Lec 3 chuong 1 phan 2

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.

Trang 1

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

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

người

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

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

ü Gene, số lượng gene và sự biểu hiện gene

ü Các gene luôn được biểu hiện (housekeeping gene)

ü Các gene chịu sự kiểm soát của các cơ chế điều hòa

(induced genes)

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

Trang 2

2

Genome ti thể và lục lạp

•   Nguồn gốc tiến hóa của ti thể và lục lạp

•  Tại sao ti thể và lục lạp có vật chất di truyền riêng?

•  Cơ chế duy trì genome ti thể và lục lạp trong tế bào

•  Phương thức di truyền ti thể và lục lạp

•  Cấu trúc genome: số lượng gene và những đặc điểm quan trọng

•  Vai trò của ti thể trong lão hóa và bệnh tật

•  Sự khác biệt của genome ti thể và lục lạp

Trang 3

3

Ti thể

Trang 4

Genome ty thể

Trang 5

Genome ty thể Chức năng/ Sản phẩm Gen

Các bán phân tử của các chuỗi hô hấp

NADH dehydrogenase nad1, nad2, nad3, nad4, nad41, nad5, nad6,

nad7, nad9

Cytochrome c oxidase cox I, coxII, coxIII

ATP synthase atp1, atp16, atp9

Cytochrome c biogenesis Ít nhất là 4 gen

Khung đọc mã bảo thủ

(conserved open reading frames)

Ít nhất đã biết 10 gen

Trang 6

•  Số lượng bản sao của genome ty thể còn chưa được biết rõ:

- có từ 5 – 10 genome/ty thể

-  Ví dụ: Mỗi ty thể của người có khoảng 10 phân tử giống nhau

(khoảng 8000/tế bào), trong khi ở S cerevisiae số lượng này là

khoảng 6500, gần 100 genome /1 ty thể

•  DNA ty thể tồn tại chủ yếu ở dạng mạch vòng kép, đôi khi có

xuất hiện dạng mạch thẳng như: nấm men, Paramecium,

Chlamydomonas

Genome ty thể

Trang 7

•  Thông tin di truyền trong genome ty thể: genome ty thể chứa các gen mã hóa cho rRNA của ty thể và một số enzyme protein tham gia vào chuỗi hô hấp

•  Ngoài ra, ty thể còn chứa các gen mã hóa tRNA, protein ribosome và một số protein khác liên quan đến quá trình phiên mã, dịch mã, và vận chuyển các protein khác vào ty thể từ tế bào chất

Genome ty thể

Trang 8

Chức năng của Ty thể

•  Chu trình Krebs:

–  Pyruvate, sản phẩm của glycolysis được tạo ra trong

tế bào chất

–  Đươc vận chuyển vào ty thể (bên trong màng) Sau

đó được chuyển hoá thánh acetyl CoA

–  Acid béo được vận chuyển vào ty thể và chuyển hoá thành acetyl CoA

–  Chu trình Krebs chuyển hoá acetyl CoA thành CO2

và electrons cao năng, được vận chuyển bởi NADH

và FADH2

Trang 9

9

Trang 10

Chức năng của Ty thể

•  Vận chuyển Electron:

–  Electrons cao năng được giải phóng từ NADH và

FADH2, được vận chuyển trông qua 3 phức hợp

–  Inon H+ đưa trở lại matrix, theo gradient nồng độ

thấp, thông qua phức hợp thứ 4, ATP synthase

(ATPase), tạo ATP từ ADP và nhóm phosphate

Trang 11

Chức năng ty thể

Trang 13

13

http://micro.magnet.fsu.edu/cells/mitochondria/mitochondria.html

Trang 14

– 22 tRNAs

•  Không tái tổ hợp

•  Rất ít intergenic DNA

•  Không introns

•  Vùng điều hoà đa dạng

•  Mang thông tin gi truyền

Genome ty thể động vật

Trang 15

15

Marchantia polymorpha

(184,000 bp) (Cây rêu tản)

200kb - 2400kb Chứa các gen:

•  - ORFs

–  Ribosomal proteins –  Chloroplast tRNAs

•  Trên 90% coding DNA (DNA không mã hoá)

non-Genome ty thể thực vật

Trang 16

Tái tổ hợp

Introns

Các gene phổ biến

û û û

Thấp Tuỳ loài 17kb - 180kb

ü/û û

Hầu hết

Rất thấp Rất cao 184kb - 2,400kb

ü ü ü

Động vật Nấm Thực vật

Trang 17

Reclinomonas americana – Nguồn gốc của

genome ty thể

•  Có 97 genes:

– mtDNAs chứa các gen mã hoá cho tất

cả các protein

– 18 protein genes cần thiết

•  4 genes (rpoA-D)

mã hoá enzyme eubacteria-like RNA polymerase (α2ββ’δ)

Trang 18

18

Nguồn gốc tiến hóa của ti thể

•  Ti thể có nhiều điểm chung với prokaryote

•  Giả thuyết: nguồn gốc từ các prokaryote nội cộng sinh

•  Ti thể chứa DNA, dạng vòng

•  Mã hóa cho 22 tRNA

•  Sử dụng bộ mã di truyền giống α-Proteobacteria à tổ tiên

VK

•  Khả năng có mối quan hệ gần gũi với rickettsia

•  Chính xác nguồn gốc: chưa xác định được

Trang 19

19

Trang 21

Nguồn gốc tiến hóa ti thể

•  Khoảng 2000 triệu năm từ vi khuẩn nguyên thủy à cộng

sinh với eukaryote

•  Quá trình tiến hóa à hoạt động của cả 2 genome (ti thể và genome)

•  Chuyển gene từ genome ti thể sang genome eukaryote

(gene nhân) để có sử kết hợp tốt hơn và chịu sự kiểm soát của gene nhân

•  Quá trình chuyển khác nhau tùy thuộc vào tế bào chủ (ti thể nấm men khác với ti thể người)

Trang 22

22

Bằng chứng

•  Genome dạng vòng, các gene ti thể nhỏ, không chứa intron

•  Genome DNA ti thể chứa các gene liên tục (không có

khoảng trống, không có đoạn lặp lại)

•  Ribosome ti thể: 70S (so sánh với 80S ở eukaryote)

•  Các gene ti thể được phiên mã theo kiểu “multigenic

transcripts”, sau đó được phân cắt và polyadenyl hóa để tạo ra mRNA trưởng thành

Trang 23

23

•  Nguồn gốc tiến hóa của ti thể và lục lạp

•  Tại sao ti thể và lục lạp có vật chất di truyền riêng?

•  Cơ chế duy trì genome ti thể và lục lạp trong tế bào

Trang 24

24

Tại sao ti thể và lục lạp có

vật chất di truyền riêng?

Vi khuẩn có ti thể, lục lạp?

Trang 25

25

•  Nguồn gốc tiến hóa của ti thể và lục lạp

•  Cơ chế duy trì genome ti thể và lục lạp trong tế bào

Trang 26

26

Sự phân ly không đều

gây ra sự đa dạng ở

tế bào soma

Nguyên phân à phân

chia không đều

Trang 27

27

•  Phương thức di truyền ti thể và lục lạp

Trang 28

28

Phân chia và di truyền

•  Ti thể phân chia tương tự như vi khuẩn, ngoài ra chúng có khả năng dung hợp với nhau

•  Ở các Eukaryote đơn bào, sự phân chia ti thể thường đi kèm với chu kỳ tế bào

•  Ở các Eukaryote đa bào (động vật có vú) phân chia khi cần cung cấp thêm năng lượng à Mối quan hệ ?

•  Sự phân bố vào các tế bào sau khi phân chia là hoàn toàn ngẫu nhiên

•  Các gene ti thể của mỗi cá thể không di truyền giống như các gene ở nhân

•  Ở động vật có vú: quá trình thụ tinh (di truyền theo mẹ)

Trang 29

•  Thực tế có sự đa dạng về ti thể trong 1 tế bào

Không có các cơ chế sửa chữa

Không có cơ chế bảo vệ trong quá trình sao chép cũng như DNA Liệu có sự tái tổ hợp giữa các bản copy?

Có sự tham gia của ti thể của tinh trùng?

Trang 30

30

Cấu trúc tinh trùng

Trang 31

31

Trang 32

•  Cho dù việc tương tác giữa các ti thể vẫn còn chưa rõ, ảnh hưởng của nó thể hiện chưa rõ ràng trong việc hình thành các thế hệ ti thể

Trang 33

33

Ty thể (Mitochondrial Eve)

•  Giả thiết một lượng lớn di truyền dòng mẹ, phân tích

DNA ti thể người à toàn bộ các chủng tộc người đều là con cái của 1 người phụ nữ hoặc một nhóm phụ nữ có quan hệ gần gũi sống ở châu Phi khoảng 200,000 năm trước đây

•  Mặc dù có nhiều phản đối giả thuyết này nhưng sự hạn chế về đa dạng trong DNA nhân à tổ tiên chúng ta trải qua một quá trình gọi là "evolutionary bottleneck" với 1 lượng nhỏ số lượng sống sót

Trang 34

34

Kiểm tra 2 chị em có cùng bố ?

X CHROMOSOME Testing

Costs: $595 for 2 persons

($165 for each extra person)

If the siblings have the same

mother, her sample is required

but will be tested free of charge

Trang 35

35

Kiểm tra có cùng mẹ hay không?

Mitochondrial DNA Testing

Costs: $595 for 2 persons

($165 for each extra

person)

If the siblings have the same

mother, her sample is

required but will be tested

free of charge

Trang 36

36

Sự dung hợp của ti thể

Cell 141, 280–289, April 16, 2010 ª2010 Elsevier Inc http://www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100415125942.htm

Trang 37

37

Nếu có sự tái tổ hợp ti thể từ 2 nguồn gốc

Liệu các xét nghiệm này có sử dụng được nữa?

Trang 38

38

•  Phương thức di truyền ti thể và lục lạp

•  Cấu trúc genome: số lượng gene và những đặc điểm quan

trọng

Trang 39

39

Cấu trúc genome ti thể

•  DNA dạng vòng

•  Số lượng copy DNA trong 1 ti thê

•  ở người, ngoài gene mã hóa rRNA, các gene còn lại mã hóa cho 13 polypeptide

•  Các polypeptide này có tính kị nước cao, vì vậy chúng không tan và không có khả năng di chuyển

•  Tất cả các gene đã “di cư” vào nhân và hàng trăm các protein khác cần phải chuyển tử nhân vào ti thể sau khi được tổng hợp

Trang 40

40

Trang 42

Ti thể người

Trang 43

43

Genome ti thể người

•  16,569 nucleotides (năm 1981)

•  Tổng số 37 genes liên quan đến sản xuất năng lượng (ATP)

•  13 gene liên quan đến oxy phosphoril hóa, 22 gene tRNA, 2 gene rRNA

•  Mã di truyền khác với gene nhân UGA = tryptophan, AUA = methionine, AGA và AGG = stop

•  Khoảng 1,200 nu không mã hóa có chức năng:

–  Vùng điều khiển: chứa tín hiệu điều khiển tổng hợp RNA và DNA

–  D-loop: liên hệ tới pha sớm của quá trình sao chép ti thể, vùng hình thành bóng “bubble” hoặc “loop”

–  Vùng siêu biến: Tích lũy các đột biến, tần suất cao hơn DNA gene nhân

khoảng 10 lần

Trang 44

44

Ngoài việc tạo ATP:

•   Apoptosis, quá trình tế bào chết được lập trình

•  Giữ vai trò liên hệ giữa cơ và thần kinh

•  Tăng sinh tế bào

•  Điều hòa trạng thái oxi hóa khử của tế bào (redox có nghĩa là quá trình oxi hóa khử)

•  Tổng hợp nhân heme

•  Tổng hợp steroid

•  Tạo nhiệt (giúp giữ ấm cho có thể)

Vai trò của ti thể

Trang 45

45

trọng

Trang 46

46

Quá trình lão hóa và đột biến ti thể

•  Các gốc oxy hóa tự do

•  Rò rỉ điện tử

Trang 47

47

Dạng đột biến

Nguyên tử sắt Fe ở dạng ion hóa à tương tác với nhóm

Phosphate trong phân tử DNA à deamine hóa nucleotide à đột

biến điểm (SNP) như CàT, GàC and GàT

Đột biến thay đổi (transition) giữa các base pyrimidine (C và T)

Đột biến chuyển hóa (transversion) giữa pyrimidine và purin

Gà C sau đó Cà T

Trang 48

48

Bệnh ti thể

•  Đột biến DNA tích lũy theo thời gian

•  Các enzyme quan trọng: NADH dehydrogenase, cytochromes, và

coenzyme Q à giảm hiệu quả tổng hợp năng lượng

•  Đột biến ở tRNA và rRNA à giảm hiệu quả dịch mã

•  Năm 1998, đột biến gene ti thể liên quan đến các bênh Alzheimer, rối loạn

cơ, mitochondrial myopathy, Kearns-Sayre syndrome, CPEO (chronic

progressive external phthalmoplegia), Leigh syndrome, Pearson syndrome, dystonia, đái đường, tự kỉ

•  Những bệnh trên hầu hết ảnh hưởng trực tiếp đến các cơ quan, mô sử

dụng nhiều năng lượng (cơ, não)

Trang 49

49

Ti thể: Bệnh tật và lão hóa

Có mối liên hệ giữa gene nhân và gene ti thể trong việc hình thành bệnh

Sự vận chuyển protein từ tế bào chất vào ti thể

•  Đái đường, tim, rối loạn trí nhớ…

•  Alzheimer, Parkinson

•  Coenzyme Q10

•  Hệ thống enzyme tạo thế khử: ATP à lão hóa

Trang 50

50

Coenzym Q10 (ubiquinone)

Trang 51

51

Kearns-Sayre syndrome

Trang 52

52 CPEO

chronic progressive external phthalmoplegia

Trang 53

53 Leigh's disease

Trang 54

54

Dystonia

neurological movement disorder

Trang 55

55

Sự khác biệt ti thể & lục lạp

Trang 56

•  Plastids chứa khoảng 60-100 gene, trong đó

cyanobacteria có khoảng 1500 gene

•  Rất nhiều gene bị mất được mã hóa bởi genome nhân

Trang 57

Genome lục lạp

Trang 58

Trang 59

•  Lục lạp chứa DNA ở dạng các phân tử kép có cấu trúc vòng Mỗi lục lạp chứa nhiều phân tử DNA, tuy nhiên mỗi phân tử DNA đều chứa các gen giống

nhau

•  Thông tin di truyền chứa trong genome lục lạp: hầu hết genome của lục lạp có khoảng 200 gen Các gen này mã hoá cho các RNA ribosome và vận chuyển đồng thời mã hoá cho các protein của ribosome và các protein cần cho hoạt động quang hợp

Trang 60

Gen Số Intron Chức năng Ghi chú

trnL – UAA 1 tRNA

TrnI - GAU 1 tRNA

TrnA - UGC 1 tRNA

NdhA 1 Bán phân tử NADH dehydrogenase

NdhB 1 Bán phân tử NADH dehydrogenase

23 Sr ADN 1 23S rRNA

Các gen của lục lạp và chức năng

Trang 61

61

Trang 64

64

Tiến hóa genome

•  So sánh genome

•  Hiện tượng lặp gene, động lực của tiến hóa

•  Hiện tượng chuyển gene

•  Tiến hóa genome

Trang 65

65

Biểu hiện gene và điều hòa biểu hiện gene

ü  Gene, số lượng gene và sự biểu hiện gene

ü  Các gene luôn được biểu hiện (housekeeping

gene)

ü  Các gene chịu sự kiểm soát của các cơ chế

điều hòa (induced genes)

ü  Tại sao tế bào cần có các cơ chế điều hòa

hoạt động gene?

Trang 66

6000 genes ở nấm men; 18,500 ở giun; 13,600 ở ruồi dấm;

25,000 ở cây Arabidopsis; và khoảng 20,000 tới 25,000

ở chuột và người; ở lúa lại có tới 40 000 gene

Số lượng gen ở một số sinh vật nhân chuẩn

Số lượng gen

Trang 67

Số gen và NST trong một số sinh vật

Loài DNA tổng số (bp) Số nhiễm sắc

thể (2x)

Số lượng gen

Vi khuẩn (Escherichia coli)

Nấm men (Saccharomyces cerevisiae)

Tuyến trùng(Caenorhabditis elegans)

Ruồi dấm (Drosophila melanogaster)

Lúa nước (Oryza sativa)

Chuột (Mus musculus)

Người (Homo sapiens)

4.639.221 12.068.000 97.000.000 125.000.000 180.000.000 480.000.000 2.500.000.000 3.200.000.000

1 16 12 10 18 24 40

46

4.405 6.200 19.000 25.500 13.600 57.000 30.000-35.000 30.000-35.000

Trang 68

Kích thước genome

Trang 69

69

ü  Tế bào tổng hợp protein nhiều hay ít là do nhu cầu của

từng tế bào hoặc tuỳ từng giai đoạn phát triển của cơ thể

ü  ADN nằm trong thể nhiễm sắc có cấu trúc bện xoắn phức tạp cho nên trước phiên mã, thể nhiễm sắc phải tháo xoắn

ü  Sự điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn qua nhiều mức điều hòa, qua nhiều giai đoạn như: thể nhiễm sắc tháo xoắn, phiên mã, biến đổi sau phiên mã, dịch mã

và biến đổi sau dịch mã

ü  Trong cùng một loại tế bào, các loại mARN có tuổi thọ khác nhau

ü  Các protein đã được tổng hợp xong vẫn tiếp tục chịu một

cơ chế kiểm soát của các enzym

ü  Enzym phân giải những protein bị sai lệch hoặc không còn cần thiết đồng thời tổng hợp các protein khác thay thế

Trang 70

70

ü  Ở các sinh vật nhân chuẩn bên cạnh vùng khởi động

(promotor) phiên mã người ta còn thấy có các yếu tố

điều hòa khác như các gen tăng cường (enhancer), gen bất hoạt (gen im lặng- silencer)

ü  Các gen tăng cường tác động lên gen điều hòa gây nên

sự biến đổi cấu trúc của nucleoxom;

ü  Gen bất hoạt làm ngừng qúa trình phiên mã

trong tế bào chất hoặc đến từ môi trường thì còn có rất nhiều tín hiệu đến từ tế bào bên cạnh, từ các mô và cơ quan khác nhau,ví dụ các chất sinh trưởng (growth

factors), các hormon steroid là tín hiệu hoạt hóa gen

nhiều cấp độ, lệ thuộc vào nhau và phối hợp với nhau

Trang 71

71

Sự điều hòa hoạt động của gen thực hiện ở 9 cấp độ khác nhau:

1.  Tổ chức của ADN trong thể nhiễm sắc bao gồm tổ chức phân tử, siêu

hiển vi và hiển vi

2.  Sự phiên mã ADN thành ARN, bao gồm các nhân tố tham gia phiên

mã như: các ARN polymeraza, các phức hợp nhân tố phiên mã, các nhân tố liên kết với vùng điều chỉnh của gen (nhân tố liên kết được gọi

là TRANS, còn vùng ADN bị liên kết được gọi là CIS)

3.  Qúa trình xử lý, chế biến ARN sau phiên mã, gồm qúa trình chín ARN

4.  Sự chuyên chở mARN từ dịch nhân qua lỗ màng nhân ra tế bào chất,

nơi cần để dịch mã

5.  Sự dịch mã trên riboxom để tạo thành protein: protein cấu trúc, protein

enzym hoặc protein điều chỉnh

6.  Sự tồn tại và phân giải của mARN - tuổi thọ của mARN

7.  Các biến đổi của protein sau dịch mã bao gồm sự gluxit hóa

(glycosylation), sự photphorin hóa, sự tạo thành cấu trúc 3D

8.  Sự cung cấp protein đúng địa chỉ, nơi tế bào và cơ thể cần sử dụng

9.  Sử dụng và phân giải protein được tổng hợp

Định dạng
Số trang	74
Dung lượng	3,43 MB