Gen, genomics và NST p2

Các yếu tố di truyền chuyển vị- Yếu tố di truyền chuyển vị trong hệ gen tế bào nhân sơ - Yếu tố di truyền chuyển vị trong hệ gen tế bào nhân thực 5d. YẾU TỐ DI TRUYỀN CHUYỂN VỊ- Là những

CHƯƠNG II: GEN, GENOMICS VÀ

NHIỄM SẮC THỂ

MINI-TEST

Một dòng tế bào gốc được cảm ứng để biệt hóa thành tế bào cơ Nhân tế bào được tách chiết từ dòng tế bào gốc sau 0, 1, 2 và 4 ngày cảm ứng Nhân tách chiết được

xử lý với DNAse Tiến hành tách chiết ADN và xử lý cắt với enzyme giới hạn có vị trí cắt ở 2 đầu ngoài gen X và gen Y Phân tích sản phẩm cắt bằng phương pháp Southern blot sử dụng mồi đánh dấu đặc hiệu cho gen X hoặc gen Y Kết quả Southern blot chỉ ra ở hình bên trái Lặp lại thí nghiệm nhưng không xử lý DNAse Kết quả Southern blot chỉ ra ở hình giữa Tiến hành tách chiết ARN ở mẫu cảm ứng sau 0, 1, 2 và 4 ngày, và tiến hành phương pháp Northern blot sử dụng mồi đánh dấu đặc hiệu cho gen X hoặc gen Y Kết quả Northern blot chỉ ra ở hình bên phải.

a Giải thích sự khác nhau giữa 2 kết quả Southern blot ở hình bên trái và ở giữa?

b Giải thích kết quả Northern blot ở hình bên phải?

c Hãy cho biết liệu có thể gen X hay gen Y mã hóa cho protein đặc hiệu cho tế bào cơ?

d Hãy cho biết liệu có thể gen X hay gen Y là house-keeping gene không?

e Nếu enzyme histon acetylase bị bất hoạt thì liệu kết quả thu được ở cả 3 hình trên có thay đổi không?

4 Các yếu tố di truyền chuyển vị

- Yếu tố di truyền chuyển vị trong hệ gen tế bào nhân sơ

- Yếu tố di truyền chuyển vị trong hệ gen tế bào nhân thực

5 Các ADN của cơ quan tử

NỘI DUNG CHƯƠNG II

- Hệ gen học cấu trúc (Structural genomics)

- Hệ gen học chức năng (Functional genomics)

- Hệ gen học so sánh (Comperative genomics)

YẾU TỐ DI TRUYỀN CHUYỂN VỊ

- Là những ADN lặp lại nằm rải rác trong hệ gen, có khảnăng di chuyển sang các vùng khác nhau trong hệ gen (códạng tự di chuyển được, có dạng không tự di chuyển được

mà cần thêm yếu tố bổ trợ)

- Kích thước dao động từ vài trăm bp đến vài nghìn bp

- Chia ra 2 dạng: dựa trên cách thức nhân lên và chèn vào hệgen, bao gồm

• ADN transposon

• retrotransposon (thông qua ARN)

- Ở sinh vật nhân sơ: chủ yếu là ADN transposon

- Ở sinh vật nhân thực: chủ yếu là retrotransposon, tuy nhiên vẫn có ADN transposon

YẾU TỐ DI TRUYỀN CHUYỂN VỊ

- Có 2 dạng chính:

đơn giản nhất là IS element (Insertion sequence)

Transposon Tn

IS element có cấu trúc bao gồm: gen mã hóa cho transposase

giúp cho việc chuyển vị, đoạn trình tự lặp lại đảo chiều Trình tựđích ở ngoài cùng là trình tự lặp cùng chiều

YẾU TỐ DI TRUYỀN CHUYỂN VỊ Ở PROKARYOTE

- Ngoài các IS element, ở vi khuẩn còn có các đoạn ADN có khả

năng di chuyển với kích thước dài hơn, kí hiệu là transposon Tn.

Các Tn thường được giới hạn ở hai đầu bởi cùng một loại IS

- Các Tn thường mang thông tin di truyền mã hóa cho các proteinkháng kháng sinh

- Ví dụ: transposon Tn3, transposon Tn9, transposon Tn10

Cấu trúc của transposon Tn9

Cơ chế di chuyển của IS element

-Ở sinh vật nhân thực: chủ yếu là retrotransposon, tuy nhiên vẫn

có ADN transposon

-ADN transposon được tìm thấy ở ngô qua nghiên cứu của Barbara

McClinclock vào những năm 1940s, bao gồm yếu tố phân tán Ds(dissociation elements) và yếu tố hoạt hóa Ac (activator element),gây hiện tượng đốm màu ở hạt ngô

YẾU TỐ DI TRUYỀN CHUYỂN VỊ Ở EUKARYOTE

gây hiện tượng đốm màu ở hạt ngô

Ac - Activator element - giống như IS element ở vi khuẩn, có manggen mã hóa cho transposase, có khả năng tự di chuyển

Ds - Dissociative element - giống như Ac element nhưng thiếu gen

mã hóa cho transposase, do đó không thể tự di chuyển mà phải phụthuộc vào Ac element

-Retrotransposon bao gồm:

LTR retrotransposon (long terminal repeat)

Non-LTR retrotransposon:

•LINEs (Long Interspersed Elements)

•SINEs (Short Interspersed Elements)

YẾU TỐ DI TRUYỀN CHUYỂN VỊ Ở EUKARYOTE

•SINEs (Short Interspersed Elements)

LTR retrotransposon (long terminal repeat)

- LTR retrotransposon phổ biến ở nấm men (ví dụ: Ty elements) và ở ruồi giấm (ví dụ: copia elements Ở người, LTR retrotransposon

chiếm khoảng 4% ADN hệ gen

Cấu trúc của LTR retrotransposon

Cơ chế di chuyển của LTR retrotransposon:

- Đoạn ADN của LTR retrotransposon không bị cắt và chèn vào

vị trí đích mà được phiên mã thành bản sao ARN

- Phân tử ARN được phiên mã ngược tạo ra ADN nhờ sự xúc táccủa reverse transcriptase

- Bản sao ADN được cắt và chèn vào vị trí đích trên hệ gen nhờ

sự xúc tác của integrase (giống với quá trình cắt và chèn đượcxúc tác bởi transposase)

- LTR retrotransposon chứa gen mã hóa cho reverse transcriptaseand integrase

Cơ chế “copy-and-paste”

Bằng chứng bằng thực nghiệm chứng tỏ quá trình chuyển vị củaLTR retrotransposon thông qua bản sao ARN Thí nghiệm sử dụngLTR retrotransposon ở nấm men, là Ty element.

Non-LTR retrotransposon:

Ở động vật có vú, dạng retrosposon không chứa vùng LTR là phổbiến hơn (Non-LTR retrotransposon)

Non-LTR retrotransposon có hai dạng chính là:

• LINEs (Long Interspersed Element)

• SINEs (Short Interspersed Element)

• SINEs (Short Interspersed Element)

Ở người, LINEs có kích thước khoảng 6 kb, SINEs có kích thướckhoảng 300 bp

Sự chuyển vị của Non-LTR retrotransposon: thông qua bản saoARN

• LINEs (Long Interspersed Element)

Cơ chế di chuyển của LINEs

- LINEs ADN được phiên mã tạo thành LINEs ARN nhờ enzymeARN polymerase II và được gắn đuôi poly A

- LINEs ARN được vận chuyển ra ngoài tế bào chất để sinh tổnghợp protein ORF1 và ORF2 Protein ORF1 và ORF2 liên kết vớiLINEs ARN tạo thành một phức hợp Phức hợp này được vậnchuyển trở lại nhân

- LINEs ARN được phiên mã ngược tạo bản sao LINEs ADN vàchèn vào hệ gen

• SINEs (Short Interspersed Element)

- SINEs chiếm khoảng 13% ADN hệ gen người

- Độ dài của SINEs biến đổi dao động từ 100-400 bp

- SINEs không chứa gen mã hóa cho protein mà chỉ chứa vùng trình

tự giàu A/T ở đầu 3’

- Cơ chế chuyển vị của SINEs cũng thông qua phân tử trung gianARN ARN được phiên mã nhờ ARN polymerase III

- Phần lớn SINEs chứa vị trí cắt duy nhất của enzyme cắt giới hạnAluI, nên thường được gọi là Alu elements Alu elements phân bố rảikhắp hệ gen người, thường không gây ảnh hưởng đến sự biểu hiệncủa gen vùng đích do vị trí chèn thường ở vùng giữa các gen, vùngintron của gen hoặc vùng 3’-UTR

Vai trò và ý nghĩa của yếu tố di truyền chuyển vị:

- Đóng vai trò như tác nhân gây đột biến Ví dụ: SINEs (Alu

sequences) và LINEs gây ra một tỉ lệ đột biến nhỏ ở người, đây lànguyên nhân gây nên một số bệnh như : bệnh máu khó đông

Hemophilia A (Factor VIII gene) và Hemophilia B (Factor IX gene), suy giảm miễn dịch cấp liên kết NST X (SCID) [gene for part of the IL-2 receptor]…

- Có vai trò trong tiến hóa:

• nhân đúp gen, nhân đúp exon/xáo trộn exon do hiện tượng trao đổichéo không tương đồng tại vị trí transposon

• Sự chèn của transposon vào vùng điều hòa hoạt động gen có thể tạo

ra tổ hợp mới của các trình tự điều hòa enhancer, qua đó ảnh hưởngđến sự biểu hiện của gen

Trao đổi tréo không tương đồng gây nhân đúp gen

Trao đổi tréo không tương đồng gây xáo trộn exon

ADN TY THỂ (mtDNA) VÀ LỤC LẠP (cpDNA)

- ADN có cấu trúc dạng vòng, kích thước mtDNA ở người là 16 569

bp, ở nấm men ≈ 78 kb, ở dưa hấu ≈ 330 kb; kích thước cpDNAkhoảng từ 120kb-160 kb

- Mang gen mã hóa cho các sản phẩm cần thiết cho bào quan Ví dụ:rARNs, tARNs, và tiểu đơn vị của phức hợp vận chuyển điện tử

- ADN không tuân theo quy luật di truyền của Mendel, mà tuân theoquy luật di truyền theo dòng mẹ

- Mã di truyền ở ty thể có sự sai khác với mã di truyền trong nhân

Ví dụ: UGA là stop condon, ở ty thể người UGA mã hóa chotryptophan AGA, AGG mã hóa cho arginine, nhưng ở ty thể độngvật có vú thì chúng lại là stop codon, ở ty thể ruồi giấm chúng mãhóa cho serine

- Số lượng ADN ty thể và ADN lục lạp có thể đạt đến hàng nghìnbản sao trong một tế bào

Ty thể và lục lạp là kết quả quá trình nội cộng sinh

Đột biến xảy ra ở ADN ty thể gây bệnh hiểm nghèo ở người

- Hơn 200 đột biến ADN ty thể gây bệnh đã được xác định, bao gồmcác bệnh liệt cơ (myopathy), liệt não (encephalomyopathy), hội

chứng dạ dày ruột (gastrointestinal syndromes), bệnh liệt cơ tim

(cardiomyopathy), đái đường, mù, điếc, bệnh Alzheimer, bệnh

Parkinson và bệnh ung thư

-Đặc điểm quan trọng và đặc thù trong di truyền ty thể là hiện tượngkhông đồng nhất (heteroplasmy) và đồng nhất (homoplasmy) củaADN ty thể

• ADN ty thể được coi là đồng nhất khi tất cả bản sao của

genome ty thể là như nhau

• ADN ty thể được coi là không đồng nhất khi có hai hoặc nhiềugenotype ty thể

Đột biến xảy ra ở ADN ty thể gây bệnh hiểm nghèo ở người

- Trong trường hợp không đồng nhất ADN ty thể, mức ngưỡng độtbiến có giá trị quan trọng đối với sự biểu hiện lâm sàng và cả nhữngbiểu hiện hóa sinh của bệnh Vì vậy, xác định được mức độ khôngđồng nhất của đột biến ADN ty thể có ý nghĩa cao trong chẩn đoánbệnh ty thể

Phương pháp chuyển gen vào lục lạp

-Ưu điểm: gen lục lạp di truyền

theo dòng mẹ nên tránh được sự

phát tán gen, số lượng hệ gen

lục lạp lớn nên giúp gen nghiên

cứu được biểu hiện ở mức độ

cao

- Thành công: tạo ra cây kháng

sâu, kháng thuốc diệt cỏ, sản

xuất dược liệu và vaccine thực

vật

HỆ GEN HỌC (GENOMICS)

- Hệ gen học cấu trúc (Structural genomics)

- Hệ gen học chức năng (Functional genomics)

- Hệ gen học so sánh (Comperative genomics)

-Ngân hàng gen:

The GenBank, National Institute of Health, Maryland

The EMBL Sequence Data Base, European Molecular Biology Laboratory, Germany

HỆ GEN HỌC (GENOMICS)

- Làm thế nào để biết chức năng của một gen?

-BLAST (basic local alignment search tool)

CLUSTER ANALYSIS:

- Phương pháp cho phép xác định các gen được điều hòa

cùng nhau