Lec 1 review section

Sinh học phân tử là khoa học nghiên cứu các hiện tượng sống ở mức độ phân tử. Phạm vi nghiên cứu của môn học này có phần trùng lặp với một số môn học khác trong sinh học đặc biệt là di truyền học và hóa sinh học. Sinh học phân tử chủ yếu tập trung nghiên cứu mối tương tác giữa các hệ thống cấu trúc khác nhau trong tế bào, bao gồm mối quan hệ qua lại giữa quá trình tổng hợp của DNA, RNA và protein và tìm hiểu cách thức điều hòa các mối tương tác này. Hiện nay, sinh học phân tử và sinh học tế bào được xem là nền tảng quan trọng của công nghệ sinh học. Nhờ phát triển các công cụ cơ bản của sinh học phân tử như các enzyme cắt hạn chế, DNA ligase, các vector tạo dòng, lai phân tử, kỹ thuật PCR... sinh học phân tử ngày càng đạt nhiều thành tựu ứng dụng quan trọng.

SINH HỌC PHÂN TỬ 2

SH03004 Học kỳ II, Năm học 2016 - 2017

Đi học đầy đủ: KHÔNG được nghỉ quá 20% tổng

số tiết =>>> KHÔNG nghỉ quá 02 buổi học.

SINH HỌC PHÂN TỬ 2 SH03004

Hình thức kiểm tra & Thi

 Kiểm tra giữa kỳ: 01 bài, trắc nghiệm Theo lịch đào tạo.

 03 bài kiểm tra nhanh 10 phút đầu giờ: tự luận,

 Thi cuối kỳ: theo lịch đào tạo

 Seminar: theo nhóm, trình bày powerpoint.

Tài liệu học tập

- Giáo trình/bài giảng:

Sinh học phân tử, Phan Hữu Tôn (2010)

Sinh học phân tử, Hồ Huỳnh Thùy Dương (2008)

- Molecular Biology, Robert Weaver, 4&5th edition, 2011

Concepts of Genetics 7th edition William S Klug, 2002

Genetics: From Genes To Genomes 4th edition, Hartwell,

Leland, 2011

Genomes, 2nd edition, T.A Brown, 2002

Molecular Biology of the Cell, 5th edition, Bruce Alberts, 2003 Molecular biology of the gene, 6th edition, James D Watson,

2008

The Biology of Cancer, Robert A Weinberg, 2007

Gene VII, VIII, IX, Benjamin Lewin

- Các nguồn tài liệu trên Internet

SINH HỌC PHÂN TỬ 2 SH03004

Nội dung:

Chương 1 Genome và sự hoạt động của gene

Chương 2 Các cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở tế bào prokaryote

Chương 3 Sự phức tạp trong quá trình điều hòa biểu hiện gene ở tế bào eukaryote

Chương 4 Vận chuyển hướng đích và phân giải proteinChương 5 Epigenetics và sự điều hòa biểu hiện gene

SINH HỌC PHÂN TỬ 2 SH03004

Chương 1 Genome và sự hoạt động của gene (6 tiết)

Cấu trúc genome (2 tiết)

Các thành phần trong cấu trúc genome

Sự khác biệt về cấu trúc genome ở tế bào prokaryote và eukaryote

DNA mã hóa (coding DNA)

DNA không mã hóa (non-coding DNA)

Các trình tự lặp lại trong genome, nguồn gốc, ý nghĩa và ứng dụng

Sự đa hình về trình tự nucleotide đơn (SNP), nguồn gốc, ý nghĩa và ứng dụng

Sự tồn tại của nhiều bản copy của gene và gene giả (pseudogene) trong genome

So sánh genome và sự tiến hóa của genome

1.2 Genome ti thể và lục lạp (2 tiết)

Nguồn gốc tiến hóa của ti thể và lục lạp

Cấu trúc genome ti thể và lục lạp

Số lượng gene và những đặc điểm của genome ti thể và lục lạp

Sự thay đổi genome lục lạp và ti thể trong quá trình tiến hóa

Vai trò của các gene ti thể trong trình lão hóa và bệnh tật ở người

Vai trò của các gene lục lạp và plastid ở thực vật

Biểu hiện gene và điều hòa biểu hiện gene (1 tiết)

Gene, số lượng gene và sự biểu hiện gene

Các gene luôn được biểu hiện (housekeeping gene)

Các gene chịu sự kiểm soát của các cơ chế điều hòa (induced genes)

Tại sao tế bào cần có các cơ chế điều hòa hoạt động gene

Điều hòa theo kiểu hoạt hóa: Mô hình lac operon

Điều hòa theo kiểu ức chế: Mô hình trp operon

2.1 Sự methyl hóa DNA và hoạt động của gene ở vi

khuẩn(2 tiết)

Hệ thống enzyme methyl hóa ở vi khuẩn

Sự methyl hóa DNA và biểu hiện gene ở vi khuẩn

SINH HỌC PHÂN TỬ 2 SH03004

Chương 3 Sự phức tạp trong quá trình điều hòa biểu hiện gene ở tế bào eukaryote (12 tiết)

3.1 Điều hòa biểu hiện gene ở mức độ cấu trúc nhiễm sắc thể (2 tiết)

Vùng gene hoạt động trong nhiễm sắc thể (euchromatin)

Vùng không hoạt động (heterochromatin)

Cơ chế điều khiển hoạt động trong các vùng nhiễm sắc chất

Cấu trúc DNA và sự điều hòa hoạt động gene

3.2 Điều hòa biểu hiện gene ở mức độ phiên mã (3 tiết)

Tương tác giữa DNA và Protein: khái niệm DNA-binding protein

Các trình tự cis trên phân tử DNA và cơ chế điều hòa cis-acting

Sự tương tác giữa các protein với các vùng trình tự cis trên phân tử DNA

Vai trò của các DNA-binding protein trong điều hòa biểu hiện gene (trans-acting)

Sự đa dạng và phức tạp của các yếu tố phiên mã (TFs) và gene mã hóa các yếu tố phiên mã Các mô hình tương tác DNA-Protein: Helix-Turn-Helix Motif, Zinc finger, Leucine Zipper Motif

3.3 Điều hòa sau phiên mã (3 tiết)

Cải biến và các cơ chế cải biến mRNA sau phiên mã

Tương tác của các protein với các sản phẩm phiên mã

Tương tác của các ribozyme và các không mã hóa (RNAi) với mRNA

Vận chuyển mRNA ra tế bào chất và thời gian tồn tại của mRNA

Sự phân giải mRNA

3.4 Dịch mã và cải biến sau dịch mã (2 tiết)

Phân cắt, sắp xếp chuỗi polypeptide

Gắn các nhóm chức năng

Sự cuộn gấp, thay đổi cấu trúc của các phân tử protein

Tương tác giữa các protein: vai trò của chaperon

3.5 Điều hòa hoạt động gene ở các tế bào biệt hóa (2 tiết)

Sự khác biệt về các vùng cấu trúc trong nhiễm sắc thể ở các tế bào biệt hóa

Các vùng CpG và sự methyl hóa DNA liên quan đến chức năng điều hòa hoạt động gene

Sự cải biến các protein histon và hoạt động chức năng của gene

Hoạt động của các gene gây ung thư

SINH HỌC PHÂN TỬ 2 SH03004

Chương 4 Vận chuyển hướng đích và phân giải protein (3 tiết)

4.1 Vận chuyển protein tới các vị trí đích và phân giải protein (1 tiết)

Vận chuyển nhờ tín hiệu hướng đích và các protein hỗ trợ

Vận chuyển nhờ các thụ thể trung gian

Vận chuyển nhờ các microvesicle

Vận chuyển protein tới các bào quan (1 tiết)

Vận chuyển trong quá trình dịch mã và sau dịch mã

Tín hiệu hướng đích và sự vận chuyển protein vào ti thể và lục lạp Vận chuyển protein đến peroxisom, bộ máy golgi

Vai trò của các chaperon trong việc gấp nếp và vận chuyển protein

Hệ thống tiết protein ở tế bào eukaryote

Sự phân giải protein (1 tiết)

Sự phân giải lựa chọn protein, con đường Ubiquitin

Vai trò của enzyme cải biến đầu N và thời gian tồn tại của protein

Chương 5 Epigenetics và sự điều hòa hoạt động gene (5 tiết)

4.1 Giới thiệu chung về epigenetics (1 tiết)

Khái niệm

Các quá trình epigenetics

4.2 Cơ chế epigenetics (2 tiết)

Bản chất phân tử của epigenetics

Methyl hóa DNA và thay đổi mô hình cấu trúc nhiễm sắc chất Vai trò của các RNA không mã hóa

Ảnh hưởng của prion

4.3 Chức năng và hậu quả của của epigenetics (1 tiết)

Điều hòa quá trình sinh trưởng và phát triển của cá thể

Epigenetics và ứng dụng trong y học

Epigenetics và tiến hóa

4.4 Nghiên cứu epigenetics ở người (1 tiết)

Genomic imprinting và các bệnh liên quan

Epigenetics và khả năng di truyền

Hiện tượng methyl hóa DNA và ung thư

Sự đa dạng của histon H2A trong ung thư

Vai trò của prion trong việc kiểm soát hoạt động của các protein

SINH HỌC PHÂN TỬ 2 SH03004

ÔN TẬP KIẾN THỨC SHPT1

1953 Double helix structure, 1962 Noble Prize

for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer

in living material".

Hai loại nucleic acid DNA và RNA

• DNA : D eoxyRibo N ucleic A cid

• RNA : R ibo N ucleic A cid

Nucleotide

Nucleoside

Dạng biểu diễn của nucleotide

(RNA & DNA)

Molecular Biology Understanding the Genetic Revolution

Bazo Nito – Purine

• Purine gồm

– Adenin (A)

– Guanine (G)

Cấu trúc phân tử DNA

Một trình tự DNA được gọi là mang nghĩa (sense/ coding) nếu trình tự của nó giống hệ với trình tự của một phân tử mRNA (được dịch mã thành protein)

Trình tự của sợi còn lại được gọi là đối nghĩa (antisense/ anti coding).

Sợi mang nghĩa và sợi đối nghĩa (sense and antisense)

Ở cả prokaryote và eukaryote các trình tự antisense RNA đều được tạo ra nhưng chức năng chưa rõ Có khả năng các antisense RNA liên quan đến việc điều hòa quá trình biểu hiện gen thông qua tương tác RNA- RNA.

Cả hai trình tự sense và antisense đều tồn tại ở

những phần khác nhau của cùng một sợi DNA (nói cách khác cả 2 sợi đều chứa các trình tự sense và antisense).

 Một số trình tự DNA ở prokaryote, eukaryote, plasmid và

nhiều virus khó phân biệt được khái niệm sợi mang nghĩa và sợi đối nghĩa vì có hiện tượng các chồng gen (overlapping gene)

 Trong những trường hợp này một số trình tự DNA có thể mã hóa cho một protein trên sợi này và một protein khác trên sợi kia (theo chiều ngược lại)

Cấu trúc hóa học RiboNucleotide Cấu trúc không gian của RNA

Liên kết photphodieste

 RNA không mã hóa (non-coding RNA)

• Rất nhiều các RNA không mã hóa cho protein

(khoảng 97% ở eukaryote)

RNA thông tin (mRNA) là RNA mang thông tin từ DNA đến ribosome để thực hiện quá trình dịch mã

Trình tự mRNA quyết định trình tự amino acid trong phân

tử protein được tạo ra

RNA mã hóa (mRNA)

Những RNA không mã hóa protein (non-coding RNA) có thể được mã hóa bởi các gene mã hóa cho non-coding

RNA, hoặc cũng có thể từ các mRNA intron

Non-coding RNA bao gồm:

Các RNA không mã hóa (non-coding RNA)

1 rRNA

2 tRNA

3 snRNA (small nuclear RNA)

4 miRNA (micro RNA)

5 snoRNA (small nucleolar RNA)

6 ribozyme

- mRNA sinh vật nhân

thật: sau khi được phiên

• Là phân tử RNA nhỏ (74-95 nu) có vai trò vận chuyển aa

• tRNA gắn aa ở đầu 3‘ (aminoacyl tRNA synthetase)

• Mỗi loại tRNA gắn với chỉ 1 loại aa

• Tính thoái hóa của mã di truyền (nhiều bộ ba cùng mã 1 aa) Do đó có nhiều tRNA khác nhau mang các vùng đối

mã khác nhau có thể mang cùng một loại aa

Số lượng gene mã hóa cho tRNA rất

Genes mã hóa cho tRNA

– Prokaryote: 23S, 16S, 5S

• rRNA có tính bảo thủ rất cao ở tất cả các tế bào Các gene mã hóa

cho rRNA (rDNA) có trình tự rất giống nhau ở các sinh vật trong cùng một taxon Do

đó, hàng nghìn trình tự rRNA được biết và lưu trữ trong các CSDL đặc thù.

• Tại Bỉ, CSDL về trình tự rRNA được lưu trữ bao gồm CSDL về các

SSU (small subunit) và LSU (large subunit) của rRNA.

• rRNA có vai trò quan trọng trong phân tích mối quan hệ di truyền của các sinh vật trong quá trình tiến hóa Trên thực tế người ta thường so sánh trình tự của các gene mã hóa 16S (vi khuẩn), 18S, 23S ở (eukaryote) để đánh giá mối quan hệ họ hàng.

• Các rRNA liên quan đến các cơ chế kháng kháng sinh Chẳng hạn rRNA 70S của vi khuẩn bị tấn công bởi chloramphenicol, trong khi rRNA 80S của eukaryote

không bị ảnh hưởng gì.

snRNA (small nuclear rRNA)

• snRNA là một lớp của các phân tử RNA nhỏ tìm thấy ở trong

nhân của eukaryote snRNA được phiên mã bởi RNA pol II.

• snRNA liên quan đến quá trình loại bỏ intron khỏi các

pre-mRNA (hn RNA) , điều hòa phiên mã và duy trì các telomere.

• Các snRNA thường kết hợp với các protein để tạo thành phức hợp snRNP (small nuclear ribonucleoprotein).

• Một nhóm lớn trong số các snRNA là snoRNA (small nuleolar)

snoRNA

• Small nucleolar RNAs (snoRNAs): là một lớp các phân tử RNA nhỏ có vai trò giúp cho các quá trình cải biến hóa học của các RNA khác, chủ yếu là rRNA, tRNA và snRNA.

• Có 2 nhóm snoRNA:

 C/D box snoRNA: liên quan đến quá trình methyl hóa

 H/ACA box: liên quan đến quá trình pseudouridyl hóa

• Ở động vật có xương sống, các gene snoRNA nằm trong các vùng intron của các protein liên quan đến tổng hợp ribosome hoặc các

protein tham gia trong quá trình dịch mã Các snoRNA được tổng hợp bởi RNA pol II hoặc III ( snoRNA không có mặt ở bacteria)

pseudouridyl (Ψ) hóa là quá trình tạo ra các dạng đồng phân của uridine Ψ) hóa là quá trình tạo ra các dạng đồng phân của uridine ) hóa là quá trình tạo ra các dạng đồng phân của uridine (Ψ) hóa là quá trình tạo ra các dạng đồng phân của uridine glycosyl) trong phân tử RNA dưới sự xúc tác của các enzym gọi là Ψ) hóa là quá trình tạo ra các dạng đồng phân của uridine synthases

RNA genome

• Giống như DNA, RNA có thể mang thông tin di truyền Ví dụ: Các virus RNA có genome là RNA mã hóa cho nhiều protein.

• Các viroid là nhóm chỉ chứa RNA vòng, ở dạng trần không có vỏ

(capsid) RNA của viroid không mã hóa bất kì protein nào và được sao chép bởi các polymerase của tế bào chủ

• RNA sợi kép (dsRNA): là RNA có 2 sợi bổ sung giống như DNA

dsRNA là genome của một số dsRNA virus Các dạng dsRNA chẳng hạn như RNA virus hoặc siRNA có thể gây ra quá trình RNA

inteference ở eukaryote.

37

Cấu trúc gene prokaryote và eukaryote

So sánh mật độ gen trên NST ở các sinh vật khác nhau (1 vùng DNA genome có

Watson (2004) Molecular biology of the gene

1 Người ta vẫn cho rằng các IGR là những „junk“ DNA.

2 Phần lớn chức năng của các IGR vẫn chưa rõ Trong một số it trường hợp IGR tham gia điều khiển các gene xung quanh,

3 Ở người, các IGR chiếm một phần lớn trong genome Có thể các RNA không mã hóa định vị trong những vùng IGR, và vì vậy các IGR có thể tham gia điều hòa biểu hiện gene.

4 Cần phân biệt rõ IGR và intron (Ψ) hóa là quá trình tạo ra các dạng đồng phân của uridine intragenic)

Intergenic region (khoảng cách giữa các gen)

Intergenic region (IGR) là một vùng trình tự DNA định vị ở giữa các cụm gene (clusters of genes) IGR có thể chứa ít hoặc không có gene nào.

Khái niệm gene?

• Gene có nhiều loại:

– Gene tạo ra sản phẩm là protein, tRNA, rRNA: Gen cấu trúc

– Gene kiểm soát sự biểu hiện và mức độ biểu hiện của các gene khác: Gene điều hòa

– Một số gene cần thiết phải được biểu hiện ở tất cả các mô: House keeping gene (Liên quan đến quá trình sinh tổng hợp protein).

– Các gene khác chỉ biểu hiện ở những tế bào, mô nhất đinh: Gene đặc hiệu mô Chẳng hạn gene mã hóa insulin chỉ biểu hiện ở tế bào tuyến tụy (pancreatic β-cells).

Tóm lại cho dù thực hiện chức năng nào thì tất cả các gene chứa một vùng

mã hóa để tạo ra một chuỗi polypeptide hoặc một phân tử RNA.

 Gene: một đoạn DNA nằm trên NST mã hóa cho một hoặc nhiều protein/ RNA.

Gene và hoạt động của gene ở prokaryote

1 Mật độ gene cao (ít hoặc không có intron)

2 Các gene thường tập trung trong một cụm gọi là operon

3 Có 1 loại RNA polymerase chịu trách nhiệm tổng hợp tất cả các loại RNA

4 Quá trình phiên mã diễn ra đơn giản không đòi hỏi các giai đoạn xử lý sau phiên mã

5 Quá trình dịch mã diễn ra đơn giản không hoặc ít đỏi hỏi các cải biến sau dịch mã

Vùng Promoter

• Shine-Dalgarno box (AGGAGG)

• Pribnow box (TATAAT)

Start codon

Pribnow box

• Trình tự vùng promoter rất đa dạng

• RNA polymearase nhận ra nhiều trình tự promoter khác nhau

So sánh trình tự vùng promoter ở E.coli

47

Monocistronic & polycistronic mRNA

• 1 phân tử mRNA được coi là monocistronic khi nó chỉ

chứa thông tin để dịch mã cho duy nhất 1 phân tử protein Hầu hết các mRNA của eukaryote thuộc loại này

• Polycistronic mRNA mang thông tin của một số gene, các gene này sẽ được dịch mã thành nhiều proteins (operon) Hầu hết các mRNA tìm thấy ở vi khuẩn và vi khuẩn cổ ở dạng polycistronic

• Dicistronic hoặc bicistronic: mRNA mã hóa cho 2 protein

Khoảng cách giữa 2 vùng trình tự không phải là 17 nucleotide.

Mỗi lần phiên mã cách nhau khoảng 10 phút (E.coli).

CTGACG 18 TACTGTTTGACA 17 TATAAT

araBAD promoter là một promoter yếu

araBAD promoter

Trình tự Shine-Dalgarno

1 Đề xuất bởi John Shine và Lynn Dalgarno năm 1975

2 Trình tự Shine-Dalgarno chỉ tồn tại ở Prokaryote, gồm khoảng 4-7 base phía trước của mã khởi đầu (AUG) trên mRNA

3 Consensus sequence gồm 6 base: AGGAGG (ở E.coli

AGGAGGU)

4 Giúp cho việc gắn của ribosome vào mRNA để khởi đầu tổng hợp protein

5 Trình tự Shine-Dalgarno bổ sung với trình tự

gaucaCCUCCUuaOH định vị ở đầu 3‘ của 16S rRNA

6 Đột biến ở vùng trình tự Shine Dalgarno sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả dịch mã

Các đặc điểm chính của tổ chức gene ở eukaryote

1 Mật độ gene thấp (3% mã hóa, 27% các trình tự promoter

và intron)

2 Các gene khác nhau về thành phần và kích thước

3 Có 3 loại RNA polymerase (từ 8-12 protein)

4 Các trình tự promoter tập trung ở vùng 5‘ upstream (có thể khá xa)

5 RNA pol I: (50% tổng các RNA được tổng hợp trong tế

bào: 18S, 5.8S, 28S )

RNA pol II (mRNA, hầu hết snRNA và microRNA)

RNA pol III (5S rRNA, tRNA và các RNA nhỏ khác)

6 Mỗi gene có trình tự promoter khác nhau: Chẳng hạn

TATA box (-25) chiếm 70% các gene