Bài giảng Chương 1 Bộ máy di truyền của sinh vật

CHƯƠNG 1 BỘ MÁY DI TRUYỀN CỦA SINH VẬT Eukaryote ? Prokaryote? TỔ CHỨC DI TRUYỀN TRONG NHÂN Nucleosome (nhiễm sắc chất) CẤU TRÚC NHIỄM SẮC THỂ CẤU TRÚC NHIỄM SẮC THỂ CẤU TRÚC NHIỄM SẮC THỂ Nhiễm sắc thể, gen, allen, locus Tổ chức bộ gen người CẤU TRÚC DNA – Thành phần của nucleic acid Đường deoxyribose và ribose chỉ khác nhau ở vị trí 2’ (có/không có oxy) CẤU TRÚC DNA – Thành phần của nucleic acid Qui luật Chargaff: [A] + [G] = [T] + [C] Tỉ lệ “G + C” khác nhau giữa các loài và không đổi ở tất cả các tế bào cùng loài CẤU TRÚC DNA – Thành phần của nucleic acid Nhóm PO4 làm DNA và RNA mang tính acid Liên kết phosphodiester dễ bị enzyme thủy phân Nguyên tử oxy trong nhóm PO4 sau khi hình thành liên kết phoshodiester mang điện tích âm  làm acid nucleic khó tan trong lipid, giúp duy trì phân tử. CẤU TRÚC DNA – Nucleoside và nucleotide CẤU TRÚC DNA – Nucleoside và nucleotide CẤU TRÚC DNA – Thành phần của nucleic acid Nhiệt độ biến tính DNA phụ thuộc vào lượng “G+C” và nồng độ muối. Phân loại nucleotide Base Nucleoside Nucleotide DNA RNA DNA RNA Adenine (A) deoxyadenosine Adenosine Deoxyadenosine- 5’-triphosphate (dATP) Adenosine-5’- triphosphate (ATP) Guanine (G) Deoxyguanosine Guanosine Deoxyguanosine- 5’-triphosphate (dGTP) Guanosine-5’- triphosphate (GTP) Cytosine (C) Deoxycytidine Cytidine Deoxycytidine-5’- triphosphate (dCTP) Cytidine-5’- triphosphate (CTP) Thymine (T) Deoxythymidine - Deoxythymidine- 5’-triphosphate (dTTP) - Uracil (U) - Uridine - Uridine-5’- triphosphate (UTP) Generic (N) Deoxynucleoside Nucleoside Deoxynucleoside- 5’-triphosphate (dNTP) Nucleoside-5’- triphosphate Các cặp base Watson-Crick Các cặp base ít phổ biến CẤU TRÚC DNA - Chiều 5’ và 3’  Đầu 5’: C5 của đường gắn với nhóm PO4 chức năng.  Đầu 3’ chỉ phân tử C3 của đường gắn với nhóm OH- .  Chiều 5’ – 3’của acid nucleic là đặc tính rất quan trọng, liên quan đến việc tái bản, phiên mã, đọc 1 trình tự DNA và việc thực hiện các thí nghiệm.  Chiều 5’ – 3’của acid nucleic là đặc tính rất quan trọng, liên quan đến việc tái bản, phiên mã, đọc 1 trình tự DNA và việc thực hiện các thí nghiệm. Cấu trúc bậc hai của DNA  Sự bền vững, linh động của cấu trúc xoắn kép - Nối hydro giữa các base - Sự liên kết giữa các nucleotide theo chiều dài phân tử DNA  Hai sợi DNA song song và ngược chiều nhau Sợi 5’ – 3’ và sợi 3’ – 5’  Sự xếp chồng của các cặp base (kị nước) góp phần tạo cấu trúc xoắc kép và sự bền vững của cấu trúc Cấu trúc bậc hai của DNA Các dạng cấu trúc bậc hai của DNA A-DNA B-DNA Z-DNA Hướng Xoắn phải Xoắn phải Xoắn trái Vòng xoắn chính Sâu và hẹp Sâu trung bình, rộng Rất cạn, hầu như không tồn tại Vòng xoắn phụ Cạn, rộng Sâu TB, hẹp Rất sâu, hẹp Bases 11 10,5 12 Điều kiện Độ ẩm thấp (75%), muối cao Độ ẩm cao (95%), muối thấp Nồng độ MgCl2 (>3M), NaCl hay ethanol cao. Có Cytosine bị methyl hóa ở độ ẩm cao và muối thấp. Các dạng cấu trúc DNA Cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA (Watson-Crick) A. Cấu trúc xoắn kép nhìn trực tiếp theo chiều của trục. Các gốc phosphate phân cực (vàng, đỏ) có thể tương tác với môi trường phân cực. Các base (xanh) ở bên trong , xếp chồng lên nhau và vuông góc với trục xoắn B. Các base của DNA xếp chồng lên nhau theo chiều dài của chuỗi xoắn. Các đặc tính của cấu trúc xoắn kép  Liên kết bổ sung (complementary base-pairing)  Có thể tháo xoắn và tách sợi tạm thời hay “biến tính” (denature/melting) - Liên kết hydro bị phá vỡ, liên kết phosphodiester vẫn giữ nguyên - Sự hấp thu tia UV của phân tử DNA thay đổi - Nhiệt độ, giảm nồng độ muối, pH cao, dung môi hữu cơ (formamide) là các tác nhân gây biến tính DNA  Khi nhiệt độ giảm, hai sợi đơn bắt cặp và xoắn trở lại hay “hồi tính” (renaturation) Sự biến tính, hồi tính và lai của phân tử DNA Đường cong biến tính của DNA. Sợi đôi DNA được đun nóng và định lượng thông qua độ hấp thu ở bước sóng 260 nm. Điểm nhiệt độ mà 50% DNA ở dạng sợi đơn được gọi là nhiệt độ biến tính hay Tm. Ở ví dụ này Tm vào khoảng 80oC. Cấu trúc bậc hai của DNA – Các cấu trúc bất thường Các trình tự lặp lại, 5’- TACG TACG TACG TACG-3’ - có thể quan trọng cho tương tác DNA-protein - Liên quan đến nhiều bệnh di truyền hệ thần kinh - Ảnh hưởng quá trình tái bản và phiên mã Cấu trúc bậc hai của DNA – Các cấu trúc bất thường Cấu trúc chữ thập. tạo bởi các trình tự đảo ngược trên cùng một sợi DNA. Có thể đóng vai trò điều hòa trong tái bản DNA và biểu hiện gen. Cấu trúc bậc hai của DNA – Các cấu trúc bất thường Xoắn DNA 3 sợi (triple helix DNA). Sợi DNA thứ 3 gắn với 2 sợi DNA sẵn có thông qua các liên kết hydro Hoogsteen. phức hợp DNA này liên quan đến bệnh di truyền. Các cặp base Hoogsteen. Ở cặp base AT, base adenine xoay 180o quanh liên kết với đường; ở cặp GC chỉ có 2 liên kết hydro, không bền ở pH trung tính (7-8) Cấu trúc bậc ba của DNA (Tertiary structure)  Đầu 5’ của 1 sợi chỉ có thể nối với đầu 3’ của chính nó để tạo 1 vòng tròn khép kín.  Phân tử DNA tròn có thể xoắn hay siêu xoắn. DNA ở trạng thái siêu xoắn kém bền hơn trạng thái bình thường (thư giãn). Điều này có ý nghĩa cho quá trình phiên mã và dịch mã.  Topoisomerase là enzyme tạo ra các dạng DNA với vòng xoắn giảm dần từ dạng siêu xoắn. DNA topoisomerase gồm dạng I (IA, IB) và II (IIA, IIB). Có ít nhất 5 loại enzyme khác nhau được tìm thấy ở eukaryote, bao gồm người. Cả 2 dạng đều quan trọng trong nhiều quá trình tế bào (hội tụ và phân ly của NST, tái bản DNA, phiên mã gene và tái tổ hợp) Sự tháo xoắn của plasmid DNA siêu xoắn bởi topoisomerase I. 1. plasmid pUC18 thư giản và siêu xoắn. 2-6: pUC18 sau khi xử lí với lần lượt 2, 4, 6 hay 8 đơn vị topoisomerase I trong 45p ở 37oC. DNA ở các loài khác nhau Sinh vật Số base pair Chiều dài DNA (mm) Kích thước tế bào (mm) Số NST Thực khuẩn thể λ (bacteriophage λ) 4,85 x 104 0,017 <0,0001 1 Vi khuẩn (Escherichia coli) 4,7 x 106 1,4 0,001 1 Nấm men (Saccharomyces cerevisiae) 1,25 x 107 4,6 0,005 16 Ruồi giấm (Drosophila Melanogaster) 1,65 x 108 56,0 0,010 4 Người (Homo sapiens) 3 x 109 999,0 0,010 23 Các giá trị trên của bộ gen đơn bội. Ở hầu hết các sinh vật nhân chuẩn, các tế bào sinh dưỡng nhị bội có số NST gấp đôi giá trị trên Bộ gen vi khuẩn  Tế bào prokaryote không nhân, chứa DNA sợi đôi dạng vòng.  DNA nhiễm sắc thể ở dạng cấu trúc cô đọng gọi là thể nhân (nucleoid). Bộ gen của Escherichia coli có kích thước khoảng 4700 kb ở dạng một phân tử DNA dạng vòng sợi đôi, không có đầu 5’ hay 3’ tự do.  Một số protein tương tự protein histon tham gia vào quá trình nén DNA như HU (heat-unstable protein), IHF (integration host factor), HNS (heat-stable nucleoid structuring). Plasmid  Plasmid là các phân tử DNA nhỏ, sợi đôi, dạng tròn hoặc thẳng, có ở vi khuẩn, một số loài nấm và thực vật bậc cao. pC1K1 là plasmid dạng thẳng tiêu biểu ở Claviceps purpurea, một loại nấm ở đại mạch.  Tồn tại độc lập với DNA nhiễm sắc thể  Mối quan hệ với tế bào chủ: kí sinh hoặc cộng sinh.  Kích thước: 2-100 kb  Plasmid mang các tính kháng với kháng sinh và là phương tiện trong công nghệ DNA tái tổ hợp. Vi khuẩn chứa plasmid Thực khuẩn thể  NST DNA thường là một phân tử DNA đơn, không có protein liên kết.  Thực khuẩn thể lamda (λ) có bộ gen thẳng, sợi đôi; khi xâm nhiễm vi khuẩn kí chủ, DNA đóng lại tạo dạng tròn.  Thực khuẩn thể M13 có bộ gen dạng tròn sợi đơn.  Tất cả các thực khuẩn thể có khả năng đóng gói DNA vào thể tích khá nhỏ. Thực khuẩn thể lamda (λ) có thể đóng gói DNA (17 μm) vào phần “đầu” (capsid) có kích thước nhỏ hơn 0,1 μm. Sau khi đóng gói, phần đuôi được gắn vào phần đầu. Virus DNA ở động vật có vú  Xâm nhập vào tế bào ĐVCV và sử dụng bộ máy tế bào chủ để tái bản.  Nhóm papovavirus là các hệ thống tiêu biểu để tìm hiểu đặc điểm phân tử và di truyền ở eukaryote; có bộ gen đa dạng.  Papilloma virus (HPV), Simian virus (SV 40) ở khỉ rhezus có bộ gen sợi đôi dạng vòng.  Adenovirus (vector dùng trong liệu pháp gen người) có bộ gen sợi đôi dạng thẳng.  Rất ít thông tin về việc đóng gói DNA. Một số virus tự tổng hợp các protein cơ bản (capsid); Papovavirus sử dụng các protein histone của tế bào chủ. Bộ gen của bào quan: lục lạp và ty thể  Cả lục lạp và ty thể chứa thông tin di truyền riêng.  Bộ gen thường ở dạng tròn, gần giống như bộ gen vi khuẩn.  Bộ gen của bào quan di truyền độc lập với bộ gen ở nhân với sự di truyền các tính trạng thông qua mẹ.  DNA lục lạp (cpDNA) mã hóa các enzyme tham gia quang hợp; kích thước 120 – 160 kb, với 20 – 40 bản sao/bào quan.  DNA ty thể (mtDNA) mã hóa các enzyme cần thiết tham gia vào quá trình sản xuất ATP; thường ở dạng tròn, sợi đôi; kích thước thay đổi tùy sinh vật; số lượng bản sao có thể lên đến 30. Ở động vật mtDNA có kích thước từ 16 -18 kb, ở thực vật 100 kb – 2,5 Mb. Bộ gen RNA  RNA là bộ gen của nhiều tác nhân truyền nhiễm, gồm virus lây nhiễm trên eukaryote, retrovirus, viroid và các tác nhân gây bệnh dưới virus.  Bộ gen RNA có tỉ lệ đột biến cao hơn bộ gen DNA 1000 lần do RNA polymerase thiếu hoạt động sửa sai exonuclease. Bộ gen RNA Các dạng RNA virus chính Virus RNA ở eukaryote  Là nhóm virus rất đa dạng, xâm nhiễm nhiều kí chủ khác nhau gồm thực vật và động vật.  Có hình dạng và kích thước đa dạng, có/không có vỏ capsid.  RNA virus điển hình tái bản không qua hình thành trung gian DNA (đặc điểm khác biệt với retrovirus).  Có 3 nhóm RNA virus chính: virus sợi (+) – tạo protein trực tiếp (RNA ~ mRNA) Virus sợi (-) – không mã hóa protein Virus RNA sợi đôi  RNA virus sợi (-) là nhóm phổ biến nhất, gồm các tác nhân gây bệnh sởi, quai bị, sởi và cảm cúm và SARS.  RNA virus sợi đôi ít phổ biến hơn (họ reovirus) Retrovirus  Còn được gọi là virus “RNA gây khối u”  Retrovirus có bộ gen RNA sợi đơn, phải thông qua trung gian DNA để tái bản (tái bản ngược, reverse transcription).  Khi xâm nhập vào tế bào chủ, RNA  DNA sợi đôi  chèn vào DNA tế bào chủ. Do đó, rất khó loại bỏ virus này sau khi chúng xâm nhập và xác nhập vào DNA tế bào chủ.  Virus phổ biến ở động vật: HIV  Là các vector quan trọng cho liệu pháp gen Sự đa dạng của bộ gen DNA  11172167@st.hcmuaf.edu.vn (Trần Thành Thái, dh11sm).  DH13NY@gmail.com  12126382@st.hcmuaf.edu.vn (dh12sh t7 4-6)