23 attenuator gây tín hiệu kết thúc sao mã ở đoạn dẫn đường -> sự sao mã dừng ở đây. Như vậy, sự sao mã của các gen cấu trúc không tiếp tục diễn ra trong khi tế bào vẫn có đủ triptophan (sao mã bỏ dở). + Khi trong tế bào thiếu triptophan sẽ có ARN vận chuyển mang triptophan tới riboxom để tiếp tục tổng hợp chuỗi peptit dẫn đường -> riboxom dừng lại ở codon ttriptophan-> phần dẫn đường của mARN cuộn lại gây biến dạng cấu trúc uốn đặc trưng làm đoạn attenuator không thực hiện được chức năng dừng lại -> sự trượt ARN – polymerase tiếp tục diễn ra -> các gen cấu trúc được sao mã. Như vậy, các enzim tham gia vào sinh tổng hợp triptophan được tạo ra, triptophan được tích luỹ với số lượng lớn trong tế bào. -> Operon triptophan: phương thức điều hoà theo cơ chế bỏ dở hoàn toàn độc lập với phương thúc điều hoà ức chế âm tính. - Tóm lại, những đặc điểm về cấu trúc operon ở sinh vật nhân sơ: + 1 operon có nhiều gen cấu trúc liên kết sát nhau + Từ vùng O -> gen cấu trúc 1 có 1 đoạn dẫn đường có độ dài rất khác nhau. + Các gen cấu trúc sao mã cùng nhau -> 1 mạch mARN kiểm tra nhiều protêin (đa chức năng). + Riboxom đọc theo từng gen cho các protêin riêng biệt. + ADN điều hoà chiếm tỷ lệ nhỏ so với ADN mã hoá. 2.3.Cấu trúc và hoạt động của gen sinh vật nhân chuẩn 2.3.1. C ấu trúc exon – intron c ủa gen a. S ự phát hiện ra cấu trúc exon - itron - 1977, nhóm tác giả phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor phát hiện cấu trúc không liên tục của gen ở adenovirus –2: + Độ dài của mạch mARN tham gia vào dich mã ngắn hơn so với mạch mARN sao ra theo khuôn của chuỗi ADN muộn (L- ADN). + Bằng phương pháp lai phân tử : mARN tạo thể lai không tương ứng trên toàn mạch L- ADN mà chỉ xảy ra ở 4 đoạn: 1 đoạn dẫn dầu kéo dài hơn và 3 đoạn ngắn tiếp theo. Những đoạn “ dư ra” của L-ADN tạo nên những dải uốn. (Hình 3.3b - tr81) 24 ->Để hình thành mARN tham gia vào dịch mã, chỉ có thể bằng con đường cắt bỏ các đoạn: những đoạn không mã hoá (intron), xen kẽ những đoạn mã hoá (exon). Cấu trúc này gọi là gen phân đoạn hay gen khảm. - Ví dụ: + Gen ovalbumin gà mang 7 đoạn xen (7 intron) xen kẽ với 8 exon. + Gen  - 2collagen gà mang 50 intron và 50 exon. + Gen catalase ở thực vật có hoa - Ngoại lệ: gen histon nhím biển và 4 gen sốc nhiệt ở drosophila không có intron. (Hình 3.3b – tr81) b. Đặc điểm cấu trúc exon - intron c ủa gen - Số lượng các exon, intron khác nhau trong 1 gen. - Độ dài của exon và intron rất khác nhau, E<I - Thành phần các Nu ở exon ổn định hơn ở intron. Các intron có tính chất ổn định về vị trí ở các gen gần giống nhau của một loài, hay ở gen cùng loại của các loài khác nhau. - Vùng giáp nối giữa exon và intron có vai trò quan trọng trong cắt bỏ intron và nối exon. - Nếu đột biến xảy ra ở intron không ảnh hưởng tới sản phẩm protêin. 2.3.2. Quá trình thành th ục hóa mARN sơ cấp mARN sơ cấp -> mARN thành thục phải trải qua những quá trình sau: - Gắn mũ chụp: Ở đầu 5 ’ của mARN xảy ra phản ứng tạo mũ, đó là hai phản ứng methyl hoá ở vị trí 7 của guanozin và ở vị trí 2 ’ của đường ribose. - Gắn đuôi poli – A: Ở đầu 3 ’ của mARN sơ cấp xảy ra phản ứng poli – A hoá với chuỗi poly - A (có thể dài tới 200 gốc A) vào mARN , nhờ mARN protêin liên kết với chuỗi poly - A. - Sự tách ghép: + Cắt intron: Mỗi intron có đầu 5 ’ và đầu 3 ’ , ở mỗi đầu có đoạn 2 Nu rất ổn định (đoạn chuẩn): 5 ’ GU…………….AC 3 ’ Ở 1 số ARN nhân nhỏ (sn ARN) trong thành phần enzim cắt nối có các trình tự dinu bổ sung, tương ứng với các đoạn chuẩn trong intron. 25 Enzim cắt nối kết hợp với sn ARN tạo thành phức hợp sn - RNP. Một sn – RNP bám vào đầu 5 ’ , sn – RNP kia bám vào điểm nhánh gần đầu 3 ’ . Cả hai sn - RNP này cùng với sn - RNP khác và protêin điều hoà -> phức hợp RNP (spliceosom). Splcceosom tách intron ở đầu 5 ’ và đầu nối tự do kia (3 ’ ) của intron vào điểm nhánh -> intron bị bẻ cong thành hình thòng lọng. Intron được tách ra từ đầu 3 ’ và 2 exon liền kề sẽ được nối với nhau. Intron bị cắt sẽ thoái hoá. + Nối exon: Các exon liền kề nhau được nối với nhau và theo cơ chế này hình thành mARN thành thục. 5 ’ 3 ’ Sợi bổ sung 3 ’ E 1 I 1 E 2 I 2 E 3 I 3 5 ’ Sợi khuôn Sao mã E 1 I 1 E 2 I 2 E 3 I 3 pre- mARN Cắt nối E 1 E 2 E 3 m- ARN Ngoài ra ở các nhóm sinh vật quá trình tách ghép mARN sơ cấp xảy ra do xúc tác của chính mARN mà không có sự tham gia của các protêin – enzim khác (tự tách ghép). - Ở nhân tế bào mARN sao ra được cuốn vào các hạt có tên là informofer. Hạt này có hằng số lắng đọng 30S, cấu trúc từ vài chục phân tử ribonucleoprotêin dạng hạt. Phân tử mARN ở cấu trúc cuốn vào chuỗi hạt có thể tồn tại trong nhân tế bào. Khi ở mARN sơ cấp xảy ra quá trình thành thục hoá và chuyển ra bào chất nó được tháo khỏi các hạt informofer. (Hình 3.4 – tr84) 2.3.3. S ự tách ghép nảy sinh, những ý nghĩa của cấu trúc exon - intron a. S ự tách ghép nảy sinh - Ở một gen, quá trình tách ghép mARN sơ cấp có thể xảy ra theo nhiều cách, kết quả hình thành nhiều dạng mARN thành thục khác nhau gọi là tách ghép nảy sinh. - Ví dụ: Virus SV 40 ; tiền mARN xảy ra 2 kiểu tách ghép: 26 (1) Tạo ra mARN thành thục kiểm tra tổng hợp protêin T- antigen lớn (T) (2) Protêin T- antigen nhỏ (t) -> virus sử dụng tiết kiệm ADN + Đối với sinh vật nhân chuẩn sự tách ghép nảy sinh không nhiều. Tuy nhiên nó có ý nghĩa lớn trong sự tạo đa dạng các sản phẩm và trong điều hoà sự biểu hiện của gen. Ví dụ: Gen calcitonine Hai loại protêin được dịch mã từ gen này là calcitonine được tìm thấy trong tế bào C của tuyến giáp và CGRP là chất trung gian thần kinh được tìm thấy trong não. Hai protêin này là sản phẩm của 2 mARN hình thành do sự ghép nối tạo 2 tổ hợp exon khác nhau. Như vậy, các tế bào ở giai đoạn khác nhau có chứa sản phẩm sai khác do một gen kiểm tra phù hợp với chức năng hoạt động của nó. Sai khác của các sản phẩm này không do đột biến gen gây nên mà do quá trình tách ghép - biến đổi ở mARN sơ cấp tạo ra. Ví dụ 2: Gen  - amilase ở chuột cống chứa 4 exon: + 2 exon dẫn đường (L,S) + 2 exon mã hoá protêin  - amilase Sự tách ghép mARN sơ cấp xảy ra khác nhau ở tế bào gan và tế bào tuyến nước bọt -> tốc độ dịch mã của các mARN thành thục ở 2 dạng tế bào này khác nhau -> có ý nghĩa trong điều hoà hoạt động gen ở mức dịch mã. (Hình 3.6- tr86) Ví dụ 3: Gen kiểm soát enzim transphosase ở yếu tố di truyền di động P ở genom ruồi. b. Ý ngh ĩa của cấu trúc exon - intron Tính chất cấu trúc không liên tục, nhiều thanhd phần của gen có ý nghĩa trong tiến hoá hình thành những gen mới. Nhiều gen phức tạp có thể xuất hiện thông qua sự lắp ghép khác nhau từ những đoạn thành phần. 2.4. Đặc điểm cấu trúc operon và điều hoà hoạt động gen ở sinh vật nhân chuẩn 2.4.1. Nh ững yếu tố điều ho à c ủa operon và đặc điểm của chúng a. Promotor (vùng kh ởi động) 27 - Cách không xa điểm tạo mũ cảu gen có trật tự ADN với chức năng khởi động, là nơi gắn vào của ARN - polymerase II để tiến hành sao mã ra các mARN . Vùng khởi động thường quan sát thấy những trật tự có thành phần bazơ như: TATAAATAA và GGGCGG - Vùng khởi động của các gen do ARN - polymerase III sao mã và thường nằm ở bên trong gen đó. - Ví dụ tARN promotor - Vùng khởi động của ARN - polymerase I nằm ở phía trước gen rARN. b. Enhanser (vùng tăng cường sao m ã) M.L. Brinstiel (1980) nghiên cứu các gen histon ở tế bào trứng ếch và nhiều nghiên cứu sau này thấy: Có những đoạn ADN nằm ở những vị trí khác nhau của gen, có chức năng tiếp nhận thông tin làm tăng quá trình sao mã - gọi là vùng tăng cường sao mã. - Đặc điểm: + Vùng tăng cường là yếu tố tác động theo hướng đồng, chúng chỉ có hoạt tính khi nằm trong khối thống nhất chứa gen mà chúng điều khiển. + Vùng tăng cường không có tính hướng, vị trí của chúng có thể thay đổi mà không ảnh hưởng tới chức năng hoạt động của chúng. + Vùng tăng cường không mang tính đặc trưng cho từng gen mà chúng điều khiển, có ý nghĩa hầu như cho mọi gen. + Vùng tăng cường có tính chất đặc trưng rất yếu ở góc độ phân loại. + Ở một số trường hợp vùng tăng cường có tích chất đặc trưng cho từng mô của cơ thể đa bào bậc cao. + Một gen có thể mang một số vùng tăng cường. + Vùng tăng cường là đoạn ADN ngắn, ở một vùng tăng cường có thể chưá 1 hoặc một vài tâm trục. c. Silenser (vùng gây gi ảm sao mã) Là những đoạn ADN (nằm ở thành phần ADN không mã hoá) có tác dụng làm giảm sự sao mã. Tóm lại, ở sinh vật nhân chuẩn những thành phần tham gia vào sự điều hoà hoạt động của gen ở operon phức tạp hơn nhiều so với cấu trúc operon ở sinh vật nhân sơ. Hơn nữa, lượng ADN mã hoá (exon) chiếm tỷ lệ nhỏ hơn nhiều so với lượng ADN không mã 28 hoá (intron và khoảng cách giữa các gen). Ở bộ phận ADN này nằm dải rác nhiều yếu tố tham gia vào sự điều hoà sao mã. (Hình 3.7 – tr88) 2.4.2. Điều ho à sao mã - s ự tương tác gi ữa các tác nhân điều ho à v ới enhancer và các vùng điều ho à khác c ủa gen . a. Tác động của các hoocmon và protêin điều ho à - Ở sinh vật bậc cao nhiều chất hoocmon có tác dụng điều hoà hoạt động gen. Những tế bào có các chất hoocmon tới tác động tế bào đích: + Protêin tiếp nhận (R) phối hợp với hoocmon steroit (H) -> phức hợp R- H, sau một số biến đổi hình dạng protêin, phức này đi vào nhân tế bào. Trong nhân tế bào phức hợp protêin tiếp nhận – hoocmon liên kết với vùng tăng cường (hay vùng khởi động) của gen. Từ đó gây ra hiệu quả kích thích sao mã. + Ở tế bào đích của dạng hoocmon glucocorlicoit: khi chưa có hoocmon, protêin tiếp nhận liên kết với một phân tử Hsp 90 và tồn tại ở bào chất. Khi hoocmon glucocorticoit có mặt, protêin tiếp nhận liên kết với nó và phân tử Hsp 90 bị đẩy ra. Phức hợp protêin tiếp nhận – glucocorticoit đi vào nhân tế bào, ở đó nó liên kết với một đoạn của vùng tăng cường nằm không xa gen (yếu tố phản ứng với glucocoticoit – GRE) – kích thích promotor của gen -> sao mã tăng. - 1984, D. Brown phát hiện yếu tố kích thích sao mã của ARN – polimerase III (TF III A). Yếu tố này liên kết với vùng khởi động của gen và tạo điều kiện cho ARN- polimerase III gắn vào để tiến hành sao mã. Histon H 1 có tác dụng ngăn chặn sự liên kết của TF III A và cản trở sao mã. Nhưng khi yếu tố này đã tạo phức hợp ở vùng khởi động thì histon H 1 không có khả năng tách nó ra và không cản trở được sao mã. -> Protêin điều hoà thường có cấu trúc hai tiểu phần: + Một tiểu phần có cấu trúc bám để gắn với vùng đặc trưng trên ADN. + Phần thứ hai mang chức năng hoạt tính (Hình 3.8 – tr 90) 29 b. Cơ chế hoạt động của vùng tăng cường (enhancer) - Giả thuyết 1: enhancer là chỗ để cho ARN – polimerase hay các yếu tố tham gia vào sự sao mã khác đi vào, sau đó được chuyển dịch theo ADN và tìm đến promotor, sao mã xảy ra. Giả thuyết này không áp dụng cho trường hợp enhancer ở trong gen hay ở sau gen. - Giả Thuyết 2: enhancer có thể tương tác với hệ thống khung tựa của nhân tế bào -> sự chuyển dịch không gian, làm cho enhancer được gắn với các yếu tố điều hoà khác của gen. Từ đó, những quá trình về tiếp nhận thông tin, truyền tín hiệu sao mã trở nên hiệu quả hơn. - Giả thuyết 3: protêin điều hoà liên kết với 1 enhancer ở một tiểu phần, tiểu phần kia có thể liên kết với promotor hay với một protêin của enhancer khác -> gây hiệu quả mở, kích thích sao mã của ADN. - Sau khi enhancer tương tác với các protêin điền hoà, nó trở thành chỗ “nóng” để từ đó dọc theo sợi nhiễm sắc xảy ra 1 loạt các quá trình cộng hưởng, gây nên những biến đổi làm bất ổn định các hạt nuclêoxom, chúng được giải phóng ra khỏi sợi ADN -> tạo điều kiện cho sao mã xảy ra. 2.4.3. Điều ho à bi ểu hiện của gen đối với sự phát triển của cây 2.5. Tổ chức các genom, hiện tượng khuếch đại gen 2.5.1. Các gen đơn bản v à các g ia đ ình gen, ý ngh ĩa - Nếu gen chỉ tồn tại theo 1 bản ở bộ đơn bội NST thì nó thuộc nhóm các gen đơn bản. - Ở sinh vật bậc cao, các gen tồn tại không tuân theo 1 bản mà theo nhiều bản là chủ yếu, tạo nên gia đình gen. Gia đình gen là tập hợp bao gồm những gen giống nhau, thực hiện những chức năng tương tự, tức là nó mã hoá những protêin nguồn gốc giống nhau. - Một số kiểu tổ chức gia đình gen: 30 + Kiểu thứ nhất : các gen lặp lại liên tục kế liền tiếp nhau: các bản gen có cấu trúc giống nhau, mã hoá cho một sản phẩm giống nhau được lặp lại nhiều lần. Gồm các gen ARN roboxom, 5S ARN, các gen histon… Ví dụ 1: các gen histon của nhím biển : số bản sao lặp lại (H 1 , H 4 , H 2B , H 3 , H 2A ): 300 - 600. Ví dụ 2: ở ruồi dấm n=100 (H 1 , H 3 , H 4 , H 2A , H 2B ) (Hình 3.9 - tr92) + Kiểu thứ 2: trong đó các thành viên gen nằm sát nhau theo một khối ở một khu vực nào đó của genom, nhưng không tạo nên các đơn vị lặp lại đồng nhất như kiểu 1. Ví dụ 1: các gen  - globin gồm 7 thành viên, chiến khoảng 80000 đôi bazơ của NST số 11. (Hình 3.10a – tr93) Ví dụ 2: Gia đình gen  - globin nằm ở NST số 16, 37000 đôi bazơ. (Hình 3.10b - tr93) + Kiểu thứ 3: các thành viên không tạo thành khối nằm liền nhau, mà nằm phân tán rải rác ở genom. - Cơ chế: ngay sau khi sự nhân bản gen, xảy ra quá trình chuyển đoạn các gen được chuyển tới những chỗ mới. Ví dụ: thành viên gen actin ở ruồi giấm + Siêu gia đình: Một số gia đình gen tạo thành một tập đoàn lớn tới hàng ngàn bản gen, chiếm một khu vực rất lớn của genom tới hàng triệu đôi nuclêotit. Ví dụ: Siêu gia đình các gen immunoglubulin gồm: Các gen immunoglubulin Các gen kiểm tra sự dung hợp mô Các gen kiểm tra các protêin tiếp nhận ở tế bào kiểu T và các gen khác. -> Đặc điểm cấu trúc của gen cũng như những kiểu tổ chức các gen ở genom nói lên tính chất phức tạp, tính chất tổ chức tinh vi và thống nhất cao trong sự điều hành hoạt động của các gen ở góc độ định tính cũng như định lượng, diễn ra trong quá trình phát triển cá thể của sinh vật bậc cao. 2.5.2. Hi ện tượng khuếch đại gen, ý ng h ĩa - Ở nhiều trường hợp số lượng bản gen được tăng vọt nên so với số bản lặp đã có trong genom - hiện tượng khuếch đại gen. 31 Ví dụ: Sự khuếch đại gen ARN riboxom ở tế bào noãn của cóc Xenopus lavis: số lượng bản gen rARN có trong genom khoảng 600 bản, sau khuếch đại tăng lên 2.10 6 bản. - Ở quá trình khuếch đại, những bản gen rARN được tách ra khỏi NST và tạo thành những vòng nhỏ. Các vòng này tái bản theo cơ chế vòng lăn tạo nên số lượng rất lớn các bản gen rARN. Như vậy, khuếch đại gen là hiện tượng phổ biến ở sinh vật. Nó là một trong những cơ chế thích ứng, trả lời theo cơ chế tự động ở những giai đoạn phát triển cá thể nào đó, hoặc có thể xảy ra do tác động của yếu tố môi trường. 2.6. Các yếu tố di truyền di động trong genom 2.6.1. Khái ni ệm, sự phát hi ện ra yếu tố di truyền di động - Hệ gen các loài sinh vật không tĩnh mà rất động. Gen nhảy hay yếu tố di truyền di động (Transposalle genetic elemets, TGE) đầu tiên được phát hiện bởi Barbara Mc Clinlock – 1947, khi nghiên cứu những biến động di truyền ảnh hưởng tới sự đứt NST ở ngô. - TN: + MC Clinlock sử dụng một gen chỉ thị kiểm soát sự tích tụ sắc tố trong aleurone (lớp ngoài cùng của nội nhũ hạt ngô). Gen chỉ thị này là một alen của locus C trên cách ngắn NST 9. Vì alen này (c 1 ) là một yếu tố ức chế trội đối với màu sắc của aleurone - hạt ngô mang alen này không màu. + Thụ phấn cho cây CC bằng hạt phấn của bông cờ C 1 C 1 - hạt ngô có nội nhũ C 1 CC - hầu hết không màu, chỉ có một ít đốm có màu. -> alen C 1 đôi khi không có mặt trọng sự phát triển nội nhũ, dẫn tới một dòng tế bào và các tổ chức có khả năng tạo thành sắc tố, kiểu gen ở đây sẽ là –CC, trong đó có phần nhỏ mất alen C 1 – alen này mất là do đứt gãy NST. (Hình 3.11- tr95) Khi Ds (yếu tố di động) nằm cạnh locus C – nó bị bất hoạt hóa (C- C 1 ) - hạt không màu. Nếu trong kiểu gen có mặt yếu tố Ac – do được chuyển dịch – locus C trở lại hoạt tính – các hạt có vệt màu. Kết luận: yếu tố di truyền di động là những đoạn ADN đặc biệt, xen vào 1 hoặn 1 số vị trí trong hệ gen, tạo nên các biến đổi di truyền. Các biến đổi này sẽ mất đi khi TGE rời khởi vị trí đã xen. 32 2.6.2. Các y ếu tố di truyền di động ở vi khuẩn, ý nghĩa - Ở vi khuẩn đã phát hiện những dạng đột biến đặc biệt, những đột biến này có đặc điểm trung là ở cạnh chúng có 1 đoạn ADN xen vào (IS – insertion sequence). - Ví dụ: E. coli có một đoạn xen IS 1 (720bp), xác định enzim có chức năng vận chuyển. Gen này nằm giữa hai đoạn lặp đảo ngược (inverted repeats – IR), 24bp. IR IS 1 IR 24bp 720bp 24bp + Một đoạn xen IS 2 , khi xen vào E.coli mất khả năng lên men glactose, khi rời khỏi gen -> khả năng lên men lại tái lập. + Gen nhảy Tn 1681: gồm 2 đoạn xen IS 1 nằm ở hai đầu 1 gen khác, dài 552 bp, quy định độc tố chịu nhiệt, gây ỉa chảy. IR IS1 IR G en đ ộc tố IR IS1 IR 2.6.3. Các y ếu tố di truyền di động ở sinh vật nhân chuẩn, đ o ạn xen, cơ ch ế xen, các c ơ ch ế chuyển vị - Ở sinh vật nhân chuẩn đã phát hiện ra nhiều yếu tố di truyền di động như ở nấm men, ruồi, ngô - Ví dụ: nấm men: gen nhảy Ty-1 ở sachoromyces cerevisiae - Ruồi giấm: yếu tố P, copia, MDG –1. MDG - 3 (Hình 3.15 – tr98) - Đặc điểm của đoạn xen: + Ở hai đầu mút có 2 trật tự bazơ giống nhau, nhưng xếp ngược chiều nhau (9 - 40 đôi bazơ). + Hầu hết các đoạn IS chứa gen kiểm tra enzim transposase +Trong đoạn IS chứa những điểm khởi đầu và kết thúc dịch mã, chứa đoạn ADN gây tín hiệu kết thúc sao mã. + Ở điểm xen vào của đoạn IS trên NST, ở 2 phía của nó có 2 trật tự lặp (4- 9 đôi bazơ). - Cơ chế xen: . 5 ’ 3 ’ Sợi bổ sung 3 ’ E 1 I 1 E 2 I 2 E 3 I 3 5 ’ Sợi khuôn Sao mã E 1 I 1 E 2 I 2 E 3 I 3 pre- mARN Cắt nối E 1 E 2 E 3 m- ARN Ngoài ra ở các nhóm sinh vật quá. yếu tố di truyền di động trong genom 2.6.1. Khái ni ệm, sự phát hi ện ra yếu tố di truyền di động - Hệ gen các loài sinh vật không tĩnh mà rất động. Gen nhảy hay yếu tố di truyền di động. IR 2.6 .3. Các y ếu tố di truyền di động ở sinh vật nhân chuẩn, đ o ạn xen, cơ ch ế xen, các c ơ ch ế chuyển vị - Ở sinh vật nhân chuẩn đã phát hiện ra nhiều yếu tố di truyền di động như