ĐẠI HỌC HUẾ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM  TIỂU LUẬN SINH HỌC PHÂN TỬ ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ ĐỘT BIẾN GEN VÀ HỆ THỐNG SỬA CHỮA DNA Liên kết hydrogen (a) Cấu trúc ADN ARN Giảng viên hướng dẫn: Học viên: Hoàng Quốc Huy PGS.TS Nguyễn Bá Lộc Lớp: Động vật học - Sinh học Khoá học: 2012-2014 Huế, 12/2012 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA MỤC LỤC A ĐẶT VẤN ĐỀ B MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .4 I MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU II ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU C NỘI DUNG ĐỀ TÀI .5 PHẦN I: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐỘT BIẾN GENE I KHÁI NIỆM ĐỘT BIẾN GENE .5 II NGUYÊN NHÂN GÂY ĐỘT BIẾN GENE III.PHÂN LOẠI ĐỘT BIẾN GENE 3.1 Dựa vào hiệu tác động lên kiểu hình 3.1.1 Các đột biến dòng mầm đột biến soma 3.1.2 Các đột biến hình thái 3.1.3 Các đột biến khuyết dưỡng 3.1.4 Các đột biến gây chết đột biến có điều kiện 3.2 Căn vào hiệu tác động lên DNA .6 3.2.1 Đột biến cảm ứng .6 3.2.1.1 Các đột biến thay base 3.2.1.2 Đột biến dịch khung .5 3.2.2 Đột biến ngẫu nhiên 3.2.2.1 Các đột gây máy tái DNA 3.2.2.2 Sai sót tái base 3.2.2.3 Các đột biến dịch khung tự phát tái 3.2.2.4 Các đột biến tự phát gây deamine hóa IV CÁC TÁC NHÂN GÂY ĐỘT BIẾN 10 4.1 Các tác nhân hóa học .10 4.1.1 Đột biến gây tác nhân tương tự nucleoside 10 4.1.2 Đột biến gây alkil hóa base 10 4.2 Các tác nhân vật lý 10 4.2.1 Bức xạ tử ngoại 10 4.2.2 Các tia gamma tia X 11 4.3 Hồi biến .11 V HẬU QUẢ CỦA ĐỘT BIẾN GENE .11 VI VAI TRÒ VÀ Ý NGHĨA 11 PHẦN II: CÁC HỆ THỐNG SỬA CHỮA DNA .12 I QUANG PHỤC HOẠT 13 1.1 Khái niệm .13 1.2 Hệ thống enzime 13 1.3 Cơ chê quang phục hoạt .14 Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA II SỬA CHỮA BẰNG CẮT BỎ 16 2.1 Khái niệm .16 2.2 Phân loại .16 2.2.1 Sửa chữa cách cắt base .16 2.2.1.1 Khái niệm 16 2.2.1.2 Hệ thống enzime .16 2.2.1.3 Cơ chế .17 2.2.2 Sửa sai cắt bỏ nucleotide 17 2.2.2.1 Khái niệm 17 2.2.2.2 Hệ thống enzime .17 2.2.2.3 Cơ chế .18 2.2.3 Sửa sai base bắt cặp sai 19 2.2.3.1 Khái niệm 19 2.2.3.2 Hệ thống enzime .19 2.2.3.3 Cơ chế .19 III SỬA SAI BẰNG LÀM MẤT NHÓM ALKYL 22 IV SỬA SAI DỰA VÀO TÍNH TƯƠNG ĐỒNG .22 VI SỬA SAI ĐỨT MẠCH KÉP 23 VI HỆ THỐNG SOS 25 D.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 27 I KẾT LUẬN .27 II KIẾN NGHỊ .27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA A ĐẶT VẤN ĐỀ T rong suốt trình sống sinh vật, tế bào chịu tác động nhiều tác nhân có khả gây tổn hại đến DNA, tạo nên hàng loạt hệ thống sai hỏng DNA theo nhiều cách khác nhau, tạo nhiều đột biến Các tác nhân tác nhân vật lý: tia tử ngoại (UV) có ánh sáng mặt trời, tia X, tia phóng xạ α, β, γ hay chất hóa học môi trường xung quanh đột biến tự phát xảy trình tái Sự tổn hại DNA tích lũy sau thời gian dài nguyên nhân chuyển tế bào sang trạng thái ung thư gây nên hậu nghiêm trọng tế bào sinh trưởng phát triển thể Vì vậy, để tăng cường khả sống sót tế bào, hàng loạt chế sửa chữa di truyền tồn hoạt động để phục hồi hiệu đột biến ngẫu nhiên nhân tạo, nhờ mà làm cho tỉ lệ đột biến tự nhiên thấp Nếu hệ thống sửa sai bị sai hỏng dẫn đến tỉ lệ đột biến cao DNA phân tử mà bị biến đổi hay bị phá hỏng có khả sửa chữa cho tế bào, chế đa dạng có tính hiệu cao Ở loài sinh vật khác hình thành hệ thống tự vệ khác nhau, nguyên tắc chung có hệ thống đặc thù cho loài, nhiên tất mục đích bảo vệ cho máy di truyền giảm tỉ lệ đột biến thấp Do mà chọn đề tài :"Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA", để qua hiểu nắm rõ nguyên nhân xảy đột biến chế bảo vệ Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA B MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU I Mục đích nghiên cứu: - Biết nguyên nhân hiểu rõ chế xảy đột biến - Đi sâu tìm hiểu chế sửa sai DNA II Đối tượng nghiên cứu: - Phân tử DNA III Phương pháp nghiên cứu: - Tham khảo giáo trình, giảng - Thu thập tài liệu web site số tạp chí Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA C NỘI DUNG ĐỀ TÀI PHẦN I: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐỘT BIẾN GENE I Khái niệm đột biến gene: Đột biến gene (gene mutation) biến đổi rảy bên cấu trúc gene vùng nhỏ gene, liên quan chủ yếu tới thay đổi trình tự nucleotide vốn có (kiểu dại), làm phát sinh allele Đột biến gene xảy biến đổi trình tự nucleotide gene, đột biến gene không phát quan sát tế bào học Trong tự nhiên tất gene có đột biến gọi đột biến tự nhiên hay ngẫu phát Các đột biến tự nhiên thường xuất II Nguyên nhân đột biến gene: Đột biến gene xảy trình tái bản,hoặc gene có vùng dễ phát sinh gây đột biến gọi "điểm nóng", tổn thương tự phát ảnh hưởng tác nhân lý hóa môi trường III Phân loai đột biến gene: Đột biến gene phân thành nhiều loại khác nhau: 3.1 Dựa vào hậu tác động lên kiểu hình: 3.1.1 Các đột biến dòng mầm đột biến soma: - Các đột biến dòng mầm (germ-line mutation) xảy sinh vật đa bào sinh sản hữu tính trải qua đột biến tế bào sinh dục chúng truyền lại cho hệ sau qua đột biến giao tử Đây trường hợp đột biến gene trội lặn liên quan nhiễm sắc thể thường nhiễm sắc thể giới tính Ví dụ: Các bệnh bạch tạng, mù màu, máu khó đông, tế bào hồng cầu hình liềm Hồng cầu hình liềm Bệnh bạch tạng - Ngược lại đột biến xảy tế bào soma làm thay đổi kiều hình cá thể mang đột biến, tính trạng dừng lại cá thể mà không di truyền lại cho đời đột biến không ảnh hưởng đến giao tử Ví dụ: Đột biến làm xuất đốm màu nội nhủ có đốm hạt ngô Ấn Độ (kiểu hình dại màu đỏ tía, đột biến gây bất hoạt gene tạo màu làm nội nhủ có màu trắng với đốm màu) 3.1.2 Các đột biến hình thái: Là loại đột biến dễ dàng thấy mắt thường, phân biệt với kiểu dại nhờ biến đổi bên chúng Vì mà chúng gọi đột biến biểu kiến hay đột biến nhìn thấy Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA Ví dụ: Bệnh bạch tạng gene mã hóa cho enzyme tyrosinase bị đột biến, từ sắc tố melanine không tổng hợp, kết cá thể đồng hợp allele lặn có lông da trắng bạch, mắt có màu hồng xanh nhạt 3.1.3 Các đột biến khuyết dưỡng: Đối với sinh vật đơn bào vi khuẩn nấm men, số lượng đặc điểm hình thái quan sát hạn chế, người ta phải dựa vào đặc tính dinh dưỡng chung kiểu hình đột biến (không có khả sinh trưởng trêm môi trường đơn giản) - Các thể kiểu dại sinh trưởng môi trường tối thiểu chí có muối đường glucose Chúng gọi thể nguyên dưỡng (phototroph), chúng tạo nên acid amin nucleotide, vitamin hợp chất khác cần thiết cho việc trì sống - Các thể khuyết dưỡng (auxotoph: thể đột biến dinh dưỡng) sống môi trường tối thiểu mà cần phảo đưa thêm vào hay nhiều hợp chất bổ sung để tồn 3.1.4 Các đột biến gây chết đột biến có điều kiện: - Đột biến gây chết (lethal mutation) đột biến làm cho thể mang chúng tồn Ví dụ: Đột biến gây bất hoạt gene mã hóa cho tiểu đơn vị RNA polymerase làm cho thể đột biến tổng hợp RNA sống sót + Nếu sinh vật đơn bào có đột biến gây chết chết + Đối với sinh vật lưỡng bội mang đột biến trạng thái dị hợp mà không Hầu hết đột biến gây chết lặn chúng phát huy tác dụng chúng trạng thái đồng hợp tử -Đột biến có điều kiện (conditional mutation): Là đột biến gây chết xảy với điều kiện Ví dụ: Đột biến tạo protein bị biến đổi mà dẽ dàng bị biến tính tác dụng nhiệt độ so với protein kiểu dại chúng Tuy nhiên có đột biến đột biến có điều kiện không gây chết có điều kiện 3.2 Căn vào hiệu tác động lên DNA (đột biến điểm): Đột biến điểm biến đổi nhỏ đoạn DNA, thường liên quan đến cặp base đơn DNA số cặp base kề Đột biến điểm làm thay đổi gene kiểu dại (wild-type gene) Về nguồn gốc đột biến điểm phân làm: Đột biến ngẫu phát (spontaneous) đột biến cảm ứng (induced) 3.2.1 Đột biến cảm ứng: Là dạng đột biến xuất với tần số đột biến tăng lên xử lí có mục đích tác nhân đột biến tác nhân môi trường biết 3.2.1.1 Các đột biến thay base (base substitution): - Đồng hoán dị hoán: + Đồng hoán (transition): Là dạng đột biến purin thay purin khác (A G G A) pyrimidine thay pyrimidine khác (T C C T) Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA + Dị hoán (transvertion): Là dạng đột biến purin thay pyrimidine ngược lại (A T, A C, G C, G T) - Các đột biến nhầm nghĩa vô nghĩa: + Đột biến nhầm nghĩa (missense mutation): Biến đổi nghĩa codon kéo theo thay acid amin Hiệu phụ thuộc vào vị trí tính chất amino acid bị biến đổi Chuỗi β HbS HbC HbE Vị trí amino acid 6 26 thay amino acid Glu Glu Glu Val Lys Lys thay đổi βmRNA GAA GAA GAA GUA AAA AAA Kiểu thay gene β-globin Dị hoán A Đồng hoán G Đồng hoán G T A A Bảng 1: Các đột biến nhầm nghĩa điển hình chuỗi β-globin người Ví dụ: Bệnh hồng cầu hình liềm (sickle-cell disease) Bằng cách phân tích so sánh trình tự amino acid chuỗi β-globin (146 acid amin) hai protein này, Vernon Ingram phát chúng khác amino acid vị trí thứ sáu, HbA glutamic HbS valine Rõ ràng đột biến dị hoán:A T + Đột biến vô nghĩa (nonsense mutation): Biến đổi base codon có nghĩa bên trình tự mã hóa gene trở thành codon kết thúc chuỗi Đột biến gây chuỗi polypeptid ngắn bất thường hoạt tính Ví dụ: Các dạng thiếu máu vùng biển β-globin đột biến điểm codon 17 39 gene β-globin Ngược lại đột biến làm biến đổi codon kết thúc thành codon có nghĩa dẫn đến hậu làm cho chuỗi polypeptid dài bình thường Đây trường hợp đột biến đặc biệt đột biến nhầm nghĩa Ví dụ: Dạng hemoglobin constant spring (HbCS) Phân tử mRNA chuỗi alpha bình thường có codon kết thúc UAA với polypeptid dài 141 amino acid, mRNA dạng bệnh CAA mã hóa cho glutamine, với chuõi alpha có tới 172 amino acid + Các đột biến im lặng đột biến trung tính: Các đột biến biến đổi thành phần base codon mà mã hóa acid amin, mà gọi đột biến im lặng (silent mutation) hay đột biến đồng nghĩa (synonimous) Phần lớn đột biến xảy vị trí thứ ba codon, chúng xảy với tốc độ cao nhiều so với vị trí khác Đây coi chứng quan trọng thuyết tiến hóa Kimura (thuyết trung tính tiến hóa phân tử) 3.2.1.2 Đột biến dịch khung (meshift mutation): Là dạng đột biến xen thêm base gene dẫn đến khung đọc mã dịch chuyển base kể từ vị trí bị biến đổi cuối gene Hậu vùng protein tổng hợp tương ứng bị biến đổi đáng kể Ví dụ: Dạng hemoglobin wayne (HbW1) base thứ ba codon thứ 138 chuỗi α (141 acid amin) gây hậu ba amino acid vị trí thứ 139-141 sát đầu C polypeptid bị biến đổi, đồng thời codon kết thúc vị trí 142 bị biến đổi kéo dài thêm amino acid Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA Mức độ Ở mức độ DAN Kiểu đột biến Đồng hoán Đảo hoán Thêm/Mất Ở mức độ protein Đột biến đồng nghĩa Đột biến nhầm nghĩa Loại bải thủ Loại không bảo thủ Đột biến vô nghĩa Đột biến dịch khung Kết ví dụ Pyrimidine thay pyrimidine khác, purin thay purin khác: AT GC, GC AT, CG TA, TA CG Purin thay pyrimidine ngược lại: AT CG, AT TA, GC TA, GC CG, TA GC, TA AT, CG AT, CG GC Thêm vào cặp base DNA (thêm/mất base gạch dưới): AAGACTCCT AAGAGCTCCT AAGACTCCT AAACTCCT Codon đặc biệt mã hóa acid amin : AGG AGA Arg Arg Codon tạo thành mã hóa cho acid amin khác Mã hóa cho acid amin có chất hóa học: AAA CGG Lys Arg kiềm kiềm Mã hóa cho acid amin khác chất hóa học: UUU UCU phenylalanin serine Codon kết thúc chuỗi CAG UAG Gln Stop Thêm vào cặp base: AAG ACT CCT AAG AGC TCC T Mất cặp base: AAG ACT CCT AAA CTC CT 3.2.2 Đột biến ngẫu nhiên (spontaneos mutations): Về nguyên tắc, tất đột biến phải có nguyên nhân, đột biến xảy mà tác nhân gây đột biến Các đột biến tự phát có nhiều nguyên nhân khác gây mà từ bên Đột biến ngẫu nhiên loại đột biến xuất xử lý tác nhân đột biến Đột biến ngẫu nhiên tính tỉ lệ sở đột biến dùng để ước chừng biến dị di truyền tự nhiên quần thể Tần số đột biến ngẫu nhiên thấp nằm khoảng 10-5-10-8, đột biến cảm ứng nguồn đột biến quan trọng phân tích di truyền Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA 3.2.2.1 Các đột biến gây máy tái DNA: Dù cho tái coi xác hoàn hảo, số đột biến xảy đơn tổng hợp sai Tần số kết cặp base sai 10-5 thân DNA polymerase có khả đọc sửa tổng hợp DNA, nhờ mà hạn chế phát sinh đột biến tái (10-5x10-5=10-10) Ví dụ: Hiệu tái không xác thể rõ nòi đột biến E.coli gọi gene gây đột biến (mutator) Các vi khuẩn thường có nhiều sai sót tái Tỉ lệ đột biến chúng cao so với bình thường Hiện người ta lập đồ gene cho số đột biến gene munator Chẳng hạn gene mutD mã hóa cho tiểu đơn vị epsilon DNA polymerase III hoàn chỉnh Đây polipeptid cho enzyme hoạt tính đọc sửa exonuclease / 5/ Nếu hoạt tính đọc sửa xảy để lại nhiều đột biến Các đột biến gene mutH, mutL, mutS đột biến mutator Chúng không sủa base kết cặp sai 3.2.2.2 Sai sót tái base DNA Các base DNA thường tồn hai trạng thái biến đổi qua lại chúng gọi dạng hỗn biến (tautomer) Hiện tượng hỗ biến (tautomerism) xảy đơn xếp lại liên kết thay đổi vị trí nguyên tử hydro base Các dạng phổ biến (bền vững) adenine cytosine dạng amino chúng xếp lại thành dạng imino bền Chính thay đổi vị trí hydro làm thay đổi đặc tính base tái Hậu dẫn tới kết cặp nhầm tái bản, lần tái tạo thể đột biến đồng hoán tương ứng Ví dụ: DNA bố mẹ có chứa cặp CG, lúc tái C chuyển thành dạng imino (hiếm) kết cặp nhầm với A thay G, tạo thành cặp C-A DNA Trong lần tái A kết cặp bình thường với T tạo cặp T-A thay chỗ cho cặp CG trước Đó chế đột biến đồng hoán CG TA Guanine thymine có dạng phổ biến keto dạng enol Nếu dạng enol guanine xảy kết cặp với thymine thay cytosine tái Vì lần tái thymine vốn vị trí kết cặp sai lần tái đầu kết cặp với adenine tạo đột biến đồng hoán GC AT Tương tự ta thấy dạng đột biến tự phát chủ yếu đồng hoán Từ hai ví dụ cho thấy khả xuất đột biến hai chiều (GC TA), nghĩa phục hồi đột biến đồng hoán tự phát nhờ đột biến ngược (back mutation) hay hồi biến thực (true reversion) Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 10 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA Tất photolyase có hai choromophore ( chất bắt màu ) là: + FADH2 (1,5 - đihidroflavin adenine dinucleotide): Sự tạo thành FAH2: + Bản chất choromophore thứ hai chia làm hai nhóm: * Enzyme nấm men E.coli sử dụng pterin (folate coenzyme) pterin * Nhóm dùng deazaflavin: Methenyl tetra hydro folate (MTHF): Có tác dụng hấp thu ánh sáng màu xanh lam Các enzyme hoạt động tế bào nhiều loài khác từ: Mycoplasma, động vật bách cầu người, riêng nấm men có hai enzyme khác Vào ban ngày sinh vật thường chịu tác động ánh sáng, nên chế quang phục hồi có vai trò quan trọng sửa sai DNA Các Mycoplasma, sinh vật đơn bào đơn giản nay, có vài trăm gen, dành số cho quang tái hoạt hóa 1.3 Cơ chế quang phục hoạt: Quang phục hoạt chế sửa sai ánh sáng, khác với chế sửa sai tối Cơ chế sửa chửa dimer thymine enzyme hình dung sau: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 15 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA - Phát bám vào vị trí DNA tổn thương: enzyme nhận biết gắn đặc hiệu vào dimer tối Các oligothimidilate chất tốt cho enzyme Oligo (dt) 18 với trung bình 3,5 dimer gắn nhẹ vào phân tử enzyme - Enzyme hấp thụ ánh sáng có bước sóng 320 - 370 nm, kích hoạt để cắt đứt liên kết vốn tạo dimer, làm phục hồi trạng thái bổ sung base hai sợi Như chỗ sai hỏng hấp thụ ánh sáng (theo bước sóng đặc hiệu), lượng sử dụng nhờ phức hợp enzyme - DNA ổn định biến thymine dimer thành monomer - Enzyme rời khỏi DNA hư hại sửa xong Sau chế sửa chữa: Methenyl tetra hydro folate (MTHF) Các MTHF hấp thụ lượng ánh sáng mặt trời chuyển lượng cho FADH tạo dạng FADH giàu lượng, sau FADH chuyển electron vào carbonyl dimer, từ phá vỡ liên kết cyclobutan thymine Làm cho hai thymine tách rời ban đầu Hình ảnh minh họa chế quang phục hoạt: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 16 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA II SỬA CHỬA BẰNG CẮT BỎ (excision repair pathway): 2.1 Khái niệm: Excision repair hình thức sửa sai cách cắt bỏ không cần ánh sáng nhờ nuclease, sau thay base Hình thức không cần đến ánh sáng nên gọi sửa sai tối (dark repair) 2.2 Phân loại: Hình thức xảy theo nhiều cách khác nhau: Sự tách bỏ DNA hư hại thay DNA cách cắt bỏ base cắt bỏ nucleotide Nhìn chung có nhiều chế sửa chữa khác với enzime khác nhau, lại enzime thực theo nguyên tắc đây: 2.2.1 Sửa sai cách cắt base (base excision repair): 2.2.1.1 Khái niệm: Sửa sai cách cắt base tách bỏ DNA hư hại thay DNA cách cắt bỏ base sai hỏng 2.2.1.2 Hệ thống enzyme: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 17 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA Sự cắt bỏ sai hỏng nhờ enzyme: DNA glycosylase (enzyme N - glycosylase) AP endonuclease Deoxiribophosphodiesterase DNA polymerase DNA ligase 2.2.1.3 Cơ chế cắt bỏ base: - N - glycosylase nhận biết base bị biến đổi điểm purin hay pirimidine, biến dạng cấu trúc xoắn sai lệch tạo thủy giải liên kết N glycosilic nối base với đường - Enzyme AP endonuclease cắt liên kết đường photphat gần base bị biến đổi - Sau enzyme thứ ba: deoxiribophosphodiesterase loại bỏ nucleotide đoạn bị sai hỏng - Tiếp theo, DNA polymerase lấp đầy khoảng trống với nucleotide bổ sung với sợi khuôn lại - Enzyme DNA ligase gắn khe hở hai đầu 3/ - 5/ Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 18 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA Trong tế bào tồn số DNA glycosylase cắt uracil khỏi DNA Uracil tạo thành đột biến nhóm amin ngẫu nhiên cytocine, dẫn đến đột biến đồng hoán thay C T Enzyme phát uracil DNA bất thường, chúng cắt bỏ sửa sai Sơ đồ chế cắt bỏ base kết cặp sai: 2.2.2 Sửa sai cách cắt nucleotide (nucleotide excision repair): Tổn thương base hàng loạt kể dimer thymine, tách bỏ trực tiếp mà không cần đến giúp đỡ enzyme DNA glycolase 2.2.2.1 Khái niệm: Sửa sai cách cắt base tách bỏ DNA hư hại thay DNA cách cắt bỏ nucleotide sai hỏng 2.2.2.2 Hệ thống enzyme: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 19 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA Sự cắt bỏ vùng có nhiều thymine dimer (do UV) vùng nối chéo mạch thực nhờ incision nuclease (nuclease rạch mạch hay tạo khấc DNA phức hợp: Urv-A, Urv-B, Urv-C), enzime khác: DNA polymerase, DNA ligase 2.2.2.3 Cơ chế cắt bỏ nucleotid - Nhận biết dimer vùng nối chéo mạch DNA - Dưới tác dụng incision nuclease hiệu chỉnh, hình thành vết đứt DNA cách thủy giải liên kết phosphodiester Enzyme thường protein nhỏ có phân tử khối 30000 dalton Tất enzyme biết tới cắt DNA vị trí sát cạnh chỗ sai hỏng - Kết đầu 5/ rời trở thành chất cho hoạt tính exonuclease / sang 3/ DNA polymerase I - Sau đoạn DNA có chứa dimer pyrimidine cắt bỏ đoạn DNA trùng hợp theo chiều 5/ sang 3/ tác dụng DNA polymerase I - Sau chỗ đứt sợi DNA lại sau trình nối enzyme ligase Cơ chế sửa sai cách cắt nucleotide: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 20 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA Ví dụ: Ở E.coli, enzyme chủ chốt trình urvABC endonuclease (vì chứa ba polipeptide gen urvA, urvB, urvC) Enzyme cắt đoạn dài 12 - 13 nucleotide từ đoạn mạch, tùy thuộc vào sai hỏng ảnh hưởng lên nucleotide (alkin hóa) hai nucleotide (dimer) Sự thủy giải thực liên kết phosphodiester thứ đầu 5/ đến chỗ hỏng phía 3/ liên kết thứ hay Khoảng trống lấp đầy nhờ DNA polymerase I Và cuối cùng, DNA ligase hàn gắn khe hở * Cấu trúc mạch kép bổ sung cho DNA cho phép, thông tin bị cắt bỏ sai hỏng mạch chép lại dựa vào mạch đơn nguyên bổ sung kia.Tuy nhiên số sai hỏng liên quan lúc hai mạch sửa chửa Các đoạn hay xen đoạn nucleotide, hay nối chéo mạch phục hồi nhờ thay tương ứng tái tổ hợp Thậm chí đứt đôi hai mạch chỗ, coi sai hỏng, gắn liền lại nhờ ligase hay tái tổ hợp 2.2.3 Sửa sai base bắt cặp sai (froofreading for base-pair matching): 2.2.3.1 Khái niệm: Đây trình thực xảy chép DNA, đảm bảo mọc dài xác mạch tổng hợp 2.2.3.2 Hệ thống Enzyme: Dam methylase MutS, MutL, MutH Exonuclease 3/ 5/ DNA polymerase DNA helicase II Protein SSB DNA polymerase III DNA ligase 2.2.3.3 Cơ chế sửa chữa base kết cặp sai - Các enzime MutS, MutL, MutH nhận biết vị trí sai hỏng DAN trình chép - Sau tác dụng enzime cắt đặc hiệu exonuclease cắt nucleotide bổ sung bị sai mạch khuôn - Dưới tác dụng enzime bám sợi đơn SSB enzime DNA polymerase bổ sung mạch khuôn - DNA ligase lấp đầy khoảng trống Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 21 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA Sơ đồ chế sửa chữa base kết cặp sai: * Sự bắt cặp cẩn thận DNA polymerase đảm bảo xác chép Trước thực phản ứng polime hóa nối nucleotide, nucleotide triphosphat phải bắt cặp với base bổ sung mạch khuôn Nếu bắt cặp sai xảy ra, DNA polymerase loại bỏ nucleotide bắt cặp sai Thậm chí, trước nucleotide ráp vào,enzyme dò lại cặp base cuối, chúng không bắt cặp thì polime hóa sau bị dừng Cặp nucleotide đầu cuối 3/ bắt cặp sai bị loại bỏ hoạt tính exonuclease / 5/ DNA polymerase Khi bắt cặp cấu trúc mạch kép trình polime hóa tiếp tục Hoạt tính đọc sửa base kết cặp sai đặc tính nhiều DNA polymerase đảm bảo mọc dài xác mạch tổng hợp Tuy nhiên trường hợp cần thiết, DNA polymerase bỏ qua chỗ sai chép tiếp nhờ chế chép "úp sấp sai hỏng" Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 22 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA III SỬA SAI BẰNG LÀM MẤT NHÓM ALKIL (dealkilation): Enzyme alkiltransferase sửa trực tiếp sai hỏng Chúng cắt nhóm alkil từ chất nitrosoguanine ethylmethnesulfonate gắn vào vị trí O-6 guanine Một ví dụ việc sửa trực tiếp sai hỏng chuyển nhóm methyl (-CH3) từ chất có khả gây ung thư O-6 methylguanine sang gốc cisteine enzyme O-6 methylguanine- DNA methyltransferase (MTase) Enzyme tách nhóm alkil khỏi phosphodiester cách alkil hóa cisteine khác Khác với protein điển hình, protein thụ thể bất hoạt không thuận nghịch alkil hóa Các MTase diện E.coli, nấm men, tế bào người Sự tổng hợp MTase E.coli (39-kDa, sản phẩm gene ada, cảm ứng có tác nhân alkil hóa N-methyl-N/-nitrosoguanidine Protein này, biến đổi nhóm alkil tách từ phosphodiester, điều hòa dương enzyme sửa sai alkil hóa, gồm MTase alkil hóa gắn vào hộp (A 3N3A3GCGCA) gene ada trước đoạn điều hòa regulon promoter, hoạt hóa phiên mã Sự đề kháng tăng cao tác nhân alkil hóa thực nâng cao nồng độ protein tế bào Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 23 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA IV SỬA SAI DỰA VÀO TÍNH TƯƠNG ĐỒNG (Homology-dependent repair system): Một hệ thống sửa sai quan trọng phát tính chất bổ sung đối song song hai mạch đơn DNA để phục hồi đoạn sai hỏng trở trạng thái bình thường ban đầu * Cơ chế: Trong hệ thống này, đoạn DNA sai hỏng bị cắt bỏ thay đoạn nucleotide tổng hợp bổ sung với sợi khuôn đối diện Sự sửa sai xảy qua sợi khuôn nguên tắc chép DNA đảm bảo sửa sai hoàn thành với độ xác cao-đó giải phóng sai hỏng (error-free) Có hai hệ thống chủ yếu để loại bỏ sai hỏng: - Hệ thống sửa chửa sai hỏng phát trước chép - Hệ thống sửa chửa sai hỏng phát trình diễn biến chép (sửa sai sau chép) Sơ đồ minh họa: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 24 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA V SỬA SAI ĐỨT MẠCH KÉP (repair of double-strand break): Khi hai sợi chuổi xoắn kép bị đứt vị trí, gọi đột biến đứt mạch đôi, gây sai hình nhiễm sắc thể, làm chết tế bào tạo trạng thái tiền ung thư Tế bào sử dụng nhiều protein đường sửa sai đứt gãy mạch đôi thực tái tổ hợp giảm phân xảy sau: * Cơ chế: Trên nhiễm sắc thể xảy đứt mạch đôi kết ăn mòn đầu mút đoạn ngắn DNA sợi đơn Đầu / sợi "xâm lấn" vào chromatid Đoạn "xâm lấn" làm mồi cho tổng hợp base bị nhờ sử dụng sợi đối song song chromatid sợi khuôn Sự tổng hợp tạo vòng sợi đơn lai với sợi đơn không xâm lấn Vì tạo vùng dị hợp tử nhỏ "Dd" sử dụng mạch khuôn để tổng hợp base bị sợi DNA polymerase lấp đầy chỗ trống enzyme ligase nố đầu mút xảy cấu trúc đặc biệt giống với trao đổi chéo hai sợi đơn Cấu trúc chứa đoạn bắt cặp không tương đồng đơn giản Trao đổi chéo hai sợi đơn gọi cấu trúc holliday (holliday structure) holliday phát vào 1960 Mô hình bẻ gãy sợi đôi nhờ trao đổi chéo: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 25 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA Mô hình bẻ gãy sợi đôi nhờ trao đổi chéo Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 26 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA VI Hệ thống SOS: Ở tế bào vi khuẩn tế bào eukryote bị sai hỏng nặng chiếu tia UV, tia X, tác dụng hoá chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp khởi động Trong trường hợp DNA bị làm hỏng ngừng chép, phản ứng SOS phục hồi chép chuyển sai hỏng thành sử sai úp súp * Cơ chế: Ở E.coli quan sát thấy phá huỷ DNA làm mở khoảng 20 gene hệ thống SOS Hệ thống có liên quan tới hai protein mã hoá gene lexA (lexA repressor) recA Protein lecA chất ức chế, gắn vào hộp SOS (Box SOS), chồng lấp promotor gene SOS, ngăn cản phiên mã nhóm gene hệ thống SOS Một vài sản phẩm DNA bị tổn thương làm hoạt hoá enzime protein recA Protein recA bị hoạt hoá cắt bỏ protein lecA, cho phép gene hệ thống SOS phiên mã Phản ứng hệ thống SOS xảy thời gian ngắn phức tạp Nó bao gồm trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi khởi chép, ức chế nuclease kích thích phục hồi chép chuyển sai hỏng thành sửa sai úp súp (error-prone replication) Tế bào diễn chép nhanh bình thường Nếu sửa sai không kịp, tế bào phải chấp nhận bị đột biến bị chết * Cơ chế: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 27 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA D KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Kết luận: - Tất sinh vật trang bị cho hệ thống sửa chữa khác để bảo vệ ổn định vật chất di truyền, có nhiều hệ thống sửa sai, từ đảm bảo cho đột biến gen xảy mức độ ổn định cho phép, (tần số đột biến gene thấp khoảng 10 -5-1010) - Chủ yếu có số hệ thống sửa sai bản: + Đọc sửa lúc tái nhờ số enzime DNA polymerase + Quang phục hoạt (photoreactivation) nhờ enzime DNA photolyase + Cắt bỏ base nucleotide nhờ enzyme exonuclease + Sửa chữa sau tái - Các sinh vật cao chế sửa chữa đa dạng phức tạp so với sinh vật bậc thấp II Kiến nghị: - Sửa chữa DAN phần quan trọng di truyền phân tử, lý mà sai sót cấu trúc DNA tích lũy lâu ngày gây đột biến gene, từ ảnh hưởng đến sức sống cá thể sinh vật, việc tìm hiểu chế sửa sai giúp cho ta hiểu nguyên nhân, chế, giải thích, phòng ngừa chữa trị số bệnh tật sinh vật - Bài tiểu luận thời gian ngắn nên chưa thể sâu đầy đủ tất hệ thống chế sửa chữa DNA, kính đề nghị quý anh chị thầy cô nghiên cứu sâu chế hệ thống để từ hiểu cách đầy đủ cụ thể, tìm nguyên nhân, biện pháp phòng chữa trị số bệnh liên quan đến đột biến gene thể sinh vật Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 28 Tìm hiểu đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Trọng Phán Di truyền học NXB Đà Nẵng, 2005 Phạm Thành Hổ Di Truyền Học NXB Giáo Dục, 2007 Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân Di Truyền Học, NXB Giáo dục, 2003 Hoàng Trọng Phán, Trương Thị Bích Phượng, Trần Quốc Dung NXB Đại Học Huế 2008 Hoàng Trọng Phán, Đỗ Quí Hai 2008 NXB Đại Học Huế Phan Cự Nhân, Trần Đình Miên, Tìm hiểu công nghệ sinh học đại, 1997, NXB Giáo dục, Hà Nội Võ Thị Hương Lan, 2005 Sinh Học Phân Tử, NXB ĐHQG Hà Nội, 2005 Nguyễn Bá Lộc, Bài giảng Sinh học phân tử (dành cho học viên cao học ngành sinh học), 2002, Đại học Huế, Huế ⃰ Một số trang web http://www.nature.com 2.http://en.wikipedia.org 3.http://nitro.biosci.arizona.edu 4.http://www.web-books.com 5.http://www.photobiology.info 6.http://asajj.roswellpark.org 7.http://www.sinhhocvietnam.com 8.http://tailieu.vn Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 29 [...]... 25 Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa chữa DNA Mô hình bẻ gãy sợi đôi nhờ trao đổi chéo Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 26 Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa chữa DNA VI Hệ thống SOS: Ở tế bào vi khuẩn hoặc tế bào eukryote bị sai hỏng nặng do chiếu tia UV, tia X, hoặc do tác dụng hoá chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp được khởi động Trong trường hợp DNA. .. thường Nếu sửa sai không kịp, tế bào phải chấp nhận bị đột biến hoặc bị chết * Cơ chế: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 27 Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa chữa DNA D KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Kết luận: - Tất cả các sinh vật đều trang bị cho mình hệ thống sửa chữa khác nhau để bảo vệ ổn định vật chất di truyền, có rất nhiều hệ thống sửa sai, từ đó đảm bảo cho đột biến gen chỉ... và đầy đủ tất cả các hệ thống và cơ chế sửa chữa DNA, do đó kính đề nghị quý anh chị và thầy cô nghiên cứu và đi sâu hơn các cơ chế của các hệ thống này để từ đó có thể hiểu một cách đầy đủ và cụ thể, tìm được các nguyên nhân, biện pháp phòng và chữa trị một số bệnh liên quan đến đột biến gene trên cơ thể sinh vật Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 28 Tìm hiểu về đột biến gen và. .. Huy - Chuyên nghành Động Vật học 13 Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa chữa DNA PHẦN II: CÁC HỆ THỐNG SỬA CHỮA DNA I QUANG PHỤC HOẠT: 1.1 Khái niệm: Quang phục hoạt (photoreactivation) là kiểu sửa sai xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng, nên còn gọi là sửa chữa ngoài ánh sáng (light repair) 1.2 Hệ thống enzyme: Sửa chửa ngoài ánh sáng được xúc tác bởi enzyme DNA photolyase Dưới tác động của tia... Chuyên nghành Động Vật học 23 Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa chữa DNA IV SỬA SAI DỰA VÀO TÍNH TƯƠNG ĐỒNG (Homology-dependent repair system): Một hệ thống sửa sai quan trọng đã phát hiện tính chất bổ sung đối song song của hai mạch đơn DNA để phục hồi đoạn sai hỏng trở về trạng thái bình thường ban đầu * Cơ chế: Trong hệ thống này, đoạn DNA sai hỏng bị cắt bỏ và thay bằng một đoạn nucleotide.. .Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa chữa DNA 3.2.2.3 Các đột biến dịch khung tự phát trong khi tái bản: Các tác nhân xen vào giữa (intercalating agents) là nhóm tác nhân quan trọng gây biến đổi DNA, bao gồm các thuốc nhuộm acridine, chúng là các phân tử mô phỏng các base và có thể xen vào giữa các base nitơ của chuỗi xoắn kép DNA Bằng cách đó chúng có thể gây... hoán AT GC Do hỗ biến mà 5-BU có thể gây đồng hoán hai chiều AT GC Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 11 Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa chữa DNA Một hóa chất gây đột biến khác là 2-aminopurine (2-AP), chất tương tự của DNA, có thể kết cặp với T Khi bị proton hóa, 2-AP có thể kết nhầm với C để gây đột biến đồng hoán AT GC ở lần tái bản sau a) b) 4.1.2 Đột biến gây ra bởi... tắc cơ bản dưới đây: 2.2.1 Sửa sai bằng cách cắt các base (base excision repair): 2.2.1.1 Khái niệm: Sửa sai bằng cách cắt các base là sự tách bỏ DNA hư hại và thay bằng DNA mới bằng cách cắt bỏ base sai hỏng 2.2.1.2 Hệ thống enzyme: Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 17 Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa chữa DNA Sự cắt bỏ sai hỏng nhờ các enzyme: DNA glycosylase (enzyme N... trúc DNA bị biến đổi Thymine Thymine dimer Photolyase là enzyme sửa chữa DAN, nó sửa chữa những hư hỏng do DNA tiếp xúc với ánh sáng tia cực tím, bằng cách phá vỡ các pyrimidine dimer, Cơ chế của enzyme này đòi hỏi phải nhìn thấy ánh sáng nên còn được gọi là sửa sai ngoài ánh sáng Hình ảnh DNA photolyase Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 14 Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa. .. theo, DNA polymerase lấp đầy khoảng trống với các nucleotide bổ sung với sợi khuôn còn lại - Enzyme DNA ligase sẽ gắn khe hở giữa hai đầu 3/ - 5/ Học viên Hoàng Quốc Huy - Chuyên nghành Động Vật học 18 Tìm hiểu về đột biến gen và hệ thống sửa chữa DNA Trong tế bào tồn tại một số DNA glycosylase cắt uracil ra khỏi DNA Uracil được tạo thành do đột biến mất nhóm amin ngẫu nhiên ở cytocine, dẫn đến đột ... đột biến gen hệ thống sửa chữa DNA C NỘI DUNG ĐỀ TÀI PHẦN I: ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐỘT BIẾN GENE I Khái niệm đột biến gene: Đột biến gene (gene mutation) biến đổi rảy bên cấu trúc gene vùng nhỏ gene, liên... xảy chép DNA, đảm bảo mọc dài xác mạch tổng hợp 2.2.3.2 Hệ thống Enzyme: Dam methylase MutS, MutL, MutH Exonuclease 3/ 5/ DNA polymerase DNA helicase II Protein SSB DNA polymerase III DNA ligase... hiệu tác động lên DNA (đột biến điểm): Đột biến điểm biến đổi nhỏ đoạn DNA, thường liên quan đến cặp base đơn DNA số cặp base kề Đột biến điểm làm thay đổi gene kiểu dại (wild-type gene) Về nguồn