Sinh học phân tử 2

Lõi nucleosome • Là đơn vị cấu trúc của nhiễm sắc thể • Là khối trụ với đường kính là 11 nm • Có đối xứng quanh hai trục • Được xoắn quanh bởi sợi DNA với chiều dài là 147 nt • DNA xoắn

Nucleosome, Chất nhiễm sắc và

Nhiễm sắc thể

2

Sự tổ chức của vật chất di truyền trong nhân tế bào nhân thật

Box 8- 1, Molecular Biology of Gene

Thí nghiệm tìm ra độ dài của DNA quấn quanh nucleosome

và mối

Micrococcal Nuclease cắt DNA

không liên kết với protein (free DNA)

Nucleosome

Lõi nucleosome

• Là đơn vị cấu trúc của nhiễm sắc thể

• Là khối trụ với đường kính là 11 nm

• Có đối xứng quanh hai trục

• Được xoắn quanh bởi sợi DNA với

chiều dài là 147 nt

• DNA xoắn phải

Figure 4.23, Molecular Biology of the Cell

8

• Là những protein có tính kiềm cao, tích điện dương, có độ dài từ 102–135 amino acids

• Trình tự khá bảo toàn

• Hơn 1/5 là amino acid lysine và arginine

• Được chia làm hai nhóm H2A, H2B và H3, H4

• Có chung motif cấu trúc, được gọi là xoắn histone fold, được hình thành bới 3

xoắn α helices được nối với nhau thông qua các đoạn nối (linker)

Đặc điểm chung của protein histone lõi

Figure 4.24, Molecular Biology of the Cell

Molecular Biology of the Gene

Đặc điểm chung của protein histone

142 tương hydro giữa histone lõi và DNA:

• Một nửa số tương tác là tương tác giữa gốc

amino group trên trục khung amino acid và

trục khung đường và phosphate của DNA

• Bên cạch đó các chuỗi bên của amino acid

như lysine và arginine tương tác DNA

Những tương tác còn là tương tác kị nước và

những liên kết muối

Tương tác giữa Histone và DNA tương tác không đặc hiệu

Sheena et al 2013, Biochim Biophys Acta 2013 ; 1819(0): 211–221

Tương tác giữa histone và DNA

Để xoắn quanh histone lõi, DNA bị bẻ cong DNA

Figure 4.24, Molecular Biology of the Cell

Quá trình hình thành phức hợp giữa histone và DNA

Lõi histone chỉ hình thành khi có mặt của DNA

Nucleosome là cấu trúc động

1 Quá trình tháo DNA không mất năng lượng: Các đầu DNA trên nucleosom thường xuyên tách khỏi nucleosome khoảng 4 lần/phút

2 Quá trình tháo DNA mất năng lượng:

• xúc tác bởi phức hệ Chromatin remodeling complexes

• Tiêu hao năng lượng ATP

Molecular Biology of the Gene

Molecular Biology of the Cell

Các nucleosome được nối với nhau bởi

linker DNA

Cấu trúc của chất nhiễm sắc

Molecular Biology of the Gene

Molecular Biology of the Cell

Histone H1 làm DNA quấn chặt hơn

Molecular Biology of the Gene

Không có H1 Có H1

Sự sắp xếp trật tự của nucleosome khi có mặt H1

Histone H1 làm cho nucleosome trên sợi nhiễm

sắc sắp xếp trật tự, có tổ chức

chromatin fiber

30 nm

Sự tổ chức của vật chất di truyền

trong nhân tế bào nhân thật

Hai mô hình xoắn của sợi nhiễm sắc (30 nm)

Molecular Biology of the Gene

Figure 3.2, Funcdamental molecular Biology,

Hai mô hình xoắn của sợi nhiễm sắc (30 nm)

Figure 4-29, Molecular Biology of the Cell

Mô hình vai trò của các đầu chuỗi protein trong

histone đóng vai trò trong việc nén DNA

Chất nhiễm sắc (chromatin)

Chất nhiễm sắc tồn tại dưới 2 dạng:

Nguyên nhiễm sắc (Euchromatin): ít nén và được phiên mã (~ 10 nm)

Dị nhiễm sắc (Heterochromatin): DNA nén chặt và thường là

vùng không phiên mã ( >=30 nm )

Figure 4–33, Molecular Biology of the Cell

Những sửa đổi amino acid ở đuôi của histone protein

Những vùng sửa đổi trên

histone được nhận biết ở các

Figure 4–38, Molecular Biology of the Cell

Figure 4–41, Molecular Biology of the Cell

Sự tồn tại các barrier protein

giúp phân vùng nguyên nhiễm

sắc và dị nhiễm sắc

Figure 4–40, Molecular Biology of the Cell

Phức hệ đọc có thể kéo dài

vùng dị nhiễm sắc

The cause of position effect variegation in Drosophila

Figure 4–35, Molecular Biology of the Cell

Chromatin Acquires Additional Variety Through the Site-Specific

Insertion of a Small Set of Histone Variants

Sự phân bố của vùng nguyên nhiễm sắc và dị

nhiễm sắc trong nhân tế bào người ở pha phân kì

Heterochromatineuchromatin

Sợi nhiễm sắc tương tác với protein khung tạo nên các vòng loop, tạo nên cấu trúc với đường kính

Tóm tắt

Figure 11-5, Genetics: conceptual Approach, third edition

Nhiễm sắc thể (chromosome) tại các kì

trong tế bào nhân chuẩn

Những vùng chức năng trên nhiễm sắc thể

của sinh vật nhân chuẩn

and và các protein khác bắt đầu quá trình nhân bản

em đính vào nhau (sister-chromatids), và chúng phải được tách ra vào cuối kì phân chia

chức năng ngăn cản việc ngắn lại của nhiễm sắc thể.

Tâm tái bản (Replication origin)

• Tâm tái bản là những vị trí đặc biệt trên DNA của nhiễm sắc thể nơi quá trình tái bản có thể bắt đầu

• Các protein tham gia vào quá trình tái bản (Protein O) liên kết đặc hiệu với tâm tái bản

• Nằm cạnh vùng giàu nucleotide A+T

• Tương tác giữa tâm tái bản và protein đặc hiệu (Protein O) sẽ làm phân hủy cục bộ và tháo xoắc vùng A+T lân cận

Nat Rev Mol Cell Biol 2010 Oct;11(10):728-38

Đặc điểm tâm tái bản ở sinh vật nhân chuẩn

Nat Rev Mol Cell Biol 2010 Oct;11(10):728-38

Các loại tâm tái bản

Tâm động

- Là vị trí đính của hai nhiễm sắc tử trong quá trình phân bào

- Là vùng bắt màu đậm khi được nhuộm

- Chứa các đoạn ADN lặp lại, không mã hóa cho protein

- Là nơi bám của các protein tâm động, nhờ đó các thoi vô sắc có thể bám vào các protein này trong quá trình phân bào

Figure 4–43, Molecular Biology of the cell

Geneviève et al Nature Reviews Geneticsvolume18, pages192–208 (2017)

Sự khác biệt tâm

động giữa các loài

Figure 4–42, Molecular Biology of the Cell

Mô hình của một cấu trúc tâm động đơn giản ở

Saccharomyces cerevisiae

DOI: 10.1038/s41467-018-06545-y

Đầu mút (Telomere)

• Nằm ở hai đầu tận cùng của nhiễm sắc thể

• Có vai trò ngăn không cho hai nhiễm sắc thể dính vào nhau

• Giúp cho quá trình nhân đôi của đầu tận cùng của nhiễm sắc thể không

bị ngắn dần đi của nhiễm sắc thể qua mỗi kỳ phân bào

• Bảo về sợi DNA khỏi bị phân hủy bởi các DNase

• Hầu hết các đầu mút được cấu tạo bởi những trình tự lặp lại gồm G-rich tandem repeats: TTAGG (insects); TTAGGG (vertebrates); TTTAGGG (plants),

Doi: 10.1016/j.sbi.2014.02.003

Đầu mút của nhiễm sắc thể ở người

Tái bản tại đầu mút

Tái bản ở đầu mút giúp duy trì độ dài của nhiễm sắc thể ở

protozoan Tetrahymena

Figure 8-33, 34, Molecular Cell Biology

Đầu mút của tế bào và quá trình lão hóa

• Trong nhiều tế bào, các đầu mút bị ngắn dần đi,

quá trình này gọi là quá trình lão hóa

• Mỗi tế bào bình thường của người có thể phân

chia 52 trước khi chúng mất khả năng phân chia

(Giới hạn Hayflick)

Nhiễm sắc thể dưới kính hiển vi

Figure 8-17, Molecular Biology of the Gene

Cấu trúc điển hình của mhiễm sắc thể tại

trung kì (metaphase) trong tế bào nhân chuẩn

Một vài đặc điểm của nhiễm sắc thể ở kì trung gian

Figure 4–49, Molecular Biology of the Cell

Nhiễm sắc thể chổi rửa

trong trứng lưỡng cư

Nhiễm sắc thể khổng lồ (polyloid) trong tế bào polytene ở ruồi giấm cho phép quan sát sợi nhiễm sắc ở kì trung gian

Các vùng phồng lên của nhiễm sắc thể

Mỗi nhiễm sắc thể chiếm một

vùng xác trong nhân tại kì trung

gian

Figure 4–53, Molecular Biology of the Cell

Nhiễm sắc thể có thể di chuyển đến các vị trí đặc biệt

trong nhâm làm thay đổi sự biểu hiện của gene

Việc phân vùng trong nhân mà không nhờ đến lớp

màng (khoang phụ - subcompartment)

Bộ nhiễm sắc thể

• Mỗi loài có một bộ nhiễm

sắc tại trung kì phân chia

đặc trưng bới số lượng,

kích thước, hình dạng

• Mỗi nhiễm sắc đặc trưng

bởi hình dạng, chiều dài,

Giải nhuộm của nhiễm sắc thể gần

như không thay đổi qua quá trình

tiến hóa

Việc chuyển vị của nhiễm sắc thể có thể phân tích

được sựa trên tô mầu nhiễm sắc thể

Cấu trúc hệ gen ở sinh vật nhân sơ

• Tìm thấy ở vùng nhân (nucleoid)

• Tồn tại ở dạng vòng, không có

đầu tự do

• Kích hệ gen lớn so với tế bào,

tạo thành các loop xoắn làm

giảm chiều dài của hệ gen (DNA

phải được nén chặt khoảng

1000 lần nhờ có sự tạo thành

các cấu trúc vòng)

Cấu hình của nhiễm sắc thể vi khuẩn

Negatively supercoiling

Cấu hình của nhiễm sắc thể vi khuẩn

Nature Reviews Microbiologyvolume8, pages185–195 (2010)

Nature Reviews Geneticsvolume14, pages191–203 (2013)

Nature Reviews Microbiology (8), pages185–195 (2010)

Histone-like nucleoid-structuring protein (H-NS)

DNA-bending protein

a DNA-wrapping protein