Đại cương về gen và trọng tâm các dạng câu hỏi ôn luyện cho học sinh giỏi về gen”

Di truyền học đi sâu vào các vấn đề cơ bản của sự tồn tại và lưu truyền sự sống nên nó giữ một vị trí đặc biệt quan trọng, có người ví "Di truyền học là trái tim của Sinh học", vì không

KỲ THI TRẠI HÈ HÙNG VƯƠNG LẦN THỨ XI – NĂM 2015

CHUYÊN ĐỀ: ĐẠI CƯƠNG VỀ GEN

VÀ TRỌNG TÂM CÁC DẠNG CÂU HỎI ÔN LUYỆN

CHO HỌC SINH GIỎI VỀ GEN

MÃ : SI05

Năm học 2014 - 2015

MỤC LỤC

CHUYÊN ĐỀ: ĐẠI CƯƠNG VỀ GEN VÀ TRỌNG TÂM CÁC DẠNG CÂU HỎI ÔN LUYỆN

CHO HỌC SINH GIỎI VỀ GEN

Phần 1: MỞ ĐẦU………

Phần 2 : NỘI DUNG……….

A ĐẠI CƯƠNG VỀ GEN ……… ……

I Khái niệm về genome và cấu trúc của genome ở Prokaryote và Eukaryote I.1 Genome………

I.2 Cấu trúc của genome ở Prokaryote và Eukaryote……….

I.2.1 Genome của vi khuẩn………

I.2.2 Genome của sinh vật nhân chuẩn………

II Đại cương về gen………

II.1 Khái niệm về gen ……… ………

II.2 Phân loại gen………

II.2.1 Gen cấu trúc ở sinh vật nhân sơ (prokaryote)………

II.2.2 Gen cấu trúc ở sinh vật nhân chuẩn (eukaryote)…

B TRỌNG TÂM CÁC DẠNG CÂU HỎI ÔN LUYỆN CHO HỌC SINH GIỎI VỀ GEN………

Phần 3: KẾT LUẬN………

BẢNG PHỤ LỤC………

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….

1 2 2 2 2 2 3 4 4 7 10 11 13

16 28 29 30

Phần 1 : MỞ ĐẦU

Nhân loại đang sống ở cuối thập niên đầu tiên của thế kỉ 21 – thế kỉ Công nghệ sinh học Di truyền học đi sâu vào các vấn đề cơ bản của sự tồn tại và lưu truyền sự sống nên nó giữ một vị trí đặc biệt quan trọng, có người ví "Di truyền học là trái tim của Sinh học", vì không ít thì nhiều, nó liên quan và chi phối bất kì lĩnh vực nào của sinh học, từ các cơ chế phân tử của sự sống cho đến sự tiến hóa của toàn bộ thế giới sinh vật trên hành tinh của chúng ta

Trong thực tế, di truyền phân tử, một trong những lĩnh vực của di truyền học, đã và đang được đẩy mạnh nghiên cứu mạnh mẽ nhất và càng đào sâu tìm hiểu chúng ta càng thấy được sự logic, chặt chẽ và vô tận của nó Các đề thi học sinh giỏi Quốc tế, học sinh giỏi Quốc gia trong nhiều năm gần đây đều khai thác triệt để các vấn đề xoay quanh lĩnh vực Di truyền học phân tử cho các câu hỏi phần Di truyền học hay tích hợp giữa Di truyền học và Tiến hóa Hơn thế nữa, rất nhiều các lĩnh vực khác nhau của sinh học hiện nay cũng đều được giải thích dựa trên nền tảng là những kiến thức nền của Di truyền phân tử Vì vậy, nhằm cung cấp một cái nhìn rõ nét hơn về một số mảng về Di truyền học nói chung và Di truyền phân tử nói riêng, tôi chọn chuyên đề : “Đại cương về gen và trọng tâm các dạng câu hỏi ôn luyện cho học sinh giỏi về gen”

Cấu trúc chuyên đề gồm 3 phần:

Phần 1: Mở đầu

Phần 2: Nội dung

A Đại cương về gen

B Trọng tâm các dạng câu hỏi ôn luyện cho học sinh giỏi về genPhần 3: Kết luận

Phần 2 : NỘI DUNG

A ĐẠI CƯƠNG VỀ GEN

I Khái niệm về genome và cấu trúc của genome ở Prokaryote và Eukaryote.

I.1 Genome

Genome (hay còn gọi là hệ gen), là cấu trúc chứa toàn bộ vật chất di truyền trong cơ thể sinh vật, được mã hóa trong ADN (ở một số virut là ARN) Mỗi genome chứa tất cả thông tin cần thiết để xây dựng và duy trì cơ thể đó

Dự án genome là dự án xác định cấu trúc di truyền chính xác của một genome

cơ thể sống, nghĩa là trình tự ADN của tất cả các gen của nó Dự án genome của một

số sinh vật mô hình đã được hoàn thành Trình tự genome của những sinh vật mô hình rất có ý nghĩa trong những nghiên cứu của một chuyên ngành khoa học mới đó là genome học (genomics) Dựa vào đây, các nhà sinh học phân tử có thể phân tích cấu trúc, hoạt động và chức năng của các gen, làm sáng tỏ được vai trò của các đoạn trình tự ADN lặp lại, các đoạn ADN không chứa mã di truyền, và các đoạn ADN nằm giữa các gen Điều đặc biệt có ý nghĩa là khi so sánh các genome với nhau, có thể hiểu được hoạt động của genome trong các cơ thể sống, mối quan hệ giữa chúng, sự đa dạng sinh học và mức độ tiến hóa

Kết quả bước đầu so sánh genome giữa các loài sinh vật với nhau đã cho thấy có

ba đặc điểm nổi bật: 1) các gen phân bố trong genome không theo qui luật, 2) kích thước của genome thay đổi không tỷ lệ thuận (tương quan) với tính phức tạp của loài, 3) số lượng nhiễm sắc thể cũng rất khác nhau ngay giữa những loài rất gần nhau

I.2 Cấu trúc của genome ở prokaryote và eukaryote

Genome chứa mọi thông tin di truyền đặc trưng cho từng loài, thậm chí cho từng

cá thể trong loài Genome có thể bao gồm các phân tử ADN hoặc ARN Đối với sinh vật bậc cao, kích thước genome thay đổi từ 109 bp (động vật có vú) đến 1011 bp (thực vật) Khác với tế bào sinh vật nhân sơ (prokaryote), các gen trong genome của eukaryote thường tồn tại nhiều bản sao và thường bị gián đoạn bởi các đoạn trình tự nuclêôtit không mang thông tin di truyền (các intron) Vì vậy, một trong những vấn đề đang được quan tâm là cần phải biết số lượng các gen khác nhau có mặt trong genome

cũng như số lượng các gen hoạt động trong từng loại mô, từng giai đoạn phát triển và

tỷ lệ các gen so với kích thước genome

I.2.1 Genome của vi khuẩn

- Genome của vi khuẩn có cấu tạo rất đơn giản: Kích thước nhỏ, toàn bộ genome của vi khuẩn là một phân tử ADN ở dạng vòng, mạch kép và không có màng nhân bao bọc Các gen đều tồn tại đơn bản và ở trạng thái đơn bội Các đột biến điểm phát sinh đều có thể được biểu hiện ngay ra kiểu hình Vì vậy, vi khuẩn sinh sản rất nhanh đồng thời liên tục biến đổi thành những chủng loại mới để có thể thích nghi được với những điều kiện môi trường khác nhau và thường xuyên thay đổi trong quá trình tiến hóa

Hình 1 Genome của vi khuẩn E.coli.

- Ngoài ra, một số vi sinh vật chứa thêm plasmit, một dạng phân tử ADN kích thước rất bé, tồn tại ở dạng mạch vòng tự do trong tế bào chất của vi khuẩn và một số chủng nấm men, có khả năng tự nhân lên độc lập với hệ genome của vi khuẩn Plasmit thường chứa một số gen có tính đặc thù cao và có ý nghĩa rất quan trọng giúp cho vi

khuẩn có thêm những đặc tính khác biệt như gen kháng kháng sinh giúp chúng sinh trưởng và phát triển tốt trong điều kiện môi trường có các chất kháng sinh diệt khuẩn , gen giúp cho vi sinh vật có khả năng tuyển chọn được khoáng trên môi trường tuyển chọn, một số gen chỉ thị màu,… Bên cạnh đó, các vi khuẩn có thể truyền cho nhau những gen đặc biệt này thông qua cầu tiếp hợp giúp cho các quần thể vi khuẩn có thể tồn tại và chống chọi tốt hơn với những điều kiện môi trường xung quanh, đồng thời gây nên những khó khăn nhất định cho con người trong công cuộc chống lại các bệnh truyền nhiễm do vi sinh vật gây ra.

Hình 2 Plasmit của vi khuẩn E.coli.

(Nguồn: https://voer.edu.vn/m/plasmid/41c26b02)

I.2.2 Genome của sinh vật nhân chuẩn

99% genome nằm trong nhân tế bào Phần còn lại nằm trong một số bào quan (ty thể, lạp thể) Genome trong nhân có một số đặc điểm như sau:

- Thường có kích thước rất lớn (12Mb đến 120.000Mb) và phân bố trên các NST dạng thẳng Các NST có kích thước rất dài được đóng xoắn rất chặt và gói gọn trong nhân tế bào Các phân tử ADN ở sinh vật nhân chuẩn có cấu trúc hệ gen rất phức tạp, gồm các trình tự nuclêôtit lặp lại và các thành phần không lặp lại

Hình 3 23 cặp nhiễm sắc thể ở người được xác được qua phương pháp tế bào

học (nhuộm băng NST).

(Nguồn:

http://sciencedoing.blogspot.com/2013/01/human-male-degenerative-sex.html)

- Các loại ADN trong genome:

+ Các trình tự lặp lại nhiều lần: Chiếm 10-15% genome, đây những trình tự ADN ngắn (10-200kb), không làm nhiệm vụ mã hóa cho bất kì prôtêin nào, chúng tập trung chủ yếu ở những vùng chuyên biệt trên NST (tâm động, đầu mút NST,…)

+ Các trình tự lặp lại trung bình: 25-40%, là những đoạn ADN có kích thước lớn hơn (100-1000kb) Những đoạn trình tự này thường không có chức năng mã hóa cho bất kì sản phẩm nào hoặc mã hóa cho rARN, tARN, 5S ARN

+ Các trình tự duy nhất: Là các gen mã hóa cho các prôtêin, có trình tự đặc trưng cho từng gen

+ Trên thực tế, hầu hết trình tự các trình tự nuclêôtit phân bố trong thành phần ADN không lặp lại Các gen chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ so với toàn bộ genome (1-2% genome) Các gen thường phân bố xa nhau và trong gen chứa nhiều intron Các chức năng của intron đang ngày một được làm rõ và có thể nhận định rằng sự xuất hiện của intron là một xu hướng tiến hóa đặc biệt của một nhánh vi sinh vật cổ đồng thời intron cũng có rất nhiều chức năng quan trọng trong quá trình điều hòa hoạt động của gen, biệt hóa tế bào và sự xáo trộn exôn-intron tạo ra các phân tử mARN khác nhau, Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng đang đưa ra giả thuyết chứng minh rằng sự xuất hiện của các gen phân mảnh có một số yếu tố đặc biệt liên quan đến sự xuất hiện của màng nhân ở sinh vật nhân thực trong quá trình tiến hóa

+ Các gen trong tế bào sinh vật nhân thực thường có nhiều bản sao Các bản sao của một gen được xếp vào một họ gen Cấu trúc họ gen ở đây có một số điểm gần tương đồng với các mô hình điều hòa hoạt động của gen opêrôn như ở sinh vật nhân sơ nhưng cũng có rất nhiều điểm khác biệt Mỗi gen trong họ thường hoạt động ở một thời điểm nhất định trong quá trình phát triển cá thể hay trong các mô riêng biệt Sự hoạt động của các gen này được điều hòa một cách nhịp nhàng và chặt chẽ bởi rất nhiều cơ chế điều hòa hoạt động của gen phức tạp và nhiều cấp độ.

Còn đối với genome nằm trong tế bào chất, cụ thể là nằm ở hai bào quan là ty thể và lục lạp, có nguồn gốc sâu xa từ vi khuẩn hiếu khí nội cộng sinh, có một số đặc điểm như sau:

+ Genome ty thể: Là phân tử ADN dạng mạch vòng kép, chứa các gen mã hóa cho rARN của ty thể và một số enzyme tham gia vào chuỗi hô hấp Ngoài ra, ty thể còn chứa các gen mã hóa tRNA, ribôxôm và một số prôtêin liên quan đến quá trình phiên mã, dịch mã, và vận chuyển các prôtêin khác vào ty thể từ tế bào chất

Hình 4 ADN ty thể của người Bao gồm 22 gen tARN, 2 gen rARN, và 13 vùng

mã hóa prôtêin.

(Nguồn: http://humupd.oxfordjournals.org/content/16/5/488/F1.expansion.html)

+ Genome lục lạp: chứa ADN ở dạng kép, mạch vòng, chứa khoảng 200 gen Các gen mã hoá cho các rARNvà tARN và các prôtêin cần cho hoạt động quang hợp.

Cả hai nhóm genome này đều di truyền theo dòng mẹ, không xảy ra hiện tượng tái tổ hợp di truyền giống như gen ở trong nhân và tồn tại ở trạng thái đơn bội nên các đột biến điểm khi phát sinh thì nhanh chóng được biểu hiện ra kiểu hình của cơ thể

Hình 5 ADN lục lạp.

(Nguồn: http://tolweb.org/notes/?note_id=4148)

Trước đây có những dẫn chứng chứng minh các phân tử ADN trong ty thể, lục lạp có khả năng nhân lên một cách độc lập với hệ genome trong nhân của tế bào, đó là số lượng bản sao của ty thể và lục lạp trong tế bào là rất lớn Hiện nay, các nhà khoa học đang tìm ra một số thông tin để làm nền tảng chứng minh rằng sự nhân lên và hoạt động của ty thể và lục lạp có phụ thuộc vào một số prôtêin được tạo ra từ trong hệ gen của nhân tế bào vận chuyển ra tế bào chất

II Đại cương về gen

II.1 Khái niệm về gen

Theo khái niệm truyền thống, gen là một đoạn của phân tử ADN mang thông tin mã hóa cho một sản phẩm nhất định, đó là các sản phẩm cần thiết đối với hoạt động sống của tế bào Gen tham gia vào quá trình phiên mã tạo ra các phân tử ARN gồm rất nhiều loại với các chức năng khác nhau, trong đó có ba loại ARN chính là mARN, rARN, tARN tham gia vào quá trình dịch mã tổng hợp prôtêin và các loại ARN khác tham gia vào quá trình kiểm soát và điều hòa hoạt động của genome

Ngày nay, định nghĩa về gen ở các đối tượng sinh vật khác nhau, và cả đối tượng không phải sinh vật sống - vi rút, cũng được mở rộng hơn Cụ thể, thông qua nghiên cứu nhiều chủng virút khác nhau, người ta nhận thấy rằng không chỉ ADN mà ARN cũng có thể cấu tạo nên vật chất di truyền, thậm chí thông qua quá trình nhân lên của vật chất di truyền ở các đối tượng vi rút này còn có sự khác biệt rất lớn so với các sinh vật sống đã biết Vi rút được tìm thấy ở bất cứ nơi nào có sự sống và có thể đã tồn tại

kể từ khi tế bào sống đầu tiên được tiến hóa thành Nguồn gốc của vi rút không rõ ràng bởi chúng không tạo hóa thạch, vì vậy các kĩ thuật phân tử đã được sử dụng để so sánh ARN hay ADN của vi rút và là một công cụ hiệu quả để nghiên cứu xem chúng phát sinh ra sao Nhìn chung, có ba giả thuyết chính để giải thích nguồn gốc của vi rút như sau:

+ Giả thuyết thoái lui: Giả thuyết này cho rằng vi rút có thể đã từng là những tế bào nhỏ mà ký sinh bên trong những tế bào lớn hơn Trải qua thời gian, những gen không cần thiết cho sự ký sinh này mất đi Những vi khuẩn như Rickettsia và Chlamydia cũng sống trong tế bào và giống như vi rút, chỉ có thể sinh sản khi ở bên trong tế bào vật chủ Những vi khuẩn này đã hỗ trợ cho giả thuyết thoái lui, do sự phụ thuộc ký sinh của chúng có thể đã làm mất đi những gen cho phép chúng tồn tại bên ngoài tế bào

+ Giả thuyết nguồn gốc từ tế bào: Theo giả thuyết này, một số vi rút có thể đã tiến hóa từ những mảnh ADN hay ARN mà "thoát ra" từ hệ gen của những sinh vật lớn hơn ADN thoát ra có thể là từ những plasmit (những đoạn ADN trần mà có thể di chuyển giữa những tế bào) hoặc từ những transposon (những phân tử ADN mà nhân lên và di chuyển quanh những vị trí khác nhau bên trong bộ gen của tế bào) Từng được gọi là những "gen nhảy", transposon là những ví dụ của các yếu tố di truyền di động và có thể là nguồn gốc của một số vi rút Chúng được phát hiện ở ngô bởi Barbara McClintock vào năm 1950

+ Giả thuyết đồng tiến hóa: Còn được gọi là "giả thuyết vi rút - đầu tiên", đề xuất rằng vi rút có thể đã tiến hóa từ những phân tử prôtêin và axít nuclêic phức tạp cùng một thời điểm khi tế bào xuất hiện lần đầu trên Trái Đất, và đã không hề bị phụ thuộc vào tế bào trong hàng tỷ năm Viroid là những phân tử ARN mà không được phân loại là vi rút bởi chúng thiếu đi lớp vỏ prôtêin Tuy nhiên, chúng có những đặc tính tương đồng với vài loại vi rút và thường được gọi là những "tác nhân dưới vi rút"

Viroid là những mầm bệnh quan trọng ở thực vật Chúng không mã hóa prôtêin nhưng lại tương tác với tế bào chủ và sử dụng bộ máy tế bào vật chủ cho sự nhân lên của chúng.Vi rút viêm gan siêu vi D trên người cũng có bộ gen ARN tương đồng với viroid nhưng có lớp vỏ prôtêin xuất xứ từ vi rút viêm gan B và không có khả năng tạo ra lớp

vỏ của riêng chúng Vì vậy, chúng là một loại virus khiếm khuyết và không thể tự nhân lên mà không có virus viêm gan B giúp đỡ Tương tự như vậy, sputnik virophage cũng

bị lệ thuộc vào mimivirus, loại vi rút lây nhiễm trên Acanthamoeba castellanii Những

vi rút mà phụ thuộc vào sự hiện diện của những loài vi rút khác trong tế bào vật chủ được gọi là những vệ tinh và có thể là đại diện cho một bước trung gian trong quá trình tiến hóa giữa viroid và vi rút

Hình 6 Vi rút Sputnik kí sinh bên trong một vi rút khác thuộc họ Mimivirus.

(Nguồn: http://femsre.oxfordjournals.org/content/34/3/260)

Vậy genome của vi rút được phân loại như thế nào? David Baltimore, nhà sinh vật học nổi tiếng đã dành được giải Nobel Sinh học đã dùng hệ thống phân loại học Baltimore của mình để chia các chủng vi rút ra thành các nhóm lớn tùy theo cấu trúc vật chất di truyền của chúng Thực tế, Baltimore phân loại vi rút dựa trên cơ chế sản xuất ARN thông tin (mRNA) Vi rút phải tạo ra mRNA từ bộ gen của chúng để sản xuất prôtêin và sao chép chính chúng, nhưng có những cơ chế khác nhau đã được sử dụng để đạt được điều này trong mỗi họ virus Bộ gen vi rút có thể là sợi đơn (ss) hoặc sợi đôi (ds), ARN hoặc ADN, và có thể sử dụng enzym phiên mã ngược (RT) hoặc

không Thêm vào đó, những vi rút ssARN có thể là dương tính (+) hoặc âm tính (−)

Hệ thống phân loại này sắp xếp vi rút vào 7 nhóm:

+ I: vi rút dsADN (ví dụ Adenovirus, Herpesvirus, Poxvirus)

+ II: vi rút ss ADN ADN (+) (ví dụ Parvovirus)

+ III: vi rút dsARN (ví dụ Reovirus)

+ IV: vi rút (+) ssARN ARN (+) (ví dụ Picornavirus, Togavirus)

+ V: vi rút (−) ssARN ARN (-) (ví dụ Orthomyxovirus, Rhabdovirus)

+ VI: vi rút ssARN-RT ARN (+) với trung gian ADN (ví dụ Retrovirus)

+ VII: vi rút dsADN-RT (ví dụ Hepadnavirus)

Hình 7 Phân loại vi rút theo vật chất di truyền của Baltimore.

(Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Virus_classification)

Với những hiểu biết đầy đủ hơn về đối tượng không được coi là sinh vật sống mà chỉ coi là một dạng sống, vi rút, từ đó ta thấy gen, với cách định nghĩa mới, là một đoạn của phân tử axit nuclêic (có thể là ADN hoặc ARN với các dạng cấu trúc như nêu ở trên), mang thông tin mã hóa cho một sản phẩm nhất định 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 lô cút 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 polipeptit để gắn lại tạo ra prôtêin có hoạt tính sinh học Ngoài ra, gen còn mã hóa cho các tARN, rARN và snARN

II.2 Phân loại gen

Dựa vào các tiêu chí khác nhau, người ta phân loại gen ra làm nhiều loại khác nhau Cụ thể, nếu dựa vào chức năng của gen có thể chia thành hai loại là gen cấu trúc và gen điều hòa Nếu dựa trên sự phân mảnh của gen, tức là vùng mã hóa có sự xen kẽ giữa các đoạn có ý nghĩa mã hóa (exôn) và các đoạn vô nghĩa (intron) hay có tính liên tục, người ta chia gen thành hai nhóm là gen phân mảnh và gen không phân mảnh Thậm chí, khi xét về genome của nhóm sinh vật nhân chuẩn, cùng với sự xuất hiện của màng nhân và nhân chính thức, theo vị trí của gen, có thể chia thành hai nhóm gồm gen nằm trong nhân và gen nằm trong tế bào chất với các đặc điểm về cấu trúc và phương thức di truyền rất khác nhau

II.2.1 Gen cấu trúc ở sinh vật nhân sơ (prokaryote):

Ở sinh vật nhân sơ, mỗi gen cấu trúc được chia ra làm hai phần, gồm có vùng điều khiển hoạt động của gen và vùng mang thông tin di truyền

Vùng điều khiển hoạt động của gen là một đoạn trình tự nuclêôtit nằm trước các đoạn gen mang thông tin mã hóa cho các phân tử prôtêin, bắt đầu từ -1, gồm các vị trí:

- Promoter: Promoter là trình tự nhận biết của enzyme ARN polymeraza và là nơi mà enzyme ARN polymeraza gắn vào để xác định vị trí bắt đầu phiên mã Do vậy nên promoter có những cấu trúc đặc hiệu giúp enzyme nhận biết chính xác Khảo sát nhiều promoter khác nhau của các gen, người ta nhận thấy phần tâm của promoter có những trình tự chung giống nhau và gọi là các hộp, ví dụ ở E coli có hộp TATAAT Hộp này thường nằm ở vị trí khoảng −10, tức là nằm ở khoảng 10 nuclêôtit phía trước

vị trí khởi đầu phiên mã hay trình tự TTGACA nằm ở vị trí −35, tức là khoảng 35 nuclêôtit trước vị trí khởi đầu phiên mã Ở vi khuẩn có một loại promoter vì chỉ có một loại ARN polymeraza

Hình 8 Vùng trung tâm của promoter của operon Tryptophan ở vi khuẩn

(Nguồn: Giáo trình Sinh học phân tử – Nguyễn Hoàng Lộc)

- Vị trí hoạt hóa (A) hoặc vị trí ức chế (O): được nhận biết bởi các prôtêin điều khiển, chúng có thể liên kết với ADN hoặc ARN polymeraza làm tăng cường hoặc kìm hãm hoạt động của gen trong quá trình phiên mã

Tiếp theo vùng điều khiển hoạt động của gen là vùng mang thông tin di truyền,

là đoạn trình tự nuclêôtit được phiên mã từ ADN sang mRNA theo chiều 5’ 3’ trên sợi đang tổng hợp (bắt đầu từ vị trí +1) Đoạn trình tự này gồm một số vùng như sau:

- Vùng đầu 5’ và 3’ không dịch mã (5’UTR và 3’UTR): Đây là các đoạn trình tự nuclêôtit chưa được biết rõ các chức năng một cách đầy đủ, tuy nhiên các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chúng đóng vai trò quan trọng trong việc quy định tuổi thọ của các phân tử mARN, đồng thời tham gia vào quá trình kiểm soát phiên mã ở trong tế bào Trong đó, vùng đầu 5’UTR không dịch mã được tính từ nuclêôtit phiên mã đầu tiên đến bộ ba nuclêôtit khởi đầu quá trình dịch mã (AUG hoặc GUG tùy thuộc vào các đối tượng sinh vật) Trình tự các nuclêôtit không dịch mã đầu 3’ (3’ UTR) được tính từ một trong

ba codon dừng dịch mã (UAA, UAG, UGA) đến hết trình tự kết thúc quá trình phiên mã

Hình 9 Vùng 5’UTR và 3’UTR trong gen cấu trúc.

(Nguồn:

https://www.ufpe.br/biolmol/Genetica-Medicina/genes-estrutura_e_organizacao.htm)

- Vùng khung đọc mở của gen: Đây là phần ADN sẽ tham gia vào quá trình mã hóa các chuỗi polipeptit trong các phân tử prôtêin, có tính liên tục vì không có sự xen kẽ giữa các đoạn exôn và các đoạn intron Vùng khung đọc mở của gen được bắt đầu bằng một codon khởi đầu (AUG) và kết thúc bằng một trong 3 mã kết thúc là UAA/UAG/UGA Quá trình dịch mã được đọc từ đầu 5’ -> 3’, đọc theo phân tử mRNA một cách liên tục theo từng mã một, mỗi codon tương ứng với một axit amin

trong chuỗi pôlipeptit đang được kéo dài, không có hiện tượng chùm và gối lên nhau (chỉ xảy ra ở vi rút) cho đến tận mã kết thúc thì dừng lại.

Các gen prokaryote thường sắp xếp nằm gần nhau và chịu sự điều khiển chung của một promoter, tức là chúng được phiên mã sang cùng một phân tử mRNA Cấu trúc này được gọi là opêrôn Như vậy, một opêrôn gồm hai hay nhiều gen nằm cạnh nhau trên một nhiễm sắc thể Thông thường, đó là các gen cùng tham gia vào một con đường chuyển hóa, ví dụ như các gen mã hóa cho các enzyme cần thiết cho quá trình chuyển hóa glucose

Do có chung promoter điều khiển cho mọi gen nằm trong một opêrôn cho nên chỉ có một loại phân tử mRNA được tổng hợp từ một opêrôn (mang thông tin di truyền của tất cả các gen nằm trong đó) Nói cách khác, quá trình phiên mã của các gen trong một opêrôn xảy ra đồng thời và phân tử mRNA đặc trưng cho opêrôn được gọi là mRNA polycistron

Hình 10 Cấu trúc operon trong genome vi khuẩn Một operon là một đơn vị

phiên mã đơn bao gồm một chuỗi các gen cấu trúc, một promoter và một operator.

(Nguồn: Giáo trình Sinh học phân tử – Nguyễn Hoàng Lộc)

Tuy nhiên, điều cần ghi nhớ là quá trình dịch mã trên các phân tử mRNA polycistron xảy ra hoàn toàn độc lập với nhau Mỗi đoạn tương ứng với một gen trên phân tử này đều có vị trí bám của ribôxôm, có mã bắt đầu và kết thúc tổng hợp chuỗi polypeptit riêng biệt Do đó, tốc độ tổng hợp các prôtêin trên các phân tử mRNA polycistron hoàn toàn khác nhau

II.2.2 Gen cấu trúc ở sinh vật nhân chuẩn (eukaryote):

Ở sinh vật nhân chuẩn, cấu trúc hệ gen phức tạp hơn rất nhiều so với hệ gen của sinh vật nhân sơ Một gen cấu trúc điển hình ở các tế bào eukaryote gồm có 3 phần chính: vùng điều khiển hoạt động của gen, vùng mang thông tin di truyền và vùng kết thúc của gen.

Hình 11 Cấu trúc gen phân mảnh ở sinh vật nhân chuẩn.

(Nguồn: Giáo trình Sinh học phân tử – Nguyễn Hoàng Lộc)

- Vùng điều khiển hoạt động của gen: Đây là nơi có các trình tự cho sự nhận biết của enzym ARN polymeraza và các prôtêin điều hòa Tại đoạn trình tự này chứa vùng khởi động (promoter) có chung một số trình tự như hộp TATA (-25) và CAAT (-75) ; trình tự giàu GC (-90) tham gia vào quá trình khởi đầu quá trình phiên mã Bên cạnh đó còn có một số trình tự đặc biệt nằm trong vùng điển khiển hoạt động của gen là trình tự tăng cường (enhancer) phân bố ở gần, xa hoặc trong gen; ngoài ra còn co các trình tự kìm hãm (silencer) giúp cho quá trình điều hòa hoạt động của gen diễn ra một cách nhịp nhàng hơn

- Vùng mang thông tin di truyền: Gồm các đoạn trình tự ADN mang thông tin mã hóa exôn xen kẽ với các đoạn không có thông tin mã hóa intron và có 2 đầu 5’UTR và 3’UTR Khung đọc mở của gen cấu trúc ở sinh vật nhân chuẩn cũng tương tự như ở sinh vật nhân sơ, cụ thể khung đọc mở bắt đầu từ bộ ba khởi đầu (AUG) và kết thúc tại

mã kết thúc (UAA/ UAG/UGA) Các bộ ba được đọc liên tục từ đầu 5’ về đầu 3’, đọc từng mã, không chồng chéo lên nhau cho đến mã kết thúc Bên trong mỗi gen cấu trúc, exôn là trình tự mang thông tin di truyền thường được mã hóa sang prôtêin; nằm ở 3 vùng: Vùng 1 làm tín hiệu phiên mã và dịch mã, vùng 2 dịch mã sang prôtêin, vùng 3 tín hiệu kết thúc dịch mã và gắn đuôi polyA Các đoạn trình tự intron được phiên mã sang tiền mARN sau đó bị cắt bỏ đi trong cơ chế cắt xén các intron – ghép nối các exôn ở mức điều hòa sau phiên mã tạo ra phân tử mARN trưởng thành trực tiếp tham