So sánh cấu trúc gen của sinh vật bậc thấp và sinh vật bậc cao (gen mã hóa protein)

So sánh cấu trúc gen của sinh vật bậc thấp và sinh vật bậc cao (gen mã hóa protein)

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

1 LỜI MỞ ĐẦU

Sinh học phân tử là môn khoa học nghiên cứu giới sinh vật ở mức độ phân tử Phạm vi nghiên cứu của môn này có phần trùng lặp với các ngành khác trong Sinh học, đặc biệt là di truyền học và hóa sinh Sinh học phân tử chủ yếu nghiên cứu tương tác giữa các hệ thống cấu trúc khác nhau trong tế bào, gồm quan hệ qua lại giữa quá trình tổng hợp của DNA, RNA và protein cũng như tìm hiểu cách thức điều hòa các mối tương tác này

Một trong các lĩnh vực quan trọng thuộc ngành sinh học phân tử chính là nghiên cứu gen cấu trúc của tất cả loài trong tự nhiên Gen cấu trúc đóng vai trò quan trọng trong việc tồn tại, sinh trưởng – phát triển, di truyền – biến dị của mọi loài sinh giới

Nghiên cứu gen cấu trúc giúp ta hiểu rõ hơn về đặc điểm sống, các quy luật vận động và tuần hoàn của các loài trong chuỗi tuần hoàn vật chất trong tự nhiên

Trong sinh giới, sinh vật được chia thành hai nhóm chính Sinh vật bậc thấp (Prokaryote) và Sinh vật bậc cao (Eukaryote) Mỗi nhóm có các đặc điểm hình thái, vận động, sinh sản và di truyền khác nhau

Vì vậy, để nghiên cứu gen cấu trúc, ta sẽ đi xem xét đặc điểm của nó ở mỗi nhóm, từ đó đưa ra những so sánh về sự giống và khác nhau để phục vụ cho mục đích nghiên cứu khoa học và ứng dụng vào thực tiễn

Đó là lý do mà chúng em đã chọn đề tài “ So sánh cấu trúc gen của sinh vật

bậc thấp và sinh vật bậc cao (gen mã hóa protein) ” làm đề tài tiểu luận cho môn

học Di truyền và Sinh học phân tử do PGS.TS.Khuất Hữu Thanh phụ trách giảng dạy

2 GEN CẤU TRÚC (GEN MÃ HÓA PROTEIN)

2.1 Khái niệm chung

- Chúng ta có thể điểm qua những mốc chính trong lịch sử nghiên cứu về gen như sau:

Mendel (1865) là người đầu tiên đưa ra khái niệm nhân tố di truyền Johansen (1909) đã đề xuất thuật ngữ gen (từ genos, nghĩa là sản sinh, nguồn gốc) để chỉ nhân tố di truyền xác định một tính trạng nào đó Sau đó, Morgan trong những năm 1920 đã cụ thể hóa khái niệm về gen, khẳng định nó nằm trên nhiễm sắc thể và chiếm một locus nhất định, gen là đơn vị chức năng xác định một tính trạng

Vào những năm 1950, DNA (deoxyribonucleic acid) được chứng minh

là vật chất di truyền Mô hình cấu trúc DNA của Watson và Crick được đưa ra và

lý thuyết trung tâm (central dogma) ra đời Gen được xem là một đoạn DNA trên nhiễm sắc thể mã hóa cho một polypeptide hay RNA

Cuối những năm 1970, việc phát hiện ra gen gián đoạn ở sinh vật eukaryote cho thấy có những đoạn DNA không mã hóa cho các amino acid trên phân tử protein Vì thế, khái niệm về gen lại được chỉnh lý một lần nữa: Gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptide, nó bao gồm cả phần phía trước là vùng 5’ không dịch mã (5’ untranslation) hay còn gọi là vùng ngược hướng (upstream) và phía sau là vùng 3’ không dịch mã (3’ untranslation) hay còn gọi là vùng cùng hướng (downstream) của vùng mã hóa cho protein, và bao gồm cả những đoạn không mã hóa (intron) xen giữa các đoạn mã hóa (exon)

Hiện nay, có thể định nghĩa gen một cách tổng quát như sau: Gen là đơn vị

chức năng cơ sở của bộ máy di truyền chiếm một locus nhất định trên nhiễm sắc thể và xác định một tính trạng nhất định Các gen là những đoạn vật chất di truyền mã hóa cho những sản phẩm riêng lẻ như các mRNA được sử dụng trực tiếp cho tổng hợp các enzyme, các protein cấu trúc hay các chuỗi polypeptide để gắn lại tạo ra protein có hoạt tính sinh học Ngoài ra, gen còn mã hóa cho các tRNA, rRNA và snRNA

- Về mặt chức năng tổng hợp protein, người ta phân biệt 2 loại:

+ Gen cấu trúc: mang thông tin mã hóa cho sản phẩm tạo nên thành phần cấu trúc hoặc thành phần chức năng của tế bào (thường là polypeptit)

+ Gen điều hòa mang thông tin mã hóa cho sản phẩm kiểm soát hoạt động của gen khác

Bộ gen (genome)theo nghĩa rộng là tập hợp toàn bộ vật chất di truyền trong tế

bào và trong cơ thể sinh vật Bộ gen gồm DNA (RNA) trong các gen và DNA (RNA) không nằm trong các gen (các trình tự lặp, các đoạn chưa rõ chức năng…)

Bộ gen gồm các gen trong nhân và gen trong các bào quan (gen ngoài nhân), chứa toàn bộ thong tin di truyền của tế bào và của cơ thể sống

- Eukaryote: Sinh vật nhân chuẩn, còn gọi là sinh vật nhân thực (sinh vật nhân

điển hình) là một sinh vật gồm các tế bào phức tạp, trong đó vật liệu di truyền

được sắp đặt trong nhân có màng bao bọc Sinh vật nhân chuẩn gồm có động vật, thực vật và nấm, hầu hết chúng là sinh vật đa bào

- Prokaryote:Sinh vật nhân sơ hay sinh vật tiền nhân hoặc sinh vật nhân nguyên

thủy là nhóm sinh vật mà tế bào không có màng nhân

2.2 Cấu trúc gen mã hóa protein

Bộ gen của sinh vật gồm các trình tự DNA trong gen và trình tự DNA ngoài gen DNA trong bộ gen gồm 2 nhóm gen chủ yếu là các gen mang mã di truyền và gen không mang mã di truyền

+ Gen không mang mã di truyền gồm các đoạn DNA lặp lại nhiều, các gen giả, gen đệm hay mảnh gen, các intron

+Gen mang mã di truyền hay còn gọi là gen điển hình là các đoạn DNA hoặc RNA, mang thong tin di truyền xác định cấu trúc của một chuối polypeptid hoặc một phân

tử RNA nhất định

Một gen mang mã di truyền có cấu trúc điển hình gồm 3 vùng chính:

- Vùng điều khiển hay vùng 5’ có một số trình tự đặc hiệu (promoter, operater,

enhancer…) có chức năng điều khiển hoạt động gen Promoter (P) là trình tự nhận biết và vị trí tiếp cận với gen của enzyme RNA polymerase và các nhân tố phiên

mã (promoter còn gọi là trình tự khởi động) Operator (O) còn được gọi là trình tự chỉ huy, là trình tự mã hóa các phân tử protein hoặc enzyme kiểm soát hoạt động của gen cấu trúc, xúc tác hoạt động phiên mã hoặc không phiên mã của gen cấu trúc.Promoter gồm tâm promoter (core promoter) và phần mở rộng Tâm promoter của sinh vật prokaryote gồm 2 trình tự đặc trưng: trình tự TTAATA ở vị trí -10 (TATA box), trình tự TTGACAT ở vị trí -35 (còn gọi là CAAT box), gần trình tự TATA box là trình tự Shine-Dalgarno (SD) giúp cho các riboxom nhận biết đúng vị trí khởi đầu dịch mã trên mRNA trong quá trình dịch mã Trình tự các nucleotid trong promoter có tính đặc trưng với mỗi gen và mỗi loài sinh vật

Sơ đồ cầu trúc Promoter và các vùng gen

- Vùng mang mã di truyền (coding senquace) hay khung đọc mã mở (ORF – open

readin g fream), được phiên mã tạo thành các RNA thông tin (mRNA), hoặc các loại RNA khác (tRNA, rRNA, small RNA) Các mRNA có thể dịch mã tạo nên các sản phẩm protein)

- Vùng kết thúc hay vùng 3’ gồm các trình tự tín hiệu kết thúc cho phép enzyme

RNA polymerase nhận biết dấu hiệu ngừng phiên mã, các trình tự kết thúc một gen

để phân biệt gen này với gen khác, tín hiệu gắn đuôi poly A ở eukaryote, trình tự kết thúc (terminator) và một số trình tự lặp ngắn chưa rõ chức năng

Cấu trúc gen mang mã di truyền còn có một số trình tự đặc trưng khác như các trình tự điều hòa, trình tự tang cường (enhance), trình tự bất hạt (silencer) và các trình tự giữa gen (intergenic)…

Enhancer và silencer là các trình tự có vai trò điều hòa hoạt động gen, enhancer

và silencer có thể nằm ở vị trí trong vùng promoter, nằm trong vùng mang mã di truyền của gen hoặc nằm trong các đoạn intergenic ở phía trước hoặc phía sau gen, Hoạt động của các trình tự enhancer và silencer làm thay đổi cường độ hoạt động của gen, hoặc làm ngừng hoạt động phiên mã của gen Enhancer có thể làm tăng cường mức độ tái bản hoặc phiên mã của gen lên hàng trăm, hàng nghìn lần Ngược lại, trình tự silencer hoặc làm giảm cường độ phiên mã hoặc gây ngừng hoạt động của gen

2.3 Đặc điểm cấu trúc gen mã hóa protein của prokaryote

Trong bộ gen của prokaryote các gen có cấu trúc tương đối đồng nhất, phần lớn các gen mang mã di truyền, nhiều gen cùng hướng trao đổi chất tập hợp thành các operon

Cấu trúc Operon ở prokaryote

Cấu trúc gen điển hình gồm có 3 vùng:

- Vùng 5’ có promoter với TATA box ở vị trí -10 và CAAT box ở vị trí -25

- Vùng mang mã di truyền của sinh vật prokaryote chủ yếu là các trình tự mang mã di truyền, không có intron Operon gồm nhiều cistron có chung vùng điều khiển và vùng kết thúc, mỗi cistron tương đương với một gen mã hóa protein ở sinh vật bậc cao

- Vùng kết thúc 3’

Sơ đồ phiên mã và dịch mã ở một Operon của prokaryote

Trong một operon, quá trình phiên mã khởi đầu từ cistron thứ nhất đến cistron cuối cùng, không có quá trình gắn mũ và gắn đuôi poly A, phiên mã đồng thời với dịch mã Hiện tượng các gen cùng hướng trao đổi chất tập hợp thành các operon, tương đối phổ biến ở vi khuẩn, giúp cho vi khuẩn thích ứng nhanh với điều kiện môi trường

2.4 Đặc điểm cấu trúc gen mã hóa protein của eukaryote

Bộ gen của các sinh vật eukaryote gồm các gen có vùng điều khiển và vùng kết thúc riêng, không có hiện tượng tạo thành operon Các gen mã hóa protein ở sinh vật eukaryote phần lớn là gen phân đoạn, mỗi gen gồm các đoạn DNA mang

mã di truyền (exon) xen kẽ với các đoạn DNA không mang mã di truyền (intron) Các loài sinh vật ở các bậc càng cao trong hệ thống tiến hóa, có hàm lượng DNA trong các intron của mỗi gen càng lớn

Cấu trúc chung một gen mang mã di truyền của eukaryote

Các gen của sinh vật prokaryote có một loại promoter cấu trúc tương đối giống nhau Các gen mang mã di truyền của sinh vật eukaryote được chia làm 3 nhóm chủ yếu với 3 loại promoter khác nhau

- Promoter nhóm I là promoter của các gen mã hóa các loại RNA riboxom (rRNA 18S, rRNA 28S, rRNA 5, rRNA 8S) Promoter nhóm I có 2 trình tự đặc trưng: tâm promoter (core promoter) nằm ở vị trí -40 đến +20 và trình tự Uptream Control Element (UCE) ở vị trí -156 đến -107 trong vùng 5’ UTR của gen

- Promoter nhóm II là promoter của các gen mã hóa protein và một số gen mã hóa các loại RNA kích thước nhỏ (small RNA) Cấu trúc promoter nhóm II gồm 4 phần: tâm promoter, trình tự UP(upstream element), trình tự khởi đầu (Inr) và trình

tự DE (Downstream element)

- Promoter nhóm III là promoter của các gen mã hóa các loại tRNA, rRNA 5S và một số phân tử RNA kích thước nhỏ (small RNA như U5, U6 …), trình tự đặc trưng của các promoter nhóm III đang được tiếp tục nghiên cứu

Sơ đồ cấu trúc các loại promoter ở sinh vật eukaryote

Vùng mang mã di truyền của sinh vật Eukaryote có cấu trúc phức tạp, mỗi gen

mã hóa protein mang thông tin di truyền mã hóa một chuỗi polypeptid xác định Phần lớn gen mã hóa protein gồm các đoạn mang mã di truyền(exon), xem kẽ với các intron là các đoạn không mang mã di truyền (no coding sequences)

Kích thước một intron có thể từ vài chục cặp bazo nitơ đến hàng nghìn cặp bazo nito, khác nhau tùy từng gen ở loài sinh vật

Ví dụ: các intron của gen ovalbumin trong lòng trắng trứng gà chiếm 75% chiều dài gen; gen mã hóa β –globin người có intron chiếm gần 25% kích thước gen, gen mã hóa yếu tố VIII ở người có intron chiếm tới gần 95% hàm lượng DNA trong gen

Sơ đồ các trình tự đặc hiệu của gen mã hóa protein

Trong quá trình phiên mã các exon và intron đều được phiên mã tạo thành phân tử tiền mRNA(pre mRNA).Sau khi gene tiến hành phiên mã xong, những

đoạn intron sẽ bị loại bỏ khỏi phân tử mRNA bằng cơ chế xử lý RNA (RNA splicing).Cơ chế này chỉ được thực hiện ở các tế bào Eukaryote (nhân thực).Các

đoạn intron này sẽ tự xúc tác cho chính phản ứng cắt nó ra khỏi đoạn mRNA (những đoạn RNA có tính chất như vậy được gọi là ribozyme) từ đó làm cho các đoạn exon gắn lại với nhau và nhờ vậy quá trình dịch mã có thể diễn ra liên tục Sau đó các phân tử mRNA trưởng thành qua màng nhân ra tế bào chất, tham gia quá trình dịch mã tổng hợp protein

Intron có thể có vai trò quan trọng trong sự biểu hiện thông tin di truyền ở Eukaryote, hoặc chức năng ổn định của cấu trúc gen và cấu trúc nhiễm sắc thể

2.5 Điểm giống và khác nhau cơ bản trong cấu trúc gen của

sinh vật bậc thấp và sinh vật bậc cao.

- Giống nhau:

+Đều được cấu tạo từ các phân từ DNA xoắn kép

+ Đều mang thông tin di truyền

- Khác nhau:

Đặc điểm Prokaryote Eukaryote

Cấu tạo hệ gene

-Chưa có gene nhân

-Bao gồm: các đoạn DNA xoắn kép dạng vòng, các gen trong Plasmid( là thành phần quan trọng), các gene nhảy( nằm trên DNA bộ gen hoặc trên DNA của các plasmid)

-Có gene nhân

- Hệ gene ngoài nhân( tập trung ở ti thể đối với tế bào động vật và nấm men,

ở lạp thể đối với tế bào thực vật)

Đặc điểm DNA

DNA xoắn kép dạng vòng hoặc dạng sợi

DNA xoắn kép kết hợp với các phân tử protein kiềm( histon) tạo nên các cấu trúc đặc trưng gọi là nhiễm sắc thể ( NST) Phần lớn mang mã di

truyền

Phần lớn không mang chức năng hoặc chưa rõ chức năng

DNA mang mã di truyền

mã hóa protein: Lượng lớn

Lượng nhỏ

Ít trình tự DNA lặp lại Được chia làm 3 nhóm:

Lặp lại nhiều( 10-15%); Ít lặp lại ( xuất hiện các gene giả) và không lặp lại ( là gene mã hóa protein

và enzyme)

Cấu trúc bộ gene

Các gene có cùng hướng trao đổi chất tạo thành các Operon Số lượng Operon

có tính đặc trưng

Các gene có chức năng riêng nên không tạo Operon

3 VÍ DỤ VỀ CẤU TRÚC GEN MỘT SỐ LOẠI PROKARYOTE VÀ EUKARYOTE

3.1 Cấu trúc gene của một số Prokaryote

3.1.1. Cấu trúc bộ gene vi khuẩn Escherichia Coli K12

Bộ gene vi khuẩnEscherichia Coli K12 là 1 phân tử DNA xoắn kép dài 1,6mm tạo thành 40-50 vòng siêu xoắn, mỗi vòng kích thước khoảng 100kb Bộ genevi khuẩnEscherichia Coli K12 được giải mã hoàn thiện năm 1977 Trong bộ gene E.Coli có 89% hàm lượng DNA mang mã di truyền, gồm 4258 gene mã hóa Protein, 122 gen mã hóa các dạng RNA, và các gen mã hóa các trình tựđiều hòa hoạt động của gen, các gen nhảy…Các gene mã hóa protein trong bộ gen của vi khuẩn E.coli trung bình 317 acid amin/ 1 chuỗi polipeptid

Phần không mang mã di truyền trong bộ gen trong bộ gen E.Coli chiếm khoảng 11%, bao gồm cácđoạn DNA intergenic và 77 trình tự lặp lại Cácđoạn intergenic có kích thước trung bình là 130bp, đoạn có kích thước lớn nhất làđoạn lặp các DNA không mang mã, khoảng 1730bp Bộ gen vi khuẩn E.coli K12 có khoảng 630-700 Operon, có 1632 gene chưa rõ chức năng, chiểm khoảng 38,6%

Bộ gene vi khuẩn Methanococcus jannaschii chỉ gồm một phân tử DNA xoắn kép dạng vòng, kích thước lớn (1666976 bp) và hai phân tử DNA dạng sợi có kích thước 58407 bp và 16550 bp

Bộ gene gồm 1743 gen mang mã di truyền trong đó có 1682 gen nằm trên DNA dạng vòng Phân tử DNA dạng sợi có kích thước lớn có 44 gene, DNA cókích thước nhỏ có 12 gene Các gene mã hóa protein thường tập trung trong các Operon

3.2 Cấu trúc gen của một số Eukaryote.

3.2.1. Bộ gen của nấm men.

Bộ gen của nấm men có kích thước là 135000kp tập hợp thành 16 NST Các NST của nấm men có kích thước khác nhau: NST số IV có kích thước lớnnhất( 1352 kb) NST số I có kích thước nhỏnhất( 230kb) Bộ gen gồm 5885 gen

mã hóa protein( coding gene), gần 140 gen mã hóa RNA ribosomal ( rRNA), 40 gen mã hóa snRNA ( small nuclear RNA) và 275 mã hóa RNA vận chuyển ( tRNA) Bộ gen nấm men có mật độ gen mã hóaprotein( coding gene) cao hơn rất nhiều so với cácđại diện Eukaryote khác ( Caenorhabditis elegans, Drosophila Melanogaster, người…)

Trong bộ gen nấm men, số lượng gen có intron chiếm tỉ lệ rấtthấp( khoảng

231 gen có intron, chiếm 4% tổng số gen) Trong bộ gen nấm men intron thường có kích thước nhỏ, các trình tự DNA lặp lại chiếm tỉ lệít hơn rất nhiều so với các sinh vật Eukaryote khác Trong tổng số 5885 gen mã hóa protein của tế bào, nấm men

đã biết chính xác 3408 loại protein,trong đó hơn 1000 loại protein giống như sinh vật bậc cao khác Ở nấm men, nhiều gen có cấu trúc tương đồng với các gen của sinh vật Prokaryote

3.2.2. Bộ gen cây mù tạc ( Mustard- Arabidopsis Thaliana)

Cây mù tạcArabidopsis Thaliana thuộc ngành thực vật có hoa, kích thước bộ gen 125mb, gồm 25498 gen Bộ gen cây mù tạc được giải trình tự năm 2000 Cây

mù tạc có 5 cặp NST Bộ gen gồm các gen có kích thước nhỏ, 1 gen có kích thước trung bình 4,6kb Các gen có cấu trúc exon xen kẽ intron, kích thước trung bình 1 exon gồm khoảng 250bp, kích thước trung bình một intron 170bp Hàm lượng DNA ti thể của cây chiếm gần 25% tổng lượng DNA trong tế bào (ở tế bào động vật, hệ gen ti thể chiếm khoảng 5% bộ gen) Trong bộ gen cây mù tạc DNA lặp lại