Hầu hết bộ gen của các cơ quan tử có dạng phân tử DNA mạch vòng đơn. Bộ gen của cơ quan tử mã hóa cho một số protein đặc trưng ở trong các cơ quan đó. Do trong một tế bào có nhiều cơ quan tử nên có nhiều bộ gen của các cơ quan tử trên một tế bào.
Hệ gen ty thể (Mitochondrial DNA - mtDNA)
Ty thể là bào quan nhỏ của tế bào, là nơi tổng hợp các enzyme hô hấp, tổng hợp phần lớn ATP của tế bào, đảm bảo năng lượng cho mọi quá trình trao đổi chất. Ty thể có khả năng tự nhân đôi độc lập với quá trình tự nhân đôi của DNA (nhiễm sắc thể) trong nhân tế bào, có khả năng tổng hợp các protein đặc trưng của ty thể.
Mỗi tế bào động vật, thực vật có vài trăm ty thể, tế bào nấm men Sacharomyces cerevisiae có 22 ty thể. Mỗi ty thể có nhiều bản sao của hệ gen ty thể. Bộ gen ty thể (mitochonrial DNA – mtDNA) ở dạng xoắn kép trần (không có sự tham gia của phân tử histon), mạch vòng. Kích thước mtDNA khác nhau tùy loài. Nấm men S. cerevisiae
có mtDNA kích thước khoảng 84 kb; ở người, chuột và một số động vật có vú kích thước mtDNA khoảng 16,5 kb; ở thực vật kích thước bộ gen ty thể thường rất lớn (ở ngô khoảng 570 kb). Bộ gen ty thể của tế bào động vật gồm các exon, còn bộ gen ty thể của tế bào thực vật và nấm men gồm các exon và intron xen kẽ.
Bộ gen ty thể ở động vật có vú có cấu trúc tương đối giống nhau, mỗi mtDNA gồm 37 gen, trong đó có 13 gen mã hóa protein, 22 gen mã hóa tRNA và 2 gen mã hóa rRNA. Các protein do gen ty thể mã hóa có trong thành phần lớp màng bên trong của ty thể. Đa số các loài thực vật, nấm men và động vật có vú thành phần protein trong cấu trúc ty thể đều do bộ gen ty thể mã hóa. Các gen ty thể của tế bào động vật có vú
phân bố tương đối đồng đều, còn gen ty thể nấm men tập trung một cụm 16 gen, còn 10 gen phân tán khắp toàn bộ ty thể [13].
DNA ty thể thường có thành phần khác biệt với DNA của tế bào, ví dụ, ở nấm men DNA ty thể có tỷ lệ G – C khoảng 21%, còn DNA nhân có tỷ lệ G – C khoảng 40%. DNA ty thể của tế bào động vật có vùng gen trùm nhau (overlap), vùng D-loop là vùng điều khiển của mtDNA.
Hình 1.5. DNA ty thể ngƣời (Nguồn: Google search)
Mũi tên chỉ các vùng gen đƣợc sử dụng trong nghiên cứu hiện tại
Mã di truyền của mtDNA của ty thể có một số khác biệt mã di truyền của các gen nhân ở cả sinh vật prokaryote và sinh vật eukaryote [13].
Gen ty thể di truyền theo dòng mẹ. Hệ gen ty thể có số lượng gen ít hơn hệ gen nhân, không có hiện tượng trao đổi chéo, các thay đổi chủ yếu do đột biến nên dựa vào tốc độ thay đổi nucleotide có thể xác định thời gian tiến hóa, xác lập đồng hồ phân tử.
Bảng 1.2. Sự khác biệt của mã di truyền ty thể và mã di truyền gen nhân Bộ ba mã hóa Mã di truyền
gen nhân
Mã di truyền của gen ty thể
Động vật có vú Ruồi giấm Nấm men Thực vật
UGA Stop Trip Trip Trip Stop
AGA, AGG Arg Stop Ser Arg Arg
AUA Ile Met Met Met Ile
CUU, CUC,
CUA, CUG Leu Leu Leu Thr Leu
(Theo Khuất Hữu Thanh, 2005)
Hệ gen ribosom (Ribosomal DNA - rDNA)
Hệ gen ribosom (rDNA) bao gồm một trình tự lặp lại song song của một phân đoạn đơn vị, một operon, bao gồm các NTS (Nontranscribed Spacer), ETS (External Transcribed space), vùng gen 18S, ITS1 (Internal Transcribed Space 1), vùng gen 5.8S, ITS2 (Internal Transcribed Space 2) và vùng gen 28S. Cấu trúc hệ gen ribosome được trình bày ở Hình 1.6.
Hình 1.6. Cấu trúc hệ gen ribosome
(Theo Juinio - Menez và cộng sự, 2000)
Các cụm gen DNA ribosome: Một tế bào có nhân điển hình đang phát triển chứa khoảng 10 Mio ribosome, đây là các máy di động để sản xuất protein (bản dịch của RNA thành protein). RNA ribosome là thành phần cấu trúc cơ bản của ribosome 10 Mio. Bản sao của từng loại phân tử RNA ribosome (5S, 5.8S, 18S, 28S rDNA) phải được tổng hợp trong mỗi thế hệ để đáp ứng các yêu cầu của tế bào nhằm tổng hợp nên protein. Để sản xuất đủ số lượng RNA ribosome có chứa nhiều bản sao của gen mã hóa cho RNA ribosome (rRNA gen = rDNA). Nhân tế bào có chứa khoảng 200 bản sao của gen rRNA mỗi bộ gen đơn bội, lan ra các cụm nhỏ trên nhiễm sắc thể khác nhau (nhiễm sắc thể 13, 14, 15, 21, 22). Tuy nhiên, mô hình chung của các tổ chức gen rRNA và tổng hợp rRNA là giống hệt nhau trong tất cả các sinh vật nhân chuẩn. Các
bản sao của gen rRNA bảo tồn trên một nhiễm sắc thể được nằm trong một loạt sắp xếp lặp lại, trong đó mỗi gen được tách ra từ các khu vực kế tiếp được gọi là đoạn chèn DNA, mà thay đổi theo chiều dài và trình tự giữa các loài. Một nhóm duy nhất bao gồm các gen rRNA cho 18S, 5.8S và 28S rRNA mà được phân cách bởi một đoạn chèn bên trong (ITS-1, ITS-2). Cụm lân cận có chiều dài khoảng 10.000 nucleotide, từng được ngăn cách bởi các vùng đệm bên ngoài (ETS).
Các gen rRNA được phiên mã bởi RNA polymerase I và mỗi bộ gen tạo ra cùng một bản sao RNA, được gọi là 45 rRNA - tiền rRNA (pre – rRNA). Trước khi rời khỏi tập hợp các hạt nhân trong ribosome, các tiền 45-rRNA bị cắt bỏ một bản sao của rRNA 28S (khoảng 5000 nucleotide), rRNA 18S (khoảng 2000 nucleotide) và rRNA 5.8S (trong khoảng 160 nucleotide). Các bộ phận còn lại của từng sợi phiên mã sơ cấp (ETS, ITS-1, ITS-2) được loại bỏ. Cùng với khoảng 200 protein khác nhau của tế bào và rRNA 5S bắt nguồn từ một quỹ tích nhiễm sắc thể, các rRNA mới tổng hợp được đóng gói để tạo ra các ribosome, quá trình này diễn ra trong hạt nhân, trong một cấu trúc lớn khuếch tán, được gọi là nucleolus.
Các phân tử rRNA là rất cần thiết cho hệ ribosome, tổng hợp protein và chức năng tế bào. Vì vậy, gen ribosome là các gen được bảo tồn nhất trong các tế bào có nhân điển hình. Tuy nhiên, sự tương đồng trong các vùng đệm bên trong (ITS-1 và ITS-2) là rất thấp, vì các khu vực này DNA không đóng góp vào quá trình tổng hợp protein. Do đó, ít áp lực chọn lọc và sự khác biệt trình tự DNA (đột biến điểm), thậm chí giữa các loài của một giống có thể được tìm thấy trong các khu vực này. Do các tính năng này dữ liệu phân tử rDNA là rất hữu ích để xác định mối quan hệ phát sinh loài (cây phả hệ) hoặc phân loại giữa các loài có mối quan hệ gần gũi.