Chương 2: Cấu trúc gen, tổ chức gen genom điều hoà biểu gen 2.1 Gen q trình truyền đạt thơng tin ADN -> ARN Sao mã -> protêin Dịch mã 2.1.1 Mã di truyền - loại bazơ xếp theo trật tự tạo nên nhiều đơn vị khác Nếu đơn vị có gốc bazơ: 42 =16 đơn vị gốc bazơ: 43 = 64 đơn vị có 20 aa -> đơn vị mã gồm gốc bazơ - Giải mã di truyền xem ba bazơ xác định aa cụ thể 1961, M Nirenberg Matthaei sử dụng hệ thống tổng hợp vô bào để giải mã di truyền: + 61 ba mã hoá aa + số ba vô nghĩa như: mã khởi đầu : AUG mã kết thúc: UAA, UAG, UGA - Tính chất mã di truyền: + Mã di truyền mã ba Mã di truyền khơng có dấu phẩy, thơng tin đọc theo cụm Nu cách liên tục, khơng ngắt qng + Mã di truyền có tính chất dư thừa + Những ba mã hoá cho aa - gọi ba đồng nghĩa + Mã di truyền có tính chất vạn năng: ý nghĩa mã với sinh vật + Mã di truyền có tính biến động, linh hoạt - Đột biến mã di truyền: + Đột biến nhầm nghĩa: cặp bazơ riêng lẻ ADN bị biến đổi-> thay đổi cụm mã tương ứng mARN -> xuất aa khác + Đột biến vô nghĩa: biến đổi cặp bazơ riêng lẻ ADN -> xuất cụm mã vơ nghĩa (tín hiệu kết thúc chuỗi) -> mạch polipeptit hình thành ngắn mạch bình thường không hoạt động chức http://www.ebook.edu.vn 15 + Đột biến dịch khung: thêm cặp bazơ ADN -> mARN mà khung dọc chuyển dịch Nu (Bảng 2.2- tr64) 2.1.2 Quá trình mã (Hình 2.14 – tr66) ADN -> ARN - Quá trình mã gồm giai đoạn: + Sự nhận biết đoạn khởi đầu + Mở đầu hình thành chuỗi + Sự kéo dài chuỗi + Sự kết thúc - Quá trình mã kiểm tra enzim ARN - polimerase, có khả bắt đầu tổng hợp chuỗi polinuclêotit mà không cần đoạn mồi + Nhờ có yếu tố δ mà ARN - polimerase nhận biết đoạn khởi đầu (có trật tự giàu AT) ARN - polimerase gắn vào đoạn khởi đầu -> định hướng tới chỗ bắt đầu tổng hợp ARN + Trong trình mã, duỗi xoắn tách thành hai mạch đơn ADN xảy đoạn ADN hoạt động bước vào mã ARN chép mẫu cấu trúc ADN (theo nguyên tắc bổ sung), chiều tổng hợp ARN 5’ –3’ + Khi ARN - polimerase chạy tới vùng kết thúc, nhờ yếu tố rô (ρ) -> kết thúc mã xảy ra: ARN vừa tổng hợp ARN - polimerase tách - Sự tổng hợp loại ARN (mARN, tARN, rARN) tiến hành nhân tế bào NST, thời điểm kỳ trung gian nguyên phân - Chỉ sợi ADN dùng làm khuôn mẫu để tổng hợp ARN (sợi vô nghĩa) - Mỗi phân tử mARN bao gồm phần: + Đoạn dẫn đầu, đầu 5’ + Đoạn mã hoá + Đoạn theo sau, đầu 3’ - Ở sinh vật nhân sơ, sau mã mARN sử dụng trực tiếp để tổng hợp mạch polipeptit - Ở sinh vật nhân chuẩn: http://www.ebook.edu.vn 16 mARN qua trình thành thục hoá mARN thành thục tham gia dịch mã ->điểm khác trình mã với trình tái bản: - Được mã sợi khn ADN - Q trình mã khơng cần đoạn mồi - Thành phần tham gia vào trình mã: ARN - polimerase, yếu tố δ - nhận biết đoạn khởi đầu, yếu tố ρ - kết thúc mã 2.1.3 Q trình dịch mã mARN -> prơtein - Hệ thống tham gia vào trình dịch mã: + Riboxom: tiểu phần: tiểu phần nhỏ: có chức kết giữ vận động tiểu phần lớn: tạo liên kết peptit aa Riboxom nơi xảy tổng hợp mạch polypeptit + tARN: (Hình 2.15- tr68) tARN mã từ gen tARN, phần tử ARN ngắn khoảng 80 Nu, tARN có cấu trúc đặc thù, mạch đơn ribonu quấn trở lại làm thành hình có với thuỳ: * thuỳ mang đối mã, khớp bổ sung với mã mARN * thuỳ tác dụng với riboxom * thuỳ có chức nhận biết enzim gắn aa tương ứng vào tARN Đầu mút mang aa tất tARN kết thúc ACC đầu mút kết thúc GGG Chức năng: + Chức tiếp nhận: nhận biết tiếp nhận aa tương ứng hoạt hoá + Chức liên kết: aa liên kết với tARN tARN kéo vào riboxom + rARN: Dịch mã riboxom - tổng hợp mạch polipeptit giai đoạn: (1) mở đầu tổng hợp – hình thành liên kết peptit (2) Kéo dài chuỗi polipeptit (3) Kết thúc tổng hợp http://www.ebook.edu.vn 17 * Giai đoạn (1): gắn mARN vào riboxom, xác định codon khởi đầu, gắn tARN mang aa1, aa2 -> hình thành liên kết peptit đầu tiên: + Hạt nhỏ 30S liên kết với mã khởi động nhờ yếu tố F3 + tARN mang aa1 vào hạt 30S bổ sung anticodon với codon khởi động nhờ yếu tố F2 1GTP + Aa1 tARN1 gắn vào bề mặt hạt lớn nhờ GTP, mARN chuyển dịch ba, yếu tố F2 bị đẩy Ở codon bổ sung tARN2 mang aa2 + Aa2 nằm bề mặt hạt lớn cạnh aa1-> liên kết peptit có tham gia enzim petidyltranspherase + Nhờ yếu tố G, 1GTP xảy chuyển dịch ba mARN, tARN1 bị đảy khỏi roboxom ->Ở riboxom có tARN2 gắn với 2aa, codon hở mARN, tARN mang aa để bổ sung vào * Giai đoạn (2): Mỗi bước chuyển dịch, riboxom hở codon anticodon tARN mang aa bổ sung vào ->Trình tự loại aa mạch polipeptit ứng với trình tự codon mARN * Giai đoạn (3): Xảy xuất codon kết thúc mARN, tARN không gắn vào, hệ thống ngừng làm việc, mạch polipeptit tách khỏi riboxom, mARN tiểu phần riboxom tách (Hình 2.17- tr70) - Trên mARN có nhiều riboxom làm việc tạo nên đơn vị dịch mã poliriboxom -> thu nhiều mạch polipeptit đơn vị thời gian - Ở sinh vật nhân sơ: hệ thống mã - dịch mã xảy đồng thời (Hình 2.17 – tr70) 2.1.4 Gen ? Khái niệm tổng quát hệ thống gen tế bào - Gen: thể đơn vị sở máy di truyền, chiếm locus định NST thông qua trình chép xác định đon vị chức sinh học Gen http://www.ebook.edu.vn 18 đoạn ADN mã hoá cho sản phẩm riêng biệt ARN sử dụng trực tiếp hay ARN dùng để tổng hợp nên mạch polipeptit protêin phức tạp - Các hệ thống gen tế bào: + Nhóm gen tạo sản phẩm tham gia vào hoạt động máy di truyền: * Tái * Sao mã * Dịch mã * Tái tổ hợp …… ->Cho protêin , ARN… - Nhóm gen cho sản phẩm tham gia vào hoạt động khác tế bào: trao đổi chất (Hình 2.18- tr71) 2.2 Cấu trúc điều hoà hoạt động gen sinh vật nhân sơ 2.2.1 Khái niệm chung - gen hoạt động theo chế điều hồ - Ở nhân sơ, mục đích điều hoà biểu gen nhằm điều chỉnh hệ enzim cho phù hợp với tác nhân dinh dưỡng lý hố mơi trường, đảm bảo yêu cầu tế bào: tăng trưởng sinh sản - Do khơng có màng nhân, mARN vừa phiên mã từ ADN tiếp xúc với máy dịch mã để làm khuôn tổng hợp protêin, phiên mã dịch mã xảy đồng thời Sự điều hoà biểu gen chủ yếu tiến hành giai đoạn phiên mã - Ở nhân sơ, gen thường hợp lại thành cụm hướng tới thực chức định gọi operon Cơ chế điều hồ chủ yếu thực thơng qua operon - 1961, F Jacob J Monod đưa mơ hình operon: Operon đơn vị làm việc gen bao gồm thành phần ADN : + ADN mã hoá (các gen cấu trúc) quy định tổng hợp protêin + ADN tham gia vào trình điều hoà hoạt động gen cấu trúc O- operator: vùng điều hành :21 đôi bazơ P- promotor: vùng khỏi động: 85 đơi bazơ Nói cách khác, operon hệ thống hoạt động bao gồm gen cấu trúc nằm kiểm soát phận điều hoà liên kết sát chúng http://www.ebook.edu.vn 19 2.2.2 Lac operon vi khuẩn, điều hồ âm tính a Điều hồ cảm ứng âm tính - Hệ gen kiểm tra tổng hợp enzim tham gia vào phân giải đường lactose vi khuẩn E.coli: + β- galactosidase: phân giải lactose -> galactose + glucose + Galactoside permease cần cho xâm nhập galactose vào tế bào + Transacetylase: không tham gia vào chuyển hoá lactose - Cơ chế hoạt động hệ gen lactose: * Các gen cấu trúc: + Gen kiểm tra tổng hợp β - galactosidase (Z) :3510 đôi bazơ + Gen kiểm tra tổng hợp galactosidase permerase(Y): 780 đôi bazơ + Gen kiểm tra enzim transacetylase (A): 825 đôi bazơ * P: 85 đôi bazơ: + Đoạn A: nơi tiếp nhận tác động protêin hoạt hoá trao đổi chất + Vùng để ARN - polymerase liên kết để mã * O: 21đôi bazơ + Nơi tác động protêin điều hoà gen điều hoà (I) kiểm tra theo chế tự khiển * Protêin điều hoà: + Bám vào ADN + Tiếp thu thơng tin điều hồ Khi protêin điều hồ có tác dụng bao vây vùng O, gây nên ức chế mã gen cấu trúc (Hình 3.1 a- tr75) Khi mơi trường có mặt lactose, tác động với protêin điều hoà làm biến đổi protêin điều hoà, làm hoạt tính bao vây vùng O -> hoạt động ARN polymerase diễn từ điểm khởi động -> gen cấu trúc mã (Hình 3.1r- tr75) Như vậy, lactose đóng vai trị chất cảm ứng, biến chất ức chế hoạt động -> bất hoạt, làm hoạt tính liên kết vào vùng O protêin điều hoà ->Cơ chế điều hoà cảm ứng âm tính http://www.ebook.edu.vn 20 - Hoạt động lac - operon kiểm tra di truyền nghiên cứu thể đột biến xảy gen điều hoà vùng điều hành: + Đột biến vùng P: không gắn ARN - polymerase -> gen cấu trúc không mã + Đột biến vùng O,I: ức chế mã operon không xảy Vùng O bị đột biến: gen cấu trúc A,Y,Z trạng thái làm việc vùng O khơng mãn cảm với hiệu phong toả protêin ức chế ( gọi đột biến gây biểu trội theo hướng đồng) Khi đột biến xảy Z tạo nên codon vô nghĩa làm dừng dịch mã -> gen Z, A, Y không tổng hợp Khi đột biến xảy vùng Y có sản phẩm gen Z tổng hợp ….(đột biến hướng cực) ->Chứng tỏ gen cấu trúc operon mã b Điều hồ ức chế âm tính – operon sinh tổng hợp aa - Điều hoà hoạt động operon sinh tổng hợp aa diễn theo chế điều hồ âm tính: - Khác với Lac – operon: có tác động sản phẩm aa lên protêin điều hồ -> có hoạt tính bao vây vùng O ức chế mã ->Như vậy, aa có tác dụng yếu tố đồng ức chế Khi tế bào thiếu aa, mã xảy ra, hoạt tính enzim tham gia vào sinh tổng hợp protêin tăng Khi đủ aa, gen cấu trúc ngừng mã Ví dụ: Operon histiddin Operon triptophan 2.2.3 Một số chế điều hoà khác a Điều hồ dương tính: - Ở tế bào vi khuẩn có mặt phân tử adenozinmơnphotphat (AMP), tổng hợp nhờ enzim adenylxyclase Khi có glucose nồng độ cAMP tế bào thấp - cAMP thể vai trò điều hồ hoạt động lac- operon chơx liên kết với protêin hoạt hoá trao đổi chất (CAP), tạo phức hợp cAMP - CAP, phức hợp liên kết với vùng A P gây hoạt hoá mã gen cấu trúc -> cAMP – CAP có tác động yếu tố điều hồ dương tính http://www.ebook.edu.vn 21 - Tác động cAMP - CAP khơng phụ thuộc vào gen điều hồ (I) operator Khi cAMP - CAP gắn vào vùng A liên kết ARN - polimerase với điểm khởi động kích thích mạnh để tiến hành mã ->Cơ chế điều hồ dương tính xảy độc lập với chế âm tính b Cơ chế điều hồ phức hợp araoperon: - Operon tham gia vào chuyển hoá đường arabinose vi khuẩn hoạt động theo chế điều hồ phức hợp (cả dương tính âm tính) - Khi gen điều hồ hoạt động, protêin điều hồ hình thành, protêin điều hồ liên kết với ADN vùng O theo hai điểm (O1, O2) -> gây biến dạng ADN lớn -> ARN polimerase không liên kết với điểm khởi động để mã gen cấu trúc - Khi mơi trường có mặt đường arabinose, chất tác động vào protêin điều hoà -> protêin điều hoà khả phong toả vùng điều hành -> ARN – polymerase hoạt động Song song với kiện này, phức hợp cAMP - CAP liên kết với ADN yếu tố điều hoà dương tính -> gắn ARN - polymerase vào điểm khởi động kích thích mạnh -> gen cấu trúc mã - Như vậy, ara operon hoạt động hai chế điều hồ: + Âm tính: giải toả ức chế arabinose tác động với protêin điều hồ + Dương tính: kích thích ARN - polymerase tiếp cận với promotor tác động phức hợp cAMP - CAP c Điều hoà theo chế mã bỏ dở triptophan ( Hình 3.2 – tr78) - Operon có đoạn ADN từ vùng O tới gen cấu trúc (140dp): đoạn dẫn đường gồm: + Một trật tự 26 bazơ khơng tham gia mã hố + Một trật tự gồm 45 bazơ ứng với 15 ba mã hố có peptit ngắn – peptit dẫn đường (14aa: 2aa triptophan ứng với ba 10,11) + Các trật tự cấu trúc dạng uốn palindrome giống cấu trúc vùng kết thúc gen - Cơ chế: + Khi tế bào có nhiều triptophan chúng ARN vận chuyển đưa đến lắp ráp theo hai codon 10,11-> trượt riboxom xảy bình thường -> hình thành tổng hợp chuỗi peptit dẫn đường Ở trường chuyển động ARN - polymerase gặp đoạn http://www.ebook.edu.vn 22 attenuator gây tín hiệu kết thúc mã đoạn dẫn đường -> mã dừng Như vậy, mã gen cấu trúc không tiếp tục diễn tế bào có đủ triptophan (sao mã bỏ dở) + Khi tế bào thiếu triptophan có ARN vận chuyển mang triptophan tới riboxom để tiếp tục tổng hợp chuỗi peptit dẫn đường -> riboxom dừng lại codon ttriptophan-> phần dẫn đường mARN cuộn lại gây biến dạng cấu trúc uốn đặc trưng làm đoạn attenuator không thực chức dừng lại -> trượt ARN – polymerase tiếp tục diễn -> gen cấu trúc mã Như vậy, enzim tham gia vào sinh tổng hợp triptophan tạo ra, triptophan tích luỹ với số lượng lớn tế bào -> Operon triptophan: phương thức điều hoà theo chế bỏ dở hoàn toàn độc lập với phương thúc điều hoà ức chế âm tính - Tóm lại, đặc điểm cấu trúc operon sinh vật nhân sơ: + operon có nhiều gen cấu trúc liên kết sát + Từ vùng O -> gen cấu trúc có đoạn dẫn đường có độ dài khác + Các gen cấu trúc mã -> mạch mARN kiểm tra nhiều protêin (đa chức năng) + Riboxom đọc theo gen cho protêin riêng biệt + ADN điều hoà chiếm tỷ lệ nhỏ so với ADN mã hoá 2.3.Cấu trúc hoạt động gen sinh vật nhân chuẩn 2.3.1 Cấu trúc exon – intron gen a Sự phát cấu trúc exon - itron - 1977, nhóm tác giả phịng thí nghiệm Cold Spring Harbor phát cấu trúc khơng liên tục gen adenovirus –2: + Độ dài mạch mARN tham gia vào dich mã ngắn so với mạch mARN theo khuôn chuỗi ADN muộn (L- ADN) + Bằng phương pháp lai phân tử : mARN tạo thể lai không tương ứng toàn mạch LADN mà xảy đoạn: đoạn dẫn dầu kéo dài đoạn ngắn Những đoạn “ dư ra” L-ADN tạo nên dải uốn (Hình 3.3b - tr81) http://www.ebook.edu.vn 23 ->Để hình thành mARN tham gia vào dịch mã, đường cắt bỏ đoạn: đoạn khơng mã hố (intron), xen kẽ đoạn mã hoá (exon) Cấu trúc gọi gen phân đoạn hay gen khảm - Ví dụ: + Gen ovalbumin gà mang đoạn xen (7 intron) xen kẽ với exon + Gen α - 2collagen gà mang 50 intron 50 exon + Gen catalase thực vật có hoa - Ngoại lệ: gen histon nhím biển gen sốc nhiệt drosophila khơng có intron (Hình 3.3b – tr81) b Đặc điểm cấu trúc exon- intron gen - Số lượng exon, intron khác gen - Độ dài exon intron khác nhau, E mARN thành thục phải trải qua trình sau: - Gắn mũ chụp: Ở đầu 5’ mARN xảy phản ứng tạo mũ, hai phản ứng methyl hố vị trí guanozin vị trí 2’ đường ribose - Gắn đuôi poli – A: Ở đầu 3’ mARN sơ cấp xảy 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’ đầu 3’, đầu có đoạn Nu ổn định (đoạn chuẩn): 5’ GU…………….AC 3’ Ở số ARN nhân nhỏ (sn ARN) thành phần enzim cắt nối có trình tự dinu bổ sung, tương ứng với đoạn chuẩn intron http://www.ebook.edu.vn 24 Enzim cắt nối kết hợp với sn ARN tạo thành phức hợp sn - RNP Một sn – RNP bám vào đầu 5’, sn – RNP bám vào điểm nhánh gần đầu 3’ Cả hai sn - RNP với sn - RNP khác protêin điều hoà -> phức hợp RNP (spliceosom) Splcceosom tách intron đầu 5’ đầu nối tự (3’) intron vào điểm nhánh -> intron bị bẻ cong thành hình thịng lọng Intron tách từ đầu 3’ exon liền kề nối với Intron bị cắt thoái hoá + Nối exon: Các exon liền kề nối với theo chế hình thành mARN thành thục 5’ ’ 3’ E1 I1 E2 I2 E3 ’ I3 Sợi bổ sung Sợi khuôn Sao mã E1 I1 E2 I2 E3 I3 pre- mARN Cắt nối E1 E2 E3 m- ARN Ngoài nhóm sinh vật q trình tách ghép mARN sơ cấp xảy xúc tác mARN mà khơng có tham gia protêin – enzim khác (tự tách ghép) - Ở nhân tế bào mARN vào hạt có tên informofer Hạt có số lắng đọng 30S, cấu trúc từ vài chục phân tử ribonucleoprotêin dạng hạt Phân tử mARN cấu trúc vào chuỗi hạt tồn nhân tế bào Khi mARN sơ cấp xảy q trình thành thục hố chuyển bào chất tháo khỏi hạt informofer (Hình 3.4 – tr84) 2.3.3 Sự tách ghép nảy sinh, ý nghĩa cấu trúc exon - intron a Sự tách ghép nảy sinh - Ở gen, q trình tách ghép mARN sơ cấp xảy theo nhiều cách, kết hình thành nhiều dạng mARN thành thục khác gọi tách ghép nảy sinh - Ví dụ: Virus SV40 ; tiền mARN xảy kiểu tách ghép: http://www.ebook.edu.vn 25 (1) Tạo 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 tách ghép nảy sinh không nhiều Tuy nhiên có ý nghĩa lớn tạo đa dạng sản phẩm điều hoà biểu gen Ví dụ: Gen calcitonine Hai loại protêin dịch mã từ gen calcitonine tìm thấy tế bào C tuyến giáp CGRP chất trung gian thần kinh tìm thấy não Hai protêin sản phẩm mARN hình thành ghép nối tạo tổ hợp exon khác Như vậy, tế bào giai đoạn khác có chứa sản phẩm sai khác gen kiểm tra phù hợp với chức hoạt động Sai khác sản phẩm không đột biến gen gây nên mà trình tách ghép - biến đổi mARN sơ cấp tạo Ví dụ 2: Gen α - amilase chuột cống chứa exon: + exon dẫn đường (L,S) + exon mã hoá protêin α - amilase Sự tách ghép mARN sơ cấp xảy khác tế bào gan tế bào tuyến nước bọt -> tốc độ dịch mã mARN thành thục dạng tế bào khác -> có ý nghĩa điều hoà hoạt động gen mức dịch mã (Hình 3.6- tr86) Ví dụ 3: Gen kiểm soát enzim transphosase yếu tố di truyền di động P genom ruồi b Ý nghĩa cấu trúc exon - intron Tính chất cấu trúc khơng liên tục, nhiều thanhd phần gen có ý nghĩa tiến hố hình thành gen Nhiều gen phức tạp xuất thơng qua lắp ghép khác từ đoạn thành phần 2.4 Đặc điểm cấu trúc operon điều hoà hoạt động gen sinh vật nhân chuẩn 2.4.1 Những yếu tố điều hoà operon đặc điểm chúng a Promotor (vùng khởi động) http://www.ebook.edu.vn 26 - Cách không xa điểm tạo mũ cảu gen có trật tự ADN với chức khởi động, nơi gắn vào ARN - polymerase II để tiến hành mã mARN Vùng khởi động thường quan sát thấy trật tự có thành phần bazơ như: TATAAATAA GGGCGG - Vùng khởi động gen ARN - polymerase III mã thường nằm bên gen - Ví dụ tARN promotor - Vùng khởi động ARN - polymerase I nằm phía trước gen rARN b Enhanser (vùng tăng cường mã) M.L Brinstiel (1980) nghiên cứu gen histon tế bào trứng ếch nhiều nghiên cứu sau thấy: Có đoạn ADN nằm vị trí khác gen, có chức tiếp nhận thơng tin làm tăng q trình mã - gọi vùng tăng cường mã - Đặc điểm: + Vùng tăng cường yếu tố tác động theo hướng đồng, chúng có hoạt tính nằm khối thống chứa gen mà chúng điều khiển + Vùng tăng cường khơng có tính hướng, vị trí chúng thay đổi mà khơng ảnh hưởng tới chức hoạt động chúng + Vùng tăng cường khơng mang tính đặc trưng cho gen mà chúng điều khiển, có ý nghĩa cho gen + Vùng tăng cường có tính chất đặc trưng yếu góc độ phân loại + Ở số trường hợp vùng tăng cường có tích chất đặc trưng cho mô thể đa bào bậc cao + Một gen mang số vùng tăng cường + Vùng tăng cường đoạn ADN ngắn, vùng tăng cường chưá vài tâm trục c Silenser (vùng gây giảm mã) Là đoạn ADN (nằm thành phần ADN khơng mã hố) có tác dụng làm giảm mã Tóm lại, sinh vật nhân chuẩn thành phần tham gia vào điều hoà hoạt động gen operon phức tạp nhiều so với cấu trúc operon sinh vật nhân sơ Hơn nữa, lượng ADN mã hoá (exon) chiếm tỷ lệ nhỏ nhiều so với lượng ADN không mã http://www.ebook.edu.vn 27 hoá (intron khoảng cách gen) Ở phận ADN nằm dải rác nhiều yếu tố tham gia vào điều hồ mã (Hình 3.7 – tr88) 2.4.2 Điều hoà mã - tương tác tác nhân điều hoà với enhancer vùng điều hoà khác gen a Tác động hoocmon protêin điều hoà - Ở sinh vật bậc cao nhiều chất hoocmon có tác dụng điều hồ hoạt động gen Những tế bào có chất hoocmon tới tác động tế bào đích: + Protêin tiếp nhận (R) phối hợp với hoocmon steroit (H) -> phức hợp R- H, sau số biến đổi hình dạng protêin, phức vào nhân tế bào Trong nhân tế bào phức hợp protêin tiếp nhận – hoocmon liên kết với vùng tăng cường (hay vùng khởi động) gen Từ gây hiệu kích thích mã + Ở tế bào đích dạng hoocmon glucocorlicoit: chưa có hoocmon, protêin tiếp nhận liên kết với phân tử Hsp 90 tồn bào chất Khi hoocmon glucocorticoit có mặt, protêin tiếp nhận liên kết với phân tử Hsp 90 bị đẩy Phức hợp protêin tiếp nhận – glucocorticoit vào nhân tế bào, liên kết với đoạn vùng tăng cường nằm không xa gen (yếu tố phản ứng với glucocoticoit – GRE) – kích thích promotor gen -> mã tăng - 1984, D Brown phát yếu tố kích thích mã ARN – polimerase III (TF III A) Yếu tố liên kết với vùng khởi động gen tạo điều kiện cho ARNpolimerase III gắn vào để tiến hành mã Histon H1 có tác dụng ngăn chặn liên kết TF III A cản trở mã Nhưng yếu tố tạo phức hợp vùng khởi động histon H1 khơng có khả tách khơng cản trở mã -> Protêin điều hồ thường có cấu trúc hai tiểu phần: + Một tiểu phần có cấu trúc bám để gắn với vùng đặc trưng ADN + Phần thứ hai mang chức hoạt tính (Hình 3.8 – tr 90) http://www.ebook.edu.vn 28 b Cơ chế hoạt động vùng tăng cường (enhancer) - Giả thuyết 1: enhancer chỗ ARN – polimerase hay yếu tố tham gia vào mã khác vào, sau chuyển dịch theo ADN tìm đến promotor, mã xảy Giả thuyết không áp dụng cho trường hợp enhancer gen hay sau gen - Giả Thuyết 2: enhancer tương tác với hệ thống khung tựa nhân tế bào -> chuyển dịch không gian, làm cho enhancer gắn với yếu tố điều hồ khác gen Từ đó, q trình tiếp nhận thơng tin, truyền tín hiệu mã trở nên hiệu - Giả thuyết 3: protêin điều hoà liên kết với enhancer tiểu phần, tiểu phần liên kết với promotor hay với protêin enhancer khác -> gây hiệu mở, kích thích mã ADN - Sau enhancer tương tác với protêin điền hồ, trở thành chỗ “nóng” để từ dọc theo sợi nhiễm sắc xảy loạt trình cộng hưởng, gây nên biến đổi làm bất ổn định hạt nuclêoxom, chúng giải phóng khỏi sợi ADN -> tạo điều kiện cho mã xảy 2.4.3 Điều hoà biểu gen phát triển 2.5 Tổ chức genom, tượng khuếch đại gen 2.5.1 Các gen đơn gia đình gen, ý nghĩa - Nếu gen tồn theo đơn bội NST thuộc nhóm gen đơn - Ở sinh vật bậc cao, gen tồn không tuân theo mà theo nhiều chủ yếu, tạo nên gia đình gen Gia đình gen tập hợp bao gồm gen giống nhau, thực chức tương tự, tức mã hoá protêin nguồn gốc giống - Một số kiểu tổ chức gia đình gen: http://www.ebook.edu.vn 29 + Kiểu thứ : gen lặp lại liên tục kế liền tiếp nhau: gen có cấu trúc giống nhau, mã hoá cho sản phẩm giống lặp lại nhiều lần Gồm gen ARN roboxom, 5S ARN, gen histon… Ví dụ 1: gen histon nhím biển : số lặp lại (H1, H4, H2B, H3, H2A): 300 - 600 Ví dụ 2: ruồi dấm n=100 (H1, H3, H4, H2A, H2B) (Hình 3.9 - tr92) + Kiểu thứ 2: thành viên gen nằm sát theo khối khu vực genom, khơng tạo nên đơn vị lặp lại đồng kiểu Ví dụ 1: gen β - globin gồm thành viên, chiến khoảng 80000 đôi bazơ NST số 11 (Hình 3.10a – tr93) Ví dụ 2: Gia đình gen α - globin nằm NST số 16, 37000 đơi bazơ (Hình 3.10b - tr93) + Kiểu thứ 3: thành viên không tạo thành khối nằm liền nhau, mà nằm phân tán rải rác genom - Cơ chế: sau nhân gen, xảy trình chuyển đoạn gen chuyển tới chỗ Ví dụ: thành viên gen actin ruồi giấm + Siêu gia đình: Một số gia đình gen tạo thành tập đồn lớn tới hàng ngàn gen, chiếm khu vực lớn genom tới hàng triệu đơi nuclêotit Ví dụ: Siêu gia đình gen immunoglubulin gồm: Các gen immunoglubulin Các gen kiểm tra dung hợp mô Các gen kiểm tra protêin tiếp nhận tế bào kiểu T gen khác -> Đặc điểm cấu trúc gen kiểu tổ chức gen genom nói lên tính chất phức tạp, tính chất tổ chức tinh vi thống cao điều hành hoạt động gen góc độ định tính định lượng, diễn trình phát triển cá thể sinh vật bậc cao 2.5.2 Hiện tượng khuếch đại gen, ý nghĩa - Ở nhiều trường hợp số lượng gen tăng vọt nên so với số lặp có genom - tượng khuếch đại gen http://www.ebook.edu.vn 30 Ví dụ: Sự khuếch đại gen ARN riboxom tế bào nỗn cóc Xenopus lavis: số lượng gen rARN có genom khoảng 600 bản, sau khuếch đại tăng lên 2.106 - Ở trình khuếch đại, gen rARN tách khỏi NST tạo thành vòng nhỏ Các vòng tái theo chế vòng lăn tạo nên số lượng lớn gen rARN Như vậy, khuếch đại gen tượng phổ biến sinh vật Nó chế thích ứng, trả lời theo chế tự động giai đoạn phát triển cá thể đó, xảy tác động yếu tố môi trường 2.6 Các yếu tố di truyền di động genom 2.6.1 Khái niệm, phát yếu tố di truyền di động - Hệ gen lồi sinh vật khơng tĩnh mà động Gen nhảy hay yếu tố di truyền di động (Transposalle genetic elemets, TGE) phát Barbara Mc Clinlock – 1947, nghiên cứu biến động di truyền ảnh hưởng tới đứt NST ngô - TN: + MC Clinlock sử dụng gen thị kiểm sốt tích tụ sắc tố aleurone (lớp ngồi nội nhũ hạt ngô) Gen thị alen locus C cách ngắn NST Vì alen (c1) yếu tố ức chế trội màu sắc aleurone hạt ngô mang alen không màu + Thụ phấn cho CC hạt phấn cờ C1C1 - hạt ngơ có nội nhũ C1CC hầu hết khơng màu, có đốm có màu -> alen C1 đơi khơng có mặt trọng phát triển nội nhũ, dẫn tới dòng tế bào tổ chức có khả tạo thành sắc tố, kiểu gen –CC, có phần nhỏ alen C1 – alen đứt gãy NST (Hình 3.11- tr95) Khi Ds (yếu tố di động) nằm cạnh locus C – bị bất hoạt hóa (C- C1) - hạt không màu Nếu kiểu gen có mặt yếu tố Ac – chuyển dịch – locus C trở lại hoạt tính – hạt có vệt màu Kết luận: yếu tố di truyền di động đoạn ADN đặc biệt, xen vào hoặn số vị trí hệ gen, tạo nên biến đổi di truyền Các biến đổi TGE rời khởi vị trí xen http://www.ebook.edu.vn 31 2.6.2 Các yếu tố di truyền di động vi khuẩn, ý nghĩa - Ở vi khuẩn phát dạng đột biến đặc biệt, đột biến có đặc điểm trung cạnh chúng có đoạn ADN xen vào (IS – insertion sequence) - Ví dụ: E coli có đoạn xen IS1 (720bp), xác định enzim có chức vận chuyển Gen nằm hai đoạn lặp đảo ngược (inverted repeats – IR), 24bp IR IS1 24bp IR 720bp 24bp + Một đoạn xen IS2, xen vào E.coli khả lên men glactose, rời khỏi gen -> khả lên men lại tái lập + Gen nhảy Tn 1681: gồm đoạn xen IS1 nằm hai đầu gen khác, dài 552 bp, quy định độc tố chịu nhiệt, gây ỉa chảy IR IS1 IR Gen độc tố IR IS1 IR 2.6.3 Các yếu tố di truyền di động sinh vật nhân chuẩn, đoạn xen, chế xen, chế chuyển vị - Ở sinh vật nhân chuẩn phát nhiều yếu tố di truyền di động nấm men, ruồi, ngô - Ví dụ: nấm men: gen nhảy Ty-1 sachoromyces cerevisiae - Ruồi giấm: yếu tố P, copia, MDG –1 MDG - (Hình 3.15 – tr98) - Đặc điểm đoạn xen: + Ở hai đầu mút có trật tự bazơ giống nhau, xếp ngược chiều (9 - 40 đôi bazơ) + Hầu hết đoạn IS chứa gen kiểm tra enzim transposase +Trong đoạn IS chứa điểm khởi đầu kết thúc dịch mã, chứa đoạn ADN gây tín hiệu kết thúc mã + Ở điểm xen vào đoạn IS NST, phía có trật tự lặp (4- đôi bazơ) - Cơ chế xen: http://www.ebook.edu.vn 32 Đầu tiên điểm đích (target sequence), nơi gen nhảy xen vào NST, xảy vết cắt zigzag theo chế đặc thù enzim giới hạn Gen nhảy xen vào vết cắt gắn liền lại theo nguyên tắc bổ sung – 2đầu gen nhảy xuất đoạn lặp chiều ATTAT TAATA ATTAT TAATA + IR IS IR (gen nhảy) TAATA ATTAT IR IR IS IS IR ATTAT IR TAATA ATTAT TAATA (Gắn liền lại) - Sự chuyển vị yếu tố di động sinh vật nhân chuẩn xảy theo chế sau: + Yếu tố di truyền di động tách khỏi ADN cho để chuyển đến ADN nhận theo chế tái tổ hợp tương đồng trật tự lặp đầu + Xảy theo chế chép ngược: ADN yếu tố di động thành ARN - chép tái ADN nó, chuyển tới chỗ + Các yếu tố di động tái bản, di động chúng 2.6.4 Ý nghĩa yếu tố di truyền di động - Xuất số đột biến thuận nghịch kiểm soát yếu tố di động - Các yếu tố di động gây đứt NST- xếp lại đoạn NST http://www.ebook.edu.vn 33 - Yếu tố di động vật trung gian tái tổ hợp ADN, có vai trị lắp ghép trên NST - ứng dụng chuyển nạp gen - Phát vị trí gen nghiên cứu NST nhờ yếu tố di động (gen đột biến “đeo thẻ” nhờ yếu tố di động - Yếu tố di động cung cấp số thành phần điều hòa- gen tăng cường mã - Sự vận động yếu tố di động xảy với tần số thấp Sự tăng tần số vận động chúng có liên quan tới gía trị thích ứng thể - Yếu tố di động tự tái để lan truyền genom tế bào - yếu tố di động coi yếu tố “ký sinh” genom, sử dụng máy tái tế bào chủ http://www.ebook.edu.vn 34 ... 2.4.3 Điều hoà biểu gen phát triển 2.5 Tổ chức genom, tượng khuếch đại gen 2.5.1 Các gen đơn gia đình gen, ý nghĩa - Nếu gen tồn theo đơn bội NST thuộc nhóm gen đơn - Ở sinh vật bậc cao, gen tồn... chất (Hình 2.1 8- tr71) 2.2 Cấu trúc điều hoà hoạt động gen sinh vật nhân sơ 2.2.1 Khái niệm chung - gen hoạt động theo chế điều hồ - Ở nhân sơ, mục đích điều hoà biểu gen nhằm điều chỉnh hệ enzim... gia đình gen immunoglubulin gồm: Các gen immunoglubulin Các gen kiểm tra dung hợp mô Các gen kiểm tra protêin tiếp nhận tế bào kiểu T gen khác -> Đặc điểm cấu trúc gen kiểu tổ chức gen genom nói