Bài giảng di truyền học

tổng hợp các kiến thức về di truyền học. tìm hiểu chi tiết về di truyền học. tài liệu dùng cho sinh viên đại học và cao đẳng ngành sinh học và chuyên sâu về sinh học.......................... ......................... ......ádasd ádasđưeadfsfrg f g gtr hgr thrghjtysjghjgtj rdgergtjgisjfdiujgoerkt;earplg lê hồng nhung lê hồng nhung an vanmw tháng an văn tháng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÁI NGUYÊN

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

DI TRUYỀN HỌC

Số tín chỉ: 4(Lý thuyết: 37; Thực hành: 46)

(i) Mục tiêu môn học

+ Kiến thức: Học phần di truyền học cung cấp những kiến thức cơ bản về cơ sở vật

chất và các cơ chế di truyền ở cấp độ phân tử, tế bào; Mã di truyền – Mối liên hệ giữa ADN, ARN và protein; các qui luật di truyền và biến dị; các cơ chế tái tổ hợp di truyền ở sinh vật; công nghệ tái tổ hợp ADN; những kiến thức cơ bản về di truyền học người, di truyền học quần thể; ứng dụng của Di truyền học trong thực tiễn chọn giống.

+ Kỹ năng: Đọc tài liệu liên quan đến nội dung môn học; Có kỹ năng làm tiêu bản

trong nghiên cứu di truyền học (kiểm tra các kỹ năng của sinh viên thông qua các tiêu bản cụ thể), vận dụng kiến thức lý thuyết giải thích các qui luật hoặc hiện tượng liên quan đến di truyền học.

+ Thái độ: Thái độ đúng đắn trong học tập để nắm bắt được các nội dung kiến thức

cơ bản, làm tiền đề cho việc tiếp thu các môn học liên quan và phục vụ cho công tác giảng dạy ở trường THPT sau này.

(ii) Chuẩn bị

+ Phòng học có: Bảng; máy chiếu; Phòng thí nghiệm được trang bị kính hiển vi hoạt động tốt, có độ phóng đại từ 400 lần trở lên; máy tính chứa phần mền chuyên dụng kết nối với kính hiển vi.

+ Sinh viên: Có bài giảng của giảng viên và các tài liệu tham khảo liên quan (theo yêu cầu của giảng viên).

+ Địa điểm: Học lý thuyết trên giảng đường; Làm thực hành tại phòng thí nghiệm chuyên dụng của bộ môn.

MỞ ĐẦU

(Lý thuyết: 02 tiết)

Mục tiêu: Sinh viên hiểu và phân biệt được các khái niệm về: Di truyền học; tính di truyền; tính

biến dị; Thông tin di truyền; Tính quy luật của các hiện tượng DT; ứng dụng di truyền học;Phương pháp nghiên cứu di truyền học

Nội dung giảng dạy trên lớp: Các khái niệm: Di truyền học; tính di truyền; tính biến dị; Thông

tin di truyền; Tính quy luật của các hiện tượng DT

Sinh viên tự nghiên cứu: Các giai đoạn phát triển của di truyền học; Thành tựu nghiên cứu di

truyền học

Tài liệu học tập:

1 Chu Hoàng Mậu, Nguyễn Thị Tâm, 2006, Giáo trình Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà Nội.

Phương tiện: Bảng; Máy tính; Máy chiếu;

Phương pháp: Thuyết trình; Tự nghiên cứu.

1 Di truyền học

1.1 Di truyền học là gì?

1.2 Thông tin di truyền

1.3 Tính quy luật của các hiện tượng DT

1.4 ứng dụng di truyền học

2 Các giai đoạn phát triển của di truyền học

2.1 Giai đoạn trước Mendel

Thế kỷ V trước CN, Hipocrate (thuyết DT truyền trực tiếp), đối nghịch với Hipocrate là quan niệmcủa Aristose (thuyết DT truyền gián tiếp)

Thế kỷ 19 sinh vật học đã phát triển mạnh mẽ, phương pháp lai giống đã áp dụng rộng rãi ở thựcvật và động vật Các quan niệm như “sự DT hoà hợp” (blending), “ sự DT tập nhiễm” của Lamarck

Darwin (1809-1882) đã phát triển thuyết pangen (pangensis)

Năm 1871, F Galton đã tiến hành thực nghiệm kiểm tra thuyết Pangen của Darwin ở thỏ Galton đãtruyền máu thỏ đen cho thỏ trắng, sau đó lai những con đã truyền máu với nhau, qua 3 thế hệ khôngtìm thấy ảnh hưởng tới thỏ trắng Điều này đã chứng tỏ máu thỏ không chứa gemmule

2.2 Giai đoạn DT Mendel (1866-1900)

Mendel (1866-1900) là người đầu tiên phát hiện ra các quy luật DT Trong kỷ yếu Hội các nhà tựnhiên học của thành phố Bruno “Các thí nghiệm lai ở thực vật”, Mendel đã chứng minh sự DT các

tính trạng có tính gián đoạn và được chi phối bởi các nhân tố DT (element) mà sau này gọi là gen.

2.3 Sự phát triển của thuyết DT nhiễm sắc thể

Từ 1911 Morgan T.H và CS (1866-1945) đã tiến hành nghiên cứu trên đối tương ruồi giấm

(Drosophila melanogaster ) và xây dựng nên thuyết di truyền NST Theo thuyết này các gen nằm

trên NST xếp theo chiều dọc tạo thành nhóm gen liên kết Bản đồ di truyền cổ điển được xây dựng

Từ 1920, Vavilop N.I nêu lên quy luật về các dãy BD đồng dạng và sau này thành thuyết về các

trung tâm giống cây trồng trên thế giới.

Năm 1925-1927 đã có hàng loạt nghiên cứu về tác động gây đột biến của tia X, đặt cơ sở chophương pháp đột biến thực nghiệm

2

Năm 1933, Painter phát hiện ra NST khổng lồ ở côn trùng 2 cánh đặt cơ sở cho nghiên cứu ĐB

NST và lập bản đồ di truyền tế bào Năm 1941, Beadle G và Tatum E nêu ra thuyết 1 gen – 1

enzym chứng minh gen kiểm tra các phản ứng sinh hoá Đến những năm 40 của thế kỷ 20 Mc

Clintock (Nhà di truyền học Mỹ) đã phát hiện ra yếu tố di truyền vận động (transposable gentic

elements) và bà được nhận giải thưởng Nobel năm 1983 ở tuổi 80

Thời kỳ cho đến cuối những năm 40 được coi là di truyền học cổ điển

2.4 Sự phát triển của Di truyền học phân tử

Năm 1944, Avery, Mc Leod và Mc Carty thực hiện biến nạp và chứng minh ADN là vật chất ditruyền, mãi đến 1952 vai trò của ADN mới được xác nhận

Năm 1953 mô hình ADN của Watson-Cric ra đời;

Năm 1961 Nirenberg M và Matthei J đã tìm ra bộ mật mã di truyền, cũng năm 1961 Jacob F và

Monod tìm ra cơ chế di truyền điều hoà sinh tổng hợp protein ở E.coli

2.5 Giai đoạn từ khi kỹ thuật DT ra đời đến nay

Từ năm 1970, kỹ thuật di truyền (gentech) ra đời tạo nên cuộc cách mạng mới trong Di truyền học

và cả trong sinh học Những thành công của kỹ thuật di truyền đó là: (1) Kỹ thuật tách chiết ADN,định lượng và xác định độ sạch ADN (2) Các kỹ thuật RFLP, RAPD, ALFP ….(3) Kỹ thuật ADNtái tổ hợp (4) Genomics và phân lập gen, xác định trình tự gen là cơ sở xây dựng kỹ thuật gây độtbiến định hướng (5) Proteomics và biểu hiện gen Kỹ thuật này thúc đẩy sự phát triển của công

nghệ protein (protein engineering).

3 Phương pháp nghiên cứu di truyền học

3.1 Phương pháp lai

Sử dụng các phương pháp lai truyền thống như: Phương pháp phân tích cơ thể lai, lai phân tích, laithuận nghịch, theo dõi phả hệ, lai xa, lai tế bào xoma So sánh kết quả lai giữa các thế hệ với bố mẹlàm cơ sở phân tích những đặc điểm di truyền nghiên cứu

3.2 Phương pháp đột biến thực nghiệm

Sử dụng các tác nhân vật lý và hoá học xử lý vật liệu ở giai đoạn thích hợp tuỳ thuộc và từng loạicây trồng (hạt, chồi, mầm ) để gây đột biến Theo dõi thí nghiệm qua các thế hệ M1, M2, M3 đểphát hiện đột biến, xác định đặc điểm di truyền của các đột biến có ích Đánh giá các dòng đột biến

có triển vọng , ở M4, M5 để làm giống

3.3 Phương pháp tế bào học: Chế tạo tiêu bản nhiễm sắc thể, quan sát quá trình phân chia tế bào

và nghiên cứu bộ NST, phát hiện những biến đổi về số lượng và cấu trúc NST

3.4 Kỹ thuật di truyền: Các kỹ thuật thao tác trên ADN và nhiễm sắc thể trong nghiên cứu di

truyền học Đó là phân lập gen, tách dòng phân tử, biểu hiện gen và chuyển gen

3.5 Phương pháp thống kê sinh học

Sử dụng phương pháp thống kê sinh học trong phân tích phương sai, phân tích tương quan hồi quy,xác định các giá trị như hệ số di truyền, hệ số biến dị kiểu hình, biến dị kiểu gen và biến dị do môi

trường.

4 Thành tựu nghiên cứu di truyền học

Chương 1 VẬT CHẤT DI TRUYỀN

(Lý thuyết: 06 tiết)

Mục tiêu

+ Các tiêu chuẩn của vật chất di truyền; Bằng chứng về vai trò mang thông tin di truyền của axit

nucleic; Vật chất di truyền ở virut, sinh vật tiền nhân (Prokaryot) và sinh vật nhân thực (Eukaryot).

+ Cấu trúc của axit nucleic: (1) Axit deoxiribonucleic (ADN): Đặc tính của ADN; Thành phần vàcấu trúc hoá học của ADN; Cấu trúc vật lý (2) Cấu trúc và chức năng của các loại ARN

+ Cấu trúc của nhiễm sắc thể: tính đặc trưng của nhiễm sắc thể; Cấu trúc và chức năng di truyền củaNST; Cơ chế ổn định của bộ NST

+ Cấu trúc phân đoạn gen ở Eukaryot

+Tái bản ADN (Replication) in vivo; Kỹ thuật nhân ADN.

Nội dung giảng dạy trên lớp: (1) Các tiêu chuẩn của vật chất di truyền; Bằng chứng về vai trò

mang thông tin di truyền của axit nucleic; (2) Cấu trúc của axit nucleic (i) (ADN): Đặc tính củaADN; Thành phần và cấu trúc hoá học của ADN; Cấu trúc vật lý (ii) Cấu trúc và chức năng của các

loại ARN; (3) Cấu trúc phân đoạn gen ở Eukaryot; (4) Tái bản ADN (Replication) in vivo; Kỹ thuật

nhân ADN

Sinh viên tự nghiên cứu: Vật chất di truyền ở virut, sinh vật tiền nhân (Prokaryot) và sinh vật nhân

thực (Eukaryot); Cấu trúc của nhiễm sắc thể: tính đặc trưng của nhiễm sắc thể; Cấu trúc và chức

năng di truyền của NST; Cơ chế ổn định của bộ NST

1 AXIT NUCLEIC LÀ VẬT CHẤT DI TRUYỀN

1.1 Các tiêu chuẩn của vật chất di truyền

Vật chất di truyền phải thoả mãn các tiêu chẩn sau:

 Chứa đựng thông tin ở dạng bền vững cần thiết cho việc cấu tạo hoạt động và sinh sản của tếbào

 Được sao chép một cách chính xác để thông tin di truyền của thế hệ sau giống như của thế hệtrước

 Thông tin di truyền chứa trong vật chất di truyền phải được sử dụng để sinh ra những phân tử cầncho cấu trúc và hoạt động của tế bào

 Vật chất di truyền phải có khả năng biến đổi

1.2 Bằng chứng về vai trò mang thông tin di truyền của axit nucleic

1.2.1 Hiện tượng biến nạp ở vi khuẩn

Thí nghiệm của Griffith (1928)

Vi khuẩn Pneumococus gây bệnh viêm phổi ở động vật có 2 nòi:

4

+) Nòi độc (nòi S): gây bệnh, có vỏ polysaccharit, do vậy bạch cầu không tiêu diệt được Nòi nàytạo khuẩn lạc nhẵn (smooth) trên môi trường thạch.

+) Nòi không độc (nòi R): không gây bệnh, không có vỏ polysaccharide, tạo khuẩn lạc gồ ghề(rough) trên môi trường thạch

Griffith tiến hành thí nghiệm trên chuột như sau:

Tiêm vi khuẩn S sống vào chuột  chuột chết

Tiêm vi khuẩn R sống vào chuột  chuột không chết

Tiêm vi khuẩn S bị đun chết vào chuột  chuột không chết

Tiêm hỗn hợp S bị đun chết với R sống vào chuột  chuột chết Trong xác chuột chết có vikhuẩn S và R

Hiện tượng trên cho thấy, vi khuẩn S không thể tự sống lại được sau khi bị đun chết, nhưng yếu tốđộc của vi khuẩn S vẫn truyền được cho vi khuẩn lành R, biến vi khuẩn R thành vi khuẩn S Hiện tượng

này gọi là biến nạp.

Năm 1944,T Avery, Mc Leod và Mc Carty ở đại học tổng hợp Rockerfeler (Mỹ) đã phát hiện tác

nhân gây biến nạp chính là ADN Bởi vì, nếu xử lí tế bào S chết bằng protease (enzym phân huỷ

protein) hoặc RNase (ribonuclease - enzym phân huỷ ARN) hiện tượng biến nạp vẫn còn Nhưng nếu xử lí tế bào S chết bằng DNase (deoxiribonuclease - enzym phân huỷ ADN) thì hoạt tính biến

nạp không còn nữa Như vậy hiện tượng biến nạp là một chứng minh ADN mang tín hiệu di truyền

1.2.2 Chứng minh axit nucleic là vật chất mang thông tin di truyền ở virut

1.2.2.1 ở virut mang ADN

Năm 1952, A Hershey–M Chase tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2 xâm nhập vi khuẩn E.coli Cấu tạo của phage T2 gồm vỏ protein và ruột ADN Thí nhiệm của A Hershey – M Chasenhằm xác định xem khi phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào: ADN hay protein?

Vì ADN chứa P nhưng không chứa S, còn protein chứa S (do 2 axit amin là methionin và xistein)không chứa P, nên có thể phân biệt ADN với protein bằng chất đồng vị phóng xạ P và S

Phage T2 được nuôi trên vi khuẩn mọc trên môi trường chứa các đồng vị phóng xạ P32 và S35 S35nhiễm vào protein và P32 nhiễm vào ADN Phage nhiễm phóng xạ này được tách ra, đem nhiễm vàocác vi khuẩn không nhiễm phóng xạ Khi chu trình lây nhiễm bắt đầu, các tế bào vi khuẩn được litâm để tách virut còn bám ngoài tế bào Phân tích phần nằm ngoài tế bào vi khuẩn chứa nhiều S35(80%), nhưng rất ít P32 Phần nằm trong tế bào chứa nhiều P32 (70%), ít S35 Chứng tỏ, ADN củathực khuẩn được bơm vào trong tế bào vi khuẩn và mang thông tin trọn vẹn của hạt virut, điềukhiển sự tạo thành ADN và protein hạt virut mới Như vậy, vật chất di truyền của phage T2 làADN

1.2.2.2 ở virut mang ARN

Năm 1957, H.Fraen Kel - Conrat và B.Singer công bố thí nghiệm ở virut đốm thuốc lá có lõi ARN

và vỏ protein, có hai dạng A và B Các thí nghiệm đã thành công lắp ráp lõi ARN của dạng này vớiprotein của dạng kia và ngược lại tạo ra virut có vỏ và lõi thuộc hai dạng khác nhau Sau đó đemgây nhiễm vào thuốc lá, kết quả các virut con phân lập được từ vết đốm đều mang cả vỏ protein vàlõi ARN thuộc cùng một dạng là dạng của lõi ARN mang nhiễm chứa không phải của vỏ protein.Như vậy, một lần nữa các nhà khoa học đã khẳng định thông tin di truyền được chứa đựng trongARN chứ không phải trong protein

1.3 Vật chất di truyền ở virut, sinh vật tiền nhân (Prokaryot) và sinh vật nhân chuẩn (Eukaryot)

1.3.1 Virut

Cấu tạo của virut bao gồm 1 phân tử axit nucleic (có thể là ADN hoặc ARN) được bao quanh bởi 1

vỏ protein

Các vi rut kí sinh ở sinh vật nguyên thuỷ gọi là bacteriophage hoặc phage, chỉ có phân tử axitnucleic xâm nhập vào tế bào vật chủ và một tỉ lệ nhỏ protein của nó Các virut kí sinh trên động vậtthường xâm nhập toàn bộ cơ thể của chúng

Các virut mang ADN gồm virut kí sinh trên động vật và thực khuẩn thể Các virut mang ARN chủyếu là virut kí sinh thực vật Phần lớn các thực khuẩn thể đều chứa phân tử ADN 2 sợi, số ít mangADN 1 sợi (X 174, S12) Phân tử ARN ở virut thường chỉ một sợi, một số reovirut (vật chủ chính làngười) mang ARN 2 sợi

Vật chất di truyền của virut được truyền lại cho thế hệ sau bằng phương thức tái tổ hợp

1.3.2 Sinh vật nhân sơ (Prokaryot)

Sinh vật tiền nhân là những sinh vật đã có cấu tạo tế bào, nhưng chưa có màng nhân để ngăn cáchNST với cấu trúc khác của tế bào Thuộc nhóm này bao gồm các vi khuẩn và tảo lam Vật chất ditruyền của chúng chỉ là 1 NST đơn độc NST của vi khuẩn là phân tử ADN trần (không liên kết vớiprotein histon theo nguyên tắc nhất định như ở sinh vật nhân chuẩn), chuỗi kép, mạch vòng Điểnhình ở E coli NST là một phân tử ADN vòng với 3000 – 4000 gen

Ngoài NST, ở vi khuẩn còn được phát hiện loại vật chất di truyền quan trọng nằm trong tế bào chất

là các plasmid mang ADN vòng kép Các plasmid có khả năng tự sao độc lập với NST

Ở vi khuẩn và tảo lam vật chất di truyền được truyền lại cho thế hệ sau bằng sự phân cắt sau quátrình tự nhân đôi của NST

1.3.3 Sinh vật nhân chuẩn (Eukaryot)

Sinh vật nhân chuẩn có nhân điển hình, chứa từ 2 NST trở lên, được ngăn cách với tế bào chất bằng màngnhân Phần lớn ADN của sinh vật nhân chuẩn chứa trong bộ NST trong nhân tế bào, một số ADN khácnằm trong ty thể, lạp thể

Vật chất di truyền và phương thức truyền đạt vật chất di truyền ở sinh vật nhân chuẩn so với sinhvật tiền nhân và virut có một số khác biệt sau:

(1) Số lượng, chiều dài, hàm lượng ADN ở sinh vật nhân chuẩn đều lớn hơn so với sinh vật tiềnnhân và virut

(2) NST ở sinh vật nhân chuẩn là sự kết hợp của ADN với nhiều loại protein khác nhau (proteinhiston và protein phi histon) Hỗn hợp axit nucleic với protein gọi là chất nhiễm sắc (chromatin).(3) NST hoạt động theo các cơ chế: tự nhân đôi, phân li và tổ hợp trong các quá trình nguyên phân,giảm phân hoàn toàn khác với phương thức phân bào theo kiểu phân cắt ở vi khuẩn và tái tổ hợpgen ở virut

2 CẤU TRÚC CỦA AXIT NUCLEIC

2.1 Axit deoxiribonucleic (ADN)

2.1.1 Đặc tính của ADN

ADN định khu trên NST, ty thể và lạp thể

Hàm lượng ADN và số lượng NST trong tế bào có mối liên hệ chặt chẽ và ổn định (trừ nhữngtrường hợp đột biến) Hàm lượng ADN trong nhân tế bào soma thuộc cùng một loài luôn ổn định

và lớn gấp 2 lần tế bào sinh dục Ở các mô đa bội nhân tế bào có nhiều hơn 2n NST, thì hàmlượng ADN cũng tăng lên tương ứng

Ở nhân tế bào chỉ có hàm lượng ADN và protein histon là ổn định, còn lại các ARN và protein kháckhông ổn định

ADN có khả năng tự nhân đôi, có khả năng đột biến tạo nên những alen mới ADN có khả năng hấpthụ tia tử ngoại tối đa ở bước sóng 260nm

6

2.1.2 Thành phần và cấu trúc hoá học của ADN

ADN là một đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân (polymer), gồm nhiều đơn phân (monomer) là nucleotit.

Cấu tạo bởi 5 nguyên tố: C, H, O, N, P

Mỗi nucleotit bao gồm 3 thành phần:

Trong một nucleotit, nhóm photphat gắn vào vị trí cacbon số 5, còn bazơ nitơ gắn vào vị trí carbon

số 1 của đường C5H10O4 Đây là cấu trúc bậc 1 của ADN Trên mạch đơn, các đơn phân liên kết vớinhau bằng cách, nhóm photphat của nucleotit này liên kết với nhóm OH ở vị trí C số 3 của nucleotit

kế tiếp qua liên kết photphodieste Đây là liên kết bền vững đảm bảo thông tin di truyền trên mỗimạch đơn ổn định kể cả khi ADN tái bản và phiên mã Do cấu trúc như vậy, nên mỗi mạch đơnpolynucleotit bao giờ cũng có một đầu chứa nhóm photphat tự do ở vị trí C số 5 của đường

C5H10O4 được gọi là đầu 5’P, một đầu chứa nhóm OH tự do ở vị trí C số 3 của đường C5H10O4 đượcgọi là đầu 3’OH Do vậy các phân tử ADN thể hiện tính phân cực rõ rệt

2.1.3 Cấu trúc vật lý

Mô hình cấu trúc không gian ADN do Watson – Crick xây dựng năm 1953 (ADN dạng B) có cácđặc trưng sau: ADN là 1 chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch đơn (polynucleotit) xoắn song song theochiều từ trái sang phải (xoắn phải) giống như một thang dây xoắn Trong đó, tay thang là các phân

tử đường và axit tạo nên, bậc thang do các cặp bazơ đứng đối diện và liên kết với nhau bằng liên kếthidro theo nguyên tắc bổ sung (complementary): đối diện adenin là thymin, đối diện guanin làcytosin (hình 1.6)

Kết luận A bắt cặp với T, G bắt cặp với C của Watson – Crick hoàn toàn dựa trên tính toán lí

thuyết, nhưng nó đã bất ngờ giải thích phát hiện của E Chargaff (Mĩ) năm 1951 là: Bất kì phân tử

ADN nào A luôn bằng T, G luôn bằng C Điều này có nghĩa ở tất cả các loại ADN, tổng số bazơ

purin bao giờ cũng bằng pirimidin (A+G = T+C   1





C T

G A

) Về mặt số lượng trong bất kì phân

tử ADN nào cũng đều có: A =T; G = C 

C G

T A

Hai mạch polynucleotit của ADN bao giờ cũng bố trí song song, chiều ngược nhau:

3’OH  5’P5’P  3’OH

Tính đặc trưng của phân tử ADN phụ thuộc vào 3 yếu tố: số lượng, thành phần và trình tự sắp

xếp các nucleotit trong ADN, trong đó phụ thuộc nghiêm ngặt vào trình tự các nucleotit

Kích thước của phân tử ADN được tính bằng bp (base pair) hoặc kb (kilobase - kb = 1000 bp).Ngoài ra người ta còn sử dụng đơn vị picogram, kí hiệu là pg (1 picogram ADN = 0,965 109 bp =6,1 1011 dalton = 29cm)

Ngày nay nhờ các phương pháp phân tích chính xác người ta đã phát hiện thêm các dạng ADN A,

Z, C, T Các dạng này khác nhau ở các chỉ số về số cặp bazơ ở mỗi vòng xoắn, khoảng cách giữa 2nucleotit kề nhau, chiều xoắn Dạng ADN dạng B thường tồn tại trong điều kiện sinh lí bìnhthường, các dạng khác tồn tại ở các điều kiện khác nhau

Mô hình của Watson và Crick đã lý giải được những chức năng cơ bản của ADN là bảo đảm choviệc tái sinh trong quá trình tự sao chép ở gian kỳ và điều chỉnh việc tổng hợp các enzym và cácprotein

Bảng 1.2. So sánh đặc điểm của một số loại ADN đ ểm của một số loại ADNc i m c a m t s lo i ADNủa một số loại ADN ột số loại ADN ố loại ADN ại ADN

DạngADN

Chiềuxoắn

Số bptrongmột chukỳ

Gócxoắn (0)

Đườngkính(Å)

Chiềucao mộtchu kỳxoắn

Dạngthiết diện

2.2 Cấu trúc và chức năng của các loại ARN

Phân tử ARN cũng là một chất trùng hợp gồm nhiều ribonucleotit gắn với nhau giống như chuỗiđơn của phân tử ADN

Cấu trúc của phân tử ARN khác ADN ở 3 đặc điểm:

 Đường của ARN là đường ribose (C5H10O5), không phải là deoxiribose (C5H10O4) như trongADN

 Mỗi ribonucleotit của ARN chứa 1 trong 4 bazơ nitơ là A, U, G, C U trong ARN được thaythế bởi T trong ADN

 ARN chỉ gồm một sợi đơn poloribonucleotit (trừ trường hợp ở một số ít virut như retrovirutmang ARN 2 sợi)

Chỉ ARN trong virut chứa ARN là hệ gen thì mới có chức năng duy trì và truyền đạt thông tin ditruyền tương ứng cho thế hệ sau Các dạng ARN còn lại chỉ mang vai trò tham gia vào quá trìnhtruyền đạt thông tin di truyền qua quá trình tổng hợp protein và được phân biệt bởi chức năng củachúng trong quá trình tổng hợp protein

2.2.1 ARN thông tin (mARN = messager RNA hay iARN = informational RNA)

- ARN được tổng hợp trong nhân tế bào, từ gen cấu trúc, làm nhiện vụ trung gian truyền thông tin

di truyền từ ADN trong nhân sang protein được tổng hợp ở riboxom

- Hàm lượng mARN rất ít, chỉ chiếm vài % ARN tổng số trong tế bào

- ARN thông tin được cấu tạo từ một mạch polyribonucleotit có từ khoảng 600-1500ribonucleotit Phân tử mARN có một bộ ba mở đầu (AUG), sau đó đến bộ ba quy định acidmin thứ nhất, thứ hai….cuối cùng là bộ ba kết thúc (UAA, UGA, UAG) Phân tử mARN cóchức năng truyền đạt thông tin di truyền từ ADN trong nhân tế bào đến tế bào chất và trựctiếp tham gia tổng hợp protein

2.2.2 ARN ribosom (rARN = ribosomal RNA)

ARN ribosom chiếm 80% tổng số ARN trong tế bào Các rARN kết hợp với protein tạo thànhribosom, một thành phần của bộ máy dịch mã Tuỳ theo hệ số lắng, rARN được chia thành nhiềuloại:

- Ở nhóm Eukaryot có rARN 28S; 18S; 5,8S; 5S

8

- Ở nhóm Prokaryot có rARN 23S; 16S và 5S.

Ribosom có dạng hạt Bản chất hoá học của ribosom là nucleoproteit (protein chiếm gần 36%,rARN chiếm 64%) Về cấu tạo, ribosom gồm 2 tiểu phần lớn và nhỏ Trong tiểu phần lớn củaribosom có 2 vị trí quan trọng liên quan đến quá trình tổng hợp protein: Vị trí A (aminoacyl site): vịtrí tiếp nhận axit amin; Vị trí P (peptidyl site): vị trí tạo liên kết peptit giữa các axit amin

2.2.3 ARN vận chuyển (tARN = transfer RNA)

ARN vận chuyển chiếm từ 10 – 20 % ARN tổng số trong tế bào Mỗi phân tử tARN có từ 75 – 85nucleotit, khối lượng phân tử 26000 dalton tARN có cấu trúc đặc thù theo không gian 3 chiềugiống chiếc lá dâu xẻ 3 thuỳ do mạch đơn polyribonucleotit quấn trở lại

- Thuỳ I: nhận biết enzym hoạt hoá và gắn axit amin tương ứng vào đầu 3’ của tARN (enzymeaminoacyl tARN synthetase)

- Thuỳ II: mang cụm đối mã khớp với cụm mã sao trên mARN theo nguyên tắc bổ sung

- Thuỳ III: nhận biết và tác dụng với ribosom

Một số tARN có thuỳ thứ IV gọi là vòng biến đổi

Đầu 3’ là nơi gắn với axit amin của mọi tARN đều mang bộ 3 AXX, còn đầu mút 5’ kết thúc bằng

bộ 3 GGG, còn các nucleotit khác thay đổi tuỳ loại tARN (hình 1.8)

Chức năng của tARN là vận chuyển axit amin tương ứng đã được hoạt hoá đến bộ máy dịch mã đểtổng hợp protein

3 CẤU TRÚC CỦA NHIỄM SẮC THỂ

- Nhiễm sắc thể là những cấu trúc hiển vi nằm trong nhân tế bào có khả năng bắt màu và giữ màu khi nhuộm bằng thuốc nhuộm bazơ.

Đặc trưng của NST

- Bộ nhiễm sắc thể trong nhân tế bào biểu hiện rõ nhất ở kỳ giữa của nguyên phân vì ở giai đoạn

này nhiễm sắc thể đóng xoắn cực đại nên có độ dày lớn nhất, nhuộm màu mạnh nhất, dễnhìn thấy dưới kính hiển vi thường Trong trạng thái này người ta có thể đếm, nghiên cứuhình dạng, kích thước, đặc điểm từng nhiễm sắc thể

- Nhiễm sắc thể mang tính đặc trưng cho từng loài sinh vật về số lượng, cấu trúc, hình thái, sự phân

bố gen Trong tế bào xôma ở sinh vật nhân chuẩn NST bao giờ cũng tồn tại thành từng cặp,gồm 2 chiếc giống nhau về hình dạng, kích thước, cấu trúc được gọi là cặp NST đồng dạng(tương đồng), trong đó một NST có nguồn gốc từ bố, một NST có nguồn gốc từ mẹ => 2n;Trong tế bào giao tử….=> n

- Nhiễm sắc thể hoạt động theo phương thức tự nhân đôi, phân li, tổ hợp trong quá trình phân bào

và thụ tinh

3.1 Số lượng nhiễm sắc thể

Nhiễm sắc thể tồn tại trong tế bào lưỡng bội 2n (tế bào soma, tế bào sinh dục) thành từng cặp tươngđồng (trừ cặp NST giới tính XY), số lượng nhiễm sắc thể trong nhân tế bào luôn chẵn và là bội số của 2gọi là bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội, ký hiệu 2n Trong giao tử (n) nhiễm sắc thể tồn tại thành từng chiếcđơn lẻ và có số lượng chỉ bằng

 Nhiễm sắc thể cân tâm: hình chữ V, 2 cánh bằng nhau

 Nhiễm sắc thể lệch tâm: hình chữ V, 1 cánh ngắn, 1 cánh dài

 Nhiễm sắc thể mút tâm, 1 cánh hết sức ngắn.

Căn cứ vào cấu trúc, chức năng, hình thái người ta phân biệt các loại NST sau:

- Nhiễm sắc thể thường hay nhiễm sắc thể A (autosomer) giống nhau ở 2 giới đực và cái thuộc cùngmột loài

- Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosomes) khác nhau ở giới đực và cái

- Nhiễm sắc thể B còn gọi NST bổ sung hay NST phụ, phát hiện ở 1 số loài thực vật như ngô, lúamạch đen ngoài các NST A bình thường Những cây có NST B thưòng yếu hơn và kém hữu thụ sovới các cây khác

Một số dạng NST đặc biệt

Nhiễm sắc thể khổng lồ (polytene chromosome) được phát hiện trong tế bào tuyến nước bọt, tuyến

manpighi, màng ruột một số côn trùng bộ 2 cánh

Nhiễm sắc thể khổng lồ hay còn gọi là NST đa sợi, vì chúng có số lượng sợi NST nhiều gấp hàngngàn lần so với NST thường (1500 – 1600 sợi nhiễm sắc), mỗi sợi tương đương với 1 chromatit.Nguyên nhân của hiện tượng này là do cơ chế nội phân bào (endomitosis): nhiễm sắc thể tự nhânđôi bình thường nhưng không bị phân li do nhân tế bào không phân chia Vì vậy, NST khổng lồ códạng bó sợi với đường kính lớn Chiều dài của NST khổng lồ từ 250 - 300m, gấp 100 – 200 lầnNST thường là do dọc theo chiều dài NST khổng lồ có những đoạn đóng xoắn, tập trung nhiều hạtnhiễm sắc, bắt màu đậm (đĩa tối) xen kẽ với những đoạn không đóng xoắn, bắt màu nhạt (đĩa sáng)

Vị trí đĩa tối và đĩa sáng cố định trên NST, người ta lợi dụng đặc điểm này để xác định vị trí củahàng loạt gen trên NST để thiết lập bản đồ di truyền tế bào

Trên NST khổng lồ ở giai đoạn nhất định, các đĩa màu trương lên thành những chỗ phình lớn gọi làbọng hay Puffs, sau khi đạt kích thước tối đa bọng nhỏ dần trở lại bình thường Thực chất, bọng lànhững vòng ADN được tháo xoắn, nơi tổng hợp ARN nhanh và nhiều

Nhiễm sắc thể kiểu chổi đèn

Phát hiện trong nhân các tế bào trứng động vật có xương sống, ở kỳ trước 1 của giảm phân CácNST này tham gia vào sự tổng hợp ARN và protein cần cho sự phát triển nhanh của trứng chín.Mỗi NST chổi đèn gồm 2 NST tương đồng, mỗi NST trong cặp tương đồng gồm 2 chromatid gắnvới nhau bởi tâm động Mỗi NST có một số các vòng bên, chẻ nhánh ở trục chính Các vòng nàycũng giống như bọng trên NST khổng lồ, là nơi tổng hợp nhiều ARN

3.3 Cấu trúc và chức năng di truyền của NST

Bằng các phương pháp nghiên cứu trên kính hiển vi điện tử, nhiễu xạ tia X, xử lý enzym, các nhàkhoa học đã phát hiện sự khác biệt về tổ chức ADN trong nhiễm sắc thể thuộc 2 nhóm prokaryot vàeukaryot

3.3.1 Tổ chức ADN trong NST của sinh vật Prokaryot (nucleoid) (nucleoid – vùng nhân)

Nhân ở sinh vật nhân nguyên thuỷ chỉ mới ở dạng nucleoid (vùng nhân), là vùng chứa ADN, trong

đó ADN được gấp và cuộn thành nhiều vòng xoắn (siêu xoắn) Tính chất siêu xoắn ở đây chịu sựkiểm soát của enzym topoisomeraza

Phân tử ADN 350 M của E.coli được thắt vòng bởi phân tử ARN do đó đã co ngắn lại chỉ còn30M, sau đó lại tiếp tục quá trình cuộn xoắn, rút ngắn chỉ còn 2 M

Khi xử lí nucleoid bằng ribonuclease (RNase) thì xảy ra tác động bộ phận, số vòng thắt giảm nhưngdạng cuộn xoắn vẫn giữ nguyên Ngược lại, khi xử lí deoxiribonuclease (DNase) cũng xảy ra tácđộng bộ phận, thể hiện số vòng thắt vẫn giữ nguyên, nhưng ở 2 vòng lại có tình trạng duỗi xoắn Nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân nguyên thuỷ cũng có liên kết với protein, đó là 1đoạn axit amintương ứng với histon2B ở sinh vật nhân chuẩn Vai trò của histon có thể là để bảo vệ ADN khỏi bị

10

thuỷ phân bởi nhiều nuclease có mặt trong tế bào Ở virut SV- 40, ở động vật có vú cũng có ADN 2sợi kết hợp với histon.

3.3.2 Tổ chức ADN trong nhiễm sắc thể ở sinh vật Eukaryot nucleosom (Thể nhân)

Nucleosom được xem là đơn vị cấu tạo cơ sở theo chiều dọc của nhiễm sắc thể Mỗi nucleosom gồm

8 phân tử histon tạo thành khối cầu gọi là octamer, gồm:

- 2 phân tử H3 và 2 phân tử H4 liên kết ở vùng trung tâm

- 2 phân tử H2A và 2 phân tử H2B liên kết phía ngoài

Đoạn ADN cuốn 13/4 vòng quanh khối cầu tương đương với 146 bp Mỗi nucleosom có đườngkính 100 Å Các nucleosom nối với nhau bằng một đoạn ADN dài 15 – 100 cặp nucleotit làm thành

sợi cơ bản của nhiễm sắc thể, trên đó có chứa 1 phân tử protein H1 Sợi cơ bản xoắn tiếp một mức

nữa (xoắn bậc 2) tạo nên sợi nhiễm sắc (xoắn bậc 2 hay solenoit), có đường kính 250 – 300 Å.

Bước cuộn xoắn này liên quan đến histon1 Ở kỳ trung gian, sợi solenoit cuộn xoắn lần nữa tạothành một ống rỗng, đường kính khoảng 2000 Å Ống rỗng có đường kính 2000 Å cuộn xoắn lầncuối cùng tạo thành cuộn xoắn lớn hơn có đường kính 6000 Å, đó chính là chromatit ở kỳ giữa qúa trìnhphân chia tế bào

3.4 Cơ chế ổn định của bộ NST

3.4.1 Sự ổn định của bộ NST (2n) trong các thế hệ tế bào

- Trong cơ thể đa bào, các thế hệ tế bào được tạo ra do quá trình nguyên phân từ hợp tử (sinh sản

hữu tính) hoặc từ nhóm tế bào ban đầu hay một phần cơ thể mẹ (sinh sản vô tính)

- Phân bào nguyên nhiễm xảy ra ở pha M trong chu kỳ tế bào, gồm 4 kỳ: kỳ đầu, kỳ giữa, kỳ sau và

kỳ cuối Trước khi bước vào quá trình phân bào nhiễm sắc thể đã tự nhân đôi tạo thànhnhiễm sắc thể kép có 2 cromatit dính nhau ở tâm động

- Sự tự nhân đôi của NST và sự phân ly của NST ở kỳ sau dẫn đến sự phân đều các NST sắc thể cho

hai tế bào con, số NST trong mỗi tế bào con luôn là số chẵn và bộ NST của mỗi tế bào congiống hết bộ NST của tế bào mẹ (2n) Như vậy, nguyên phân là cơ chế duy trì tính đặc trưngcủa bộ NST 2n ổn định qua các thế hệ tế bào của một cơ thể và qua các thế hệ cơ thể sinhsản vô tính sinh dưỡng

3.2.2 Sự ổn định bộ NST (2n) qua các thế hệ cơ thể

- Đối với các loài sinh sản hữu tính giao phối, sự kết hợp các cơ chế nguyên phân, giảm phân và thụ

tinh bảo đảm cho bộ NST 2n ổn định qua các thế hệ cơ thể

- Quá trình phân bào giảm nhiễm xảy ra ở thời kỳ chín, gồm hai lần phân bào liên tiếp mà nhiễm

sắc thể chỉ nhân đôi một lần; có hiện tượng tiếp hợp và trao đổi đoạn xảy ra ở kỳ đầu lầnphân bào I và kết quả hình thành giao tử chứa bộ NST đơn bội n (bộ NST giảm một nửa).Đặc biệt trong giảm phân có hiện tượng phân ly của các cặp NST dẫn đến mỗi tế bào conđược tạo thành chỉ chứa một NST trong cặp NST hoặc có nguồn gốc từ bố, một có nguồngốc từ mẹ Giảm phân là cơ chế làm cho bộ NST ở giao tử giảm một nửa

- Thụ tinh là hiện tượng tinh trùng (n) kết hợp với trứng (n) tạo thành hợp tử 2n Như vậy, thụ tinh

là cơ chế bảo đảm cho NST ở hợp tử được tổ hợp lại (2n)

- Hợp tử (2n) nguyên phân liên tiếp tạo thành cơ thể mới, mỗi tế bào của cơ thể đều chứa bộ NST

lưỡng bội 2n Khi trưởng thành, cơ thể giảm phân hình thành giao tử và quá trình thụ tinh sẽdẫn đến sự hình thành hợp tử

3.5 Đặc thù trong hoạt động của NST

Chất dị nhiễm sắc (heterochromatine) chiếm khoảng 90% chất nhiễm sắc, thường biểu hiện ở dạng

các búi rất đậm đặc trong nhân gian kỳ, trong đó chứa các đoạn ADN không hoạt động (khôngphiên mã) và rất giàu histon H1

Chất đồng nhiễm sắc (euchromatine): Trong nhân gian kỳ, các vùng chất nguyên nhiễm sắc gồm

các sợi nhiễm sắc ít cô đặc hơn và thường ở dạng các sợi nucleosom Về mặt di truyền chúng chứacác gen hoạt động và được phiên mã tổng hợp các mARN, tARN và rARN

4 CẤU TRÚC PHÂN ĐOẠN GEN Ở EUKARYOT

4.1 Cấu trúc phân đoạn gen (phân mảnh)

Một gen cấu trúc ở Eukaryot liên quan với một số trình tự có vị trí và chức năng như: trình tự tăngcường (enhancer), trình tự khởi động (promotor), trình tự operator Gen cấu trúc gồm các đoạnintron và exon xen kẽ nhau, cuối cùng là đoạn kết thúc

 Nhiều gen ở Eukaryot và một số sinh vật Prokaryot mang các đoạn không mã hoá (NoncodingSequences) được gọi là intron hay gọi là đoạn xen (Insertion Sequence = IS) xen vào và làm giánđoạn các đoạn mã hoá (Coding Sequences) được gọi là exon

 Những gen có cấu trúc gồm exon và intron được gọi là gen phân đoạn (splip gen), hay còn đượcgọi là gen khảm (mosaic gen)

Hiện nay, chưa rõ chức năng của intron, tuy nhiên có giả thuyết rằng, intron có vai trò như là cáckhoảng trống xen giữa các exon tạo thuận lợi cho sự tái tổ hợp giữa các exon

Khi phiên mã tổng hợp mARN, các đoạn không mã hoá và mã hoá đều được sao mã thành phân tửmARN, đó chính là tiền mARN (Pre-mARN), còn gọi là ARN không đồng nhất trong nhân (hn-ARN: heteroge neousnuclear RNA) Loại hn-ARN chỉ được phát hiện ở sinh vật nhân chuẩn

sao mã processing

ADN hn-ARN mARN

tiền mARN cắt nối

Thí nghiệm của Pierre Chambon (Pháp) đã phát hiện cấu trúc của exon – intron của gen ovalbumin

gà Ovalbumin là protein lòng trắng trứng, gồm một chuỗi polypeptit có 386 axit amin (tập hợptrong ống dẫn trứng ở thời kỳ gà mái đẻ trứng)

Ngoài việc tách mARN của ovalbumin, sử dụng enzym sao mã ngược (RT) tạo ra các bản sao củamARN sợi đơn được gọi là cADN, từ đó tổng hợp cADN sợi kép So sánh ADN nhân với cADNkhi giải trình tự phát hiện ra intron và exon Kết quả ovalbumin trứng gà có 7 intron, 8 exon

Phương pháp phát hiện các đoạn intron và exon

Phương pháp so sánh trình tự gen với trình tự cADN

Bước 1: (1) Tách chiết ADN hệ gen

(2) Phân lập gen bằng kỹ thuật PCR hay enzym cắt hạn chế

(3) Tạo dòng ADN tái tổ hợp, nhân dòng và tách dòng gen

(4) Giải trình tự gen

Bước 2: (1) Tách mARN trong tế bào chất (hàm lượng mARN rất lớn, mARN của ovalbumin

chiếm tới 50% ARN trong các tế bào này)

(2) Sử dụng enzym sao mã ngược tổng hợp cADN

(3) Giải trình tự cADN

Bước 3: So sánh trình tự ADN hệ gen với trình tự cADN xác định được các đoạn intron và exon.

Phương pháp lai phân tử và kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử.

(1) Tách ADN hệ gen và mARN tế bào chất

(2) Phân lập gen

(3) Lai phân tử : ADN và mARN, xác định được intron và exon

4.2 Yếu tố di truyền vận động (Transposable Gentic Element, TGE)

Yếu tố di truyền vận động - TGE lần đầu tiên được phát hiện bởi Barbara Mc Clintock khi nghiên

cứu ở ngô vào những năm 40 của thế kỷ XX và bà được nhận giải thưởng Nobel 1983

12

TGE là những đoạn ADN đặc biệt xen vào một hoặc một số vị trí trong hệ gen, tạo nên những biến đổi

di truyền Yếu tố di truytền vận động bao gồm gen nhảy (Jumping gen) và đoạn xen (Insertion

Sequence – IS)

Gen nhảy (Jumping gen) là yếu tố di truyền vận động (TGE) chứa thông tin quy định một sản phẩmnào đó (protein) Loại TGE đơn giản nhất là các đoạn xen, IS cần thiết cho quá trình xen ADN vàoNST, cho quá trình chuyển TGE từ vị trí này sang vị trí khác trong hệ gen Cấu trúc của IS giốngnhau ở những sinh vật khác nhau Đoan xen không chứa thông tin di truyền

Ngư i ta ã phát hi n đ ện được ở E.coli một đoạn xen IS1 chứa 720 bp nằm giữa đoạn được ở E.coli một đoạn xen IS1 chứa 720 bp nằm giữa đoạn ở E.coli một đoạn xen IS1 chứa 720 bp nằm giữa đoạnc E.coli m t o n xen IS1 ch a 720 bp n m gi a o nột số loại ADN đ ại ADN ứa 720 bp nằm giữa đoạn ằm giữa đoạn ữa đoạn đ ại ADN

o ng c IR (inverted repeats) d i 24 bp

đ ược ở E.coli một đoạn xen IS1 chứa 720 bp nằm giữa đoạn ài 24 bp

24bp  720bp  24bp

Hình 1.14 Đoạn xen IS1 ở E.coli

Khi đoạn xen IS xâm nhập vào một đoạn ADN, toàn bộ đoạn ADN có thể di chuyển từ chỗ này đichỗ khác trên nhiễm sắc thể hoặc từ nhiễm sắc thể này đến nhiễm sắc thể khác Các gen nhảy như thếgọi là transposon (Tn)

Người ta đã phát hiện ra gen nhảy mang tên Tn 1681 (Transposase) ở E.Coli gồm 2 đoạn xen IS1 ởhai đầu và 1 gen khác dài 552 bp qui định đốc tố chịu nhiệt gây ỉa chảy

552bp

 IS1   552bp   IS1 

Hình 1.15 Gen nhảy Tn 1681 ở E.coli

Cơ chế xen gen nhảy vào nhiễm sắc thể

Tại điểm đích, điểm mà gen nhảy sẽ xen vào, trên NST xảy ra vết cắt zigzag do enzym cắt hạn chếthực hiện Gen nhảy xen vào giữa vết cắt và vết cắt được hàn lại theo nguyên tắc bổ trợ Kết quả: kềvới 2 đầu của gen nhảy bao giờ cũng có 2 đoạn lặp lại cùng chiều trên NST

Đoạn xen và gen nhảy tồn tại phổ biến ở sinh vật nhân sơ cũng như ở sinh vật nhân chuẩn Nghiêncứu gen nhảy cho thấy hệ gen không tĩnh mà rất động vì có những đoạn ADN vận động khắp hệgen làm thay đổi cấu trúc của nó, ảnh hưởng đến hoạt động của gen và sự biểu hiện gen gây ra biếnđổi di truyền ở mức độ cao

5 MỘT SỐ KHÁI NIỆM

5.1 Các phân đoạn ADN (ADN vệ tinh )

Tách chiết ADN của Eukaryot trên thang nồng độ cesium chloride (CsCl2), bằng siêu ly tâm thấyxuất hiện 3 band Vệt lớn có nồng độ đậm, một loại vệt khác có nồng độ thấp được gọi là ADN vệtinh (Satellite DNA)

Nhiệt độ làm hai mạch tách rời nhau được gọi là nhiệt độ nóng chảy Tm (melting temperature) của

ADN Điểm chảy được tính ở giữa đường cong OD hình sigma

Tm đặc trưng cho từng loại ADN, phụ thuộc số liên kết hidro và điều kiện sử dụng trong biến tính.

Vì vậy phân tử ADN càng dài và tỉ lệ cặp G-C càng cao thì nhiệt độ nóng chảy cũng càng cao Hàmlượng G- C tăng 1%, thì Tm tăng 0,4% Loại ADN có G – C chiếm 60% sẽ biến tính ADN ở Tmkhoảng 950C trong các điều kiện sinh lí phù hợp Chất formamide có khả năng hạ thấp điểm nóng

chảy, được sử dụng trong lai phân tử để giảm nhiệt độ lai

ADN mạch kép hay mạch đơn được xác định bằng phương pháp đo mật độ quang (OD – opticaldensity) ở bước sóng 260nm Giá trị mật độ quang tăng lên khi phân tử ADN mạch đôi chuyển

thành mạch đơn, hiện tượng này gọi là "hiệu ứng siêu sắc" Nguyên nhân của hiện tượng này là do,

trong phân tử ADN, các base (các thành phần hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 260nm) nằm chồng lênnhau trên những mặt phẳng song song nên che lấp một phần các base khiến chúng hấp thu ánh sáng

ít hơn so với ADN mạch đơn

Các tính từ lặp lại cao CEN nằm gần tâm động (Centromere)

VD: Ở nấm men Saccharomyces gồm các trình tự CEN

- Trình tự đầu có 9 cặp base TCACATGAT ( ở đầu 5’)

- Trình tự giữa 80 – 90 bp , rất giàu A - T (>90%)

- Trình tự 11 cặp base ở đầu 3’: TGATTTCCGAA

 TEL (Telomere- đầu mút NST ), có vai trò bảo vệ đầu mút NST khỏi bị cắt

Trình tự TEL có tính lặp lại cao, giàu A và C: CC(CACACACA) (nấm men) và CCCTAA (người) Đầumút NST giàu G gập lại thành những hình kẹp tóc có cấu trúc bậc IV Cấu trúc này bảo vệ đầu mút NST

có thể bị cắt bởi nuclease, giữ cho đầu mút khỏi mất các trình tự mã hoá

6 TÁI BẢN ADN (Replication) IN VIVO

6.1 Các kiểu tái bản ADN

Người ta đưa ra 3 giả thuyết về các kiểu tái bản ADN:

- Kiểu bảo toàn: Theo giả thuyết này chuỗi xoắn kép ADN ban đầu được giữ nguyên, chuỗi xoắn

kép ADN mới được hình thành hoàn toàn từ nguyên liệu mới lấy từ môi trường nội bào

- Kiểu phân tán: Theo giả thuyết này, các sợi ADN ban đầu bị đứt ra thành nhiều đoạn nhỏ, mỗi

đoạn nhỏ là khuôn tổng hợp đoạn nhỏ mới Sau đó các đoạn nhỏ nối lại với nhau Do đó mỗi chuỗiADN mới tái bản đều mang các đoạn ADN ban đầu và các đoạn ADN mới

- Kiểu bán bảo toàn: Theo giả thuyết này, chuỗi xoắn kép ADN được hình thành gồm 1 sợi mới

được tổng hợp từ nguyên liệu môi trường và 1 sợi gốc làm khuôn

14

Thí nghiệm chứng minh ADN tái bản theo kiểu bán bảo toàn của Meselson – Stahl (1958)

Nuôi vi khuẩn E coli nhiều thế hệ trên môi trường chứa nitơ đồng vị nặng N15, N15 tham gia vào tất

cả các cấu trúc của tế bào, kể cả ADN Sau đó chuyển E.coli sang môi trường chỉ có nitơ nhẹ N14,sau những khoảng thời gian đều đặn các mẫu tế bào được lấy ra và tách chiết ADN Dịch ADN táchchiết được li tâm siêu tốc trên thang nồng độ chloride cesium CsCl2, các loại ADN nặng, nhẹ, laiđược tách ra

Theo dõi tỉ trọng ADN chiết xuất từ E coli qua các đời cho thấy, thế hệ 0 100% ADN chứa N15(trên gradien nồng độ chỉ có 1 vạch lắng ở đáy ống nghiệm) ở thế hệ 1 ADN lai có tỉ trọng nằmgiữa ADN nặng N15 và ADN nhẹ N14 Điều này có nghĩa, sau 1 lần sao chép phân tử ADN mới chứamột nửa mang N15 và một nửa mang N14 ở thế thứ hai một nửa ADN lai, một nửa ADN nhẹ N14(trên gradien nồng độ có 2 vạch: 1 vạch nằm giữa ống nghiệm, một vạch nằm ở phần đỉnh ốngnghiệm)

6.2 Cơ chế tái bản ADN

Về đại thể tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn giống nhau:

- Đều dựa trên khuôn mẫu của ADN mẹ;

- Được bắt đầu bằng những vị trí đặc thù;

- Có sự tham gia của các enzym, dNTP (deoxyribonucleotit triphotphat);

- Cần sự tham gia của các đoạn mồi (primer) để tạo ra nhóm 3’OH tự do;

- Sự lắp ráp các nucleotit trên nguyên tắc bổ sung với mạch đơn ADN mẹ;

- Có 1 mạch tổng hợp liên tục theo chiều tháo xoắn, 1 mạch tổng hợp gián đoạn ngược với chiềutháo xoắn;

- Kết quả: Từ 1 phân tử ADN mẹ sau 1 lần tái bản tạo ra 2 phân tử ADN con giống ADN mẹ

6.2.1 Tái bản ADN ở E coli: Cơ chế tái bản ADN theo phát hiện của Okazaki Tái bản nửa gián đoạn (Semidiscontinous replication )

 Các enzym tham gia vào tái bản ADN ở E coli

- ADN polimerase: 3 loại

- ADN polimerase I: Nhiệm vụ đọc và sửa chữa ADN

- ADN polimerase II: Chức năng xác định sự bắt đầu và kết thúc tổng hợp ADN

- ADN polimerase III: Giữ vai trò chính trong tái bản ADN, nhiệm vụ chủ yếu là gia tăng chiềudài sợi mới

- ADN gyrase (topoisomerase): Cắt ADN, làm tháo xoắn ở 2 phía ngựơc nhau bắt đầu từ điểmkhởi đầu sao chép

- ADN helicase: Bẻ gãy các liên kết hidro, giải phóng các chuỗi đơn tạo nên các chạc tái bản

- ADN ligase: Nối các đoạn ADN ngắn thành sợi ADN dài liên tục

 Các protein tham gia vào tái bản ADN ở E coli

- Protein B: Nhận ra điểm khởi đầu tái bản

- Protein SSB (Single strand binding): Gắn với sợi đơn, giữ các sợi đơn tách riêng khi chưa tái bản

 Các giai đoạn của quá trình tái bản

Hiện tượng chuỗi xoắn

Quá trình tái bản bắt đầu khi protein B nhận biết điểm khởi đầu sao chép (ori) và gắn vào đó Tiếptheo enzym ADN gyrase cắt ADN làm tháo xoắn ở 2 phía của protein B Trong khi 2 phân tử gyrasechuyển động ngược chiều nhau so với điểm ori, thì 2 phân tử enzym helicase bám vào làm đứt gãycác liên kết hidro, giải phóng các chuỗi đơn tạo nên chạc chữ Y (chạc tái bản) Protein SSB gắn vào

các sợi đơn ngăn không cho chúng chập lại ngẫu nhiên hoặc xoắn trở lại để việc sao chép được dễdàng Mỗi SSB bám vào 8 nucleotit của sợi đơn và mỗi chạc tái bản có 250 SSB.

Khởi đầu tái bản bằng ARN mồi (primer)

Tái bản ADN chỉ diễn ra khi có yếu tố “mồi” (primer) với chức năng khởi động Bởi vì sự lắp ráp cácnucleotit tự do theo nguyên tắc bổ sung với sợi khuôn để tạo sợi mới bao giờ cũng bắt đầu từ 3’OH củađường deoxiriboza Nhóm OH tự do ở Cacbon số 3 của phân tử đường là cơ sở để hình thành liên kếtphosphodiester, nếu mất nhóm OH này thì quá trình tổng hợp chuỗi polynucleotit dừng lại Ngay điểmgốc tái bản chưa có đầu 3’OH tự do, vì thế việc khởi đầu tái bản ADN đòi hỏi có yếu tố mồi Trong mộtđơn vị tái bản, cả hai mạch ADN mẹ khi tái bản đều cần phải có primer tham gia, tuy nhiên mạch ADNkhuôn có chiều 3’ – 5’ chỉ cần tham gia của một mồi ở điểm đầu tai bản; mạch ADN khuôn chiều 5’ – 3’cần có sự tham gia của nhiều mồi, để hình thành các phân đoạn ADN

Enzym ARN polimerase điều khiển tổng hợp nên đoạn ARN mồi ngắn khoảng 10 nucleotit ở E.coli đó chính là enzym primase Trình tự các nucleotit trong đoạn ARN mồi bổ sung với trình tự cácnucleotit ở đầu 3’ của sợi khuôn

Giai đoạn kéo dài

Sau khi ARN mồi được tổng hợp, enzym ADN polimerase III tổng hợp mạch bổ sung từ đầu 3’OH

tự do của mồi Sự lắp ráp các nucleotit của mạch mới theo nguyên tắc bổ sung với mạch khuôn (A –T; G – C)

Do sự tổng hợp sợi mới bao giờ cũng diễn ra theo chiều 5’ – 3’, nên sự tổng hợp mạch mới diễn rakhông giống nhau: Một mạch mới được tổng hợp liên tục cùng hướng với chiều mở của chạc chữ

Y, gọi là sợi dẫn đầu (leading strand) Một mạch được tổng hợp không liên tục ngược với chiều mởcủa chạc chữ Y, mạch mới này được tổng hợp bằng cách nối các đoạn Okazaki với nhau gọi làmạch chậm hay sợi theo sau (lagging strand) Mỗi đoạn Okazaki dài 1000- 2000 nucleotit

Loại bỏ mồi và hoàn chỉnh sợi mới tổng hợp

Khi sợi theo sau được hình thành, đoạn mồi được loại bỏ bởi ADN polimerase I Giữa 2 phân đoạnOkazaki liền nhau tồn tại một khe hở Khe hở này được lấp kín bởi enzym nối ADN ligase

Nhận xét:

- Mạch ADN mới được tổng hợp theo chiều 5’- 3’, một mạch polynucleotit được tổng hợp liên tục

và một mạch được tổng hợp gián đoạn

- Mỗi bước của quá trình tái bản đều có sự tham gia của các loại enzym tương ứng

- Quá trình liên kết với các nucleotit thực hiện theo nguyên tắc bổ sung (A – T, G - C )

- Có sự tham gia của primer (mồi ARN )

- Mỗi ADN con được tạo thành đều chứa một mạch cũ và một mạch mới (bán bảo toàn)

6.2.2 Khác biệt về sao chép ADN trong tế bào Prokaryot và Eukaryot

- ở E coli quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori (origine), nên cả phân tử ADN thành một

đơn vị sao chép thống nhất gọi là replicon, bao gồm 2 chạc tái bản Quá trình tái bản ADN ở E coli

được thực hiện bởi 3 loại enzyme ADN polimerase I; II và III

- Tế bào nhân thực có số lượng, kích thước phân tử ADN lớn hơn nhiều so với tế bào tiền nhân tạonên nhiều nhiễm sắc thể, mỗi nhiễm sắc thể gồm một phân tử ADN thẳng kết hợp với protein Do

đó sao chép ADN ở tế bào nhân thực phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn Biểu hiện, ADN tế bào

nhân thực có nhiều ori và replicon cùng nhiều chạc tái bản).

- Sự tái bản ADN ở sinh vật nhân chuẩn được thực hiện bởi sự xúc tác của 3 loại enzyme:

ADN polimerase : chức năng tái bản ADN nhân

ADN polimerase : Sửa đổi ADN nhân

ADN polimerase : Tái bản hệ gen ti thể

16

6.3 Tái bản ADN virut

- Các phage (virut ký sinh ở vi khuẩn ) mang ADN 2 sợi, virut ARN có loại ARN 1 sợi và cũng cóthể mang ARN 2 sợi

- Cơ chế tái bản ADN 1 sợi ở virut x174 ký sinh ở vi khuẩn E.Coli nghiên cứu nhiều nhất Khivirut lây nhiễm vào tế bào vật chủ, phân tử ADN 1 sợi được chuyển thành phân tử ADN 2 sợi Bằngcách, sợi đơn ADN ban đầu (sợi +) được dùng làm khuôn mẫu để tổng hợp nên sợi bổ sung (sợi -)hợp thành sợi kép RF Sợi (-) trong sợi kép RF lại được dùng làm khuôn mẫu để tổng hợp nên cácsợi đơn (+) mới

6.4 Tái bản kiểu lăn đai thùng (Rolling circle )

- Khi tế bào E.Coli F+ và F- tiếp hợp, yếu tố F được truyền từ F+ sang F- và F- biến thành F+ ADN vòngplasmid được tái bản theo kiểu lăn đai thùng tạo thành ADN vòng mới ở tế bào nhận F-

- Quá trình tiếp hợp giữa Hfr với F-, một sợi của phân tử ADN vòng kép của NST Hfr tách ra và đứt ở

vị trí mà plasimd xen vào Sự tái bản kiểu lăn đai thùng bắt đầu bằng cách đầu 5’ của sợi đơn ADNnày của ADN được chuyển từ Hfr sang F- qua cầu tiếp hợp Vi khuẩn Hfr vẫn duy trì được toàn bộNST của mình, vì chỉ 1 trong 2 sợi tách ra, còn sợi kia vẫn giữ nguyên ở dạng ban đầu, trong khi đó

vi khuẩn F- nhận được 1 phần thông tin di truyền của vi khuẩn cho Hfr chuyển sang

6.5 Sửa sai trong tái bản và khi không tái bản

Mức chính xác cao của sự sao chép ADN trong cơ thể sinh vật có được nhờ các cơ chế sửa sai:

Hướng sao chép từ bao giờ cũng theo chiều 5’ - 3’ để việc sửa sai chính xác

Các enzym ADN polymerase I, III vừa có hoạt tính polymer hoá vừa có hoạt tính exonuclease 5’ - 3’ và3’ - 5’ Nếu trên trên đường di chuyển để polymer hoá, nếu gặp nucleotit lắp sai, các enzym trên sẽ lùilại cắt bỏ theo hướng 3’ – 5’ (hoạt tính exonuclease 3’ - 5’)

Sửa sai khi không sao chép : có xấp xỉ 20 loại enzym rà soát dọc các NST để tìm ADN có biến đổicấu trúc Mỗi enzym có chức năng riêng biệt Có 5 enzym khác kiểm soát sự sai sót của liên kết hoátrị, một số enzyme khác phát hiện sai sót bắt cặp giữa các bazơ không bổ sung… Tổng số có xấp xỉ

50 enzym chuyên phát hiện và sửa các sai sót trong ADN

7 KỸ THUẬT NHÂN ADN

7.1 Phản ứng chuỗi polymerase (Polymerase Chain Reaction = PCR)

Phương pháp PCR – phản ứng tổng hợp dây chuyền nhờ polymerase do Mullis và cộng sự phátminh năm 1985 Phương pháp này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm

sinh học phân tử Thực chất đây là một phương pháp tạo dòng in vitro không cần sự hiện diện của tế

bào

7.1.1.Vật liệu

- Thiết bị: Máy nhân ADN (PCR), thiết bị điện di

- ADN mẫu tách từ mô sống

- Hoá chất: ADN mẫu (template ); primer; Mg+2, đệm, dNTP (dNTP: deoxyribo nucleotide

triphotphate gồm: dATP, dTTP, dGTP, dCTP ), Taq polimerase.

7.1.2 Nguyên tắc của phương pháp PCR

Tất cả các ADN polymerase khi hoạt động tổng hợp một mạch ADN mới từ mạch khuôn đều cần sựhiện diện của những mồi chuyên biệt Mồi là những đoạn ADN ngắn (18 – 24 base nếu là mồi đặctrưng; 10 base nếu là mồi ngẫu nhiên) có khả năng bắt cặp với một đầu của mạch khuôn theonguyên tắc bổ sung enzym ADN polymerase sẽ lắp ráp các nucleotit tự do để tạo thành mạch mới.Nếu cung cấp 2 mồi chuyên biệt bắt cặp bổ sung với 2 đầu của một trình tự ADN, thì chỉ tổng hợpđược đoạn ADN nằm giữa 2 mồi Điều đó có nghĩa, để khuyếch đại một trình tự ADN xác định phải

có thông tin tối thiểu về trình tự đó đủ để tạo ra các mồi bổ sung chuyên biệt (mồi đặc trưng) Cácmồi này gồm một mồi xuôi (sens primer) và một mồi ngược (antisens primer).

Nếu cung cấp mồi ngẫu nhiên, quá trình PCR sẽ nhân bản cho một loạt đoạn ADN có kích thướckhác nhau

Primer được thiết kế theo nguyên tắc:

 Mồi xuôi và ngược không thể bắt cặp bổ sung với nhau

 Tm của primer xuôi và ngược không cách biệt quá xa

 Primer phải thiết kế đặc trưng cho trình tự ADN được khuyếch đại

Taq polimerase là enzym chịu nhiệt được tách chiết từ vi khuẩn chịu nhiệt ở suối nước nóng Thermus aquaticus Hiện nay người ta có thể phân lập được gen polymerase và biểu hiện gen này ở

vi khuẩn, do vậy Taq polymerase hiện bán trên thị trường với giá khá rẻ.

7.1.3 Các giai đoạn của phản ứng PCR

Phản ứng PCR là một chuỗi nhiều chu kì (cycle) nối tiếp nhau Mỗi chu kì gồm 3 bước:

Bước 1: Biến tính (denaturation)

Trong dung dịch bao gồm các thành phần cần thiết cho sự khuyếch đại, phân tử ADN được biến tính ởnhiệt độ cao hơn Tm của phân tử, thường 940C – 950C trong vòng 30 giây đến 1 phút

Bước 2: Tiếp hợp mồi (hybridization)

Nhiệt độ được hạ thấp, thấp hơn Tm của mồi, cho phép các mồi bắt cặp với khuôn Nhiệt độ nàydao động trong khoảng 340C- 700C, tuỳ thuộc Tm của mồi Giai đoạn này kéo dài 30 giây đến 1phút

Bước 3: Tổng hợp (elongation)

Nhiệt độ được tăng lên đến 720C giúp cho ADN polimerase hoạt động tổng hợp tốt nhất Tuỳ thuộcthời gian ADN cần khuyếch đại, thời gian của giai đoạn này thường kéo dài từ 30 giây đến 1 phút

30 giây Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn kéo dài

Mỗi chu kì được lặp đi lặp lại nhiều lần, đoạn ADN được khuyếch đại theo cấp số nhân (2n)

Dùng phương pháp điện di sản phẩm PCR trên gel agarose 0,8 –1,5% để xác định đoạn ADN đượcnhân (1 –2 band), thông thường chỉ có 1 band nếu sử dụng mồi đặc trưng

7.1.4 Ứng dụng

PCR được sử dụng trong nghiên cứu phân tích ở các khía cạnh sau đây:

- Xác định sự có mặt của gen trong tế bào với độ chính xác cao

- Sản xuất nhanh một lượng lớn mẫu dò đánh đấu, khi thực hiện phản ứng với cặp mồi chuyên biệt

và các nucleotit đánh dấu

- Khuyếch đại số lượng các ARN qua kĩ thuật RT- PCR

- Định lượng, so sánh một sản phẩm thu được từ nhiều nguồn khác nhau

7.2 Phản ứng RAPD (Random Amlified Polymorphic DNA )

RAPD được dựa trên kỹ thuật PCR, tiến hành trên thiết bị nhân ADN chỉ khác với PCR ở chỗ; phảnứng RAPD được tiến hành với các mồi ngẫu nhiên có độ dài 10 base

- Điện di sản phẩm RAPD cho thấy có nhiều band tuỳ thuộc vị trí bắt cặp của mồi trên ADN khuôn

- RAPD được sử dụng để phân tích genome ở sinh vật, nghiên cứu sự đa dạng di truyền giữa các cáthể trong quần thể và giữa các quần thể trong loài RAPD còn sử dụng để xác định quan hệ ditruyền (phả hệ – dendrogram ) và tìm chỉ thị đặc trưng RAPD

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I:

18

1 Tại sao axit nucleic lại được coi là vật chất di truyền? Nêu một vài bằng chứng về vai trò mang thông tin di truyền của axit nucleic.

2 Nêu đặc điểm vật chất di truyền và phương thức truyền đạt vật chất di truyền ở vi rút, sinh vật tiền nhân (Procaryote) và sinh vật nhân thực (Eucaryote)

3 Nhiễm sắc thể là gì? Tính đặc trưng của nhiễm sắc thể Nêu cấu trúc siêu hiển vi của NST ở tế bào eukaryot.

4 Nêu các cơ chế đảm bảo sự ổn định của bộ nhiễm sắc thể.

5 Cấu trúc phân đoạn gen ở sinh vật eucaryote và phương pháp phát hiện cấu trúc phân đoạn của gen.

6 Đoạn xen và gen nhảy là gì? Nêu cơ chế xen gen nhảy vào nhiễm sắc thể và ý nghĩa của nghiên cứu đoạn xen và gen nhảy.

7 Nêu các giả thuyết về các kiểu tái bản ADN Thí nghiệm chứng minh ADN tái bản theo kiểu bán bảo toàn của Meselson – Stahl.

8 Nêu vai trò của các enzym và protein tham gia vào tái bản ADN ở E.coli.

9 Trình bày cơ chế tái bản ADN ở E coli.

10 Những điểm giống nhau và khác nhau cơ bản của quá trình tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ

và sinh vật nhân thực.

11 Cơ chế tái bản ADN 1 sợi ở virut x174.

12 Trình bày các quá trình sửa sai trong tái bản và khi không tái bản

13 Thế nào là phản ứng chuỗi polymerase (PCR)? Nêu đặc điểm về thiết bị, hoá chất, nguyên tắc

và chu kì phản ứng, ứng dụng

Chương 2

MÃ DI TRUYỀN MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN VÀ PROTEIN

(Lý thuyết : 04 tiết)

Mục tiêu

(i) Bản chất của mã di truyền ; (ii) Sự phiên mã ở Prokaryot và Eukaryot ; (iii) Quá trình sinh tổnghợp protein ; (iv) Điều hoà biểu hiện gen: Các mức điều hoà; Điều hoà biểu hiện gen ở prokaryot;Điều hoà biểu hiện gen ở eukaryot; Cơ chế biểu hiện phân hoá gen

Nội dung giảng dạy trên lớp: Sự phiên mã ở Prokaryot và Eukaryot ; Quá trình sinh tổng hợp

protein ; (iv) Điều hoà biểu hiện gen: Các mức điều hoà; Điều hoà biểu hiện gen ở prokaryot; Điềuhoà biểu hiện gen ở eukaryot;

Sinh viên tự nghiên cứu : Bản chất của mã di truyền ; So sánh sự phiên mã ở sinh vật nhân sơ và

sinh vật nhân thực ; Cơ chế biểu hiện phân hoá gen

Tài liệu học tập:

1 Chu Hoàng Mậu, Nguyễn Thị Tâm, 2006, Giáo trình Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà Nội.

2 Phan Cự Nhân, Nguyễn Minh Công, Đặng Hữu Lanh, 1999, Di truyền học, NXB Giáo dục,

Hà Nội

Phương tiện: Bảng; Máy tính; Máy chiếu;

Phương pháp: Thuyết trình; Tự học.

1 BẢN CHẤT CỦA MÃ DI TRUYỀN

1.1 Khái niệm thông tin di truyền, codon

Mật mã di truyền là hệ thống đặc trưng cho các cơ thể sống Trong đó, toàn bộ thông tin di truyền –thông tin về cấu trúc protein được ghi trong axit nucleic dưới dạng trình tự xắp xếp các nucleotit,trình tự này qui định trình tự các axit amin trong phân tử protein

Như đã biết, trong thành phần protein có khoảng 20 axit amin (ngôn ngữ 20 chữ cái), trong khi đó ởaxit nucleic chỉ có 4 loại nucleotit (ngôn ngữ 4 chữ cái) Vậy các nucleotit trên axit nucleic mã hoácác axit amin trong các phân tử protein theo nguyên tắc nào ?

Nếu chỉ có 1 nucleotit hoặc 2 nucleotit mã hoá cho 1 axit amin, thì số tổ hợp bộ 1 hoặc bộ 2 sẽkhông đủ để mã hoá cho 20 axit amin khác nhau Nếu 3 nucleotit mã hoá cho 1 axit amin thì sẽ có

64 tổ hợp bộ 3, đủ và dư thừa để mã hoá cho 20 axit amin khác nhau Nếu 3 nucleotit mã hoá cho 1axit amin sẽ xảy ra trường hợp nhiều bộ 3 cùng xác định 1 axit amin Bằng thực nghiệm người ta đãxác định mã di truyền là mã bộ 3 Điều này có nghĩa cứ 3 nucleotit kế tiếp nhau trên mARN qui

định 1 axit amin Codon là tổ hợp 3 nucleotit giống hay khác nhau nằm kế tiếp trên mARN qui định

cho 1 axit amin

1.2 Bằng chứng về mã bộ ba

Chứng minh codon gồm 3 nucleotit kế tiếp nhau trên mARN

Dùng chất gây đột biến acridin tác động lên phage T4 Các đột biến ở T4 được chia làm 2 loại là độtbiến mất (mất 1 nucleotit) và đột biến thêm (thêm vào 1 nucleotit) Kí hiệu: Đột biến (+) và đột biến(-)

Nếu T4 xảy ra 1 đột biến (+) hoặc 1 đột biến (-) thì phage T4 có dạng đột biến Nếu T4 xảy ra 2hoặc 4 hoặc 5 đột biến (-) hoặc (+) phage T4 cũng có dạng đột biến Trường hợp T4 cùng lúc mang

1 đột biến (-) và 1 đột biến (+) thì phage T4 có dạng dại Nếu T4 mang 3 hay bội số của 3 đột biến(-) hay (+), phage T4 cũng có dạng dại Điều này chứng tỏ mã di truyền là mã bộ ba

Giả sử phân tử mARN chỉ có thành phần CAG và trong phân tử protein chỉ có một loại axit amin:

mARN CAG CAG CAG CAG CAGProtein a1 a1 a1 a1 a1Nếu đột biến làm mất C (-) ở vị trí mã số 2 trên mARN:

mARN CAG AGC AGC AGC AGCProtein a1 a2 a2 a2 a2Nếu đột biến (+) thêm G vào giữa bộ ba thứ 2:

mARN CAG AGC GAG CAG CAG CAGProtein a1 a2 a3 a1 a1 a1

=> Vậy mã di truyền là mã bộ ba

phần, các axit amin và một số phụ gia khác Phản ứng diễn ra trong vài phút rồi dừng lại, nếu bổsung thêm mARN thì việc tổng hợp lại tiếp diễn.

 Nếu mARN có thành phần toàn U thì thu được chuỗi polypeptit chứa toàn phenylalanin Chứng

tỏ bộ ba UUU mã hoá phenylalanin

 Nếu mARN có thành phần toàn A thì thu được chuỗi polypeptit chứa toàn lysin Chứng tỏ bộ baAAA mã hoá lysin

 Nếu mARN có thành phần toàn X thì thu được chuỗi polypeptit chứa toàn prolin Chứng tỏ bộ

ba XXX mã hoá prolin

 Nếu mARN có thành phần toàn UXU thì thu được chuỗi polypeptit chứa toàn serin Chứng tỏ

bộ ba UXU mã hoá serin

Bằng cách như vậy người ta đã tìm ra 61 bộ ba mã hoá cho 20 axit amin khác nhau, 3 bộ ba còn lại

là UAA, UAG, UGA là tín hiệu kết thúc quá trình tổng hợp chuỗi polypeptit, các bộ ba này được

gọi là bộ ba vô nghĩa (non sense ) vì chúng không quy định axit amin.

Mã di truyền mang tính “thoái hoá”, cùng 1 axit amin có thể được mã hoá bởi một số bộ ba khácnhau Mã di truyền mang tính thoái hoá mạnh Thể hiện: chỉ có 2 axit amin là methionin vàtriptophan có 1 bộ ba mã hoá; 9 axit amin được mã hoá bởi 2 bộ ba; 1 axit amin được mã hoá bởi 3

bộ ba; 5 axit amin được mã hoá bởi 4 bộ ba; 3 axit amin được mã hoá bởi 6 bộ ba

Mã di truyền có tính chất phổ biến (universal ) Các loài sinh vật đều được mã hoá theo nguyên tắcchung

Mã di truyền có bộ 3 khởi đầu và kết thúc đặc hiệu Bộ ba khởi đầu trong tổng hợp protein nằm trênđầu 5’ mARN bào giờ cũng là AUG, 3 bộ ba kết thúc không mã hoá axit amin nằm ở đầu 3’ củamARN là UAA (ochae), UAG (opal), UGA (amber ) Mã khởi đầu UAG có 2 chức năng: vừa tạo ra

sự bắt đầu dịch mã (mã mở đầu ) vừa mã hoá axit amin

1.5 Tính linh hoạt

- Trong tế bào có những loại tRNA có thể kết cặp với một số bộ ba khác nhau trên mARN Phântích trình tự tRNA đã cho thấy rằng một số tARN có inosin là một trong các base của cụm mã đối(anticodon) Inosin có cấu trúc như sau:

Cấu trúc này có khả năng kết cặp với nhiều base

- Phân tích trình tự cho thấy đầu 5’ của codon đối mã (bổ trợ với base thứ ba của cụm mã) khác với

2 base kia, có khả năng kết hợp với một số base trên đầu 3’ của cụm mã Hiện tượng này còn đượcgọi là tính “linh hoạt” trong kết cặp

Tính linh hoạt có giới hạn:

Base trên đầu 5’ của anticodon Base trên đầu 3’ của cụm mã

Ví dụ: Sự thay thế cặp AT  TA làm cho codon GAG mã hoá axit glutamic trở thành codon GUG

mã hoá valin gây bệnh thiếu máu và hồng cầu hình lưỡi liềm

1.6.2 Đột biến vô nghĩa

Sự biến đổi một cặp base trong gen cấu trúc tạo ra codon kết thúc thay cho 1 codon có nghĩa làmquá trình dịch mã ngừng lại, mạch polypeptit tổng hợp ngắn hơn bình thường và không hoạt độngchức năng thì được gọi là đột biến vô nghĩa hay đột biến kết thúc

1.6.3 Đột biến cặp base ở bộ ba qui định axit amin làm xuất hiện codon mới (codon thoái hoá) không ảnh hưởng đến chuỗi polypeptit.

Một loại axit amin có thể được quy định bởi một vài bộ ba, ví dụ GUU, GUC, GUA, GUG cùngquy định axit amin valin

1.6.4 Đột biến dịch khung

Đột biến mất hoặc thêm base trong gen cấu trúc dẫn đến mARN tổng hợp từ gen này có khung đọcdịch đi 1 nucleotit bắt đầu từ điểm có đột biến Các biến đổi này thường làm enzym mất hoạt tính Sựtổng hợp chuỗi polypeptit có thể bị kết thúc sớm nếu sự lệch khung dẫn đến codon kết thúc

2 SỰ PHIÊN MÃ

2.1 Phiên mã ở sinh vật nhân sơ

2.1.1 Enzym ARN polymerase và tín hiệu khởi đầu, kết thúc phiên mã

Thành phần chính xúc tác tổng hợp ARN ở E.coli là ARN polymerase (ARNase) có hệ số lắng 11S – 13S

và khối lượng phân tử 500.000 dalton ARN polymerase ở E coli gồm 2 thành phần: Nhân tố sigma và lõienzym Nhân tố sigma có vai trò giúp lõi enzym nhận biết và bám vào vùng khởi động trên ADN tại

những điểm đặc thù - gọi là điểm khởi đầu (promotor ), nếu thiếu  thì quá trình tổng hợp ARN xảy ra ở

điểm ngẫu nhiên Sau đó nhân tố sigma tách ra và kết hợp với lõi enzym khác Lõi enzym gồm 2 chuỗi

Cùng một tARN

22

polypeptit , 1 chuỗi , 1 chuỗi ’ Lõi enzym đóng vai trò chủ yếu trong tổng hợp ARN dọc theo sợikhuôn ADN.

Đoạn nhận biết gồm 35 cặp base nằm trước điểm khởi đầu promotor Đoạn để RNA -polymerase nhậnbiết là đoạn gồm 7 nucleotit được gọi pribnow, nằm cách điểm phiên mã 5 – 6 base Hộp pribnow trên sợiđối khuôn (antitemplate) có công thức chung là: 5’ TAT purin AT purin 3’

Tín hiệu kết thúc là trình tự nucleotit đặc thù nằm sau gen, gồm 2 vùng giàu cặp AT và GC

2.1.2 Các giai đoạn của quá trình phiên mã

Quá trình phiên mã của prokaryot bao gồm 3 bước: khởi đầu, kéo dài và kết thúc

 Quá trình phiên mã bắt đầu khi nhân tố sigma kết hợp với lõi enzym ARNase, giúp lõi enzymnhận ra và bám vào vùng khởi động (promotor)

 Sau đó, nhân tố sigma tách ra và lõi enzym thực hiện việc tổng hợp ARN Lõi enzym ARNpolymerase trượt dọc gen (3’ – 5’) vừa xúc tác biến tính cục bộ 2 sợi ADN làm lộ ra sợi khuôn vừaxúc tác sự lắp ráp tổng hợp ARN theo nguyên tắc bổ sung A-U; G-C Vùng ADN đã được phiên mãxoắn trở lại như ban đầu Sợi ARN được sinh ra theo chiều 5’ – 3’

 Khi lõi enzym đến điểm kết thúc của gen, do tác dụng của 1 loại protein đặc hiệu, sợi ARN mớitổng hợp và lõi enzym được phóng thích khỏi sợi khuôn Tín hiệu kết thúc được nhận ra bởi phứchợp lõi enzym và protein nusA

2.2 Phiên mã ở sinh vật Eukaryot

2.2.1 ARN polymerase và các vùng kiểm soát phiên mã

 ARN-polymerase I: enzym không bị ức chế bởi  - amanitin (chất ức chế tổng hợp ARN),chuyên trách việc phiên mã các gen để tổng hợp rARN loại 28S, 18S và 5S

 ARN -polymerase II: enzym bị ức chế bởi  - amanitin, tổng hợp mARN

 ARN -polymerase III: enzym bị ức chế bởi  - amanitin ở nồng độ cao, phiên mã tổng hợp các

tARN và rARN loại 5,8S

 Hộp Goldberg – Hogness (hộp TATA) nằm cách điểm khởi đầu phiên mã từ 25 - 30 bp được coi

là đoạn khởi đầu Chức năng: giúp cho enzym ARN polymerase nhận ra và bám vào đúng điểmkhởi đầu phiên mã

 Đoạn kết thúc nằm ở đầu 3’ của gen còn nghiên cứu ít Đoạn kết thúc không dài hơn 21 bp, ởnấm men có trình tự là: TTTTATA

2.2.2 Các giai đoạn của quá trình phiên mã ở Eukaryot

 Giai đoạn khởi động: chịu sự kiểm tra của một trình tự đặc biệt đó là “hộp TATA” (TATA box)nằm trước vị trí bắt đầu phiên mã khoảng 25 –30 bp

 ARN- polymerase II hoạt động phiên mã nhờ nhiều nhân tố TF có bản chất là protein(transcription factor) cho phép khởi động sự phiên mã

 Giai đoạn kéo dài: phân tử ARN được tổng hợp từ mạch khuôn ADN Quá trình này nhờ nhân

tố TF IIS

 Giai đoạn kết thúc: Phiên mã kết thúc trước điểm gắn đuôi poly A rất xa Kết thúc phiên mã có

liên quan đến cấu trúc kẹp tóc tiếp ngay sau trình tự giàu GC.

2.2.3 Quá trình hoàn thiện các bản sao mARN trong nhân

Sản phẩm phiên mã ở các gen cấu trúc của nhóm Eukaryot là các tiền mARN (pre-mARN) Để cóđược các mARN trưởng thành cần có quá trình chế biến trong nhân (processing) Quá trình nàygồm các bước như sau:

 Gắn chóp: Khi pre-mARN đang được tổng hợp dài 20 – 30 base thì ở đầu 5’P bổ sung chóp (cap)7-methyl guanozin triphotphat (7–mGppp)

 Thêm đuôi poly A ở đầu 3’: Một đoạn ngắn của mARN bị cắt ra và các base adenin nối vàothành đuôi poly A Đối với các gen mã hoá liên tục (chỉ có exon), ví dụ: gen mã hoá histon, thì quátrình chế biến trong nhân để tạo ra mARN trưởng thành chỉ gồm 2 bước trên.

 Splicing: Đối với các gen phân đoạn, bản phiên mã đầu tiên là tiền mRNA gồm cả exon vàintron Vì vậy, pre-mARN được sao mã từ các gen này còn trải qua giai đoạn cắt bỏ các đoạn intron

và nối các exon lại với nhau

2.3 Đặc điểm chung của quá trình phiên mã ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn

 Sản phẩm của sự phiên mã là ARN sợi đơn

 Vùng ADN chứa gen được phiên mã phải có sự mở xoắn cục bộ làm lộ ra sợi khuôn (sợi có ýnghĩa - strand sense)

 Nguyên liệu là các ribonucleotit triphotphat : ATP, GTP, CTP, UTP gọi chung là NTP, enzymxúc tác là ARN-polymerase

 Sự khởi đầu và kết thúc phiên mã phụ thuộc vào tín hiệu khởi đầu và kết thúc, đó là những trình

tự nucleotit đặc thù nằm trước và sau gen

 ARN được tổng hợp theo chiều 5’ – 3’, enzym ARN-polymerase di chuyển theo chiều 3’ – 5’trên sợi strand sense

3 DỊCH MÃ

3.1 Protein

3.1.1 Chức năng của protein trong tế bào

Protein giữ các chức năng cơ bản và đặc biệt quan trọng đối với cơ thể sống Vai trò xúc tác sinh

học, các protein có vai trò này được gọi là các enzym Các chất kháng thể chống lại các vi trùng

gây bệnh cũng là những protein Protein có vai trò điều chỉnh các các quá trình trao đổi chất trong

cơ thể đó chính là các hormon (kích thích tố) Protein làm vai trò vận chuyển và phân bố oxi khắp

cơ thể động vật như hemoglobin, tham gia sự vận động của cơ thể như protein cơ Protein tham gia vào tạo nên các cấu trúc của tế bào được gọi là protein cấu trúc.

3.1.2 Cấu trúc của protein

3.2 Quá trình sinh tổng hợp protein

3.2.1 Các yếu tố tham gia tổng hợp protein

3.2.1.1 Các phân tử ARN

3.2.1.2 Ribosom (RBS)

3.2.2 Các giai đoạn của quá trình tổng hợp protein

Gồm 2 hoạt động chính:

3.2.2.1 Hoạt hoá axit amin

Quá trình này diễn ra ở tế bào chất, tạo ra các axit amin sẵn sàng tham gia vào quá trình tổng hợpprotein Hoạt động này được tiến hành nhờ enzym đặc thù Amynoacyl tARN synthetase Quá trìnhnày gồm 2 bước sau:

+) Enzym amynoacyl tARN synthetase xúc tác phản ứng ATP hoạt hoá axit amin tự do để tạo phứchợp aminoacylAMP với enzym

E

H2N-CH-COOH + ATP  E[H2N-CH-COAMP] + PP

Mg+2

R R

+) Phức hợp trên kết hợp với tARN tạo phức hợp aminoacyltARN

E[H2N-CH-COAMP] + tARN  H2N-CH-COtARN + AMP + E

24

Mg+2

R R

3.2.2.2 Quá trình dịch mã trên mARN: 3 giai đoạn

a Khởi động (initiation)

Giai đoạn có sự tham gia của mARN, các ribosom và những protein – nhân tố khởi động (IF –

Initiation Factor); ở Prokaryot có 3 nhân tố IF, còn ở Eukaryot có 10 nhân tố IF.

Dấu hiệu khởi động là codon AUG (mã hoá methyonin) nằm ở đầu 5’ của mARN ở E.coli tARNkhởi động mang methyonin khác với tARN mang methyonin ở giữa chuỗi polypeptit ở chỗ,

methyonin đầu tiên được gắn thêm axit formic tạo thành N-formil methyonin ở đầu amin.

Các bước của giai đoạn khởi động:

Aminoacyl – tARN – synthetase chuyên biệt (methionyl – tARN – synthetase) gắn 1 phân tửmet vào đầu 3’ của tARNmet tạo thành tARNmet và gắn vào tiểu phần nhỏ của ribosom, phứchợp này bám vào trình tự nhận biết đặc biệt của ribosom (promotor) ở đầu 5’ của mARNtrước đoạn mã hoá Nhờ đó anticodon của tARNmet khởi động bắt cặp với codon xuất phátAUG trên mARN ở điểm P Sau đó đơn vị lớn và nhỏ gắn với nhau thành ribosom hoàn chỉnhđính trên mARN

Hình thành tiểu đơn vị nhỏ ribosom – tARNmet – mARN với sự tham gia của nhân tố khởiđộng (IF2 – Prokaryot ; IF4 – Eukaryot)

b Kéo dài

Khi a.a met đặt vào vị trí chuỗi polypeptit bắt đầu được tổng hợp Qúa trình kéo dài chuỗipolypeptit bắt đầu khi phức hợp aminoaxyl-tARN kế tiếp bám vào codon tương ứng trênmARN ở vị trí A để trống trên ribosom nhờ một nhân tố kéo dài (EF – elongation factor) vàhình thành liên kết peptit với axitamin mở đầu nhờ xúc tác của enzym peptidyl tranferase.tARN ở điểm P được giải phóng Ribosom di chuyển trên mARN từ đầu 5’ đến đầu 3’ sao chotARN còn lại trong ribosom chiếm vị trí P, để trống vị trí A chuẩn bị tiếp nhận anticodon bổsung

c Kết thúc

Khi nhân tố (TF) kết thúc nhận biết được dấu hiệu kết thúc khi một trong các bộ ba kết thúc(UAG, UAA, UGA) được đưa vào vị trí A của ribosom Phức hợp peptidyl – tARN lập tứctách thành tARN tự do và chuỗi polypeptit RBS tách ra thành 2 tiểu đơn vị và mARN đượcgiải phóng Quá trình này được thực hiện bởi nhân tố RF (release factor)

Trong quá trình dịch mã tổng hợp protein có một điểm đáng chú ý sau đây:

- Phân tử mARN có thể làm việc đồng thời với 1 số ribosom, do vậy cùng lúc tổng hợp được nhiềuphân tử protein giống nhau

- Axit amin đầu tiên được tách khỏi chuỗi trước khi hoàn thành việc tổng hợp Mọi chuỗi polypeptitđược tổng hợp đều khởi đầu bằng nhóm NH2 và kết thúc bằng nhóm COOH

-Quá trình tổng hợp protein có sự tham gia của nhiều yếu tố: mARN, ribosom, tARN, enzym,ATP

3.2.2.3 Khác biệt liên quan đến cơ chế phiên mã và dịch mã ở Prokaryot và Eukaryot

Tế bào prokaryot không có màng nhân nên quá trình phiên mã và dịch mã có thể diễn ra đồng thời.Các ribosom và tARN có thể gắn vào đầu 5’ của mARN để dịch mã trong khi quá trình phiên mãvẫn đang tiếp diễn

Ở tế bào Eukaryot có màng nhân ngăn cách nhân và tế bào chất, sự phiên mã và dịch mã là 2 quátrình tách biệt cả về không gian và thời gian Phiên mã diến ra trước ở trong nhân, dịch mã xảy rasau ở tế bào chất

4 ĐIỀU HOÀ BIỂU HIỆN GEN

4.1 Các mức điều hoà

Ba thành phần cơ bản của sự điều hoà hoạt động gen:

 Những tín hiệu làm thay đổi biểu hiện gen

 Điều hoà biểu hiện gen thực hiện ở giai đoạn nào từ quá trình sao chép đến dịch mã.

 Cơ chế phân tử của sự điều hoà biểu hiện gen

 Attenuatinon (sự giảm bớt tính tiết)

4.1.3 Mức sau phiên mã (Post-transcriptionel)

Khi hình thành mARN trưởng thành có nhiều yếu tố ảnh hưởng và có thể kiểm tra gián tiếp biểuhiện của gen tương ứng

 Splicing khác nhau

 Điểm polyadenin hoá khác nhau

 Đột biến trên mARN

 Bán chu kỳ phân huỷ của mARN

 Sự bảo tồn các ARN trong tế bào

sản phẩm đặc biệt có thể làm thay đổi cấu trúc không gian của chúng dần đến mất hoạt tính

- Glycosylation, phosphorylation… gắn thêm các nhóm chất như đường, phospho để protein cóhoạt tính

- Tín hiệu peptit là đoạn có khoảng 20 axit amin nằm gần phía đầu N của polypeptit, có vai trògắn polypeptit và ribosom đang tổng hợp mạch này với lưới nội chất Trong bộ golgi, polypeptitđược phóng ra ngoài

- Sự phóng thích ra protein có hoạt tính từ một phức hợp, như từ proinsulin thành insulin

4.2 Điều hoà biểu hiện gen ở Prokaryot

Các gen được phiên mã tạo mARN, được gọi là gen cấu trúc, protein được dịch mã từ mARN có thểenzym hoặc không phải là enzym Trong số các protein không phải enzym có protein điều hoà

26

(regulatory protein), chúng tương tác với trình tự ADN đặc hiệu kiểm soát phiên mã của gen cấutrúc Gen điều khiển tổng hợp protein điều hoà gọi là gen điều hoà (regulatory gen), phía trướcnhóm gen cấu trúc có trình tự promotor, nơi nhận biết và bám vào của ARN -polymerase.

4.2.1 Cấu trúc của promotor

Thực chất của khởi đầu phiên mã là quan hệ tương tác giữa ARN polymerase với promotor.Khi ARN polymerase gắn vào promotor gen sẽ tạo phân tử mARN

Phần lớn promotor ở E coli về căn bản có cùng một cấu trúc

Nếu base đầu tiên được phiên mã ra mARN (thường là A) được đánh số +1 và tất cả cácbase phía 5’ hay phía trước nó không được phiên mã được ghi là (-) Ngay phía trước +1 có 6 basethường là trình tự TATAAT ở xung quanh -10 Không phải tất cả promotor có đúng trình tự này,gọi là trình tự nhất trí (consensus sequense), có thể gọi pribnow box Xung quanh trình tự -35 cótrình tự nhất trí TGACA Cả hai trình tự phối hợp với nhau cho phép ARN polymerase gắn vào vàquá trình phiên mã và dịch mã bắt đầu

4.2.2 Cấu trúc của operon

Operon là đơn vị phiên mã gồm ít nhất 1 promotor (trình tự khởi động) và mARN kế cận mã hoá

cho các trình tự của một hay nhiều mạch polypeptit Promotor có ái lực với ARN polymerase, một trình tự ADN nơi mà protein ức chế (repressor protein) gắn vào được gọi là operator (gen điều

hành), kế tiếp là các gen cấu trúc (cistron) Prokaryot thường tạo ra mARN đa gen (polycistronic),nhưng mARN của Eukaryot chỉ có 1 gen

Năm 1961, Jacob và Monod đã đưa ra mô hình operon Lac ở E coli

- Operon Lac chứa 3 gen cấu trúc Z, Y, A

Gen Z mã hoá cho enzym  galactozidase, có nhiệm vụ thuỷ phân lactose thành galactose và

glucose

Gen Y mã hoá enzym galactosid- permease, có chức năng vận chuyển lactose qua màng.

Gen A mã hoá enzym transacetylase, tham gia vận chuyển nhóm acetyl CoA, không tham gia vào

chuyển hoá lactose

- Trình tự Operator (O): Là đoạn ADN dài 34bp, nằm cách điểm khởi đầu của gen Z 10 bp Protein ức

chế nhận biết và bám vào và chuyển động dọc theo gen này cả về 2 phía

- Trình tự khởi động (Promotor-P): Đoạn ADN dài 85 bp nằm trước gen O và trùm lên gen này 7 bp.

Vùng khởi động hay trình tự khởi động gồm 2 vị trí: Vị trí tương tác với ARN polymerase dài 39bp

Vị trí CAP dài 39bp, đây là vị trí tương tác với protein dị hoá (Catabolite Activation Protein) Nếukhông có protein này thì ARNase không thể liên kết với operon và không thể bắt đầu phiên mã

- Gen điều hoà (I): Nằm kề sát gen khởi động, mã hoá cho protein ức chế gồm 4 chuỗi polypeptit đồng

nhất, protein này có khả năng nhận biết và bám vào gen chỉ huy Gen I không thuộc thành phần củaoperon, có thể nằm trên cùng 1 NST với các thành phần của operon hay có thể nằm trên NST khác

Mô hình operon lactose ở E coli Một số khái niệm:

Kiểm soát âm (Negative control): Sự gắn của repressor protein vào operator làm cản trở sự phiên

mã của tất cả các gen trong cùng một operon

Kiểm soát dương (Positive control): Các protein cần thiết cho gen biẻu hiện gọi là activator (chất

hoạt hoá), activator có thể gắn với các điểm khởi động (initiator site) của operon hay gắn vớienhancer site (điểm tăng cường) sẽ kích thích sự phiên mã của các gen cấu trúc

Chất giúp cho gen phiên mã được gọi là chất cảm ứng (inducer), chất có tác dụng ngược lại gọi là chất kìm hãm Các gen cảm ứng (inducible gene) thường thường tham gia vào các phản ứng thoái

dưỡng (kiểm soát âm, cảm ứng); còn các gen ức chế (repressible gene) thường tham gia vào các

phản ứng biến dưỡng.

Khả năng có thể xảy ra 4 kiểu tổ hợp để kiểm soát sự phiên mã:

 Âm, cảm ứng (negative, inducible control)

 Âm, ức chế (negative, repressive control)

 Dương, cảm ứng (positive, inducible control)

 Dương, ức chế (positive, repressive control)

4.2.3 Điều hoà thoái dưỡng: kiểm soát âm, cảm ứng (negative, inducible control)

Các chất dinh dưỡng được phân huỷ để tạo năng lượng hoặc tạo nguyên liệu cần thiết cho quá trìnhtổng hợp Cơ chế điều hoà ở đây là sự có mặt của cơ chất, dẫn tới tổng hợp các enzym phân huỷ Đó

là operon cảm ứng mã hoá cho các enzym của con đường dị hoá

Cảm ứng âm tính điển hình là operon lactose ở E.coli

Không có lactose  gen mã hoá các enzym chuyển hoá lactose không biểu hiện.

Có lactose  gen mã hoá các enzym chuyển hoá lactose biểu hiện.

Cơ chế: Sự điều hoà xảy ra hoàn toàn ở mức phiên mã Cơ chế này dựa vào sự tương tác của

protein điều hoà (nhân tố kìm hãm – repressor) với một trình tự ADN, promotor ở đầu 5’ không mãhoá của các gen cấu trúc

Repressor liên kết với operator nằm giữa promotor và gen cấu trúc Có 2 khả năng:

(1) Khi môi trường không có lactose mà chỉ có glucose thì repressor liên kết với operator và các

cistron không tổng hợp mARN

28

2) Nếu trong môi trường dinh dưỡng có lctose (chất cảm ứng), lactose sẽ tác dụng tương hỗ với chất

ức chế do gen điều hoà sản suất, làm thay đổi cấu hình của chất này, do vậy chất ức chế không nhậnbiết được gen chỉ huy, gen chỉ huy ở trang thái tự do, ARNase sẽ chuyển dịch dọc theo operon các gen cấu trúc được phiên mã và các enzym chuyển hoá lactose được tổng hợp

4.2.4 Điều hoà biến dưỡng: âm, ức chế (negative, repressive control)

Biến dưỡng (anabolism) là quá trình tổng hợp nên các chất cần thiết cho tế bào (như các axit amin),

đó là operon kìm hãm liên quan đến con đường đồng hoá - điển hình là operon – triptophan

Quá trình tổng hợp tryptophan bắt đầu từ tiền chất chorismique acid, trải qua 5 giai đoạn kế tiếp do

5 enzym xúc tác Hệ thống tổng hợp axit amin tryptophan ở E.coli do operon kiểm soát âm, ức chế

 Môi trường không có tryptophan  tế bào tổng hợp tryptophan nhờ tích cực sản xuất enzymchịu trách nhiệm tổng hợp tryptophan

 Môi trường có tryptophan  enzym không được sản xuất nữa

 Nhân tố kìm hãm repressor không có ái lực với operator Axit amin đặc trưng kết hợp vớirepressor sẽ làm thay đổi cấu hình của repressor

Môi trường có tryptophan  repressor kết hợp với tryptophan gắn lên operator  các gen cấu trúccủa operon không phiên mã

Môi trường thiếu triptophan, repressor không gắn được vào operator, cho nên các gen cấu trúc củaoperon phiên mã

4.3 Điều hoà biểu hiện gen ở Eukaryot

30

4.3.1 Đặc điểm về sự điều hoà biểu hiện gen ở Eukaryot

Bộ gen của Eukaryot có kích thước lớn, phân tử ADN được nén trên các NST trong nhân tế bào Cơchế điều hoà biểu hiện gen có thể xảy ra ở 5 - 6 mức độ khác nhau và sự điều hoà biểu hiện gen ởEukaryot có một số đặc điểm cơ bản sau:

 Ở Prokaryot, các gen điều hoà và promotor nằm gần nhau; còn ở Eukaryot các gen điều hoà ítkhi nằm gần các promotor do chúng kiểm soát

 Các enhancer là những trình tự cùng nằm trên một phân tử với các promotor, có thể có hàngtrăm bp ở phía trước hoặc sau trình tự mà chúng kích thích

 Trình tự điều hoà 5’ ở phía trước promotor của eukaryot có thể dài tới hàng chục kb

 Có nhiều kiểu điều hoà ở dạng các nhân tố tác động trans là các protein

 Sự điều hoà hoạt động gen ở prokaryot phần lớn đáp lại từ những tín hiệu bên ngoài; còn ởeukaryot chủ yếu là tín hiệu bên trong

4.3.2 Promotor

Sự thay đổi hộp TATA làm giảm tốc độ phiên mã Hộp TATA và các trình tự phía trước phải đượcnhận biết bởi các protein điều hoà, chính các protein này gắn với các điểm nhất định trên chúng vàhoạt hoá sự phiên mã

4.3.3 Enhancer (Trình tự tăng cường), trình tự cis và nhân tố trans

- Enhancer là trình tự có tác động cis (đều phía) có chức năng làm tăng tốc độ phiên mã đáng kể

từ các promotor, enhancer có hiệu quả ngay cả khi cách xa vài nghìn cặp base và chúng hoạtđộng bất kỳ ở hướng nào, dù là ở trước hay sau promotor Trình tự tham gia điều hoà - cis cócấu trúc gồm 2 phần đối xứng nhau

- Enhancer được tổ chức gồm một dãy các trình tự có tác động cis để nhận biết các nhân tố trans

-nhân tố protein tham gia điều hoà biểu hiện gen

- Trans gồm 2 vùng cấu trúc chức năng: vùng gắn trans với ADN và vùng tác động lên phiên mã.Các nhân tố trans có 4 kiểu tác động như: “Ngón tay kẽm” (zine-finger); “Xoắn-vòng-xoắn”(helix-turn-helix); “Xoắn -nut-xoắn” (helix-loop-helix); “Dây kéo leucin” (leucine-zipper)

- Giữa trình tự cis và nhân tố trans thường có các tương tác đặc hiệu do những liên kết yếu hìnhthành giữa các phân tử của nhân tố trans với các base của trình tự cis Các trình tự cis thườngtiếp nhận protein điều hoà (nhân tố trans) gồm 2 tiểu đơn vị (dimer) Nhân tố trans có thể có 4nhóm cấu trúc, chúng luôn gắn lên cis

- Điều hoà bằng cách biến đổi nhiễm sắc chất hay ADN Nhiễm sắc thể tồn tại những vùng “nhạycảm” tương ứng với các gen hoạt động Các vùng nhạy cảm này dễ tiếp xúc với enzym sao mã.Tóm lại, các gen của Eukaryot được hoạt hoá bởi hai trình tự ADN có tác động cis là promotor vàenhancer Chúng được nhận biết các nhân tố protein có tác động trans Các nhân tố trans này chophép ARN–polymerase khởi động phiên mã và đạt tốc độ phiên mã tối đa

4.4 Cơ chế biểu hiện phân hoá gen (Điều hoà hoạt tính và tác động của gen ở mức phiên mã)

Điều hoà hoạt tính và tác động của gen ở mức phiên mã gồm các khâu:

(1) Gắn với protein tạo thành các hạt mRNP (Ribo Nucleoprotein)

(2) Gắn thêm mũ 7 methyl guanosin triphotphat vào đầu 5’

(3) Gắn đuôi poly A vào đầu 3’

Gắn mũ và thêm đuôi polyadenin có tác dụng bảo vệ mARN khỏi bị các ribonuclease phân giải.(4) Cắt intron và kết nối các exon

Hầu hết các khâu kể trên đều là cơ chế cho sự biểu hiện phân hoá của gen, cho phép các tế bào cóthể hình thành 2 hoặc nhiều mARN từ cùng một tiền mARN do kiểu kết nối khác nhau Kiểu kếtnối khác nhau thường tạo ra các mARN với các vùng giải mã khác nhau, từ đó hình thành cácprotein khác nhau

4.4.1 Gắn với các protein

Tiền mARN ở Eukaryot được gắn với các protein tạo ra chuỗi các hạt xếp xít nhau, có đường kínhkhoảng 20nm gọi là ribo nuleoprotein hoặc ribonucleosom Mỗi ribonucleosome gồm khoảng 700ribonucleotit quấn quanh các hạt protein

Chức năng của các hạt protein đến nay chưa rõ, có thể chúng giữ cho sợi đơn ARN mới sinhkhông có hiện tượng lai giữa các sợi

4.4.2 Gắn mũ (chóp = cap)

Đầu 5’ của tiền mARN được gắn thêm một cãi mũ do tác động của enzyme 7 methyl guanosintriphotphat (Guanin được methyl hoá ở vị trí số 7 và C số 5 của đường C5H 10O 5 gắn với 3 gốcphotphat)

Chức năng của mũ

- Làm tăng khả năng kết hợp mARN với ribosom

- Bảo vệ các tiền mARN khỏi bị phân giải bởi các ribonuclease

- Khởi động cho sự giải mã của phân tử mARN

4.4.3 Bổ sung đuôi polyA (polyadenin) ở đầu 3 ’

Đuôi poly A dài khoảng 100- 300 nucleotid loại adenin

Vai trò:

-Vai trò quan trọng trong điều hoà giải mã

- Cần cho sự di chuyển qua lại giữa nhân và tế bào chất

- Bảo vệ mARN khỏi bị enzym phân giải

4.4.4 Cơ chế cắt intron và nối exon

Quá trình loại bỏ các intron ở pre-mARN được diễn ra như sau:

Mỗi intron gồm 102 –104 nucleotit

Năm 1978 người ta đã xác định trình tự các base đặc hiệu trong giới hạn 2 đầu mút của mỗi intron

ổn định gọi là đoạn chuẩn:

Sợi đối khuôn 5’ GT AG 3’

Pre-mARN 5’ GU AG 3’

Ở một số ARN nhân nhỏ (snARN) trong thành phần enzym cắt nối có các trình tự dinucleotit bổ

sung với đoạn chuẩn trong intron

Enzym cắt nối kết hợp với snARN tạo phức hợp snPRN (ribonucleoprotein nhân nhỏ) MộtsnRNP bám vào đầu 5’ và một snRNP bám vào đầu 3’ của intron để tách đoạn intron khỏi tiềnmARN Hai exon liền kề được nối lại với nhau, còn đoạn intron tách ra bị thoái hoá

4.4.5 Gen Calcitonin/Neuropeptid và phiên mã phân hoá

32

Người ta đã phát hiện, ở chuột 1 gen mã hoá cho 2 protein khác nhau ở 2 loại tổ chức:

(1) Hooc môn Calcitonin được tổng hợp ở tuyến giáp với chức năng điều hoà Ca và P

(2) Neuropeptid được tổng hợp từ cùng 1 gen với calcitonin nhưng có trong các tế bào thần kinh ở não

Gen Calcitonin/Neuropeptid cũng như tiền mARN sao mã từ gen này gồm 6 exon và 2 đuôi polyA.

Ba exon đầu (1, 2, 3) đều có mặt trong 2 loại tổ chức tuyến giáp và nơron

Tuyến giáp sử dụng polyA1 nằm sau exon 4 và liên kết với exon 1, 2, 3, 4 Nơron sử dụng polyA2 và

sử dụng exon 1, 2, 3, 5, 6

Sự sử dụng đuôi poly A khác nhau và sự kết nối các exon khác nhau từ cùng một tiền mARN đã tạothành 2 loại mARN điều khiển tổng hợp hai loại protein khác nhau ở hai tổ chức khác nhau trong cơthể Phát hiện này chứng tỏ có sự phân hoá trong sao mã hình thành các loại mARN từ cùng 1 gendẫn đến tổng hợp các loại protein khác nhau ở các tổ chức nhau

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2

1 Phân biệt các khái niệm codon, anticodon, sự mã hoá bộ 3 và bộ 3 mã hoá

2 Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nào đã chứng tỏ mã di truyền là mã bộ 3?

3 Làm thế nào để biết được các bộ 3 mã hoá cho từng axit amin ?

4 Mã di truyền có những đặc tính gì?

5 Giải thích tính thoái hóa của mã di truyền

6 So sánh phiên mã ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.

7 Các giai đoạn của quá trình dịch mã trên mARN.

8 Các thành phần của một operon

9 Các khái niệm: kiểm soát âm (negative control); kiểm soát dương (positive control); chất cảm ứng (inducer); chất kìm hãm (inhibitor) Ví dụ.

10 Mô hình điều hoà CƯ âm tính và ƯC âm tính ở E.Coli

11 Đặc điểm điều hoà biểu hiện gen ở eukaryot.

12 Các khâu cơ bản của cơ chế biểu hiện phân hoá gen Giải thích được tại sao cùng một gen lại

có sự tổng hợp các protein khác nhau ở các tổ chức khác nhau trên cùng cơ thể.

Chương 3 BIẾN DỊ

(Lý thuyết: 03 tiết)

Mục tiêu

 Khái niệm và phân loại biến dị

 Khái niệm và phân loại đột biến

 Đột biến gen

 Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể

 Đột biến số lượng nhiễm sắc thể

 Phương pháp phân tích đột biến ở cấp độ phân tử và cấp độ tế bào

 Thường biến

Nội dung giảng dạy trên lớp: (1) Khái niệm và phân loại biến dị ; (2) Khái niệm và phân loại đột

biến; (3) Đột biến gen; (4) Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể; (4) Đột biến số lượng nhiễm sắc thể

Sinh viên tự nghiên cứu : Phương pháp phân tích đột biến ở cấp độ phân tử và cấp độ tế bào; Thườngbiến

Tài liệu học tập

1 Chu Hoàng Mậu, Nguyễn Thị Tâm, 2006, Giáo trình Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà Nội.

2 Phan Cự Nhân, Nguyễn Minh Công, Đặng Hữu Lanh, 1999, Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà

Nội

Phương tiện: Bảng; Máy tính; Máy chiếu;

Phương pháp: Thuyết trình; Thảo luận nhóm.

1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI BIẾN DỊ

 Tính biến dị (variability) là một đặc tính của sinh vật có khả năng phát sinh những biến đổi về

kiểu hình hoặc những biến đổi trong vật chất di truyền do những nguyên nhân bên trong vàbên ngoài

 Tính biến dị được thể hiện bằng hiện tượng biến dị, đó là những sai khác thường xuyên gặp phải

giữa các cá thể, kể cả các cá thể có quan hệ họ hàng gần gũi Ví dụ: Sự sai khác về màu sắclông, trứng, hình dạng mào, tiếng gáy của các con gà trong cùng đàn gà

 Biến dị là một trong 3 nhân tố tiến hoá chủ yếu (biến dị – di truyền – chọn lọc), tạo nguồn

nguyên liệu cho quá trình chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo

 Biến dị và di truyền là 2 mặt đối lập nhưng thống nhất của cơ thể sống Trong quá trình di

truyền đã phát sinh biến dị, còn những biến dị đã phát sinh duy trì được cho thế hệ sau nhờquá trình di truyền Đây là sự biểu hiện các qui luật vận động của vật chất di truyền

 Theo Hugo de Vries (1901): đột biến là những biến đổi di truyền xảy ra trong vật chất ditruyền, những biến đổi này không phải gây ra do tái tổ hợp hoặc phân li.

 Theo Arne – Miinting (1967), đột biến là những biến dị di truyền không phải gây ra do tổhợp lại gen

 Đột biến là những biến đổi đột ngột, gián đoạn về số lượng, chất lượng và cấu trúc của vật chất di truyền không phải do phân li cũng không phải do sự tổ hợp lại gen.

 Quá trình đột biến là một chuỗi những nguyên nhân, cơ chế dẫn đến sự phát sinh đột biến

Những cá thể mang đột biến đã được biểu hiện thành kiểu hình gọi là thể đột biến (mutant),

ví dụ: Thể đột biến bạch tạng ở lúa

2.1.2 Phân loại đột biến

2.1.2.1 Theo vật chất di truyền bị biến đổi (hay theo đặc đặc điểm biến đổi của bộ gen)

 Đột biến số lượng nhiễm sắc thể - Đột biến bộ gen (genom), gồm hiện tượng đa bội thể và dị

bội thể

 Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể hay cấu trúc lại nhiễm sắc thể là những biến đổi trong cấu

trúc nhiễm sắc thể

 Đột biến gen hay đột biến điểm – biến đổi trong cấu trúc của gen Đột biến này có thể xảy ra

đối với gen nằm trong nhân hay gen ngoài nhân

2.1.2.2 Theo sự biểu hiện ở trạng thái dị hợp tử

 Đột biến trội: Có khả năng biểu hiện kiểu hình ngay cả khi ở trạng thái dị hợp Ví dụ: đột

biến bẹ lá màu tím ở thế hệ 1 (M1) từ lúa nếp 415 có bẹ lá màu xanh, ở M2 phân li theo tỷ lệ

3 tím : 1 xanh

 Đột biến lặn: Chỉ biểu hiện kiểu hình ở trạng thái đồng hợp tử Ví dụ: Đột biến bạch tạng ở

lúa

2.1.2.3 Theo sự chệch hướng so với dạng ban đầu hay kiểu dại

 Đột biến thuận: Từ kiểu hình ban đầu trở thành kiểu hình đột biến Ví dụ: từ kiểu hình dại

có bẹ lá màu xanh ở lúa nếp 415 đột biến thành kiểu hình có bẹ lá màu tím

 Đột biến nghịch hay hồi biến kiểu gen: Đây là đột biến xảy ra ở thể đột biến nghịch, khôi

phục lại cấu trúc di truyền ban đầu, dẫn đến khôi phục lại kiểu hình dại

2.1.2.4 Dựa vào loại tế bào bị đột biến

 Đột biến tế bào mầm hay đột biến giao tử (đột biến sinh dục)

 Đột biến xoma Ví dụ: Hạt ngô Ấn độ dạng dại có màu trắng tuyền do kiểu gen đồng hợp tử

lặn qui định Sự xuất hiện những hạt ngô có đốm màu ở giống ngô này là do đột biến nghịchxảy ra ở tế bào xoma tạo nên nội nhũ làm cho gen lặn trở thành gen trội có khả năng tạomàu

 Đột biến tiền phôi: là một dạng đột biến xoma, nhưng xảy ra ở những lần phân chia đầu tiên

của hợp tử

 Đột biến giao tử và đột biến tiền phôi được truyền lại cho thế hệ sau qua sinh sản hữu tính.Đột biến xoma làm cho cơ thể mang hỗn hợp các mô bình thường và mô đột biến Ví dụ: ởhoa hướng dương, đột biến xoma làm xuất hiện cánh hoa màu trắng xen lẫn một số cánh hoamàu đỏ; ở cừu, đột biến xoma làm xuất hiện những con lông trắng có chùm lông xám ở lưnghoặc bụng ở động vật đột biến xoma không có ý nghĩa chọn giống vì không di truyền được,

ở thực vật bậc cao, đột biến xoma có thể duy trì nhờ sinh sản sinh dưỡng như ghép, chiết

2.1.2.5 Dựa vào mức độ biểu hiện ra kiểu hình và khả năng nhận biết, người ta chia:

 Đột biến lớn (macromutation): Những đột biến ảnh hưởng đến các tiêu chuẩn phân loại, có

thể phát hiện được bằng mắt thường Ví dụ: đột biến cánh cụt ở ruồi giấm, đột biến thân lùn

ở lúa

 Đột biến nhỏ (micromutation): là kiểu đột biến chỉ phát hiện được nhờ phương pháp định

lượng và quan sát một số lớn cá thể Ví dụ: ở lúa đột biến nhỏ làm tăng số hạt/ bông, trọnglượng 1000 hạt Các đột biến nhỏ rất có ý nghĩa trong cải tạo giống

2.1.2.6 Theo mức độ gây hại và ảnh hưởng đến sức sống của cơ thể đột biến

 Đột biến gây chết (lethal mutation): kiểu đột biến gây chết 100% thể đột biến

 Đột biến nửa gây chết (semilethal mutation): Kiểu đột biến làm chết 50% và dưới 100% số

thể đột biến

 Đột biến giảm sức sống (subvital mutation): Kiểu đột biến gây chết dưới 50% số thể đột

biến Ví dụ: đột biến diệp lục kiểu viridoalbina (lá xanh nhạt – trắng), nếu gieo trồng riêng

và chăm sóc tốt thì có khả năng phục hồi màu sắc lá, tỷ lệ chết nhỏ hơn 50% Nếu gieo trồnglẫn cây bình thường, do cạnh tranh nên tỷ lệ cây chết cao hơn

 Đột biến trung tính: Kiểu đột biến không gây lợi cũng không gây hại cho cơ thể mang nó

 Đột biến tăng sức sống (supervital mutation): Một số đột biến liên quan đến tăng sức chống

chịu cây trồng

2.1.2.7 Theo kiểu hình đột biến

 Đột biến hình thái: Biến đổi hình dạng, màu sắc, kích thước

 Đột biến sinh lí: Đột biến chịu phèn, chịu mặn ở lúa Mộc tuyền, DT.

 Đột biến sinh hoá: Đột biến tăng hàm lượng protein ở hạt gạo, tăng hàm lượng tinh dầu ở

cây bạc hà

 Đột biến sinh thái: Thể đột biến thích nghi với điều kiện sinh thái mới.

2.1.2.8 Theo nguyên nhân phát sinh

 Đột biến tự nhiên: là những đột biến xuất hiện trong điều kiện tự nhiên, do những nguyên

nhân còn chưa biết hoặc chỉ biết một phần

Một số nguyên nhân bên trong sau đây: Sự hình thành một số chất trao đổi trong quá trình trao

đổi chất nội bào; Do thay thế ngẫu nhiên của các bazơ và sự xen vào hay cắt đi các yếu tố di

truyền vận động

Một số nguyên nhân bên ngoài: Do bức xạ tự nhiên; Bức xạ nhân tạo; Một số thuốc chữa bệnh

có khả năng gây đột biến, chất thải công nghiệp, một số chất phụ gia thực phẩm, các thuốc trừ

cỏ, thuốc diệt sâu, sốc nhiệt…

 Đột biến nhân tạo: Đột biến nhân tạo là đột biến gây ra do con người.

2.2 Tác nhân đột biến

2.2.1 Tác nhân vật lý gây đột biến

2.2.2 Tác nhân hoá học gây đột biến

3 ĐỘT BIẾN GEN

3.1 Khái niệm

Đột biến gen hay đột biến điểm là những biến đổi xảy ra trong cấu trúc của gen, đó là những thay đổi về số lượng, thành phần và trật tự nucleotit tại một điểm nào đó trong phân tử ADN, thường liên quan đến 1 nucleotit hay 1 số cặp nucleotit.

Đột biến gen phân biệt với đột biến nhiễm sắc thể ở các điểm căn bản sau:

- Đột biến gen xảy ra ở cấp độ phân tử và có khả năng xảy ra đột biến theo hai hướng thuận nghịch

- Đột biến gen không thể phát hiện được bằng phương pháp phân tích tế bào học Đột biến nhiễmsắc thể có thể được phát hiện bằng phương pháp trên

Các dạng đột biến gen thường gặp:

 Thay thế cặp nucleotit

Gồm 2 dạng

Đồng hoán (Đồng chuyển): khi cặp purin - pirimidin được thay thế bởi cặp purin - pirimidin khác

hay pirimidin - purin bởi pirimidin - purin Ví dụ: Cặp A-T  G- C hoặc G – C  A- T

Dị hoán (Đảo chuyển): khi một base pirimidin được thay thế bởi một base purin hay purin bởi

pirimidin Ví dụ: T – A  G –C hoặc A -T T –A

 Mất một hay một số nucleotit của gen

 Thêm một hay nhiều nucleotit vào gen

3.2 Biến đổi kiểu hình do đột biến gen thay thế

Protein qui định mọi đặc tính và tính trạng của sinh vật

Số lượng, thành phần và trình tự đặc thù của các nucleotit trong gen quy định số lượng, thành phần

và trình tự đặc thù của các axit amin trong chuỗi polypeptit và do đó quy định cấu trúckhông gian đặc thù của protein do gen đó mã hoá

Cấu trúc không gian của protein do gen mã hoá đã dẫn đến enzym có điểm hoạt động riêng, khi

điểm hoạt động này thay đổi thì hoạt tính enzym bị thay đổi (thường theo hướng giảm hoạttính)

36

Cấu trúc không gian của phân tử protein do sự cuộn xoắn của chuỗi polypeptit được xác định bởi sự

tương tác giữa axit amin tích điện âm và axit amin tích điện dương; liên kết hiđro; liên kếtdisunfit giữa 2 xistein

Những thay thế axit amin sau đây thường gây nên biến đổi kiểu hình:

Thay thế một axit amin tích điện bằng một axit amin không tích điện và ngược lại

Thay thế một axit amin trái dấu

Thay thế một axit amin không có mối liên kêt hidro bằng một axit amin có mối liên kếthidro

Mọi sự thay thế prolin sẽ làm thay đổi hình dạng khung polypeptit

Mọi sự thay thế xistein sẽ phá vỡ liên kết disunfit

Tuy nhiên, do tính thoái hoá của mã di truyền, có những thay đổi cặp base này bằng cặp base khác

mà không dẫn đến thay đổi axit amin trong phân tử protein Đối với 2 axit amin chỉ được mãhoá bằng 1 codon duy nhất (methionin, triptophan) thì sự thay thế cặp base này bằng cặpbase khác sẽ dẫn đến thay thế axit amin

Người ta còn phát hiện, phần lớn các protein có vùng chịu đựng được những thay thế axit amin, đó

là những vùng gần đầu mút amin hoặc cacboxyl Những thay đổi ở các vùng này không gây

ra biến đổi kiểu hình

3.3 Cơ chế phân tử của đột biến gen ngẫu nhiên

3.3.1 Sai sót trong sao chép ADN

Các ADN polymerase đều có chức năng đọc – sửa nhưng không phải bao giờ cũng chính xác tuyệtđối Đôi khi Pol III và Pol I mắc sai lầm đưa nucleotit không chính xác vào đầu 3’-OH của chuỗiđang tổng hợp Trong tế bào có hệ thống thứ 2 sửa chữa các sai sót ngẫu nhiên của hệ thống đọc -

sửa gọi là hệ thống sửa chữa ghép đôi sai Song hệ thống này cũng không thật hoàn hảo Vì vậy, do

sai sót trong việc ghép cặp base mà có thể dẫn đến xuất hiện các đột biến ngẫu nhiên

3.3.2 Sự thay thế ngẫu nhiên các base

- Trường hợp mất nhóm amino

Trong tế bào, cytozin và 5 methylcytozin đều có khả năng ngẫu nhiên bị mất nhóm amino Khi đócytozin biến thành uraxin (hiếm gặp vì trong tế bào có enzyme đặc hiệu loại bỏ uraxin trong ADN),còn 5-methylcytozin biến thành timin

Khi 5 methyl cytozin (5MeC) bị mất nhóm amino trở thành T thì không bị loại bỏ, mà nó có khảnăng kết cặp với G, khi đó cặp 5MeC – G sẽ thành cặp T – G Cặp T – G dễ bị hệ thống ghép đôisai loại bỏ Nhưng nếu sự mất nhóm amino xảy ra trên mạch đã được methyl hoá hoàn toàn thì hệthống sửa chữa ghép đôi sai không phát hiện được T là base ghép nhầm Kết quả sau 2 lần tái bảnthì cặp T – G trở thành cặp T –A

- Trường hợp do hỗ biến

Các base trong ADN có thể tồn tại ở 2 trạng thái cấu trúc phân tử do sự thay đổi vị trí của 1 nguyên

tử hidro, gọi là hiện tượng hỗ biến Ví dụ: Adenin dạng bình thường (dạng amino) mang nhóm NH2cung cấp nguyên tử hidro cho sự kết cặp với dạng keto của T (C = O) Đôi khi A lại chuyển sang

cấu trúc hiếm là dạng imino NH và kết cặp với C Sau 2 lần tái bản cặp TA được thay bằng cặp CG.

Trong tự nhiên còn thấy hiện tượng dị hoán Ví dụ: cặp TA  AT trong trường hợp thiếu máu vàhồng cầu lưỡi liềm

4 ĐỘT BIẾN CẤU TRÚC NHIỄM SẮC THỂ

4.1 Khái niệm và phân loại đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể

Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể còn gọi sai hình nhiễm sắc thể; cấu trúc lại nhiễm sắc thể Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể gồm các dạng:

- Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể chỉ xảy ra trong giới hạn một nhiễm sắc thể Gồm các dạng: Mất

đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn và chuyển vị trí một đoạn

- Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể ngoài giới hạn một nhiễm sắc thể

4.2 Giả thuyết về cơ chế hình thành sai hình NST

Giả thuyết đứt nối: các tác nhân đột biến có khả năng gây oxy hoá làm đứt NST hoặc cromatit ở kỳ

trung gian, sau đó nối lại theo cách thức khác  các kiểu cấu trúc lại

Giả thuyết trao đổi: NST hoặc cromatit bị đứt và trao đổi với nhau đoạn bị đứt ra (exchange).

Giả thuyết Evan: NST bị biến đổi sơ cấp, biến đổi này có thể hồi phục nhờ cơ chế sửa chữa, có thể

cố định đầu đứt dạng sẹo để trống hoặc hình thành điểm đứt, nối với nhau theo các cách khác

Giả thuyết về cơ chế tái tổ hợp của cấu trúc lại NST

Cấu trúc lại NST thường xảy ra gần điểm xâm nhập của IS và gen nhảy, gây ra đột biến mấtđoạn, lặp đoạn, đảo đoạn và chuyển đoạn

4.3 Các kiểu sai hình nhiễm sắc thể

4.3.1 Mất đoạn

Gồm các dạng mất đoạn trong và mất đoạn đỉnh

- Mất đoạn đỉnh

Đoạn NST ở gần đỉnh của 1 cánh hoặc 2 cánh của NST bị đứt, đầu đứt hoá sẹo nên đoạn đứt

ra không nối lại được với đoạn mang tâm động

- Mất đoạn trong

Mất đoạn trong được tạo thành do sự tạo nút, điểm chéo bị đứt, đoạn đỉnh nối với đoạnmang tâm động, 2 đầu của đoạn đứt nối lại với nhau tạo hình vòng Khi tiếp hợp giữa NST bị đứtvới NST bình thường có hiện tượng hình thành nút chứa nhóm gen tương ứng với đoạn bị mất, hiệntượng này có thể quan sát ở kì trước của giảm phân I (hình 3.5)

Trường hợp mất đoạn trong mang tâm động  NST không tâm

Hiện tượng mất đoạn có thể được phát hiện bằng phương pháp phân tích di truyền hoặcphương pháp tế bào học

Hình 3.4 a NST đơn ban đầu; b NST đơn bị đứt đoạn; c Hai cromatit đứt tương đồng và 2

cromatit không mang tâm động; d Hai đầu đứt của cromatit tương đồng mang tâm động nối với nhau; e Hình thành cầu cromatit f Cầu cromatit đứt không cân tạo nên một NST bị thiếu và một NST được thêm đoạn.

- Hậu quả

Đột biến mất đoạn thường dẫn đến gây chết hoặc giảm sức sống

Ví dụ: cặp NST số 21 của người bị mất một đoạn  ung thư máu; cánh ngắn NST số 5 bị mất mộtđoạn  hội chứng kêu như mèo, trí lực kém, thường chết khi còn nhỏ tuổi

Đột biến mất đoạn có thể xảy ra ở tế bào sinh dục hoặc tế bào xoma

 Nếu mất đoạn xảy ra ở tế bào xoma, đoạn mất không lớn lắm, tế bào vẫn sống được, qua nguyênphân lại được sao lại như thế

 Nếu mất đoạn xảy ra ở tế bào sinh dục, giao tử mất đoạn khi gặp giao tử bình thường sẽ cho hợp

tử dị hợp đối với đoạn thiếu Gen lặn trên NST bình thường ứng với đoạn bị mất biểu hiện ra kiểu

hình Hiện tượng này gọi là giả trội Ví dụ: đột biến Notch ở ruồi giấm Đột biến mất đoạn trong

chứa gen w qui định màu mắt ở ruồi giấm gọi là đột biến Notch Ruồi cái dị hợp tử về đột biếnNotch có mắt trắng vì alen lặn w không bị alen trội w+ lấn át

4.3.2 Lặp đoạn

Hiện tượng một đoạn được lặp lại một hay nhiều lần trên một NST

Cơ chế: ở kỳ đầu lần phân bào thứ nhất của phân bào giảm nhiễm các nhiễm sắc thể kép trong cặp

nhiễm sắc thể kép tương đồng tiếp hợp và xảy ra hiện tượng trao đổi chéo giữa hai trong 4cromatit, tuy nhiên do tác động của tác nhân gây đột biến đã làm cho hiện tượng trao đổi chéokhông cân, dẫn đến đột biến lặp đoạn nhiễm sắc thể

Các dạng:

Ví dụ: đột biến mắt thỏi B (Bar) ở ruồi giấm do lặp đoạn nhỏ 16A ở vị trí 57,0 (tính từ đầu của NSTX) Ruồi càng mang nhiều đoạn 16A trên NST X thì mắt càng dẹt do giảm số mắt đơn Ruồi cáidạng dại có kiểu gen B+/B+ mang  800 mắt đơn; B+/B (mang 3 đoạn 16A)  350 mắt đơn; B/B(mang 4 đoạn 16A)  70 mắt đơn; BB/BB (mang 6 đoạn 16A)  25 mắt đơn

Hậu quả: Lặp đoạn có thể gây hậu quả khác nhau đối với cơ thể từ mức nhẹ đến mức gây chết nếu

phần NST lặp lại quá lớn