Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7/18/15 https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ MÃ DI TRUYỀN CHƢƠNG CẤU TRÚC CỦA GEN, TỔ CHỨC CÁC GEN Ở GENOM VÀ ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN Qúa trình truyền đạt thơng tin di truyền sinh vật diễn sau: ADN  ARNm  Protein (Tính trạng) Người Mỹ truyền đạt thơng tin cho tiếng Anh Máy tính truyền đạt thơng tin cho mã nhị phân: 1, 10, 11, 100, 101… Sinh vật truyền đạt thông tin mã di truyền Định nghĩa: Mã di truyền trình tự nucleotit phân tử DNA Trong đơn vị mã nhóm gồm ba nucleotit liên tiếp (cịn gọi codon hay ba mã hố) Mỗi codon mã hoá tương ứng cho phân tử axit amin Protein Trình tự xếp codon tren DNA quy định trình tự xếp axit amin phân tử Protein • Có 20 loại axit amin thể sinh vật • Có loại nucleotit, ghép mã ba nên có 64 ba mã hoá, đủ để mã hoá cho 20 loại axit amin sinh vật Giải mã codon ADN truyền thơng tin qua mARN, người ta tạo mạch mARN có thành phần nucleotit khác làm khuôn để tổng hợp chuỗi polypeptit (chuỗi axit amin) mơi trường in vitro  Phân tích tương ứng thứ tự ba mARN với thứ tự axit amin chuỗi polypeptit, biết ba quy định loại axit amin nào, tức giải mã cho codon • Do số lượng ba mã hố nhiều số lượng aamin nên có nhiều ba mã hoá cho aamin, điều ngược lại khơng Các ba mã hóa (các codon) Vị trí thứ (đầu 5’) U C A G Vị trí thứ Vị trí thứ (đầu 3’) U C A G Phe Ser Tyr Cys U Phe Ser Tyr Cys C Leu Ser Stop Stop A Leu Ser Stop Trp G Leu Pro His Arg U Leu Pro His Arg C Leu Pro Gln Arg A Leu Pro Gln Arg G Ile Thr Asn Ser U Ile Thr Asn Ser C Ile Thr Lys Arg A Met Thr Lys Arg G Val Ala Asp Gly U Val Ala Asp Gly C Val Ala Glu Gly A Val Ala Glu Gly G Một số ba đặc biệt mARN - Bộ ba AUG (mã hoá melthianin) ba đóng vai trị tín hiệu bắt đầu cho trình tổng hợp chuỗi polypeptit (bộ ba khởi đầu) - Có ba ba UAA, UGA, UAG khơng mã hố aamin mà tín hiệu cho kêt thúc (Stop) q trình dịch mã - truyền đạt thông tin di truyền từ mARN đến Protein Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7/18/15 https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ Tính chất mã di truyền Sự đọc mã theo ba liên tục khơng có tính chồng chéo Điều có nghĩa rằng, điểm khởi đầu đọc bị lệch đi, thêm, nucleotit (số lượng khác ba), khung mã bị lệch so với trình tự ban đầu Mã di truyền có tính chất dư thừa: 61 ba/20Aamin Những ba mã hóa cho axit amin gọi ba đồng nghĩa Các axit amin lơxin, serin, acginin có tới ba đồng nghĩa Các ba đồng nghĩa khác bazơ thứ ba Ví dụ:GGU, GGC, GGA, GGG mã hóa cho glixin Mã di truyền có tính chất vạn Ý nghĩa mã di truyền sinh vật QÚA TRÌNH SAO MÃ Định nghĩa: Sao mã q trình truyền đạt thơng tin từ chuỗi xoắn kép DNA tới mạch đơn ARN Trong đó, hai mạch chuỗi DNA làm khuôn để tổng hợp ARN gọi mạch có nghĩa mạch mang mã gốc THỰC HIỆN THƠNG TIN DI TRUYỀN • Qúa trình mã (transcription) • Q trình dịch mã Cơ chế mã sinh vật nhân sơ Thành phần tham gia Đoạn ADN cần mã (đoạn gen) • Vùng khởi đầu, vùng mang mã, đoạn kết thúc Enzym ARN-polymerase • Enzyme có cấu trúc từ tiểu phần: +2 tiểu phần nhỏ giống ký hiệu α, +2 tiểu phần lớn khác – β, β1 • Nhân tố sigma (σ) giúp cho ARN-polymerase nhận biết điểm khởi đầu ADN Các nucleotit dạng triphophat (ATP, GTP, UTP, CTP) Giai đoạn 1: Nhận biết vùng khởi đầu Vùng khởi đầu gồm thành phần chính: • Đoạn khởi đầu đoạn gồm nucleotit có trật tự 5’TATAAT-3‟ nằm cách điểm bắt đầu phiên mã 10 cặp nucleotit • Điểm nhận biết (recognition sequence) nằm cách điểm khởi đầu phiên mã khoảng 35 nucleotit phía trước có trình tự 5’– TTGACA–3’ ARN-polymerase định vị vào DNA dựa vào điểm mã đặc thù đoạn khởi đầu 7/18/15 Giai đoạn 2: Giai đoạn kéo dài chuỗi ARN-polymerase trượt dọc theo gen xúc tác biến tính cục hai sợi DNA làm lộ sợi khn 3‟ – 5‟ để khởi đầu q trình tổng hợp mARN • Dưới tác động ARN-polymerase, DNA tháo xoắn, nucleotit môi trường tiến vào ghép bổ sung với nucleotit sợi khuôn 3‟-5‟ • Tại vùng phiên mã ADN xoắn lại ban đầu ARN-polymerase nhận biết bám hai đoạn đặc thù nằm gần vị trí -35 -10 trước điểm bắt đầu mã Cơ chế mã sinh vật nhân sơ (prokaryote) Giai đoạn 3: Kết thúc • Khi ARN polymerase chạy hết đoạn mang mã chạy qua đoạn kết thúc giàu GC AT, phân tử enzym dừng lại • Do tác động nhân tố Rho (ρ) (nhân tố giải phóng), sợi ARN enzyme ARN-polymerase giải phóng khỏi ADN khuôn Đặc điểm mã Prokaryote Ở vi khuẩn có loại ARN-polymerase, tổng hợp cho loại phân tử ARN: ARN thông tin (mARN), ARN ribosome (rARN) ARN vận chuyển (tARN) Trên đoạn khn ADN mã diễn liên tục đoạn DNA với tham gia nhiều phân tử ARN-polymerase 7/18/15 CƠ CHẾ SAO MÃ Ở SINH VẬT NHÂN CHUẨN THÀNH PHẦN: Gen cần mã + Đoạn khởi động (Promoter) + Đoạn mang mã di truyền + Đoạn kết thúc (Termination) ENZYM Có loại ARN-polymerase nhân tế bào sinh vật nhân chuẩn (I, II III) • ARN-polymerase I Enzyme chuyên trách việc mã gen để tổng hợp phân tử rARN 28S, 5,8S, 18S • ARN-polymerase II Cần thiết cho việc tổng hợp phần lớn loại ARN khác, đặc biệt ARNm • ARN-polymerase III Có chức phiên mã tARN rARN 5S Các nhân tố mã: có nhân tố mã hoạt động để hỗ trợ ARN polymerase thực trình mã ký hiệu TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH Gen cần mã 1-1 Đoạn khởi đầu 3‟ đoạn ADN thường có đoạn trình tự đặc hiệu gồm: 1-1.Hộp TATA : đoạn gồm nucleotit có trình tự nu TATA, nằm trước điểm bắt đầu mã khoảng 25 – 30 nucleotit, có tác dụng hỗ trợ cho ARNpolymerase nhận biết vị trí khởi đầu mã (initiator) 1-2.Hộp GC có trình tự kiểu GGGCGG 1-3.Hộp CAAT có trình tự kiểu CCAAT (2 hộp sau nằm trước điểm khởi động phiên mã khoảng từ 40-100 nucleotit có vai trị điều hoà mã) 1-2 Đoạn mang mã (bắt đầu điểm gọi điểm bắt đầu mã 1-3 Đoạn kết thúc (terminator) • Các đoạn kết thúc sinh vật nhân chuẩn biết • Hầu hết gen mã hóa protein phản ứng mã dừng lại sau ARN-polymerase II vượt qua vị trí đặc biệt AATAAA DNA (gọi vị trí polyA) 7/18/15 Giai đoạn Bắt đầu mã • Nhân tố TFIID gắn với hộp TATA đoạn gen cần mã thông qua tiểu phần bổ sung TBP (protein gắn trực tiếp vào ADN) TFIID nhân tố vị trí, có nhiệm vụ hướng RNA polymerase tới promoter gen cần mã • TFIIA gắn với TBP TFIID làm ổn định TFIID • TFIIB gắn với TBP TFIIF RNA polymerase • TFIIF nhân tố có vận động tách mạch liên quan đén q trình mở sợi DNA, làm xuất mạch đơn thẳng điểm Promoter • Các TF cịn lại đính vào để hoàn thiện khởi động cho ARN polymerase DỊCH MÃ • Định nghĩa: Dịch mã trình tổng hợp mạch polypeptit riboxome, sở khuôn mẫu ARNm Trình tự đọc ba mã hóa ARNm định trật tự loại axit amin mạch polypeptit • Tham gia vào q trình dịch mã bao gồm: • mARN • Ribosome • tARN • Aminoaxyl-ARN-synthetase • Axit amin hoạt hoá • Một loạt yếu tố protein khác Giai đoạn Sao mã + Kết thúc • ARN polymerase II mở sợi kép, tổng hợp mạch đơn theo chiều 5‟  3‟ suốt q trình chạy dọc theo mạch đơn mở dừng lại sau chạy qua đoạn poly A kết thúc • Ở sinh nhật nhân chuẩn, đoạn ARN tạo từ ARN poplymerase II mARN sơ cấp, mARN sơ cấp sau tạo mũ (methyl hoá đầu methionyl) gắn thêm poly A trải qua q trình thành thục hố trước tham gia vào q trình dịch mã • Video Clip Ribosome - Là nơi xảy trình tổng hợp mạch polypeptit - Là phân tử gồm tiêu phần + Tiểu phần nhỏ 30S + Tiểu phần lớn 50S - Mỗi tiểu phần hình thành từ rARN protein - Độ lớn thành phần cấu trúc ribosome biến động lớn đối tượng sinh vật khác Hình 2.6 Mơ hình ribosome 7/18/15 tARN • Là phân tử ARN mã từ đoạn gen đặc thù (gen tARN) • tARN có nhiệm vụ xếp axit amin vào vị trí theo trình tự mã di truyền mARN • Sau tạo trình mã, vị trí xác định xảy biến đổi số gốc (hydrouraxin (DHU) pseudouridin) tARN sau uốn lại tạo cấu trúc khơng gian có dạng hình cỏ ba nhờ liên kết hydro - Đầu 3‟ tARN liên kết với axit amin Ln có trình tự CCA -Ở đỉnh uốn có chứa ba mã hố (anticodon) ứng với axit amin mà tARN mang  Do axit amin mang xác đến vị trí chuỗi polypeptit ứng với thứ tự mã hoá mARN Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc tARN Hoạt hóa axit amin • Mỗi loại axit amin có mặt tế bào chất đính vào ARNt thích hợp nhờ hoạt động xúc tác enzyme aminoaxyl-tARN synthetase đặc thù • Enzyme xúc tác cho phản ứng ATP hoạt hóa axit amin tạo nên phức hợp aminoaxyl-AMP liên kết với enzyme E + ATP + A.amin  E[Aamin~AMP] • Sau phức hợp kết hợp với ARNt liên kết đồng hóa trị tạo nên aminoaxyl-ARNt Sơ đồ cấu trúc ARNt I – vòng thắt DHU; II – anticodon; III – đoạn thêm IV – vòng thắt TψC E[Aamin~AMP] + ARNt  Aamin~ARNt + AMP + E Tồn q trình gọi q trình hoạt hóa axit amin Giai đoạn 1: • Tiểu đơn vị ribosome bé bám vào ARNm vị trí codon khởi đầu AUG • ARNt axit amin mở đầu, đầu mang ba đối mã (AUG), đầu mang axit amin mở đầu Methionyl tiến vào ribosome khớp anticodon với codon khởi đầu theo nguyên lý bổ sung • Tiếp tiểu đơn vị lớn ribosome bám vào tiểu đơn vị bé tạo ribosome hoạt động hoàn chỉnh Lúc Met-tRNA vị trí P bên cạnh vị trí A cịn để trống • Một ARNt thứ hai vào vị trí A khớp với codon thứ • Giữa hai axit amin hình thành liên kết peptit, phản ứng xúc tác enzyme peptidyltranspherase, kết tạo peptidyl – ARNt vị trí A 7/18/15 Giai đoạn 2: Giai đoạn • Ribosome dịch chuyển sang codon dọc ARNm theo chiều 5‟ 3‟ Dịch chuyển đẩy ARNt-1 vị trí P khỏi ribosome, đưa ARNt-2 vào vị trí P làm vị trí A bị bỏ trống • Ribosome dịch chuyển tới ví trí codon A codon kết thúc (UAA, UAG, UGA) • Một protein đặc biệt gọi nhân tố giải phóng (RF) tiến vào A khớp với ba đối mã • Aminoacyl - ARNt thứ vào khớp aticodon với codon vị trí A, liên kết peptit thứ hai hình thành • Sự có mặt RF với enzyme peptidyl transferase gây chuyển dịch ribosome tách chuỗi polypeptide khỏi ARNt cuối cùng, • Ribosome lại dịch chuyển sang codon Cứ vậy, lại xảy trình tương tự dọc theo suốt chiều dài ARNm codon đặc hiệu kết thúc ARNm • Hai tiểu đơn vị ribosome tách dạng tự Chuỗi peptit giải phóng Polysome • Sau có khoảng 25 axit amin liên kết vào chuỗi polypeptide-1, ribosome thứ tách xa codon khởi đầu, codon lại liên kết với ribosome thứ Và chuyển dịch xảy song song Cứ đến ribosome thứ 3…thứ n Như vậy, ARNm có nhiều ribosome làm việc tạo nên đơn vị dịch mã polyribosome hay polysome Sơ đồ chép ARN diễn đồng thời nhiều ARN-polymerase Sự thực thông tin di truyền tế bào 7/18/15 GEN LÀ GÌ? KHÁI NIỆM TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG GEN Ở TẾ BÀO • Gen gì? • Gen có vai trị thể sinh vật? • Gen có cấu tạo hoạt động nào? Theo Morgan,để xác định hai đột biến nghiên cứu có nằm gen hay khơng (có alen với khơng) vào tiêu chuẩn: Khái niệm gen Morgan Các gen nằm nhiễm sắc thể đơn vị không chia nhỏ Các đơn vị là: • Đơn vị đột biến, nghĩa xảy đột biến gen, gen bị biến đổi hoàn toàn sang trạng thái • Đơn vị tái tổ hợp, nghĩa trao đổi chéo không diễn bên gen, diễn gen • Đơn vị chức năng: gen quy định loại chức thể sống a1 A2 A1 a2 a1 x x x x x x x A1 a2 a1 a2 x x a2 x x • Tiêu chuẩn tái tổ hợp: Nếu đột biến không tái tổ hợp với (giữa chúng không xảy trao đổi chéo) chúng alen với Nếu khơng, chúng thuộc hai gen khác • Tiêu chuẩn chức năng: lai hai thể đột biến với cho hệ lai có kiểu hình đột biến, hai đột biến thuộc gen (chúng alen với nhau), cịn cho hệ lai có kiểu hình dại (bình thường) đột biến thuộc hai gen khác Ý kiến bạn quan điểm Morgan? Đồng ý? Không đồng ý? Ngày khẳng định: Gen đoạn nằm phân tử DNA, đóng vai trị đơn vị cấu trúc thông tin di truyền đảm nhận đơn vị mặt chức x x a1 A2 x a1 A2 x x x x A1 a2 Kiểu hình dại Hai đột biến a1 a2 không alen thuộc gen khác locus x a1 x a2 Kiểu hình đột biến Hai đột biến a1 a2 alen thuộc locus Chắc nghiệm chức cho tượng tương ứng Thí nghiệm chứng minh gen khơng phải đơn vị tái tổ hợp C.Oliver, M.Green E.Lewis (1951) thí nghiệm đối tượng ruồi giấm với số lượng cá thể lớn phát thấy đột biến cho nằm gen theo tiêu chuẩn chức lại tái tổ hợp với  Trao đổi chéo đột biến gen diễn bình thường 7/18/15 Các loại gen thể sinh vật Hiện tại, phân tử DNA sinh vật (không bao gồm DNA ty thể lục lạp chia vùng chức gọi gen, bao gồm loại chính: 1.Các gen cấu trúc: tổng hợp protein cấu trúc protein enzyme, giới hạn ba khởi đầu ba kết thúc 2.Các gen tARN mang thông tin tổng hợp nên ARNt 3.Các gen rARN mang thơng tin tổng hợp ARNr 4.Các vùng điều hịa đặc hiệu nằm cạnh gen cấu trúc, promotor, operator 5.Các vùng đệm (spacer) tách biệt gen 6.Các vùng mã hóa tín hiệu khởi đầu kết thúc dịch mã số vùng thực hàng loạt chức khác chưa hoàn toàn sáng tỏ 2.2 CẤU TRÚC VÀ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG CỦA GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ ADN TRONG TY THỂ, LẠP THỂ ADN TY THỂ (mt ADN) • Mã hóa cho 20 – 30 loại ARNt 10 – 12 loại protein thành phần bên ti thể • Dạng chuỗi kép, trần mạch, vịng ADN LẠP THỂ (cp ADN) • Có hàm lương GC khác biệt với ADN nhân ADN ti thể • Ở số lồi thực vật bậc cao có tới 6000 phân tử cpADN tế bào, phân bố khoảng 40 – 80 lạp thể • Mã hóa nhiều protein cấu tạo lạp thể enzym cần cho q trình quan hợp Ngồi cịn có số protein ribosome MƠ HÌNH OPERON • Ở sinh vật nhân sơ, gen thường hợp lại thành cụm hướng tới 2.2.1 Khái niệm chung – gen hoạt động theo chế điều hòa thực chức định gọi operon Cơ chế điều hòa • Biểu gen chịu kiểm soát chế điều hòa, chủ yếu thực thơng qua operon chúng xảy theo chương trình định trước đáp lại • 1961, F Jacob J Monod đưa mơ hình operon: tác động biến đổi môi trường tế bào + Đoạn ADN mã hoá (các gen cấu trúc) quy định tổng hợp protêin • Ở sinh vật nhân sơ, mục đích điều hồ biểu gen nhằm điều chỉnh hệ enzyme cho phù hợp với tác nhân dinh dưỡng lý hoá mơi trường, đảm bảo u cầu tế bào: tăng trưởng sinh sản • Sự điều hồ biểu gen chủ yếu tiến hành giai đoạn phiên mã + Đoạn ADN tham gia vào q trình điều hồ hoạt động gen cấu trúc + O- operator: vùng điều hành :21 đôi bazơ + P- promotor: vùng khỏi động: 85 đôi bazơ Kết luận: operon hệ thống hoạt động bao gồm gen cấu trúc nằm kiểm soát phận điều hoà liên kết sát chúng 2.2.2 Lac operon vi khuẩn, điều hịa âm tính • Các enzyme tham gia vào phân giải đƣờng lactose E.coli:  β-galactoside tham gia vào phân giải lactose thành galactose glucose;  β-galactoside permease – cần cho thâm nhập galactose vào tế bào;  β-galactoside transacetylase – chuyển nhóm acetyl từ acetyl-CoA vào β-galactoside • Khi ni cấy khuẩn E.coli mơi trường có lactose thấy hoạt tính enzyme tăng mạnh Như lactose cảm ứng hoạt động gen kiểm tra enzym 7/18/15 Cấu trúc mơ hình lac operon Phần 1: Các gen cấu trúc kiểm tra tổng hợp enzym: - Gen kiểm tra tổng hợp β-galactoside (ký hiệu Z), có độ Phần 2: Vùng ADN làm nhiệm vụ điều hòa hoạt động gen cấu trúc: - Vùng O – operator (vùng điều hành hay huy), có độ dài 21 đôi bazơ dài 3.510 đôi bazơ - Gen kiểm tra tổng hợp β-galactoside permease, ký hiệu Y, có độ dài 780 đơi bazơ - Gen kiểm tra tổng hợp β-galactoside transacetylase, ký hiệu A, có độ dài 825 đôi bazơ Khi mã, gen cấu trúc ARNm, tạo thành khối gọi ARNm đa cistron - Vùng P – promoter (vùng khởi động), có độ dài chừng 85 đôi bazơ Vùng P chia làm đoạn: đoạn A – nơi tiếp nhận tác động protein hoạt hóa trao đổi chất CAP (Catabolite Activator Protein) đoạn dành cho enzyme ARN-polymerase liên kết để tiến hành mã Giữa hai phần cách đoạn có độ dài khoảng 37 đơi bazơ, gọi đoạn dẫn đầu Cơ chế điều hịa âm tính • Sự đóng mở gen cấu trúc phụ thuộc vào protein điều hòa (protein ức chế), gen điều hịa I kiểm tra • Ở hệ lactose gen I nằm sát tổ chức operon có độ dài 1.045 đôi bazơ với vùng khởi động (P) dài khoảng 80 đôi bazơ Gen I hoạt động theo chế tự điều khiển • Khi protein điều hịa có tác động bao vây vùng O  ức chế mã gen cấu trúc • Khi mơi trường có mặt chất cảm ứng (inducer) (VD: đường lactose, isopropylthiogalactoside (IPTG)), tác động với protein điều hịa  protein điều hịa biến đổi cấu trúc khơng gian  hoạt tính bao vây vùng O  vùng O giải tịa Nhờ đó, hoạt động ARN- polymerase diễn điểm khởi động Kết gen cấu trúc mã Lac Repressor molecule 10 7/18/15 Sơ đồ hoạt động lac operon E.coli theo chế điều hòa cảm ứng âm tính Đột biến gen lac Kiểu hình đột biến lacI- Lac operon hoạt động liên tục operator không bị bao vây O- Lac operon hoạt động liên tục chất ức chế không bám vào operator P- Lac operon ngừng hoạt động ARN polymerase khơng thể bám vào ADN lacZ- Khơng có sản phẩm glucose hay galactose phân giải từ lactose lacY- Lactose không vận chuyển vào tế bào Các thể đột biến gen lac biểu kiểu hình chúng Điều hịa ức chế âm tính (negative, repressive MƠ HÌNH OPERON TRYPTOPHAN control) – operon sinh tổng hợp axit amin • Điều hoà hoạt động operon sinh tổng hợp axit amin diễn theo chế điều hồ âm tính Nhưng có khác biệt so với operon lac là: có tác động sản phẩm axit amin (hình thành nhiều tế bào) lên protein điều hồ, làm cho trở nên hoạt tính bao vây vùng O ức chế mã • Như vậy, axit amin có tác động 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 11 7/18/15 2.2.3 Một số chế điều hồ khác a) Điều hịa dƣơng tính (positive, inducible control) Cơ chế điều hồ: • Adenozinmonophotphat vịng (cAMP) tổng hợp tế bào vi khuẩn nhờ enzym adenylxyclase • Khi vi khuẩn sinh trưởng mơi trường chứa glucose, nồng độ cAMP tế bào thấp • Khi mơi trường chứa nguồn cacbon khác (lactose) nồng độ cAMP tăng • cAMP kết hợp với protein hoạt hoá trao đổi chất (Catabolite Activator Protein – CAP, protein mã hoá gen crp ) tạo thành phức hợp cAMP – CAP Sơ đồ điều hòa hoạt động Tryp operon theo chế điều hịa ức chế âm tính (điều hịa ngược – retro-inhibition) • Phức hợp liên kết với vùng A promotor gây hoạt hoá mã gen cấu trúc Sơ đồ chế điều hòa dƣơng tính lac operon • Tác động cAMP – CAP khơng phụ thuộc vào hệ gen điều hồ I operator, thể đột biến gen crp adenylxyclase không mã ARNm operon lac, đột biến lacI- hay Oc có mặt Như vậy, operon lac điều hồ cách độc lập theo chế dương tính âm tính • Cơ chế điều hồ dương tính quan sát thấy operon trình trao đổi chất, không gặp operon sinh tổng hợp 12 7/18/15 b) Cơ chế điều hoà phức hợp ara operon Là chế điều hoà operon tham gia vào q trình chuyển hố đường arabinose vi khuẩn, hoạt động theo chế điều hoà phức hợp, bao gồm điều hồ âm tính dương tính Cơ chế hoạt động: • Protein điều hồ (được mã từ gen điều hồ) có cấu trúc gồm hai tiểu phần • Khi mơi trường có mặt đường arabinose, chất tác động với protein điều hoà làm cho thay đổi cấu trúc khơng gian dẫn đến khả phong toả vùng điều hành, tức làm biến dạng đoạn ADN này, tạo điều kiện cho hoạt động ARN-polymerase • Song song với hoạt động trên, phức hợp cAMP – CAP liên • Protein điều hoà liên kết với hai vùng điều hành: kết với ADN yếu tố điều hoà dương tính, nhờ + vùng điều hành operon gắn ARN-polymerase vào điểm khởi động kích thích + vùng O2 gen điều hoà mạnh, để thực trình mã ba gen A, B D • Từ gây nên biến dạng đoạn ADN này, làm cho ARN- ara operon polymerase liên kết với điểm khởi động để tiến hành mã gen cấu trúc c Điều hoà theo chế mã bỏ dở tryptophan • Operon có đoạn ADN từ vùng O tới gen cấu trúc (140bp) - 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 MƠ HÌNH CẤU TRÚC ĐOẠN ADN DẪN ĐƢỜNG CỦA OPERON TRYPTOPHAN CƠ CHẾ SAO MÃ BỎ DỞ a) Khi tế bào có đủ Tryptophan • Q trình mã tiến hành từ đoạn dẫn đường nhờ ARNpolymerase • Khi tế bào có nhiều tryptophan, chúng ARNt đưa đến lắp ráp theo hai codon 10 11 trượt ribosome diễn bình thường  hồn thành tổng hợp chuỗi peptid dẫn đường • Chuyển động ARN-polymerase gặp đoạn attenuator gây tín hiệu kết thúc mã đoạn dẫn đường mã bị dừng Như vậy, mã gen cấu trúc không tiếp tục diễn tế bào có đủ tryptophan 13 7/18/15 b) Khi tế bào thiếu tryptophan: • Khơng có ARNt mang tryptophan tới ribosome để tiếp tục tổng hợp chuỗi peptid dẫn đường Hậu ribosome bị dừng lại codon tryptophan • Phần dẫn đường ARNm cuộn lại gây biến dạng cấu trúc uốn đặc trưng làm cho đoạn attenuator khơng thực chức dừng lại • Sự trượt enzyme ARN-polymerase tiếp tục diễn ra, dẫn tới hoàn tất mã gen cấu trúc operon Như vậy, enzyme tham gia vào trình sinh tổng hợp Sơ đồ điều hịa theo chế bỏ dở operon tryptophan a) Khi tế bào có axit amin tryptophan tryptophan tạo ra, tryptophan tích lũy với số lượng lớn tế bào 2.3 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA GEN SINH VẬT NHÂN CHUẨN (EUKARYOTE) 2.3.1 Cấu trúc exon – intron gen 1977, nhóm tác giả phịng thí nghiệm Cold Spring Harbor phát cấu trúc không 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 khơng tương ứng tồn mạch L- ADN mà xảy đoạn: đoạn dẫn dầu kéo dài đoạn ngắn Những đoạn “ dư ra” LADN tạo nên dải uốn Kết luận: để hình thành mARN tham gia vào dịch mã, b) Khi tế bào khơng có tryptophan đường cắt bỏ đoạn ARNm từ gen Cấu trúc gen gồm đoạn trơ khơng mang mã hóa (intron), chúng xen kẽ với đoạn mã hóa (exon) Cấu trúc cịn gọi cấu trúc khơng liên tục hay cấu trúc khảm gen Cấu trúc exon – intron - Số lượng intron dao động lớn, từ tới vài chục - Độ dài intron exon khác - Độ dài intron có biến động lớn - Các intron có tính chất ổn định vị trí gen gần giống loài, hay gen loại loài khác - Thành phần nucleotit intron ổn định, biến động nhiều tiến hóa Ảnh vi điện tử sơ đồ cấu trúc gen β- globin - Thành phần exon ổn định 14 7/18/15 2.3.2 Q trình thành thục hóa ARNm sơ cấp - Ở đa số gen, độ dài intron chiếm tỷ lệ lớn nhiều so với độ dài exon • - Các đột biến xảy vùng intron thường xuyên hơn, số đường ribose,kết tạo mũ 7- chúng khơng ảnh hưởng tới chức gen methylguanosinetriphosphate (m7Gppp) - Vùng giáp nối exon intron đặc trưng trật tự nucleotit (đoạn giáp nối): A(C)AG|GTA(G)AGT Đoạn có vai trò quan trọng cắt bỏ intron Đầu 5‟ ARNm xảy phản ứng tạo mũ (capping), phản ứng methyl hóa vị trí số guanozin vị trí • Đuôi polyA thêm vào đầu 3‟ phân tử ARNm, có vai trị đẩy ARNm qua lỗ màng nhân bào chất nối đoạn exon lại, có tên gọi trật tự tách ghép (trật tự splicing) Đột biến xảy vùng giáp nối dẫn tới khơng cắt intron, hay cắt sai, khơng thu ARNm thành thục để dịch mã • Sự tách ghép (splicing): + Ở hai đầu intron (gần sát điểm giáp nối) có hai nucleotit ổn định (5‟) GU… AC (3‟) (trật tự chuẩn) + Một số ARN nhỏ nhân (snARN) có chứa hai dinucleotit bổ sung với trình tự chuẩn intron Các snARN phối hợp với enzyme tách ghép tạo thành phức hợp có hoạt tính xúc tác tách ghép gọi ribonucleoprotein (snRNP) hay ribonucleaseP-snRNA + Có loại snARN: U1, U2, U4, U5, U6 tạo thành splicesome + Đoạn intron uốn lại hình vịng nhờ tương tác với snARN theo trật tự bổ sung + Enzyme tách ghép thực việc cắt bỏ intron nối exon Sơ đồ q trình thành thục hóa ARNm sơ cấp (pre - ARNm) 15 7/18/15 Branch site A Transesterification A nucleotide with a 5‟3‟ phosphodiester and a 5‟- 2‟ phosphodiester linkage Lariat structure The chemical reaction that characterizes splicing is transesterification Branch site Splice site Trans-splicing: When exons from two different original mRNAs are spliced together Splice site Branch site Branch-point binding protein an RNA-free protein Only apparent difference is the “Y” structure formed, rather than the „lariat‟ Examples - many trypanosome mRNAs; C elegans messages to attach 5‟ leader; Chlamydomonas psa gene in chloroplast 16 7/18/15 E - complex U1 replaced by U6 Assembly of splicesome is complete A - complex U4-U6 held together by base pairing of RNA components release U5 held in place by weaker protein-protein interactions “Tri-snRNP particle” C complex (U2 contacts U6 to form active site) transesterification reactions B - complex Spliced mRNA lariat Tự tách ghép (self-splicing) Là trình tách ghép ARNm sơ cấp xảy xúc tác Splicesomes may have evolved from Group II self-splicing introns phân tử ARNm mà khơng có tham gia protein-enzyme khác Phân tử ARN có hoạt tính xúc tác gọi ribozyme Splicesomemediated “Lariats” released Linear intron released 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 nảy sinh xảy theo nhiều cách, kết hình thành nhiều dạng ARNm thành thục khác nhau, gọi tách ghép nảy sinh • 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 17 7/18/15 SP VH Cμ1 Cμ2 Cμ3 Cμ4 Cμ5 Cμm 5’ 3’ ARNm sơ cấp chuỗi nặng Tế bào B Tế bào plasma SP VH Cμ1 Cμ2 Cμ3 Cμ4 Cμ5 AAAAA SP VH AAAAA Cμ1 Cμ2 Cμ3 Cμ4 Cμm Chuỗi nặng IgM5 Chuỗi nặng IgMm chuỗi nhẹ chuỗi nhẹ chuỗi nhẹ chuỗi nặng axit amin hydrophylic axit amin hydrophybic Hình 2.19 Sơ đồ tách ghép nảy sinh ARNm chuỗi nặng immunoglobin (IgM) b) Ý nghĩa cấu trúc exon - intron - Tạo đa dạng sản phẩm điều hồ biểu gen - Tính chất cấu trúc khơng liên tục, nhiều thành 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 VÀ ĐIỀU HÒA GEN Ở SINH VẬT NHÂN CHUẨN 2.4.1 Những yếu tố điều hòa operon đặc điểm chúng Promoter (vùng khởi động) • Là nơi ARN-polymerase gắn vào để tiến hành mã ARNm • Ở vùng khởi động thường quan sát thấy trật tự có thành phần bazơ kiểu TATAAT • Khi vùng khởi động bị bất hoạt hóa (do đột biến) mã bị đình trệ • Vùng khởi động gen ARN-polymerase III mã Enhancer (vùng tăng cường mã) thường nằm bên gen Ví dụ, gen ARNt promotor • M.L Brinstiel (1980) nghiên cứu gen histon tế bào cấu tạo từ hai khối phân cách đoạn khoảng 20 đôi bazơ, khối thứ cách điểm bắt đầu mã khoảng – 30 đơi bazơ • Vùng khởi động ARN-polymerase I nằm phía trước gen ARNr, chưa hoàn toàn xác định rõ vị trí, trứng ếch nhiều nghiên cứu sau thấy: Có đoạn ADN ngắn 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 thời, trật tự ADN vùng mang tính đặc trưng chúng có hoạt tính nằm khối thống chứa biến động mạnh loài 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 18 7/18/15 Silencer (vùng gây giảm mã) + 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 tính 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 chứa vài tâm trục 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 khơng mã hố (intron khoảng cách gen) Ở phận ADN nằm dải rác nhiều yếu tố tham gia vào điều hồ mã 2.4.2 Điều hịa mã - tương tác tác nhân Ở tế bào đích dạng hormone glucocorticoit, hệ thống điều hòa với enhancer vùng điều hòa khác gen tiếp nhận làm việc theo chế sau: Tác động hormone protein điều hòa + Khi chưa có hormone, protein tiếp nhận liên kết với Ở sinh vật nhân chuẩn bậc cao có nhiều chất hormone có tác dụng phân tử có tên Hsp90 tồn tế bào chất điều hòa hoạt động gen Những tế bào có chất hormone + Khi hormone glucocorticoit có mặt, protein tiếp nhận liên kết (ví dụ: nhóm steroid, nhóm glucocorticoit) tới tác động gọi tế bào đích + Protein tiếp nhận (R) phối hợp với hormone steroid (H) tạo thành phức hợp R - H, sau số biến đổi hình dạng protein, phức hợp vào nhân tế bào với đẩy Hsp90 + Phức hợp protein tiếp nhận - hormone vào nhân tế bào, liên kết với đoạn vùng tăng cường enhancer nằm khơng xa gen, đoạn có tên gọi yếu tố phản ứng + Trong nhân tế bào, phức hợp protein tiếp nhận - hormone liên kết với glucocorticoit (GRE) Sự liên kết vào vùng tăng với vùng điều hòa đặc trưng: enhancer, promotor gen cường có tác động kích thích promotor gen mà điều Từ gây hiệu kích thích mã khiển, kết mã tăng Cơ chế hoạt động vùng tăng cƣờng (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 19 7/18/15 - Giả thuyết 3: protein điều hoà liên kết với enhancer 2.5 TỔ CHỨC CÁC GEN Ở GENOM, HIỆN TƢỢNG KHUYẾCH ĐẠI GEN tiểu phần, tiểu phần liên kết với promotor hay với 2.5.1 Các gen đơn gia đình gen, ý nghĩa protein enhancer khác  gây hiệu mở, kích thích • Nếu gen tồn theo đơn bội NST mã ADN thuộc nhóm gen đơn - 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 Một số kiểu tổ chức gia đình gen: + Kiểu 1: gen lặp lại liên tục kế liền tiếp nhau: gen có cấu trúc giống nhau, mã hố cho sản phẩm giống lặp lại nhiều lần Gồm gen rARN , 5S ARN, gen histon… VD: gen histon nhím biển : số lặp lại (H1, H4, H2B, H3, H2A): 300 – 600 + Kiểu 2: thành viên gen nằm sát theo khối khu vực genom, khơng tạo nên đơn vị lặp lại đồng kiểu VD1: gen  - globin gồm thành viên, chiến khoảng 80000 đôi bazơ NST số 11 + Kiểu 3: thành viên không tạo thành khối nằm liền nhau, mà nằm phân tán rải rác genome Cơ chế: sau nhân gen, xảy trình chuyển đoạn gen chuyển tới chỗ Ví dụ: thành viên gen actin ruồi giấm 2.5.2 Hiện tƣợng khuyếch đại gen, ý nghĩa - Ở nhiều trường hợp số lượng gen tăng vọt nên so với số lặp có genom - tượng khuếch đại gen Ví dụ: Sự khuếch đại gen rARN tế bào nỗn cóc • 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 hố protein nguồn gốc giống 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 Kết luận: 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 2.6 CÁC YẾU TỐ DI TRUYỀN DI ĐỘNG TRONG GENOM 2.6.1 Khái niệm, phát yếu tố di truyền di động • Yếu tố di truyền di động (Transposalle genetic elemets, Xenopus lavis: số lượng gen rARN có genom khoảng TGE) B.Clintock (1947) phát nghiên cứu 600 bản, sau khuếch đại tăng lên 2.106 biến động di truyền ảnh hưởng tới đứt nhiễm sắc - Ở trình khuếch đại, gen rARN tách thể ngô khỏi NST tạo thành vịng nhỏ Các vịng tái • Đã phát yếu tố di động - locus Ds (yếu tố phân 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, tán), dễ xảy đứt nhiễm sắc thể Tuy nhiên, hoạt tính di động yếu tố Ds xuất genom có mặt yếu tố di động thứ 2, có tên gọi yếu tố hoạt hóa (ký hiệu Ac) xảy tác động yếu tố môi trường 20 7/18/15 THÍ NGHIỆM CỦA B.CLINTOCK + Sử dụng gen thị kiểm sốt tích tụ sắc tố aleurone (lớp ngồi nội nhũ hạt ngơ) Gen thị alen locus C 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 + 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 nội nhũ C1CC - hầu hết khơng màu, có đốm có màu biệt, xen vào số vị trí hệ gen, tạo nên Như vậy, alen C1 đơi khơng có mặt trọng phát triển nội nhũ, biến đổi di truyền Các biến đổi TGE rời dẫn tới dịng tế bào tổ chức có khả tạo thành sắc tố, khởi vị trí xen kiểu gen –CC, có phần nhỏ alen C1 – alen đứt gãy NST 2.6.2 Các yếu tố di truyền di động vi khuẩn, ý nghĩa • Ở vi khuẩn phát dạng đột biến đặc biệt có đặc điểm chung cạnh chúng có đoạn ADN xen vào Những đoạn ADN gọi đoạn xen - IS (insertion sequences) • Đặc điểm đoạn xen: + Hai đầu mút có trật tự bazơ giống hệt nhau, xếp ngược chiều nhau, có độ dài khoảng - 40 đôi bazơ + Hầu hết đoạn IS chứa gen kiểm tra enzyme transporase - kiểm tra di động chúng + Ở đoạn IS chứa điểm khởi đầu kết Sơ đồ diễn tả tác động yếu tố Ds Ac tới hoạt động locus C thúc dịch mã, chứa đoạn ADN gây tín hiệu kết thúc mã + Ở điểm xen đoạn IS nhiễm sắc thể (điểm đích), hai phía phát thấy hai trật tự lặp có độ lớn từ - đơi bazơ Đó q trình xen, điểm đích xảy đứt theo kiểu ziczac hai sợi chuỗi kép ADN Sau đoạn IS xen vào, xảy tổng hợp lấp chỗ trống, kết thu hai trật tự lặp hai phía đoạn xen Cấu trúc đoạn xen xen 21 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7/18/15 https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 2.6.2 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 đối tượng nghiên cứu điển nấm men, ruồi, ngơ… • Cơ chế xen: + Yếu tố di động (transposon) tách khỏi ADN cho để đến chỗ (ADN) nhận theo chế tái tổ hợp tương đồng hai trật tự lặp hai đầu + Xảy chế chép ngược (retrotransposon): ADN yếu tố di động thành ARN, từ đó, nhờ enzyme chép ngược tạo ADN nó, chuyển tới chỗ + Các yếu tố di động được tái (sự chuyển vị chép), di động chúng 22 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7/18/15 https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 2.6.4 Ý nghĩa yếu tố di truyền di động • Phát vị trí gen nghiên cứu NST nhờ yếu tố • Xuất số đột biến thuận nghịch kiểm di động (gen đột biến “đeo thẻ” nhờ yếu tố di soát yếu tố di động động) • Các yếu tố di động gây đứt NST- xếp lại đoạn NST, cải biến cấu trúc NST • Yếu tố di động vật trung gian tái tổ hợp ADN, có vai trị lắp ghép trên NST - ứng dụng chuyển nạp gen • Yếu tố di động cung cấp số thành phần điều hịagen 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 23