1. DNA bị biến đổi ngay cả khơng sao chép
Hình 2.1 Sự mất amin của các base (desamination)
DNA là những phân tử rất dài, nhưng mảnh (đường kính: 20 Ao), lại thường xuyên chịu tác động mơi trường bên trong và bên ngồi tế bào nên dễ cĩ những đứt gãy, biến đổi ngay cả khi khơng cĩ sao chép.
Người ta tính ra rằng DNA của tế bào người mỗi ngày mất 5000 purin do quá trình mất purin (depurination): dưới tác dụng của nhiệt liên kết N-glycosil bị thủy phân.
Quá trình biến đổi làm mất amin (desamination): biến cytosin thành uracin. Mỗi ngày tế bào người cĩ khoảng 100 biến đổi như vậy.
Con người cũng thường xuyên chịu tác động của tia tử ngoại làm tạo ra các dimer thymine.
Hình 2.2 Sự hình thành dimer thymine dưới tác dụng của tia tử ngoại
2. Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ hệ
Dùng các nucleotid và các enzyme DNA polymerse để tổng hợp DNA in vitro. Sai sĩt trong trường hợp này là 10-5. Như vậy sao chép trong ống nghiệm cĩ mức chính xác cao, nhưng đối chiếu lên các sinh vật thì mức sai sĩt này hãy cịn quá lớn.
Bằng cách đánh giá tần số các đột biến mới xuất hiện trong quần thể lớn và theo dõi biến đổi enzyme nào đĩ trong nuơi cấy mơ tế bào, người ta tính được rằng trong cơ thể sinh vật sai sĩt trong khi sao chép in vivo là 1.10-9.
Đánh giá tốc độ biến đổi trong tiến hĩa cũng khẳng định mức chính xác rất cao trong sao chép in vitro.
3. Các hệ thống bảo vệ DNA
Trong tế bào cĩ một loạt hệ thống để bảo vệ DNA:
- Các sinh vật tiền nhân và nhân thực đều chứa các enzyme cĩ nhiệm vụ methyl hĩa ở những điểm nhất định. Các enzyme cắt hạn chế của mỗi dịng vi khuẩn khơng cắt DNA của chúng vì đã được methyl hĩa ở những điểm cần thiết, cịn DNA ngoại lai vì khơng được methyl hĩa ở những điểm nhất định nên bị cắt.
Tế bào cịn cĩ các hệ thống sửa sai (repair system): + Sửa sai bắng cách cắt bỏ rồi tổng hợp sợi mới
Các enzyme DNA polymerase I, II, III đều cĩ hoạt tính polymerase hĩa, cịn cĩ hoạt tính exonuclease theo hướng 5-3.
+ Sửa sai nhờ cơ chế tái tổ hợp
Ngay cả khi khơng cĩ sao chép vẫn cĩ hệ thống bảo vệ: do DNA cĩ hai mạch, khi sai hỏng trên một mạch, cĩ thể dựa vào mạch cịn lại để tổng hợp đoạn sai hỏng.
Một số enzyme đặc hiệu phát hiện sự bắt cặp sai, như trong trường hợp mất purin. Cĩ khoảng 50 enzyme chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử DNA.
Hình 2.4. Sửa sai nhờ enzyme
4. Sửa sai do phục quang hồi
Dưới tác dụng của tia tử ngoại, làm các timin đứng gần nhau sẽ gắn lại tạo thành dimertimin.
Khi trở lại ánh sáng, ánh sáng sẽ kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin tạo timin bình thường. Hiện tượng ánh sáng kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin gọi là quang phục hồi.
5. Hệ thống SOS
Ở tế bào vi khuẩn hoặc tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng do chiếu tia UV, tia X hoặc do tác dụng của các hĩa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp được khởi động, tăng cường sửa sai. Ở E.coli, hệ thống này cĩ liên quan với 2 protein được mã hĩa bởi gene LexA và RecA. Protein LexA là một chất ức chế, nĩ gắn vào hộp SOS, chồng lấp các promotor của các gene SOS, ngăn cản sự mã nhĩm các gen của hệ thống SOS. Một vài sản phẩm của DNA bị tổn thương sẽ làm hoạt hĩa protease recA. Protein recA bị hoạt hĩa sẽ cắt bỏ protein lexA, cho phép các gen của hệ thống SOS phiên mã. Phẩn ứng của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhưng phức tạp. Nĩ bao gồm các quá trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi trong khởi sự sao chép, ức chế nuclease và kích thích phục hồi sao chép và chuyển sai hỏng thành sửa sai úp sấp (error-prone replication). Tế bào bây giờ sẽ xảy ra sự sao chép nhanh hơn bình thường.
+ Nếu sửa sai kịp, tế bào ổn định, sinh trưởng trở lại
+ Nếu khơng sửa sai kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc chết hoặc bị đột biến