II. ĐỘT BIẾN GEN
Hình 4 5: Deamine hoá Cytosine thành Uracil dưới tác dụng của HNO
Bằng cách sử dụng HNO2 gây deamine hoá C thành U, sau đó U kết cặp với A trong tái bản và kết quả là tạo ra đột biến đồng hoán GC → AT đã chứng minh được quá trình đột biến nói trên. Mặt khác, nó deamine hoá A thành hypoxanthine (có khả năng kết cặp với C giống như G) và sẽ gây đồng hoán theo chiều ngược lại, AT → GC.
Một loại giả bazơ phổ biến khác là 2-aminopurin (2AP) tương đồng với A nhưng lại bắt cặp nhầm với C. Loại giả bazơ này gây ra rất nhiều đột biến vì nó dễ dàng chèn vào ADN. Khi 2AP chèn vào ADN như một A, đối diện với T, nó sẽ tạo ra một đồng hoá AT thành GC. Khi 2AP chuyển thành dạng imino, nó có xu hướng bắt cặp với C hơn là với T, dạng này sẽ tạo ra đột biến đồng hoán GC thành AT.
Hình 4.6: Giả bazơ 2-AP II.3.3.2.. Đột biến gây ra bởi sự alkyl hoá của các bazơ
Một số chất trong môi trường là các chất có ái lực với điện tử, chúng tìm các trung tâm điện tích âm trong các phân tử khác và bám vào. Một trong những trung tâm điện tích âm trong Sinh học là phân tử ADN. Mỗi nucleotide chứa một điện tích âm toàn phần trên photphate và các điện tích âm từng phần trên các bazơ. Khi các chất ái lực điện tử bắt gặp các trung tâm tích điện âm này, chúng sẽ tấn công, thông thường là gắn trên các nhóm chứa carbon gọi là các nhóm alkyl. Quá trình đó gọi là quá trình alkyl hoá. Sự alkyl hoá không dẫn tới sự bắt cặp sai ngay lập tức. Tuy nhiên, chúng làm cho liên kết giữa đường và bazơ nitơ trở nên kém bần, dễ đứt. Và khi đứt sẽ để lại vị trí đường khuyết purine. Khi tế bào thực hiện quá trình tái bản ADN mà sai hỏng chưa được sửa chữa thì chúng thường xen bazơ sai vào vị trí này và tạo ra một đột biến. Sự alkyl hoá cũng có thể làm tăng cường xu hướng biến bazơ thành dạng hỗ biến hiếm, qua đó dẫn tới các đột biến.
II.3.4. Các đột biến cảm ứng – phóng xạ
II.3.4.1. Bức xạ tử ngoại
Bức xạ có thể gây đột biến bằng cách bẻ gãy ADN, làm thay đổi cấu trúc hoá học của ADN hoặc tạo ra một chất hoạt động không bền vững có thể biến đổi ADN về mặt cơ học. Các bước sóng bức xạ khác nhau có thể tạo ra các kiểu đột biến khác nhau.
Tia UV có thể gây ra đột biến bằng cách tạo liên kết giữa hai pyrimidin trên cùng một mạch hình thành một dimmer. Dimer T là dạng phổ biến nhất mặc dù cũng xuất hiện dạng dimmer C:C và C:T. Các dimer rất hiếm khi được hình thành trên cả hai mạch. Phản ứng
dimmer hoá xảy ra thường xuyên trong các tế bào da khi phơi dưới ánh sáng mặt trời bình thường, thậm chí có tới hàng nghìn dimmer pyrimidin được tạo thành chỉ trong 1 giờ. Sự có mặt của dimmer trong ADN ảnh hưởng đến sự bắt cặp của các bazơ trong quá trình hình thành mạch bổ sung. Các dimmer phá vỡ cấu trúc bình thường của ADN, nó uốn cong lên tạo một mấu lồi nhỏ trong phân tử mạch kép. Dimmer này không thể hoạt động như một khuôn định hướng sự hình thành mạch bổ sung vì ADN polymerase không vượt qua được dimmer. ADN pol dừng lại trước dimmer và bắt đầu lại sau dimmer, tạo một khoảng trống chỗ đối diện với dimmer. Trong hầu hết các trường hợp, khoảng trống này được lấp đầy bằng việc đặt vào đó các bazơ một cách hoàn toàn ngẫu nhiên. Đa số các dimmer đều được sữa chữa, nếu không đột biến sẽ phát sinh qua sao chép ADN.
II.3.4.2. Tia gamma (γ) và tia X
Tia γ và tia X cũng có thể gây hại cho ADN. Cơ chế tác động của chúng chưa được hiểu rõ nhưng liên quan đến sự hình thành các gốc tự do. Các gốc tự do là các chất hoá học có một electron không chung, do đó chúng hoạt động mạnh trong tế bào. Chúng tương tác với ADN gây ra các đứt gãy, mất hoặc thay đổi đặc trưng sự cặp đôi bazơ. Không giống bức xạ UV, tia γ và tia X có thể dễ dàng xâm nhập vào bên trong mô, hậu quả là tất cả các tế bào trong cơ thể đều là đối tượng xâm hại của nó, không ngoại trừ cả tế bào gốc.
Hình 4.7: Hiện tượng dimer hoá nucleotid
II.4. Sữa chữa ADN
Sữa chữa ADN là đặc tính thiết yếu của tế bào sống nhằm phục hồi cấu trúc ADN bị tổn thương do các tác nhân lý hoá hoặc tự phát trong quá trình tái bản ADN. Có nhiều hệ thống sửa sai trong các tế bào như: Đọc sửa trong lúc tái bản nhờ các ADN polymerase, quang phục hoạt, cắt bỏ bazơ hoặc nucleotide ...
II.4.1. Sữa chữa bằng quang phục hoạt
Hình 4.8: Sửa chữa quang phục hoạt
Quang phục hoạt (photoreactivation) là kiểu sửa chữa dưới tác dụng của ánh sáng, nên còn gọi là sữa chữa ngoài sáng dưới sự xác tác của enzyme ADN photolase.
Cơ chế của quá trình sữa chữa này được thực hiện như sau:
+ Phát hiện và bám vào vị trí ADN bị thương tổn ( Một dimer pyrimydine)
+ Enzyme hấp thụ ánh sáng biểu kiến (có bước sóng 320-370nm), vốn kích hoạt enzyme sao cho nó có thể cắt đứt các liên kết giữa các dimer với nhau, phục hồi trạng thái bổ sung giữa các bazơ của hai sợi.
+ Enzyme rời khỏi ADN, hư tổn được sữa xong.
II.4.2. Sữa chữa bằng cắt bỏ
Được thực hiện bởi các enzyme đặc thù nên còn gọi là sữa chữa trong tối (dark repair)
II.4.2.1. Sữa chữa bằng cắt bỏ bazơ
Cơ chế thực hiện quá trình này như sau:
+ ADN glycosidase nhận biết và cắt đứt liên kết N-Glycoside giữa bazơ bị hỏng và đường của nó, để lại vị trí khuyết purine gọi là vị trí AP
+ AP endonuclease nhận biết vị trí AP và cắt sợi ADN ở một bên vị trí này, tách bỏ đường- photphate vị trí AP.
+ Exonuclease loại bỏ từng nucleotide ở đoạn bị hỏng.
+ ADN polymerase lấp đầy khoảng trống bằng cách xen các nucleotide bổ sung với sợi khuôn đối diện
Hình 4.9: Các bước sửa sai bằng cách cắt bỏ bazơ. II.4.2.2. Sữa chữa cắt bỏ nucleotide
Hình 4.10: Các bước sửa sai bằng cách cắt bỏ nucleotide
Một hệ thống sử dụng rất hiệu quả thông tin trên sợi bổ sung là sữa chữa cắt nối. Hệ thống sữa chữa này có thể nhận biết được bất cứ một thương tổn cảm ứng nghiêm trọng nào trên chuỗi xoắn kép ADN. Ở E. coli , một hệ thống sữa chữa cắt nối được mã hoá bởi 3 gen:
uvrA, uvrB và uvrC. Các sản phẩm của gen này làm nhiệm vụ cắt và thay thế một đoạn ADN
sau đó cắt một đoạn oligonucleotid dài khoảng 12bp có chứa đột biến trên một mạch của ADN. Khoảng trống được lấp đầy bởi hoạt động của ADN polymerase (sử dụng thông tin trên mạch bổ sung) và được hàn lại bởi ligase. Nếu mất hệ thống này, tỷ lệ đột biến ở E. coli
là rất lớn.
II.4.3. Một số kiểu sửa chữa khác
Ngoài ra còn có một số cơ chế sữa chữa khác như: Cơ chế đọc sửa đối với các bazơ bắt cặp sai được thực hiện trong tái bản ADN nhờ hoạt tính 3’-5’ của ADN polymerase; hệ thống sữa chữa bắt cặp nhầm của E.coli nhận biết sợi ADN mẹ thông qua các adenine được methyl hoá trong các trình tự GATC, sau đó nó sữa chữa cặp nhầm ở sợi bổ sung; sữa chữa tái tổ hợp hay sữa chữa sau tái bản và sữa chữa error-prone.