CẤU TRÚC a Cấu trúc về trình tự DNA – CDE - Sự truyền vật liệu di truyền trong tế bào của sinh vật nhân thực điển hình dựa vào cơ chế nguyên phân và giảm phân.. Trong những quá trình đó,
Trang 1ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM
Nguyễn Quốc Duy 0918076
Trang 2a) Cấu trúc của Telomere
b) Chức năng của Telomere
QUAN
a) Telomere – chìa khóa kéo dài tuổi thọ
b) Telomere và ung thư
c) Một số phát hiện thú vị liên quan đến Telomere
Tài liệu tham khảo:
Telomere and telomerase in cancer Hekio Higama
Cơ sở di truyền học phân tử và tế bào Đinh Đoàn Long và Đỗ Lê Thăng.
Di truyền học Phạm Thành Hổ.
Telomere Position Effect in
Trang 3Human Cells Joseph A Baur, Ying Zou, Jerry W Shay,* Woodring E Wright
T-loops and the origin of telomeres Joseph A Baur, Ying Zou, Jerry W Shay,* Woodring E Wright
Telomere length, stem cells and aging Maria A Blasco
b) Vị trí Centromere trên NST.
- Centromere chia thể nhiễm sắc thành hai vai, chiều dài của hai vai phụ thuộc vào
vị trí centromere Người ta thành lập chỉ số centromere (centromere index Ic) để xácđịnh vị trí của centromere và phân loại các thể nhiễm sắc :
Ic = P/(P+Q)P: chiều dài vai ngắnQ: chiều dài vai dài
- Nhiễm sắc thể là tâm giữa nếu vai (p va q) là xấp xỉ bằng chiều dài
- Từ đó ta có thể phân loại NST theo vị trí của tâm động thành: NST tâm mút, NSTtâm lệch, NST tâm giữa và NST tâm cận giữa
♦ NST tâm mút: telocentric
- Tâm động nằm ở phần cuối NST, có thể mở rộng cả 2 đầu mút NST Tất cả NSTcủa chuột đều là NST tâm mút Ở người không có NST tâm mút, tuy nhiên một số nhàkhoa học coi các NST tâm lệch 21, 22, Y là các NST tâm mút NST X tâm mút củaDrosophila có thể chuyển thành dạng “X
dính” nhờ phân chia của tâm động theo
chiều vuông góc với bình thường Do sự
phân chia khác thường đó 2 chromatid
thay vì phân li về 2 cực
lại dính nhau làm mất đoạn và tạo ra
NST tâm giữa
Trang 4Hình 1 : Các loại NST
- Hậuquả của đột biến cấu trúc NST tâm mút:
- Mất đoạn (mất đỉnh): mất đoạn dài tạo hiện tượng “giả trội” thường gây chết do
sự mất cân bằng bộ gen
- Đảo đoạn mang tâm động: Nếu không có trao đổi chéo xảy ra trong giảm phân Ithì kì sau giảm phân I NST bình thường Xảy ra trao đổi chéo thì 1 nửa sản phẩm mấtsức sống
♦ NST tâm lệch: acrocentric
- Tâm động nằm gần 1 đầu mút của NST
- Ở người có 5 cặp NST tâm lệch là 13,14,15, 21, 22 Khi ở trạng thái dị hợp tử thìđảo đoạn gây nên một số thay đổi về di truyền và tế bào, do đó người ta có thể dễ dàngphát hiện ra đoạn đảo Khi có đảo đoạn ngoài tâm động thì sẽ không có sự thay đổi vịtrí hai vế, còn khi có đảo đọan quanh tâm động sẽ dẫn đến thay đổi vế của thể nhiễmsắc, có thể biến NST tâm lệch thành NST tâm giữa và ngược lại
♦ NST tâm giữa: metacentric
- NST là tâm giữa nếu vai (p và q) là xấp xỉ bằng chiều dài Trong một số trườnghợp, một NST tâm giữa được hình thành bởi cân bằng chuyển vị Robertsonian Sự hợpnhất của hai NST tâm lệch có thể tạo thành một NST tâm giữa
♦ NST tâm cận giữa: submetacentric
- Là NST có tâm động nằm gần giữa, có hai vai gần bằng nhau
B CẤU TRÚC
a) Cấu trúc về trình tự DNA – CDE
- Sự truyền vật liệu di truyền trong tế bào của sinh vật nhân thực điển hình dựa vào
cơ chế nguyên phân và giảm phân Trong những quá trình đó, những sợi thoi vô sắcgắn vào những vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể, gọi là centromere, là cấu trúc phứctạp được tạo thành từ DNA và những protein của centromere Trong quá trình nảy chồicủa nấm men (Saccharomcyces cerevisiae), chiều dài đoạn DNA centromere (CENDNA) cần thiết để phân bào là 125bp và có thể được chia làm 3 vùng trình tự bảo tồnCDEI, CDEII, CDEIII Cho đến nay, 15 đến 16 CEN DNA của nấm men đã được côlập và tìm kiếm trình tự
- Một nghiên cứu của Hieter và các cộng sự cho thấy sự chọn lọc chức năng củaCEN DNA dựa vào các plasmid ARS mang một gen SUP11 tRNA Các plasmid ARStrong nấm men S Cerevisiae có khả năng tự tái tạo, nhưng trong quá trình phân chiacủa tế bào, các plasmid ARS rất hiếm khi được truyền cho các tế bào con do đó chúngđược tích lũy ở tế bào mẹ CEN DNA có trong plasmid sẽ giúp cho chúng được phân lyđúng cách Nhiều bản sao của gen SUP11 tRNA sẽ chết và chỉ có plasmid có CENDNA sống sót
Trang 5- Đoạn DNA chèn cắt bằng EcoRI được dòng hóa vào vector YRp14-ARS1, chứanhân tố ARS1, gene SUP11 mang yếu tố ARS1 và marker URA3 có thể chọn lọc được.Việc chuyển những plasmid đã được chèn gene vào trong nấm men chủng YJH11không mang lại sự biến đổi trừ các plasmid mang một đoạn chứa 4.5 kb của EcoRIđược gọi là A3 Hơn thế nữa sự tách dòng của A3 và chức năng được thử nghiệm sinh
ra một đoạn chứa 2.55 kb BglII-EcoRI cho thấy CEN có hoạt động Việc giải trình tựcủa đoạn này đã phát hiện được chuỗi trình tự DNA đặc trưng của CEN được đưa ởhình 1A, chuỗi trình tự này đồng nhất 100% với chuỗi trình tự CEN8 mới được công
bố trong một phần nghiên cứu trình tự của nhiễm sắc thể thứ VIII từ S Cerevisiae
- Để chứng minh trình tự này có thể hoạt động như CEN DNA trong cơ thể, chuỗitrình tự đó đã được chuyển vào một đoạn nhiễm sắc thể nhân tạo và kiểm tra khả năngphân li khi sử dụng hệ thống cycloheximit R/S Đến khi kết thúc, đoạn A3 EcoRIDNAđược chuyển vào pBluescript (Stratagene) và sau đó tự sao chép như đoạn BamHISalltrong phân đoạn nhiễm sắc thể vector pKE5 Chuyển đổi các vector phân mảnh dài vàochủng YJH6 của nấm men dẫn đến sự hình thành của một đoạn nhiễm sắc thể bổ sungkhoảng 125 kb mang đoạn DNA A3 Sự tách ra của những nhiễm sắc thể trong quátrình biến đổi thông qua OFAGE tạo ra những nhiễm sắc thể mới (hình 2A) Sự laighép của đoạn DNA A3 với nhiễm sắc thể bị phá hủy tạo ra 2 đoạn xác định Một đạidiện cho nhiễn sắc thể VIII Dải còn lại là nhiễm sắc thể mới được tạo ra Sử dụng hệthống R/S, mức độ hao hụt các đoạn nhiễm sắc thể trong giảm phân được xác định là1.1x10-3 Nó tương tự như tỷ lệ tổn thất thu được của các CEN DNAs khác khi phântích với hệ thống này
- Từ chức năng của những CEN DNAs của tất cả 16 nhiễm sắc thể của nấm mencho phép chúng ta xác định được trình tự tương đồng cuối cùng cho CEN DNA củanấm men Vị trí trung tâm của tất cả các CEN DNAs là vùng giàu AT nhất là trình tựcủa nhân tố CDEII (87-98% A:T và T:A) (vùng trung tâm của 3 trình tự liền kề nhaucủa centromeric là vùng trình tự CDEII giàu AT và có chiều dài khoảng 75-100bp).Vùng trình tự DNA giàu AT thường có xu hướng thay đổi vị trí xắp xếp của các trình
tự A:T và T:A bp, nhưng các nhân tố này không mang trình tự nhận biết trình tự bảotồn Điều đó có nghĩa là vùng trình tự của nhân tố CDEII từ hai dòng S cerevisiae từvùng địa lý khác nhau là hoàn toàn được bảo tồn, nó cho thấy vai trò quan trọng củavùng trình tự đặc trưng của mỗi nhân tố trong cấu trúc và chức năng của centromere.Như vậy, việc thay thế một phần trình tự CDEII một cách ngẫu nhiên trong vùng trình
tự giàu AT làm giảm đáng kể chức năng của centromere trong nguyên phân và giảmphân CDEI và CDEIII nằm liền kề ở hai đầu của CDEII, là vùng có mức độ bảo tồncao và mang các trình tự hai chiều CDEI gồm có vùng trình tự có độ bảo tồn cao cóchiều dài là 8bp có măt ở cả 16 CEN DNAs Chỉ có vị trí 5 của CEN2 và 1 của CEN9
là không phù hợp với các trình tự tương đồng Trong sự tương phản, nhân tố CDEIIIdài 26 bp đã cho thấy 1 phần tương đồng giữa 16 CEN DNA, trừ vùng trung tâm có độbảo tồn cao (vị trí 11-17) và 2 cặp G:C ở vị trí 2 và 8 Phần còn lại của vùng trình tựnày là 1 đầu giàu T:A ở đầu 5’ và 1 đầu giàu A:T ở đầu 3’ Sự giống nhau của toàn bộcác chuỗi trình tự giữa 16 CEN DNAs rất thấp, làm cho các CEN DNAs giống như
Trang 6không có chung một tổ tiên Cách khác, sự sao chép các chuỗi trình tự phải xuất hiệnmột thời gian dài trước đây, trong khi đó vủng trình tự của các CDEII trong các CENDNA rất khác nhau Vùng Centromere của nhiễm sắc thể số VIII đã được sao chép từvùng centromere của nhiễm sắc thể thứ XI, vì một vài gene liên kết centromere đã đượctìm thấy là bản sao của NST XI.
16 CEN DNAs và đã thấy rằng 3 nhân tố bảo tồn centromere nằm trong vùng có trình
tự AT trung bình 75% 50 bp bên trái CDEI và bên phải CDEIII có số lượng AT tươngứng 71 và 68% Vì vậy chuỗi trình tự xung quanh các CEN DNA của nấm men có sốlượng AT cao hơn các vùng khác của nhiễm sắc thể Trường hợp ngoại lệ là các trình
tự bên trái của CEN2 và những trình tự xung quanh CEN14 Các nhà khoa học đã chỉ
ra rằng trong trường hợp của CEN6 centromere, chức năng không phụ thuộc vào cácvùng có số lượng AT đặc biệt khi chúng không nằm xung quanh DNA Sự hạ thấp sốlượng AT trái và phải của CEN6 từ 75-80% xuống còn 38-44% không làm giảm hoạtđộng của centromere trong quá trình nguyên phân và giảm phân Như vậy sự thay đổi
tự nhiên trong số lượng AT của các chuỗi xung quanh CEN DNA cho thấy sự độc lậpcủa vùng trình tự 120 bp tạo nên các nhân tố CDEI, CDEII và CDEIII trong cấu trúc và
Trang 7chức năng của Centromere Do đó không rõ lý do tại sao CEN DNA của nấm men lạinằm trong vùng trình tự đặc biệt giàu A:T.
- CDE – Centromere DNA Element – là những nhân tố có vùng trình tự DNA xácđịnh của centromere mang vùng trình tự bảo tồn và trình tự tương đồng Có 3 nhân tốchính là CDEI, CDEII và CDEIII
- Vùng trung tâm của 3 trình tự liền kề nhau của centromere là vùng trình tự CDEIIgiàu AT và có chiều dài khoảng 75-100bp (87-98% A:T và T:A bp) Vùng trình tựDNA giàu AT thường có xu hướng thay đổi vị trí xắp xếp của các trình tự A:T và T:A
bp, nhưng các nhân tố này không mang trình tự nhận biết trình tự bảo tồn.Chỉ có một
số vị trí nhất định của CDEII được bảo tồn CDEII là nhân tố mang vùng trình tự tươngđồng quy định chức năng của centromere Việc thay thế một phần trình tự CDEII mộtcách ngẫu nhiên trong vùng trình tự giàu AT làm giảm đáng kể chức năng củacentromere trong nguyên phân và giảm phân
- CDEI và CDEIII nằm liền kề ở hai đầu của CDEII, là vùng có mức độ bảo tồn cao
và mang các trình tự hai chiều CDEI là vùng có trình tự ngắn nhất (ở nấm men cóchiều dài khoảng 8 bp), có độ bảo tồn cao và xuất hiện ở hầu hết các CEN DNA (ở nấmmen có vị trí 5 của CEN2 và 1 của CEN9 là không phù hợp với các trình tự tươngđồng) Đây là vùng trình tự cần thiết cho việc duy trì sự gắn kết của các chromatidtrong suốt quá trình giảm phân 1
- Nhân tố CDEIII dài 26 bp đã cho thấy 1 phần tương đồng giữa các CEN DNA, trừvùng trung tâm có độ bảo tồn cao (ở nấm men vị trí 11-17 và 2 cặp G:C ở vị trí 2 và 8).Phần còn lại của vùng trình tự này là 1 đầu giàu T:A ở đầu 5’ và 1 đầu giàu A:T ở đầu3’ Sự thay đổi các cặp đơn ở vùng trình tự 2 chiều của CDEIII làm tăng số lượngnhiễm sắc thể bị mất
Trang 8Hình 3: Trình tự DNA của CEN8 ở nấm men (B) Các CDE của CEN8 Hình kim cương tượng trưng cho trục của 2 trình tự đối xứng và mũi tên chỉ chiều của những chuỗi thuận nghịch (C) Vị trí tương đồng của các centromere DNAs Chuỗi trình tự của 16 CEN DNA được gióng cột và xác định vùng tương đồng Những số ở dưới chỉ vị trí của các Nu trong chuỗi DNA Những chữ hoa chỉ số lần xuất hiện của các Nu xuất hiện 14-16 lần, những chữ thường 1-13 lần R chỉ 1 purine Các số được gạch chân chỉ các phần còn lại được dùng để xác định vùng tương đồng.
b) Cấu trúc về các protein
- Công trình nghiên cứu của William C Earnshaw và Naomi Rothfield 1985 vềkháng thể từ huyết thanh bệnh nhân scleroderma ( bệnh xơ cứng da) và bệnh tự miễndịch cho thấy có sự ảnh hưởng đến hoạt động của centromere Họ gọi các protein đó làprotein centromere (CENP) kháng thể (antibodies centromere proteins) A, B, and C Sựmiễn dịch ở bệnh nhân scleroderma là một dấu hiệu quan trọng để biết được chức năngcủa protein trong centromere
- Cấu trúc centromere hoàn chỉnh là một phức hợp rất phức tạp với sự tham gia củanhiều loại protein đóng vai trò khác nhau bao gồm: DNA lõi chromosome liên kếtinner Kinetochore và phức hợp protein kinetochore
- DNA chromosome liên kết inner kinetochore: chứa trình tự bảo tồn giàu trình tựbảo tồn giàu A-T có kích thước khoảng 220bp, 15-20 nm Được chia thành 3 cùng theobảng sau:
Bảng 1: trình tự và chức năng vùng DNA của centromere
Đóng vai trò quan trọng trongxác định cấu trúc DNA
Trang 9Hình 4: Trình tự bảo tồn của CDE
- Inner kinetochore là phức hợp protein trong đó có 2 loại được chú ý nhiều:
♦ CENP-A (centromere proteins ): dạng biến thể protein H3 thay thế cho H3
của nucleosomes, CENP-A là cơ sở cho centromere hoạt động Với tế bào thiếuCENP-A sự phân chia xảy ra không còn chính xác
♦ CENP-B là loại protein liên kết với trình tự lặp lại trên DNA của tâm động.
Ở người, vùng lặp lại này được biết đến là alpha satellite DNA Một đơn vị trênalpha satellite DNA có chiều dài là 117bp, chứa trình tự 17bp gắn với CENP-B taothành CENP-B box CENP-B gắn vào DNA satetillite trên 2 nucleosome Trênchromosome có thể chứa từ hàng trăm tới hàng ngàn hộp CENP-B tiềm ẩn centromere có sự bất động chiều dài và vị trí trên NST
♦ Ngoài ra còn có sự tham gia của nhiều loại CENP khác Ngày nay người ta
đã biết được 20 loại CENP khác và có thể tăng hơn nữa trong thời gian tới khichúng ta hiểu rõ về sự hình thành kinetochore
Trang 10Hình 5: Các protein của inner kinetochore
- Cấu trúc centromere có thể được chia làm 3 hệ thống như sau:
♦ DNA chromosome liên kết với inner kinetochore
♦ Tương tác của protein Kinetochore và bề mặt trục vô sắc.
♦ Vi ống gắn trùng hợp và trực tiếp lên motor và một protein khác là một
phần của trục kiểm soát (spindle checkpoint), cho phép chỉ những tế bào có sự gắnđúng trục sẽ tiến đến anaphase Hoạt động kinetochore protein đặt dưới sự kiểmsoát của hệ thống tế bào bởi những phức hợp có chức năng điều hòa: APC, phứchợp thúc đẩy kỳ sau (anaphase-promoting); CEN, DNA tâm động; SCF, phức hợpubiquitin-ligase
Trang 11Hình 6: Các protein của kinetochore
Hình 7: Outer kinetochore
- Nguyên nhân dịch chuyển nhờ vi ống có protein dynein và kinesin
Trang 12F VAI TRÒ TRONG NGUYÊN PHÂN VÀ GIẢM PHÂN
a) Nguyên phân
- Nguyên phân là một cơ chế di truyền của tế bào, nhằm tạo ra hai tế bào giống nhauhoàn toàn về số lượng và thành phần thông tin di truyền Để làm được như vậy, NSTtrong tế bào phải được nhân đôi, sau đó phân ly và hình thành hai tế bào con Tâmđộng, nhất là thành phần kinetochore, có vai trò quan trọng trong sự phân ly NST trongquá trình này
- Nguyên phân gồm có 4 giai đoạn chính:
+ Kỳ đầu: màng nhân bắt đầu tiêu biến, 2 trung thể bắt đầu tách ra.
+ Kỳ giữa: màng nhân tiêu biến, các sợi vô sắc xâm nhập vào vùng nhân Sau
đó các NST kép xếp thành một hàng ở mặt phẳng xích đạo
+ Kỳ sau: các sợi vô sắc co rút, kéo các NST về 2 cực tế bào.
+ Kỳ cuối: hình thành màng nhân, màng tế bào phân cách để tạo thành 2 tế
bào con
Hình 8: Các giai đoạn của nguyên phân.
- Ở đầu kỳ giữa, mỗi NST hình thành hai kinetochore ở tâm động, mỗi kinetochoregắn với một chromatid Một kinetochore là một phức hợp protein giống như một cáivòng để sợi vô sắc móc vào, đó là nơi mà các sợi vô sắc gắn vào NST (khoảng 1 – 40sợi, trung bình là 20 sợi) Dù cấu trúc và chức năng của kinetochore vẫn chưa đượchiểu hết nhưng nó được biết là có chứa các dạng “động cơ ở cấp phân tử” Khi một sợi
vô sắc kết nối với kinetochore, động cơ được kích hoạt, dùng ATP để kéo NST về 2
Trang 13trung thể Hoạt động của động cơ cùng với sự polymere hóa và depolymer hóa các visợi đã cung cấp lực kéo cần thiết cho sự phân chia các nhiễm sắc tử của NST sau này
- Khi mà thoi vô sắc đạt đến kích thước thích hợp, sợi vô sắc bắt đầu tìmkinetochore để gắn vào Một số sợi không gắn vào kinetochore tìm và tương tác với cácsợi không gắn vào kinetochore khác ở cực bên kia của tế bào
- Tương tự như việc “câu cá” Kinetochore là “lưỡi câu” bắt “cá” là các chromatid.Trung thể giống như cái cần quay kéo các sợi vô sắc hay “dây câu”
- Khi mỗi kinetochore được gắn vào một chùm sợi vô sắc và NST đã xếp hàng ởmặt phẳng xích đạo, tế bào tiến hành Anaphase (Kỳ sau)
- Lúc này có hai hiện tượng xảy ra: đầu tiên, các protein nối hai chromatid bị cắt đi.Những chromatid này giờ đây giờ đây tách ra và được kéo về hai cực tế bào bằng việc
co rút các sợi vô sắc Sau đó, các sợi không gắn vào kinetochore dài ra, kéo các trungthể càng xa ra hai cực tế bào Chưa rõ lực nào gây ra sự chuyển động của trung thể vềhai cực mặc dù có lý thuyết cho rằng nguyên nhân nằm ở sự lắp ráp và tan rã nhanhchóng của các vi sợi
- Nếu như không có tâm động, các sợi vô sắc sẽ không gắn vào NST, khiến chúng
dù đã nhân đôi nên không thể phân ly, gây ra hiện tượng lệch bội, đa bội hóa Nếu nhưNST có nhiều tâm động, thì có thể gây ra hiện tượng NST không thể phân ly hoặc biđứt gãy
b) Giảm phân
- Sự phân bào giảm nhiễm là một cơ chế di truyền của tế bào, nhằm tạo ra 4 tế bàocon có số NST giảm đi một nửa, hình thành giao tử Quá trình giảm phân gồm giảmphân I và giảm phân II
Hình 9: Các giai đoạn của quá trình giảm phân
♦ Giảm phân I gồm có 4 giai đoạn chính:
+ Kỳ đầu: Màng nhân bắt đầu tiêu biến, 2 trung thể bắt đầu tách ra, có thể có
sự trao đổi chéo giữa các cặp NST tương đồng
+ Kỳ giữa: Các cặp NST kéo sắp xếp thành 2 hàng ở mặt phẳng xích đạo.
