Gen, genomics và NST p1

Nhiễm sắc thể: tổ chức phân tử của nhiễm sắc thể - Cấu trúc của nhiễm sắc thể vi rut, vi khuẩn - Cấu trúc của nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân chuẩn 3.. Hệ gen bao gồm những vùng chứa gene

Trang 1

CHƯƠNG II: GEN, GENOMICS VÀ

NHIỄM SẮC THỂ

Trang 3

-1 Hệ gen (genome)

- Hệ gen: kích thước hệ gen và độ phức tạp của sự tiến hóa

- Hệ gen của tế bào nhân sơ

- Hệ gen của tế bào nhân chuẩn

2 Nhiễm sắc thể: tổ chức phân tử của nhiễm sắc thể

NỘI DUNG CHƯƠNG II

2 Nhiễm sắc thể: tổ chức phân tử của nhiễm sắc thể

- Cấu trúc của nhiễm sắc thể vi rut, vi khuẩn

- Cấu trúc của nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân chuẩn

3 Gen và cấu trúc gen

- Khái niệm gen và phân loại gen

- Gen vi khuẩn

- Gen của tế bào nhân chuẩn

Trang 4

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

- ADN ty thể

- ADN lục lạp

6 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)

Trang 5

HỆ GEN (GENOME)

Hệ gen (genome) là gì?

Hệ gen có phải là tập hợp tất cả các gen?

Tính phức tạp của hệ gen có phản ánh mức độ tiến hóa?

Trang 6

Hệ gen (genome) là tập hợp chứa toàn bộ thông tin di

truyền đảm bảo hoạt động sống của tế bào, cơ thể được mã hóa trong DNA (ở một số virus có thể là RNA) Hệ gen bao gồm những vùng chứa gene lẫn nhưng đoạn không phiên

Đối với sinh vật nhân thực, 99% hệ gen nằm trong nhân tế

bào và phần còn lại nằm trong một số bào quan như ty thể, lục lạp Hệ gen trong nhân tế bào nhân thực thường rất lớn

và phân bố trên các NST dạng thẳng

Trang 7

Hệ gen ở sinh vật nhân thực có thể chia ra:

- Hệ gen nhân (Nuclear genome)

- Hệ gen ty thể (Mitochondrial genome)

- Hệ gen lục lạp (Chloroplast genome)

HỆ GEN (GENOME)

Hệ gen ty thể người Hệ gen nhân người

Trang 8

Kích thước hệ gen của một số sinh vật mô hình (model organisms)

Trang 9

Các gen phân bố không theo quy luật trong hệ gen

Kích thước hệ gen không phải luôn tỷ lệ với tính phức tạp của loài

Ví dụ: Hệ gen của người có kích thước khoảng 3,3x109

bp, trong khi hệ gen các loài lưỡng cư là khoảng 3,1x109 bp

ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ GEN

bp, trong khi hệ gen các loài lưỡng cư là khoảng 3,1x109 bp hoặc ở thực vật có thể đạt đến 1011 bp

Số lượng NST ở các loài rất gần nhau có thể là rất khác nhau.

Trang 10

SO SÁNH: HỆ GEN SINH VẬT NHÂN SƠ

VÀ HỆ GEN SINH VẬT NHÂN CHUẨN

Trang 11

Hệ gen tế bào nhân sơ Hệ gen tế bào nhân thực

Có thể là ADN,ARN hoặc cả ADN/ARN Là ADN

Các gen phân bố sát nhau, ít bị gián

đoạn bởi intron

Các gen phân bố rải rác trong hệ gen, thường bị gián đoạn bởi intron

Gen hầu hết chỉ có 1 bản sao Gen đơn bản, gen thuộc họ gen, gen lặp lại

liên tục, gen giả Chủ yếu là các đoạn ADN không lặp lại Bao gồm cả ADN không lặp lại và lặp lại

(trình tự ADN đơn giản , yếu tố di truyền chuyển vị), đoạn nằm giữa các gen.

Phần lớn là ADN chứa gen Thành phần ADN chứa gen chỉ chiếm một

lượng rất nhỏ so với kích thước hệ gen

Hệ gen vi khuẩn: ~87,8% là gen và ORFs,

~0,8% gen mã hóa cho rARN, ~0,7%

ADN lặp lại không chứa gen

Hệ gen người: ~30,3% (có intron)/1,6%

(không có intron) là gen, ~0,3% gen mã hóa cho rARN, ~48% ADN lặp lại, ~25% ADN ở giữa các gen >95% là non-coding DNA.

Trang 12

HỆ GEN SINH VẬT NHÂN CHUẨN

Ví dụ: vùng nhóm gen beta-globin ở người (đây là vùng chứa nhiều gen ở người

“gene-rich region”) (a) và vùng ~80-kb ở NST số 3 của nấm men (b)

Trang 13

Ở sinh vật nhân chuẩn, số lượng và loại gen mã hóa cho

protein ở các loài khác nhau là khác nhau.

Trang 14

TỔ CHỨC PHÂN TỬ CỦA NST

Độ dài của phân tử ADN lớn gấp hàng trăm đến

hàng nghìn lần chiều dài của tế bào Vậy, làm thế nào để tế bào có thể chứa phân tử ADN? ADN liên kết với protein để tạo nên cấu trúc

không gian đặc thù, nhiễm sắc thể

Trang 15

CẤU TRÚC NST CỦA VIRUS

• Virus: Phage T (T2, T4), phage MS2, virus khảm thuốc lá, virus SV40…

• NST của phage T là ADN trần, mạch kép, không chứa

protein.

• Virus MS2: vật chất di truyền là phân tử ARN mạch đơn.

• Virus SV40: NST là ADN mạch vòng kép với 5224 cặp bp.

Trang 16

Phage T4

Trang 17

CẤU TRÚC NST CỦA VI KHUẨN

• NST vi khuẩn có cấu trúc hạch nhân (nucleoid), nằm trong

tế bào chất, chứa khoảng 80% ADN hệ gen

• Protein tham gia đóng gói ADN trong cấu trúc hạch nhân

có tên là HU (cấu trúc khác histone nhưng chức năng tương tự).

• Hạch nhân có thể phân chia thành khoảng 50-100 domain khác nhau, trông giống hình bông hoa.

• Enzym ADN gyrase và ADN topoisomerrase có vai trò

trong việc tạo cấu trúc hạch nhân.

Trang 18

CẤU TRÚC NST CỦA E.COLI

Trang 19

NST CỦA SINH VẬT NHÂN THỰC

• Kiểu nhân (karyote) là toàn bộ số lượng, hình dạng, kích thước NST trong nhân tế bào của một loài sinh vật được quan sát tại kì giữa nguyên phân.

Bộ NST của người

Trang 20

NST CỦA SINH VẬT NHÂN THỰC

• Protein tham gia chính vào đóng gói ADN là histone bao

gồm: H1, H2A, H2B, H3 và H4; ngoài ra còn có các non-histon protein.

Trang 21

•Cấu trúc bậc 1: polynuleosome

(1nucleosome gồm 8 phân tử Histon và

đoạn ADN 146 bp), đường kính 11 nm

• Cấu trúc bậc 2: sợi nhiễm sắc

(solenoid), mỗi bước xoắn gồm 6-8

nucleosome nhờ vai trò của H1, đường kính 30-34 nm

• Cấu trúc bậc 3: nhiễm sắc tử

(cromatid), có sự tham gia của

non-histone protein (scaffold protein), đường kính 300nm 700 nm 1400 nm

Trang 22

Cấu trúc của nucleosome Phần đuôi của các

protein histone được thể hiện ở đường nét đứt

Sự methyl hóa và acetyl hóa ở đuôi phân tử

protein có liên quan đến sự đóng/mở xoắn của sợi nhiễm sắc

Trang 24

Acetyl hóa lysine mất nhóm tích điện dương

Methyl hóa lysine ngăn cản acetyl hóa, giữ điện tích dương

Phosphoryl hóa serine, threonine thêm nhóm tích điện âm

Phân tử ubiquitin khoảng 76 aa có thể thêm vào lysine dấu hiệu nhận biết của proteasome.

Trang 26

CENTROMERE VÀ TELOMERE

Trang 27

Tâm động (centromer):

• Là vùng đặc trưng cho NST của sinh vật nhân thực

• Là điều kiện tiên quyết để NST phân ly trong phân bào, là điểm đính NST lên sợi thoi vô sắc Khi NST bị đứt gãy thành 2 phần, trong đó một phần chứa tâm động thì chỉ có phần chứa tâm động tồn tại ở tế bào con Khi chuyển đổi

vị trí của tâm động từ NST này sang NST khác thì quá trình phân bào của NST với tâm động lạ không bị ảnh hưởng Như vậy, trình tự nucleotide tại tâm động chỉ liên quan đến nhiệm vụ đảm bảo sự phân ly chính xác của NST.

• Tâm động đơn giản nhất là của nấm men (S.cerevisiae), gồm 125 bp, chia

làm 3 vùng tương ứng I, II, III Vùng II là vùng giàu AT, vùng I và III là vị trí bám của phức hợp protein (khoảng 30 protein), protein này liên kết với sợi thoi vô sắc.

Trang 28

có thể dài tới vài Mb với các đoạn lặp lại liên tiếp.

Ở người, đoạn trình tự lặp đơn giản dài 171 bp được gọi là alphoid và tâm động có chiều dài 2-4 Mb.

tâm động có vai trò liên kết với thoi vô sắc được gọi là kinetochore.

Trang 29

Đầu mút (Telomere):

• Là cấu trúc nằm ở đầu NST sinh vật nhân thực, bao gồm các trình tự ADN không có chức năng mã hóa, nhưng liên quan đến sự bền vững của NST.

• Trình tự ADN tại đầu mút có thể gồm hai vùng:

Vùng gần đầu mút gồm 100-10000 đoạn ADN ngắn lặp lại liên tiếp;

có thể biểu diễn dưới dạng Cn(A hoặc T)m, trong đó n>1 và m=1-4 Số lần lặp lại của Cn(A/T)m có thể tăng hoặc giảm sau mỗi lần phân bào Trình tự tiếp theo là chuỗi giàu G-T dạng sợi đơn dài khoảng 14-16

nu, có khả năng hình thành cấu trúc cặp tóc để bảo vệ đầu tận cùng của NST

• Trong quá trình tái bản, đầu mút được duy trì nhờ enzym tolemerase Nếu tế bào tiến hành phân chia mà không có enzym tolemerase thì đầu mút NST sẽ bị ngắn dần qua các lần phân bào, dẫn đến sự không bền vững của NST, NST dễ bị đứt đoạn hoặc chuyển đoạn Vì vậy, trong tế bào ung thư các NST dễ thay đổi hình dạng, có kích thước nhỏ.

Trang 30

VÙNG DỊ NHIỄM SẮC (HETEROCHROMATIN) VÀ

VÙNG NGUYÊN NHIỄM SẮC (EUCHROMATIN)

N: nhân con, n: hạch nhân, vùng đậm là vùng dị nhiễm sắc

Trang 31

• Quan sát dưới kính hiển vi điện tử cho thấy sợi nhiễm sắc

gồm các vùng co đậm đặc hoặc không co đặc xen kẽ lẫn

nhau Vùng đậm đặc được gọi là vùng dị nhiễm sắc, vùng

không co đặc được gọi là nguyên nhiễm sắc.

• Phần lớn các vùng dị nhiễm sắc hầu như không thay đổi

ngay cả khi tế bào bước vào phân chia, được gọi là vùng dị

nhiễm sắc bảo thủ (constitutive heterochromatin) Một số

vùng dị nhiễm có thể xuất hiện mới hoặc biến mất khi tế

bào trải qua các giai đoạn sinh trưởng biệt hóa, được gọi là

vùng dị nhiễm bất ổn (facultative heterochromatin).

Trang 32

•Hầu hết các gen phân bố trong vùng nguyên nhiễm sắc.

Các ADN lặp lại và một số rất ít gen (ở trạng thái không

hoạt động) phân bố trong vùng dị nhiễm sắc bảo thủ.

• Sự hình thành và duy trì vùng dị nhiễm sắc phụ thuộc vào

mức độ methyl hóa của cytosine và histone, mức độ khử

acetyl của histone Khi loại bỏ các nhóm methyl trên phân

tử ADN và histone thì vùng dị nhiễm sắc giãn ra và một số

gen phân bố trong vùng đó có thể được phiên mã.

Trang 33

KHÁI NIỆM GEN

Như vậy, vùng mã hóa cho protein (coding

region) chắc chắn là thuộc về gen Các vùng

điều hòa như enhancer, vùng gắn đuôi polyA,

intron có thuộc gen không? Tại sao?

Trang 34

Gen bao gồm đoạn acid nucleic chứa mã di

truyền (coding region) và đoạn ADN (vùng điều khiển, regulatory elements) cần thiết cho sự

phiên mã

Gen giả là những đoạn ADN có cấu trúc hay

trình tự tương tự gen nhưng chúng không được phiên mã, hoặc không biểu hiện chức năng gì.

Trang 35

Làm thế nào để biết là gen hoạt động?

Dựa vào sản phẩm của gen, ví dụ nghiên cứu sự

có mặt, hàm lượng của mARN bằng Northern blot, RT-PCR, microarray…; nghiên cứu các

protein có mặt trong tế bào bằng SDS-PAGE, 2D gel electrophorensis…

Transcriptome and proteome.

Trang 36

SO SÁNH GEN SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ NHÂN THỰC

Sinh vật nhân sơ Sinh vật nhân thực

Các gen phân bố gần nhau, khoảng cách

giữa các gen ngắn

Các gen phân bố xa nhau, rải rác trên các NST

Các gen tồn tại ở dạng đơn bản Gen đơn bản, gen thuộc họ gen

Gen không bị gián đoạn bởi intron Gen bị gián đoạn bởi intron

Một số gen phân bố cạnh nhau và chịu Mỗi gen có một vùng promoter riêng

Một số gen phân bố cạnh nhau và chịu

sự điều khiển chung bởi một promoter,

được phiên mã sang cùng một phân tử

mARN Cấu trúc này gọi là operon.

Mỗi gen có một vùng promoter riêng biệt.

Sản phẩm mARN thường là

polycistronic

Sản phẩm mARN là monocistronic

Trang 37

SẮP XẾP GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ NHÂN THỰC

Năm gen mã hóa cho protein enzymes cần thiết cho con đường tổng hợp tryptophan

Trang 38

CẤU TRÚC GEN Ở SINH VẬT NHÂN THỰC

Trang 40

PHÂN LOẠI GEN Ở SINH VẬT NHÂN THỰC

Có thể phân loại gen tùy theo số lượng bản sao của gen có trong hệ gen, hoặc theo chức năng của sản phẩm do gen mã hóa.

Trang 41

PHÂN LOẠI GEN Ở SINH VẬT NHÂN THỰC

Gen đơn bản(single-copy gene)

Các gen trong cùng một họ gen (family gene): các gen có trình tự nu và chức năng tương đồng.

Gen lặp lại liên tục (tandem repeat genes):

một gen gồm nhiều bản sao giống hệt nhau lặp lại liên tục trên một vùng NST

Gen giả (pseudogene)

Trang 42

CÁC GEN TRONG CÙNG MỘT HỌ GEN

• Các gen hình thành từ một gen tổ tiên chung

• Các bản sao không bắt buộc phải giống nhau hoàn toàn.

• Cơ chế hình thành nhiều bản sao giống hoặc tương tự của một gen có thể do sai lệch trong

trao đổi chéo giữa hai NST tương đồng trong

giảm phân

• Các gen trong họ gen có thể phân bố tập trung (họ gen mã hóa cho globin tập trung ở NST 11,, 16) hoặc rải rác trên các NST (họ gen mã hóa cho aldolase, 5 gen trên 5 NST khác nhau)

Trang 43

CÁC GEN TRONG CÙNG MỘT HỌ GEN

• Các gen trong họ gen thường hoạt động ở

những thời điểm nhất định và trong các loại tế bào biệt hóa khác nhau Khi một thành viên

trong họ gen bị bất hoạt, thành viên khác có thể

được hoạt hóa thay thế, mặc dù bình thường

thành viên thứ 2 không hoạt động cùng với gen ban đầu

Trang 44

CÁC GEN LẶP LẠI LIÊN TỤC

• Số lượng bản sao lặp lại có thể lên tới hàng

trăm bản, nhằm đáp ứng nhanh, với số lượng

lớn sản phẩm của gen trong điều kiện nhất định.

• Ví dụ: các gen mã hóa cho rARN có thể lặp lại tới hàng trăm bản để đáp ứng kịp thời các phân

tử ARN ribosome cho giai đoạn sinh trưởng

nhanh, các gen mã hóa cho protein histone

nhằm cung cấp histone cho quá trình tái bản

ADN

Trang 45

CÁC GEN LẶP LẠI LIÊN TỤC

• Hệ gen người có khoảng 280 bản sao gen mã hóa cho 3 loại rARN, tập trung thành 5 vùng (mỗi vùng khoảng 50-70 bản copy), phân bố trên 5 NST 13, 14, 15, 21, 22

Trang 46

CÁC GEN GIẢ

• Gen giả không tạo sản phẩm cuối cùng là

protein, mặc dù có thể được phiên mã tổng hợp mARN

• Cấu trúc có thể chỉ gồm toàn exon, hoặc có cả exon-intron nhưng thiếu promoter

• Hầu hết các họ gen đều có gen giả, tuy nhiên

số lượng ít.

Trang 47