được lấp đầy với sợi bổ sung từ sợi đôi chị em (sister duplex) do tái tổ hợp.
Hình 7.6. Sửa sai nhờ tái tổ hợp và tái bản
6. Hệ thống SOS
Hệ thống SOS (chứa khoảng 30 gen không liên kết và thường bị ức chế bởi protein LexA) sẽ hoạt động khi tế bào bị các tác nhân gây đột biến tạo nhiều sai hỏng trên DNA. Trong trường hợp DNA bị hỏng ngừng tái bản, phản ứng SOS sẽ phục hồi tái bản bằng phương thức tái bản “error-prone”.
Ở vi khuẩn E. coli người ta đã quan sát thấy sự phá hủy DNA làm mở ra khoảng 20 gen của hệ thống SOS, được kiểm soát âm bởi chất ức chế LexA (LexA repressor).
Trong trường hợp có nhiều sai hỏng cần cấp cứu, LexA bị kích thích, thay đổi cấu hình, tự cắt và mất hoạt tính ức chế. Lúc đó các gen của hệ thống SOS được mở ra. Nếu quá trình sửa sai thực hiện không kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc bị đột biến hoặc chết.
Protein RecA khởi động hệ thống SOS như sau:
- Hộp SOS là trình tự DNA (operator) dài khoảng 20 bp được nhận biết bởi protein của chất ức chế LexA. - Sai hỏng của DNA làm cho RecA khởi động phản ứng SOS, chứa các gen mã hóa cho nhiều enzyme sửa chữa. - RecA hoạt hóa hoạt tính tự phân giải tự của LexA.
- LexA ngăn chặn hệ thống SOS, nhưng phản ứng tự phân giải của nó đã hoạt hóa các gen của hệ thống này.
6.1. Sửa chữa theo cơ chế “error-prone”
Phân tử DNA có thể bị sai hỏng nặng nề khi bị chiếu tia tử ngoại hoặc khi chịu tác động của các tác nhân gây ung thư (carcinogens). Lúc đó, không phải chỉ một sợi đơn DNA bị hỏng mà cả hai sợi đều bị đứt gãy và mất đi một số nucleotide. Thông tin di truyền của đoạn hỏng bị mất hoàn toàn nên không có sợi khuôn mẫu để sửa chữa theo các cơ chế thông thường. Trong trường hợp này, tế bào còn lại một giải pháp duy nhất để tăng khả năng sống sót đó là sửa chữa DNA một cách ngẫu nhiên với tỷ lệ sai sót (đột biến) cao nhưng dù sao vẫn duy trì được sự sống. Đây chính là cơ chế sửa chữa DNA “error-prone” (còn được xem như là sự phát sinh đột biến SOS). Như vậy, sửa chữa DNA theo cơ chế này cũng là một trong những nguyên nhân tạo nên tính đa dạng của DNA.
Khi phân tử DNA bị đột biến, một số protein đặc biệt sẽ làm nhiệm vụ dừng quá trình tổng hợp DNA để sửa chữa theo các cơ chế khác nhau. Bởi vì nếu tế bào tiếp tục phân chia (tức là DNA tiếp tục được nhân lên) thì tỷ lệ đột biến cao sẽ xuất hiện khiến số tế bào sống sót giảm xuống.
Một số trường hợp sai hỏng được sửa chữa bằng cơ chế error-prone: - DNA kết hợp với các base không bổ sung trên sợi con (bắt cặp sai).
- DNA bị sai hỏng không được sửa chữa do DNA polymerase III bị giữ lại trong suốt quá trình tái bản.
DNA polymerase V (được mã hóa bởi gen umuD và umuC của E. coli), hoặc DNA polymerase IV (được mã hóa bởi gen dinB của E. coli) được cảm ứng trong hệ thống SOS, để tổng hợp một đoạn bổ sung cho sợi DNA bị hỏng. DNA polymerase V là một phức hợp chứa hai protein tiểu đơn vị UmuD’ và một protein tiểu đơn vị UmuC (Trong quá trình sửa chữa “error-prone”, protein RecA, hoạt động như một co-protease, gián tiếp tự xúc tác cắt protein UmuD thành
một đoạn có hoạt tính, UmuD’). DNA polymerase IV và V là một phần của một họ lớn, bao gồm các DNA polymerase là những enzyme cần thiết trong sửa chữa DNA bị sai hỏng do chúng có hoạt tính polymerase.
Các protein tiểu đơn vị UmuD (thực tế là UmuD’) và UmuC có khả năng gắn các nucleotide vào sợi DNA bất chấp không tồn tại sợi khuôn mẫu. Như vậy, chúng có thể ức chế hoạt tính tự sửa exonuclease 3’®5’ của DNA polymerase hoặc chính chúng là một loại DNA polymerase đặc biệt (DNA polymerase V). Khi đột biến xảy ra trên gen mã hóa cho UmuD và UmuC, các tế bào vi khuẩn sẽ sống sót ít hơn tế bào bình thường dưới tác dụng của tia tử ngoại. Một vài plasmid mang gen mucA và mucB, tương đồng với gen umuD và gen umuC, khi được đưa vào trong vi khuẩn sẽ làm tăng tính kháng với tia tử ngoại. Ngoài ra, khi cả hai sợi đơn DNA đều chịu đột biến nhưng nếu trong genome còn có ít nhất một bản sao giống hệt đoạn bị hỏng, lúc đó đoạn bị hỏng có thể được phục hồi nhờ cơ chế trao đổi chéo dùng bản sao làm khuôn mẫu.
6.2. Protein LexA
Hoạt tính của RecA gây ra sự phân giải sản phẩm protein của gen lexA. LexA là một protein nhỏ (22 kDa) khá ổn định trong các tế bào không bị xử lý, nơi nó có chức năng như một chất ức chế ở nhiều operon. Phản ứng phân giải là không thường xuyên; LexA có hoạt tính protease muộn được hoạt hóa bởi RecA. Khi RecA được hoạt hóa, nó sẽ gây ra phản ứng tự phân giải của LexA làm bất hoạt chức năng ức chế của LexA, và cảm ứng phối hợp tất cả operon mà nó được liên kết. Phương thức này được minh họa ở hình 7.7.
Hình 7.7.LexA và RecA có quan hệ đối kháng thuận nghịch. Protein LexA ức chế nhiều gen có các chức năng sửa chữa, recA và lexA. Hoạt tính của RecA dẫn đến phân giải protein LexA và cảm ứng tất cả năng sửa chữa, recA và lexA. Hoạt tính của RecA dẫn đến phân giải protein LexA và cảm ứng tất cả
chuỗi phức tạp những thay đổi kiểu hình được gọi là phản ứng SOS, yếu tố cần thiết cho sự biểu hiện của nhiều gen mà các sản phẩm của chúng có các chức năng sửa chữa. Các hoạt tính kép này của protein RecA làm cho người ta không biết rõ sự thiếu hụt trong sửa chữa ở các tế bào đột biến recA là do mất chức năng trao đổi sợi DNA của RecA hay là do một vài chức năng khác mà sự cảm ứng của nó phụ thuộc vào hoạt tính protease.
Sự sai hỏng xuất hiện có thể do chiếu tia UV (hầu hết trong các trường hợp nghiên cứu) hoặc do các nhân tố liên kết chéo hoặc sự alkyl hóa (alkylation). Sự ức chế tái bản do một số phương thức như thiếu hụt (deprivation) thymine, bổ sung thêm thuốc, hoặc các đột biến trong một số gen dna, có cùng hiệu quả.
Đầu tiên là hoạt hóa RecA bằng xử lý sai hỏng. Chúng ta không biết nhiều về mối quan hệ giữa sự sai hỏng và sự thay đổi đột ngột trong hoạt tính RecA. Một biến động của các trường hợp sai hỏng có thể cảm ứng phản ứng SOS. Hiện nay, người ta thiên về ý kiến cho rằng RecA được hoạt hóa bởi một số chất trung gian trong chuyển hóa DNA.
Tín hiệu cảm ứng có thể chứa một phân tử nhỏ được phóng thích từ DNA; hoặc nó có thể là một vài cấu trúc được tạo thành trong chính DNA. Ở điều kiện in vitro, hoạt tính của RecA đòi hỏi sự có mặt của DNA sợi đơn và ATP. Vì thế, một vài tín hiệu có thể hiện diện ở vùng sợi đơn ở một vị trí sai hỏng. Sự tương tác của nó với RecA là nhanh: phản ứng SOS xảy ra trong một vài phút xử lý sai hỏng.
Tóm lại. RecA và LexA là các mục tiêu chung trong hộp SOS: RecA khởi động sự phân giải của LexA, nhân tố ức chế recA và chính nó. Vì thế, phản ứng SOS tạo ra sự khuếch đại của cả hai protein RecA và chất ức chế LexA. Kết quả là không còn mâu thuẫn như lúc đầu nữa.
Việc tăng mức độ biểu hiện của protein RecA cần thiết cho vai trò trực tiếp của nó trong các phương thức sửa chữa-tái tổ hợp. Về sự cảm ứng, nồng độ của RecA được tăng lên 50 lần so với nồng độ ban đầu của nó khoảng 1.200 phân tử/tế bào. Nồng độ cao ở các tế bào được cảm ứng có nghĩa là có đủ RecA để đảm bảo rằng tất cả protein LexA bị phân giải.