau:
- Nhiễm sắc thể thường (nhiễm sắc thể A - autosome): giống nhau ở cả 2 giới đực, cái.
- Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome): khác nhau giữa 2 giới đực và cái.
VD: Người có 46 nhiễm sắc thể gồm 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm
sắc thể giới tính. Nhiễm sắc thể giới tính ở nữ là XX và ở nam là XY.
- Nhiễm sắc thể phụ (nhiễm sắc thể B): được phát hiện ở một số giống thực vật như ngô, lúa mạch đen chưa qua chọn lọc, số lượng nhiều hay ít tùy dịng. Những cây có nhiễm sắc thể B thì yếu hơn và độ hữu thụ kém hơn so với các cây chỉ chứa nhiễm sắc thể A bình thường. Ví dụ, ở lúa mạch đen, những cây có tới 9 nhiễm sắc thể B thường khơng có khả năng sống. Nhiễm sắc thể B có kích thước nhỏ và hiệu quả di truyền thấp. Nhiễm sắc thể B cũng được bắt gặp ở một số động vật như sâu bọ, giun dẹp.
Số lượng nhiễm sắc thể trong bộ lưỡng bội ổn định đối với mỗi loài nhưng khơng mang tính đặc trưng cao, chẳng hạn như gà (Gallus gallus), ngan (Cairina
moschata), vịt nhà (Anas phatyryncha) đều có 2n = 80. Tính đặc trưng chỉ thể hiện
rõ trong số lượng, thành phần, trình tự phân bố các gen trên mỗi nhiễm sắc thể và các đặc điểm hoạt động của nhiễm sắc thể trong tái bản, phân ly, tổ hợp, trao đổi đoạn, đột biến.
Hình thái nhiễm sắc thể
Trong nhân tế bào, chất nhiễm sắc tồn tại thường xuyên dưới dạng sợi nhiễm sắc mảnh, khó quan sát. Khi bước vào phân bào, sợi nhiễm sắc bắt đầu đóng xoắn và đạt độ nén cực đại ở kỳ giữa. Lúc này, nhiễm sắc thể (chromosome) dày hơn và đã ở dạng kép gồm hai nhiễm sắc tử (chromatid) đính nhau ở tâm động (centromere); chúng có hình dạng và kích thước đặc trưng nên có thể quan sát và đếm số lượng thơng qua một kính hiển vi quang học.
Nhiễm sắc thể với vùng tâm động
Mỗi nhiễm sắc thể có một tâm động, đó là điểm thắt eo chia nhiễm sắc thể thành 2 vai với chiều dài khác nhau, vai ngắn hơn gọi là vai p và vai dài hơn gọi là vai q. Dựa vào vị trí của tâm động có thể phân biệt hình thái các nhiễm sắc thể: - Tâm giữa (metacentric): 2 vai bằng nhau.
- Tâm đầu (acrocentric): 2 vai không bằng nhau. - Tâm mút (telocentric): tâm động nằm gần cuối.
Sơ đồ các kiểu hình thái nhiễm sắc thể ở kỳ giữa và kỳ sau
Ở một số tổ chức, cơ quan của một số lồi thường xuất hiện các nhiễm sắc thể có hình thái đặc biệt như nhiễm sắc thể khổng lồ (polytene chromosome), nhiễm sắc thể chổi đèn (lambrush chromosome):
Năm 1981, E. Balbiani phát hiện nhiễm sắc thể khổng lồ ở tuyến nước bọt ấu trùng Chironomus. Đến nay, loại nhiễm sắc thể này đã được tìm thấy trong tế bào của tuyến nước bọt, tuyến Manpighi, màng ruột một số côn trùng bộ 2 cánh (Diptera) như: Drosophilidae, Chironomidae.
Nhiễm sắc thể khổng lồ có số lượng sợi nhiễm sắc gấp nhiều lần so với nhiễm sắc thể thường, có thể chứa tới 150 - 1600 sợi. Nguyên nhân của hiện tượng này là do cơ chế nội nguyên phân (endomitosis). Nhiễm sắc thể tự nhân đôi nhiều lần nhưng khơng phân ly, tạo nhiễm sắc thể có dạng chùm nhiều sợi, bề ngang của nhiễm sắc thể tăng lên. Do khơng đóng xoắn nên chiều dài của nhiễm sắc thể khổng lồ có thể đạt tới 250-300 μm, gấp 100-200 lần chiều dài nhiễm sắc thể thường. Dọc theo chiều dài của nhiễm sắc thể khổng lồ phân hóa thành những khoanh bắt màu đậm, nhạt không đồng nhất như các đĩa sáng, tối xen nhau. Người ta cho rằng các đĩa sẫm màu là nơi tích lũy nhiều DNA, được tạo ra do độ xoắn định khu dày đặc hoặc do tập trung nhiều hạt nhiễm sắc.
Ở ruồi giấm, NST khổng lồ ở tuyến nước bọt được hình thành do DNA tự nhân đơi 10 lần, tạo ra 210 = 1024 sợi dính liền nhau suốt dọc theo chiều dài.
(a) Nhiễm sắc thể khổng lồ của ruối giấm tạo điểm nhiễm sắc (chromocenter). (b) Bộ nhiễm sắc thể cơ bản trong tế bào đang phân chia với các nhánh được biểu hiện bằng các màu khác nhau.
(c) Ảnh chụp nhiễm sắc thể khổng lồ
Nhiễm sắc thể chổi đèn: Nhiễm sắc thể này có thể dài đến 800 μm, có ở kỳ đầu của giảm phân trong tế bào trứng của động vật có xương sống nhất là ở giai đoạn Diplotene của trứng có nhiều nỗn hồng (trứng gà, chim hoặc bị sát). Đặc điểm của nhiễm sắc thể kiểu chổi đèn là từ trục của nhiễm sắc thể có nhiều vịng DNA, cạnh các vịng DNA này là những loại ARN được tổng hợp từ các vòng DNA mở xoắn.
Nhiễm sắc thể chổi đèn Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ
Do sự ổn định về hình thái của mỗi nhiễm sắc thể và sự cố định về số lượng nhiễm sắc thể của mỗi lồi nên mỗi lồi có một kiểu nhân đặc trưng. Kiểu nhân (karyotype) là sự mơ tả hình thái của bộ nhiễm sắc thể. Kiểu nhân có thể được biểu thị ở dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) khi các nhiễm sắc thể được xếp theo thứ tự bắt đầu từ dài nhất đến ngắn nhất.
Sau này kỹ thuật nhuộm màu (màu giemsa hay quinacrin) được hoàn chỉnh, làm rõ hơn các vệt đặc trưng thì hình thái của mỗi nhiễm sắc thể được xác định chi tiết hơn. Dựa vào nhiễm sắc đồ nhuộm màu, có thể tìm thấy các đoạn tương đồng trên các nhiễm sắc thể cùng loại của các lồi có họ hàng gần nhau. Ví dụ so sánh nhiễm sắc đồ của người và vượn cho thấy có mối quan hệ họ hàng rất gần và nhiễm sắc thể thứ hai của người do sự nối lại của 2 nhiễm sắc thể khác nhau ở vượn người.