4.1. Cấu trỳc chất nhiễm sắc
Cỏc eukaryote là nhúm lớn nhất và tiến húa đa dạng nhất về trỡnh độ tổ chức cơ thể, bao gồm tất cả cỏc sinh vật cú cấu tạo tế bào (trừ vi khuẩn và vi khuẩn lam), cú thể là đơn bào hoặc đa bào. Trong tế bào chứa hai hệ thống di truyền, bộ gen nhõn và bộ gen tế bào chất. Bộ gen tế bào chất bao gồm cỏc ADN mạch kộp vũng, đú là: cỏc ADN ty thể (mitochondrial DNA = mtDNA) cú mặt trong tất cả cỏc tế bào eukaryote, và ADN lạp thể (chloroplast DNA = cpDNA) chỉ cú trong cỏc tế
bào thực vật.
Hỡnh 2.6. Cấu trỳc của nucleosome
Trong nhõn tế bào eukaryote chứa nhiều nhiễm sắc thể; mỗi nhiễm sắc thể là một phức hợp
nucleoprotein gọi là chất nhiễm sắc (chromatin), gồm một phõn tử ADN mạch kộp thẳng kớch thước lớn kết hợp với cỏc phõn tử protein kiềm tớnh (giàu lysine và arginine) gọi là cỏc histone.
Đơn vị tổ chức của cơ sở của nhiễm sắc thể eukaryote là cỏc nucleosome (Hỡnh 2.6) cú đường kớnh khoảng 10-11 nm, gồm một khối cầu tỏm phõn tử histone (H2A+ H2B +H3+H4)2, gọi là lừi octamer và đoạn ADN cú kớch thước 146 bp quấn xung quanh nú 1ắ vũng (núi chung là ~160 bp quấn hai vũng quanh octamer, tựy từng loài). Một phõn tử H1 bỏm vào cỏc vựng ADN nối (linker
DNA) bờn ngoài nucleosome, giữ vững sự tương tỏc của ADN với cỏc histone lừi. Cỏc mức độ tổ
Hỡnh 2.7. Tổ chức ADN trong nhiễm sắc thể eukaryote.
Mức độ cấu trỳc đầu tiờn của chromatin được hỡnh dung dưới dạng một chuỗi cỏc
nucleosome, hay sợi nucleosome (nucleosome fiber) cú độ dày 10 nm (1 nanomet = 10 Ao). Mức thứ hai của cuộn gập chromatin cú liờn quan tới sự xoắn lại của sợi nucleosome tạo thành sợi dày 30 nm gọi là solenoid. Cỏc histone H1 tham gia vào sự xoắn lại này bằng cỏch tương tỏc với cỏc phõn tử H1 khỏc. Mức thứ ba của sự húa xoắn cú lẽ là cuộn vũng của sợi 30 nm tạo thành một cấu trỳc tương tự như bàn chải với cỏc vũng đeo dớnh vào một cỏi giỏ ở trung tõm (dày ~300 nm). Đõy chớnh là vựng gión xoắn của nhiễm sắc thể, tương ứng với chất đồng nhiễm sắc (euchromatin). Sau đú cỏc dóy vũng được sắp xếp trong cỏc khụng gian ba chiều này cuộn chặt tạo thành cỏc vựng gọi là chất dị nhiễm sắc (heterochromatin) trờn một chromatid với độ dày khoảng 700 nm. Tại kỳ giữa của nguyờn phõn, mỗi nhiễm sắc thể cú cấu trỳc điển hỡnh gồm hai chromatid chị em dớnh chung nhau ở
tõm động (centromere) với độ dày toàn bộ chừng 1400 nm. Như vậy, chất nhiễm sắc trong cỏc tế
bào eukaryote tồn tại ở hai dạng: Chất dị nhiễm sắc là cỏc phần cuộn xoắn chặt và khụng cú hoạt tớnh phiờn mó; và chất đồng nhiễm sắc là cỏc vựng gión xoắn và chớ ớt cũng cú tiềm năng hoạt tớnh.
Bảng 2.1. Tỷ lệđúng gúi cỏc mức độ húa xoắn của cấu trỳc ADN.
Dạng chất nhiễm sắc Tỷ lệ đúng gúi
ADN xoắn kộp trần 1,0
Sợi nucleosome 10 nm 7 – 10
Nhiễm sắc thể kỳ giữa co xoắn cực đại 8.000
4.2. Cấu trỳc phõn tử của centromere
Kết quả nghiờn cứu gần đõy cho thấy vựng lừi của centromere ở nấm men (S. cerevisiae) cú
kớch thước khoảng 220 cặp nucleotide (tương đương 15-20 nm). Về cấu trỳc, centromere cú 3 đoạn trỡnh tự CDE đặc thự nằm kế tiếp nhau theo chiều 5'→3' từ trỏi sang phải, ký hiệu là I, II và III; (Hỡnh 2.8) trong đú:
– đoạn CDE-I cú 8 cặp bazơđặc thự là: RTCACRTG;
– đoạn CDE-II cú ~78 đến 86 cặp bazơđặc thự, với 91-95% cặp AT; – đoạn CDE-III cú 26 cặp bazơđặc thự, đú là:
TGTTTRTG–TTTCCGAAA – – – –AAAAA
(Lưu ý: R ởđõy biểu thị cho một bazơ purine, A hoặc G)
Với cấu trỳc lừi ấy mà chỳng cú thể tương tỏc với cỏc phức hợp protein đặc thự giỳp cho sợi thoi cú thể bỏm vào tõm động.
(a) (b)
Hỡnh 2.8. (a) Ảnh chụp bộ NST cho thấy cỏc vựng tõm động bắt màu đặc thự. (b) Sơđồ một đoạn sợi nucleosome băng qua vựng lừi tõm động, vị trớ tiếp xỳc với sợi thoi. (c) Trỡnh tự đặc thự của lừi centromere (CDE I, II và III) được bào tồn cao độ trong tiến húa.
4.3. Cấu trỳc phõn tử của telomere
Mỗi nhiễm sắc thể eukaryote cú hai đầu mỳt với cấu trỳc đặc trưng gọi là telomere. Cỏc kết quả nghiờn cứu đầu tiờn của Elizabeth Blackburn và cs (1989) cho hay cỏc telomere khụng chứa gen; thay vỡ thế chỳng cú cấu trỳc đơn giản gồm những trỡnh tự ngắn (6-8 bp) lặp lại nối tiếp cả
ngàn lần và đặc thự cho từng loài (Hỡnh 2.9).
(TTGGGG)n; ở Caenorhabditis = (CCCTCCC)n; ở bọn Oxytrichia thuộc Euplotes = (CCCCAAA)n v.v. Ở người và cỏc động vật cú vỳ, trỡnh tự telomere là 5'-TTAGGG-3' lặp lại ~1.000 - 2.000 lần, khoảng biến thiờn phỏt hiện được trong cỏc tế bào ở cỏc giai đoạn khỏc nhau là 150 - 2.000 lần (Yakoob và cs, 1999).
Cỏc nghiờn cứu gần đõy cho thấy: enzyme telomerase (chịu trỏch nhiệm tổng hợp cỏc telomere) chỉ cú mặt trong cỏc tế bào mầm, cỏc tế bào gốc phụi, cỏc tế bào ung thư và cỏc eukaryote
đơn bào như Tetrahymena thermophila. Trong khi đú, cỏc tế bào soma bỡnh thường của động vật cú vỳ khụng thấy cú telomerase. Điều đú cho phộp lý giải tại sao cỏc tế bào mầm cũng như cỏc tế bào ung thư cú khả năng phõn chia gần như là vụ hạn. Ngược lại, cỏc tế bào soma chỉ cú thể tiến hành khoảng 30-50 lần nguyờn phõn, và sau đú chỳng mất hẳn khả năng phõn chia, bước vào giai đoạn lóo húa và chết tự nhiờn.
Hỡnh 2.9. Ảnh chụp cho thấy cỏc telomere với màu vàng đặc trưng (trỏi). Trỡnh tự telomere của Tetrahymena (A) và mụ hỡnh vũng-T ởđầu mỳt nhiễm sắc thể (B).
4.4. Thành phần ADN trong bộ gen người
Núi chung, trong mỗi bộ gen eukaryote bao gồm cỏc kiểu ADN chớnh sau đõy, để cho tiện ta lấy bộ gen người làm thớ dụ :
- ADN bản sao đơn (single-copy/unique), nghĩa là cỏc gen cú mặt chỉ một lần trong bộ gen; loại này chiếm ~75% và bao gồm hầu hết cỏc gen.
- ADN lặp lại (repetitive) bao gồm một số gen được lặp lại vài lần cho đến hàng ngàn lần trong bộ gen. Nhúm này được chia làm hai loại:
+ ADN lặp lại kiểu phõn tỏn (interspersed): loại này chiếm khoảng 15% và phõn bố rải rỏc khắp bộ gen giữa cỏc gen cũng như bờn trong cỏc gen; bao gồm cỏc trỡnh tự Alu (là cỏc đoạn ADN dài khoảng 300 bp và được lặp lại khoảng 300.000 lần trong bộ gen; chỳng cú thể cú mặt ở chỗ tiếp giỏp hoặc bờn trong cỏc gen trong cỏc intron hoặc cỏc vựng khụng được dịch mó) và cả cỏc đoạn lặp nối tiếp cú số lượng biến thờn (VNTRs = variable numbers of tandem repeats), vốn là cỏc đoạn lặp ngắn chỉ vài cặp bazơ nhưng cú chiều dài sai khỏc, cũn gọi là cỏc tiểu vệ tinh (minisatellite or
5'– GCTGCGG...GCTGAGG...GCTGAGG –3'
+ ADN vệ tinh (satellite) hay ADN lặp lại nối tiếp (tandem): loại này chiếm khoảng 10% và
được lặp lại rất nhiều lần, bao gồm cỏc trỡnh tự đơn giản thường khu trỳ ở cỏc tõm động
(centromere) và cỏc đầu mỳt (telomere) của cỏc nhiễm sắc thể. Vớ dụ: cỏc đoạn lặp nối tiếp thuộc cỏc microsatellite hay telomere:
5'– ...TTAGGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG... –3' Nhỡn chung, bộ gen người cú cỏc đặc điểm sau:
• Bộ gen nhõn (xem sơđồ):
- Bộ gen đơn bội cú khoảng 3,2 tỷ cặp bazơ; hầu như tất cả mức độ phức tạp của nú đều nằm trong lớp ADN bản sao đơn (~75%);
- Chứa khoảng 25.000 gen mó húa protein, trong đú đa phần là cỏc gen phõn đoạn với cấu trỳc phức tạp;
- Cỏc gen chứa từ 1 cho đến trờn 75 exon;
- Cỏc gen sai khỏc nhau về chiều dài, biến thiờn từ dưới 100 cho đến khoảng 2.400.000 cặp bazơ là chiều dài lớn nhất của gen được biết cho đến nay. Đú chớnh là gen gõy rối loạn dưỡng cơ
DMD thuộc NST X;
- Trỡnh tự Alu cú mặt khắp bộ gen v.v. • Bộ gen ty thể (Hỡnh 2.10):
Một số đặc điểm chớnh về cấu trỳc và chức năng của ADN ty thể người như sau: (Nguồn:
Hỡnh 2.10. ADN ty thể của người.
- Mỗi mtADN mạch kộp dạng vũng cú một sợi nặng (H) và một sợi nhẹ (L); nú chứa 16.569 bp, với 37 gen mó húa cho cỏc enzyme và cỏc tARN, rARN, trong đú cú 22 gen tARN, 2 gen rARN (16S và 12S), và 13 vựng mó húa protein của chuỗi hụ hấp, bao gồm:
+ 7 tiểu đơn vị của NADH dehydrogenase (phức hợp I);
+ Cytochrome b của phức hợp III;
+ 3 tiểu đơn vị của cytochrome oxidase (phức hợp IV); + 2 tiểu đơn vị của ATP synthase.
- Mó di truyền cú sai khỏc chỳt ớt so với mó phổ biến, ở chỗ: + UGA (codon kết thỳc của mó chuẩn) được đọc là Trp;
+ AGA và AGG (codon mó chuẩn cho Arg) được đọc là codon kết thỳc. - Chứa rất ớt trỡnh tự khụng được dịch mó.
- Tỷ lệđột biến cao (gấp 5 đến 10 lần so với ADN nhõn).
- Cỏc so sỏnh về trỡnh tự của cỏc mtADN cung cấp bằng chứng về nguồn gốc tiến húa của bộ
linh trưởng (Primates) và cỏc loài khỏc.