- Mó di truyền là mó bộ ba (triplet code) Cỏc bộ ba cuả mARN gọi là codon (mó) và bộ ba
1. Những nguyờn tắc và đặc điểm chung của tỏi bản ADN
Tỏi bản (replication) là một đặc tớnh quan trọng nhất của vật chất di truyền, nhờ đú sự sống
được duy trỡ liờn tục, cỏc loài bảo tồn được tớnh chất đặc trưng của mỡnh, và con cỏi thường giống bố mẹ. Vậy ADN và cỏc bộ gen núi chung được tỏi bản như thế nào?
(1) Tỏi bản theo kiểu bỏn bảo toàn và giỏn đoạn (discontinuous).
Trong khi khỏm phỏ ra mụ hỡnh cấu trỳc ADN, chớnh Watson đó đưa ra dự đoỏn chớnh xỏc rằng sự tỏi bản ADN phải diễn ra theo kiểu bỏn bảo toàn (semi-conservative) nhưở Hỡnh 4.1. Đến 1956, Salvador Luria và Max Delbruck đề nghị ba kiểu tỏi bản cú thể cú (Hỡnh 4.2): bỏn bảo toàn, bảo toàn (conservative) và phõn tỏn (dispersive). Tuy nhiờn, nhiều thớ nghiệm sau đú đó nhanh chúng khẳng định sự tỏi bản ADN diễn ra theo kiểu bỏn bảo toàn.
(a) (b) (c)
Hỡnh 4.2. Mụ hỡnh tỏi bản bỏn bảo toàn của ADN do Watson đề xuất (a), và giảđịnh về ba kiểu tỏi bản cú thể cú của Luria và Delbruck (a-c).
Điển hỡnh là thớ nghiệm của Meselson và Stahl năm 1958 ở E. coli bằng phương phỏp đỏnh dấu đồng vị phúng xạ N15 (nitơ nặng) kết hợp với ly tõm siờu tốc (ultra-centrifugation). Đầu tiờn cho vi khuẩn này sinh trưởng trờn mụi trường N15; rồi đưa trở lại mụi trường N14 (nitơ nhẹ) và sau một, hai hoặc ba thế hệđều cú lấy cỏc mẫu ADN. Để tỏch ADN nặng và nhẹ, người ta cho trộn lẫn cỏc mẫu này với Cesium chloride (CsCl) trước khi đem ly tõm. Khi ly tõm, ADN cú cỏc tỷ trọng nặng (heavy), nhẹ (light) và trung bỡnh (intermediate) sẽ tỏch thành cỏc vạch tương ứng khỏc nhau trong
ống nghiệm (Hỡnh 4.3).
Cỏc kết quả cho thấy rằng sau một thế hệ, 100% ADN mạch kộp cú tỷ trọng trung bỡnh, nghĩa là một mạch nặng (từ dạng cha mẹ) và một mạch nhẹ (được tổng hợp mới). Kết quả này cho phộp khẳng định sự tỏi bản xảy ra theo kiểu bỏn bảo toàn đỳng như Watson dựđoỏn từ trước.
(2) Sự tỏi bản được bắt đầu tại vị trớ đặc thự trờn phõn tử ADN và diễn ra đồng thời theo hai hướng ngược nhau gọi là khởi điểm tỏi bản hai hướng (bidirectional origin of replication). Nghĩa là, từ khởi điểm này ADN mạch kộp mở xoắn thành hỡnh vũng sinh trưởng theo hai hướng đối lập nhau tạo ra hai chạc tỏi bản (replication fork). Mỗi khởi điểm tỏi bản cựng với hai chạc như vậy goi là một đợn vị tỏi bản (replicating unit, hay replicon) được minh hoạ ở Hỡnh 4.4. Mỗi phõn tử ADN mạch kộp vũng của vi khuẩn chỉ cú một khởi điểm tỏi bản, trong khi mỗi phõn tử ADN trong nhiễm sắc thể eukaryote cú nhiều khởi điểm tỏi bản hoạt động theo một trỡnh tựđặc thự (Hỡnh 4.11).
(3) Quỏ trỡnh tỏi bản ADN phụ thuộc vào hệ thống gồm cỏc protein và enzyme khỏc nhau. Mặc dự mỗi nhúm sinh vật cú một hệ thống cỏc enzyme và protein tỏi bản riờng, song chỳng cú cỏc enzyme với vai trũ chung nhất sau đõy:
– Protein chuyờn nhận biết và bỏm khởi điểm để hỡnh thành nờn “phức hợp mở” (open complex).
– ADN gyrase mở cuộn ADN siờu xoắn trước mỗi chạc tỏi bản. – Helicase thỏo xoắn ADN tại mỗi chạc.
– Protein SSB (single strand binding) bỏm vào vựng ADN mạch đơn do helicase tỏch ra, nhờ đú mỗi mạch đơn cú thể làm khuụn cho tỏi bản.
– Primase xỳc tỏc tổng hợp mồi (primer).
– Cỏc ADN polymerase xỳc tỏc chớnh cho việc tổng hợp ADN mới nhờ cú hoạt tớnh polymerase 5'→3', một số cũn cú hoạt tớnh đọc sửa exonuclease 3'→5'. – Cỏc đoạn mồi được cắt bỏ nhờ hoạt tớnh exonuclease 5'→3', cũn việc lấp khoảng trống nhờ polymerase 5'→3'.
– ADN ligase hàn liền khe hở giữa cỏc đoạn Okazaki bằng cỏc liờn kết 3',5'-phosphodiester. (4) Tại mỗi chạc tỏi bản, trước tiờn xảy ra sự tổng hợp cỏc đoạn mồi ARN bởi vỡ cỏc ADN polymerase tự nú khụng thể bắt đầu tổng hợp mới. Mặt khỏc, do hai mạch đơn của mỗi chạc phõn cực ngược chiều nhau trong khi cỏc enzyme ADN polymerase và ARN polymerase chỉ xỳc tỏc theo chiều 5'“3', cho nờn phương thức tỏi bản ADN diễn ra trờn hai mạch khuụn là khụng giống nhau: một mạch liờn tục hay cũn gọi là mạch dẫn đầu (leading strand) và một mạch khụng liờn tục hay cũn gọi là mạch ra chậm (lagging strand). Kiểu tỏi bản như thế gọi là tỏi bản nửa giỏn đoạn (semi-
discontinuous). Ở E. coli, sự tổng hợp khụng liờn tục bởi cỏc đoạn cú độ dài 1.000-2.000 nucleotide (do R. Okazaki phỏt hiện đầu tiờn năm 1969) nờn gọi là cỏc đoạn Okazaki (Okazaki fragments). Sau
đú, cỏc đoạn mồi sẽđược cắt bỏ và chỗ trống được thay thế bằng ADN, và cỏc đoạn Okazaki được nối lại với nhau bởi enzyme ADN ligase.
Hỡnh 4.4. Một đơn vị tỏi bản gồm một khởi điểm với hai chạc tỏi bản sinh trưởng theo hai hướng
đối lập nhau. Mỗi chạc cú một sợi dẫn đầu (tổng hợp liờn tục) và một sợi ra chậm (tổng hợp cỏc
đoạn Okazaki).