Bài Gỉang Sinh học phân tử

Bộ gen người và ý nghĩa việc nghiên cứu bộ gen người Dự án bộ gen người HGP gồm ba mục tiêu chính là:  Dựng bản đồ di truyền  Dựng bản đồ hình thể  Giải mã chính xác 3 tỷ cặp base tro

Bài 8

SINH HỌC PHÂN TỬ

MỤC TIÊU

 1 Trình bày được khái niệm, đặc điểm của bộ gen người

và ý nghĩa của việc nghiên cứu bộ gen người

 2 Trình bày được sự điều hòa biểu hiện của gen ở sinh vật Eukaryote

 3 Liệt kê được một số kỹ thuật sinh học phân tử ứng

1 Bộ gen người và các kỹ thuật sinh học phân tử ứng dụng trong y học

1.1 Bộ gen người và ý nghĩa việc nghiên

cứu bộ gen người

Bộ gen (genome) chỉ toàn bộ các đơn vị di truyền chứa

trong một bộ đơn bội (n) NST của loài Mỗi giao tử bình thường

chứa một bộ gen, mỗi tế bào soma chứa hai bộ gen

Bộ gen của người là tập hợp tất cả các gen trên chuỗi ADN của 24 NST của người (22 NST thường và NST X, Y)

cộng thêm các gen trên ADN ty thể Trong một tế bào sinh

dưỡng bình thường, gen trong nhân chỉ có hai bản sao nhưng gen trong ty thể có hàng ngàn bản ứng với hàng ngàn ty thể

trong tế bào

1.1 Bộ gen người và ý nghĩa việc

nghiên cứu bộ gen người

Dự án bộ gen người (HGP) gồm ba mục tiêu chính là:

 Dựng bản đồ di truyền

 Dựng bản đồ hình thể

 Giải mã chính xác 3 tỷ cặp base trong bộ gen người

Lợi ích tiềm năng của dự án bộ gen người:

 - Giải thích được nguyên nhân, cơ chế của các tính trạng bình thường hoặc bệnh lý để có những chẩn đoán, điều trị chính xác và hiệu quả hơn

 - Tách dòng được các gen cần nghiên cứu, sửa chữa gen phục

vụ điều trị bệnh (gene therapy)

 - Sản xuất các sản phẩm từ gen (ARN, protein) phục vụ đời sống, chẩn đoán và điều trị bệnh

1.2 Đặc điểm bộ gen của người

Gồm những trình tự mã hóa (exon) xen kẽ với các trình tự không

mã hóa (intron)

- Các trình tự duy nhất: Là các gen mã hoá cho các protein, các trình tự này đặc trưng cho từng gen, chiếm khoảng 10% bộ gen, các gen này chỉ mã hóa ra một loại protein

 - Các trình tự lặp lại nhiều lần: Chiếm 10 - 15% bộ gen của động vật có vú Đó là những trình tự không mã hoá, thường tập trung ở vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể như vùng tâm động hay ở đầu mút các nhiễm sắc thể

 - Các trình tự số lần lặp lại trung bình: Chiếm khoảng 25 -

40% bộ gen người Các trình tự ADN này phân tán trong toàn

bộ gen Chúng có thể là những trình tự không mã hoá nhưng chúng cũng có thể có chức năng sao mã, chúng là gen của các rARN, tARN và một số gen khác nữa

1.2 Đặc điểm bộ gen của người

Ngoài ba trình tự nêu trên, trong bộ gen người cũng như bộ gen của các Eukaryote còn có các gen đặc biệt khác:

 - Các gen nhảy (transposon): Đó là những đoạn ADN có khả năng tích hợp vào bất cứ đâu của bộ gen, lúc đầu chúng được thấy ở vi khuẩn, nay thì chúng được thấy ở cả động vật và

thực vật bậc cao

 - Gen gối nhau (overlapping genes): Trong ADN của virus và của tế bào sinh vật bậc cao người ta phát hiện thấy những gen gối nhau có nghĩa là hai gen hoặc hơn hai gen có chung một phần chuỗi ADN Các gen này do cách cấu trúc khác nhau nên tạo ra các ARN tiền thân khác nhau rồi tổng hợp ra các ARN thông tin tương ứng khác nhau nên tổng hợp ra những protein khác nhau

1.3 Điều hòa sự biểu hiện của gen ở

sinh vật Eukaryote

1.3.1 Nguyên lý chung

Không phải tất cả các gen đều có biểu hiện liên tục

Các bước điều khiển hoạt động gen bao gồm:

 - Cấu trúc lại ADN, trong đó những thay đổi biểu hiện gen phụ thuộc vào vị trí trình tự ADN trong genome

 - Điều hòa phiên mã trong tổng hợp bản phiên mã ARN bằng

sự điều khiển, sự mở đầu và sự kết thúc

 - Quá trình chế biến ARN hoặc điều hòa qua quá trình cắt-nối trên ARN (ARN splicing)

 - Điều hòa dịch mã quá trình tổng hợp chuỗi polypeptid

 - Sự bền vững của mRNA

1.3 Điều hòa sự biểu hiện của gen ở

sinh vật Eukaryote

1.3.2 Cơ chế và biểu hiện gen của sinh vật Eukaryote

Có nhiều cơ chế hoạt động và biểu hiện gen khác nhau:

1. Điều hòa và biểu hiện bằng thay đổi cấu trúc NST hay cấu trúc phân tử ADN

2. Điều hòa ở mức độ phiên mã

3. Cắt bỏ intron, nối exon (Splicing)

4. mARN gắn với một số protein đặc hiệu xuyên qua lỗ màng nhân ra bào tương

5. Huỷ các mARN không được dùng để dịch mã

6. Dịch mã, tổng hợp protein

7. Biến đổi protein

8. Điều hòa bằng cơ chế phân hủy protein

1.4 Một số kỹ thuật sinh học phân tử ứng dụng trong y học

1.4.1 Kỹ thuật tách chiết và điện di ADN

Phương pháp tách chiết ADN gồm 3 bước chính:

 - Bước 1: Phá vỡ màng tế bào và màng nhân

 - Bước 2: Loại bỏ các thành phần không mong muốn trong

mẫu (protein, lipit, polysaccarit )

 - Bước 3: Kết tủa acid nucleic, Cặn acid nucleic thu được bằng

ly tâm sau đó hòa trong nước khử ion hoặc dung dịch đệm để bảo quản

1.4 Một số kỹ thuật sinh học phân tử ứng dụng trong y học

1.4.2 Kỹ thuật tách chiết ARN

Phương pháp tách chiết ARN toàn phần cũng bao gồm các bước

cơ bản như tách chiết ADN:

 - Giải phóng ADN và ARN ra khỏi màng tế bào

 - Tách loại bỏ protein và các thành phần không mong

muốn khác

 - Tủa axit nucleic

 Bước tiếp theo: dịch chiết chứa axit nucleic được ủ với ADNase để phân hủy ADN, sau đó hòa tan dịch chiết chứa

ARN trong nước, tủa bằng ethanol để thu được ARN toàn

phần Đối với mARN có thể được tách riêng do có chứa đuôi polyA nên có thể dùng sắc ký ái lực trên cột oligo T- cellulose

1.4.3 Kỹ thuật PCR

 PCR (Polymerase Chain Reaction) - Phản ứng chuỗi trùng

hợp là một kỹ thuật phổ biến trong sinh học phân tử nhằm nhân bản (tạo ra nhiều bản sao) một đoạn ADN trong ống nghiệm

mô phỏng bộ máy sinh tổng hợp ADN của tế bào sống

 Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu sinh học và y học phục vụ nhiều mục đích khác nhau, như phát hiện các bệnh di truyền, nhận dạng vân tay ADN, chuẩn đoán những bệnh nhiễm trùng, tách dòng gen và xác định huyết thống

 Một quy trình PCR gồm 20 đến 30 chu kỳ Mỗi chu kỳ gồm 3 bước:

Bước 1- Biến tính: Thời gian này kéo dài từ 1-2 phút

Bước 2 – Gắn mồi: Thời gian cho quá trình này từ 1-2 phút

Bước 3 – Kéo dài: Thời gian của bước này phụ thuộc vào cả ADN polymerase và chiều dài mảnh ADN cần khuếch đại Tốc độ tổng hợp ADN vào khoảng 1000 cặp base/ 1 phút

1.4 Một số kỹ thuật sinh học phân tử ứng dụng trong y học

1.4.4 Các phương pháp xác định trình tự ADN

1.4.5 Kỹ thuật lai axit nucleic

1.4.6 Hiện tượng đa hình chiều dài của các đoạn ADN do enzym cắt giới hạn tạo nên (Restriction Fragment Length Polymorphism - RFLP)

1.4.7 Chip ADN

2 Đột biến gen và bệnh học phân tử

2.1 Khái niệm đột biến gen

Đột biến được chia làm hai loại:

 - Đột biến chất lượng: Hình thành một protein lạ

có cấu trúc bất thường.

 - Đột biến số lượng: Protein có cấu trúc bình

thường nhưng sinh ra quá nhiều hoặc quá ít so với nhu cầu của cơ thể

2.2 Cơ chế đột biến gen

2.2.1 Cơ chế gây đột biến chất lượng

 Đột biến thay thế cặp nucleotide

Gồm: Đột biến đồng hoán và Đột biến dị hoán

Hậu quả: Đột biến điểm xuất hiện trong vùng mã hóa chuỗi

polipeptit của gen có thể gây nhiều hậu quả, nhưng tất cả đều

có tác động lên mã di truyền theo 2 hướng: làm thoái hóa mã di truyền hoặc xuất hiện mã kết thúc Có các dạng sau:

Đột biến đồng nghĩa: đột biến thay đổi một bộ ba mã hóa axit

amin thành codon mới mã hóa cho cùng axit amin đó

Đột biến nhầm nghĩa: bộ ba mã hóa cho một axit amin này bị thay đổi thành bộ ba mã hóa cho một axit amin khác

Đột biến vô nghĩa: bộ ba mã hóa cho một axit amin bị thay đổi

thành bộ ba kết thúc

2.2 Cơ chế đột biến gen

2.2.1 Cơ chế gây đột biến chất lượng

 Đột biến thêm - mất cặp nucleotide

Đơn giản nhất là thêm hoặc mất một cặp nucleotide Đôi khi đột biến làm thêm hoặc mất đồng thời nhiều cặp

nucleotide

Đột biến mất hoặc thêm sẽ làm thay đổi khung đọc trong quá trình dịch mã từ điểm bị đột biến cho đến kết thúc theo khung mới Vì vậy loại đột biến này được gọi là đột biến dịch khung Đột biến này tạo ra trình tự axit amin kể từ điểm bị đột biến cho đến kết thúc khác với trình tự axit amin gốc

Đột biến cấu trúc gây ra sự mất hoàn toàn cấu trúc và chức năng của protein bình thường

2.2 Cơ chế đột biến gen

2.2.2 Cơ chế gây đột biến số lượng

 Đột biến gen điều chỉnh

Nếu gen điều chỉnh bị mất đoạn hoặc đột biến theo các kiểu như trên đã trình bày, thì nó không sản xuất được chất kìm hãm hoặc sản xuất được nhưng biến đổi cấu trúc nên mất khả năng tương tác với vị trí vận hành hoặc không kết hợp

được với chất cùng kìm hãm để hoạt động Do đó vị trí vận hành không bị kìm hãm, nó kích thích các gen cấu trúc hoạt động liên tục sản xuất quá nhiều sản phẩm

 Đột biến vị trí vận hành

Đột biến giảm hoặc mất khả năng kích thích sự hoạt động của các gen cấu trúc do đó cả operon kém hoạt động hoặc

không hoạt động, sản phẩm không tạo ra

Đột biến làm giảm hoặc mất khả năng kết hợp với chất kìm hãm nên nó không được kìm hãm và operon sản xuất quá nhiều sản phẩm

 Gen cấu trúc: Quy định cấu trúc bậc 1, 2, 3 và 4 của các

chuỗi polypeptid trong phân tử Hb Trên đôi nhiễm sắc thể thứ

11 có những gen mã hoá sự tổng hợp globin của chuỗi β và γ Trên đôi nhiễm sắc thể thứ 16 có những gen mã hoá sự tổng hợp globin của chuỗi α

 Gen điều chỉnh: Quy định sự tổng hợp các chuỗi polypeptid α ,

β , δ , γ Đột biến các gen này sẽ dẫn đến sự thiếu hụt hoặc không tổng hợp được các chuỗi polypeptid Đó là nguyên nhân của các bệnh về huyết sắc tố, có tên chung là Thalassemia

2.3 Một số bệnh học phân tử thường gặp

2.3.1 Đột biến phân tử protein không phải là men

Bệnh của hemoglobin do bất thường chất lượng chuỗi globin

Bệnh hemoglobin S di truyền theo quy luật di truyền alen lặn trên NST thường

Chẩn đoán bệnh HbS dựa vào triệu chứng lâm sàng, xem xét hình thái hồng cầu

2.3 Một số bệnh học phân tử thường gặp

2.3.1 Đột biến phân tử protein không phải là men

Bệnh của hemoglobin do bất thường chất lượng chuỗi globin

● Bệnh hemoglobin C

 Bệnh hemoglobin C do một đột biến gen dạng thay thế cặp

nucleotid xảy ra trong gen kiểm soát tổng hợp chuỗi β làm cho

mã thứ sáu là GAG được đổi thành AGG, kết quả làm glutamic

bị biến đổi thành lyzin

 Quy luật di truyền: Bệnh HbC di truyền theo kiểu di truyền alen lặn trên NST thường Người bệnh đồng hợp tử lặn (cc) bị thiếu máu tan huyết nhẹ, lách to, trong máu có nhiều hồng cầu hình bia và một ít hồng cầu nhỏ Người dị hợp tử (Cc), hồng cầu có lẫn hai loại hemoglobin A và C

 Chẩn đoán xác định bệnh HbC dựa trên phân tích điện di Hb

2.3 Một số bệnh học phân tử thường gặp

2.3.1 Đột biến phân tử protein không phải là men

Bệnh của hemoglobin do bất thường chất lượng chuỗi globin

● Bệnh hemoglobin E

 Hemoglobin E được hình thành do đột biến thay thế acid amin thứ 26 của chuỗi β là acid glutamic được thay bởi lysin Bình

thường đơn vị mã ở đó là GAA hoặc GAG, nó mã hoá acid

glutamic khi bị đột biến chuyển thành AAG mã hoá lysin Hai kiểu đột biến có thể gây ra: Nếu đơn vị mã là GAA bị đảo ngược thành AAG thì sẽ mã hoá lysin Nếu đơn vị mã là GAG, có G bị thay thế bởi A, đơn vị mã sẽ biến đổi thành AAG cũng sẽ mã hoá lysin

 Quy luật di truyền: di truyền alen lặn trên NST thường

 Các thể bệnh: Bệnh hemoglobin E cũng gây nên chứng thiếu

máu nhưng nhẹ hơn bệnh hemoglobin S

2.3 Một số bệnh học phân tử thường gặp

2.3.1 Đột biến phân tử protein không phải là men

Bệnh của hemoglobin do bất thường chất lượng chuỗi globin

 Trong cơ thể người bình thường, MetHb được khử thành Hb nhờ enzym đặc hiệu là Methemoglobin reductase, nhờ sự xúc tác của enzym này Fe3+ của MetHb tiếp nhận điện tử và trở lại Fe2+ của Hb.

Chứng MetHb có hai cơ chế sinh bệnh như sau:

 - MetHb do thiếu enzym Methemoglobin reductase, làm cho

MetHb không chuyển được thành Hb gây nên triệu chứng xanh tím và rối loạn oxy hóa tế bào.

 - Chứng MetHb còn do biến đổi cấu trúc của phân tử Hb Mối liên kết giữa Hb với Fe bị rối loạn gây cản trở chức năng vận

chuyển oxy của Hb.

2.3 Một số bệnh học phân tử thường gặp

2.3.1 Đột biến phân tử protein không phải là men

Bệnh của hemoglobin do bất thường số lượng chuỗi globin (nhóm bệnh Thalasemia)

● Bệnh α thalasemia

 Cơ chế: Bệnh α thalasemia là bệnh Hb do thiếu hụt hoặc thiếu hoàn toàn không có chuỗi α trong phân tử Hb Ở người bệnh α thalasemia có sự thiếu hụt chuỗi α nhưng chuỗi β vẫn được sản xuất bình thường

● Bệnh β thalasemia

 Bệnh β thalasemia gây nên do đột biến gen làm giảm hoặc mất chức năng của gen β globin dẫn đến giảm hoặc không tổng hợp được chuỗi β globin

β-Thalassemia

Alpha thalassemia (Hemoglobin Bart's)

2.3 Một số bệnh học phân tử thường gặp

2.3.2 Bệnh của các phân tử men

 Quá sản men

Quá sản men là hiện tượng men được sản xuất quá nhiều

mà gây nên rối loạn chuyển hoá Cơ chế quá sản men là do đột biến gen điều chỉnh hoặc gen vận hành

● Bệnh porphyrin cấp từng cơn

Trong cơ thể, chuyển hoá porphyrin được điều chỉnh với mức độ chính xác cao Người bệnh bị rối loạn chuyển hóa do thiếu hụt ezym HMB synthase dẫn tới ứ đọng những sản phẩm

có trước porphyrin như porphobilinogen và acid

aminolevulinic, sự ứ đọng quá mức sẽ dẫn đến bài tiết những chất này trong nước tiểu Bệnh biểu hiện bởi những đợt tấn

công với những triệu chứng đau bụng cấp, nôn mửa, rối loạn tâm thần

2.4 Một vài phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh di truyền

2.4.1 Phương pháp di truyền cơ bản trong việc chẩn đoán các bệnh di truyền

2.4 Một vài phương pháp chẩn đoán và điều

trị bệnh di truyền

2.4.2 Nguyên tắc điều trị các bệnh di truyền

 Điều trị triệu chứng

Điều trị triệu chứng bằng các loại thuốc:

Điều trị triệu chứng bằng phẫu thuật: Cắt bỏ, Chỉnh hình, Cấy ghép Điều trị triệu chứng bằng vật lý trị liệu:

* Điều trị bệnh sinh

Điều trị bệnh sinh là phương pháp điều trị cơ bản nhất

và đặc biệt có hiệu quả đối với các bệnh đã được biết rõ cơ chế bệnh sinh trong nhóm các bệnh di truyền chuyển hoá

Điều chỉnh các quá trình chuyển hoá trong cơ thể

+ Hạn chế hay loại trừ các chất có trong thức ăn (liệu pháp ăn kiêng)

+ Thải loại khỏi cơ thể các sản phẩm chuyển hoá bị ứ đọng gây độc hại cho cơ thể

+ Đưa từ ngoài vào cơ thể người bệnh các chất thiếu hụt+ Kết hợp các biện pháp điều trị Ví dụ: kết hợp vừa ăn kiêng, vừa dùng thuốc trong bệnh đái tháo đường

2.4.2 Nguyên tắc điều trị các bệnh di truyền

* Điều trị bệnh căn

Điều trị bệnh căn là phương hướng điều trị triệt để nhất

- Tạo ra các gen lành thuần khiết bằng con đường tách chiết hay tổng hợp

- Tiến hành thay thế các gen bệnh bằng các gen lành

- Gây các đột biến nghịch có định hướng bằng các chất hoá học để chuyển các gen ở trạng thái bị đột biến trở lại trạng thái bình thường

- Tiến hành lai các tế bào soma để tạo ra dòng tế bào lai mới khỏe mạnh

2.4.2 Nguyên tắc điều trị các bệnh di truyền

2.4.3 Nguyên tắc dự phòng bệnh di truyền

- Bảo vệ con người khỏi sự tác động của các tác nhân gây đột biến

+ Các tác nhân vật lý như các tia bức xạ ion hoá (các tia phóng xạ)

+ Các tác nhân gây đột biến là các hoá chất như chất thuốc trừ sâu, chất diệt cỏ, các hoá chất dùng trong sản xuất công nghiệp chế biến cao su, xăng dầu, một số dược phẩm, các hoá chất dùng trong đời sống sinh hoạt hàng ngày

+ Các tác nhân sinh học như các loại virut gây bệnh

- Lập các hệ thống kiểm soát, theo dõi quá trình đột biến trong các quần thể dân cư (Monitoring genetics)

- Tránh các yếu tố bất lợi của môi trường đối với bệnh di truyền đa nhân tố

- Tránh việc kết hôn cận huyết

- Đẩy mạnh các hoạt động tư vấn di truyền y học