Nhóm – DH11SH TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA NÔNG NGHIỆP – TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN BÁO CÁO SINH HỌC PHÂN TỬ NHÓM – CHUYÊN ĐỀ SO SÁNH QUÁ TRÌNH SAO CHÉP, PHIÊN MÃ, DỊCH MÃ Ở PROKARYOTE VÀ EUKARYOTE I.Quá trình chép DNA Sự giống Sao chép DNA diễn theo kiểu bán bảo tồn dựa khuôn mẫu DNA mẹ Quá trình chép bắt đầu điểm khởi đầu (origin), từ điểm DNA sợi kép mở xoắn tạo cấu trúc hình vòng theo hai hướng ngược gọi chẻ ba chép Tại chẻ ba chép, xảy tổng hợp “đoạn mồi” (primer) theo hướng 5’-3’ RNA polymerase DNA polymerase xúc tác tổng hợp sợi theo chiều 5’3’ nên mạch khuôn có chiều 3’-5’ mạch tổng hợp liên tục, mạch khuôn có chiều 5’-3’ tổng hợp gián đoạn, hình thành nên đoạn Okasaki Về sau, đoạn mồi cắt bỏ chỗ trống thay DNA, đoạn Okasaki nối lại nhờ enzyme nối Nguyên liệu cho tổng hợp có loại ribonucleotide: A, T, G, C Đều dựa vào nguyên tắc bổ sung lắp ráp nucleotide khuôn mẫu mạch đơn DNA mẹ Kết qủa tạo phân tử DNA giống hệt DNA mẹ theo nguyên tắc bán bảo toàn Luôn có trình sửa sai nhờ hệ thống enzyme sửa sai rà soát phân tử ADN Sự khác 2.1 Ở Prokaryote Chỉ có đơn vị chép (replicon), nên có điểm khởi đầu chép Quá trình diễn biến điểm khởi đầu lúc hình thành chẻ ba chép hình dung theo giai đoạn sau: - Giai đoạn 1: protein dnaA chuẩn bị bám vào điểm khởi đầu - Giai đoạn 2: nhiều phân tử protein dnaA protein phụ khác tập trung bên điểm khởi đầu tạo cấu trúc nucleoprotein chuyên hóa khởi điểm (origin snup) - Giai đoạn 3: cấu trúc Origin snup làm mở xoắn vùng DNA điểm khởi đầu hình thành nên “phức hợp mở” Trang Nhóm – DH11SH Giai đoạn 4: enzyme helicase dnaB chui vào phức hợp mở kiện đòi hỏi phải có protein dnaC ATP Tại điểm khởi đầu diễn mở xoắn theo hai hướng hai phân tử dnaB chuyển đến hai chạc phức hợp mở Khi hai mạch đơn tách trì protein SSB Quá trình chép DNA Trong trình nhân đôi ADN có tham gia nhiều enzyme số enzyme quan trọng ADN polymerase (ADN pol – vai trò nhân sơ ADN pol III) Enzim ADN pol có đặc tính bổ sung mạch dựa đầu 3′-OH có sẵn Điều dẫn tới đặc điểm: - ADN pol tự tổng hợp mạch (Nhưng ARN pol không đòi hỏi yêu cầu này)=> cần đoạn mồi khoảng 10 Nu (thường ARN) – primer (enzim tổng hợp primase – loại ARN polymerase) Đoạn mồi có vai trò cung cấp đầu 3′-OH cho ADN pol tổng hợp mạch Sau đó, đoạn mồi này, thường, thay đoạn ADN tương ứng - ADN pol (III) tổng hợp mạch theo chiều 5′-3′ Do vậy, mạch khuôn chiều 3′-5′ tổng hợp liên tục; mạch 5′-3′ tổng hợp gián đoạn thành đoạn ADN ngắn khoảng 1000 Nu (gọi đoạn Okazaki) Để cho trình tái diễn phải có enzyme RNA polymerase DNA polymerase Các enzyme hoạt động theo chiều 5’-3’ mà phân tử DNA có hai mạch phân cực ngược 3’-5’ 5’-3’ Vì tổng hợp DNA hai mạch không giống nhau: mạch tổng hợp liên tục hay sợi sớm (leading strand), mạch tổng hợp gián đoạn hay sợi chậm (lagging strand) tạo nên đoạn Okasaki Trước tiên enzyme primase xúc tiến việc tổng hợp đoạn mồi hai mạch khuôn tạo đoạn RNA ngắn với đầu 3’-OH tự do, sau DNA polymerase gắn nucleotide vào để kéo dài sợi DNA Trên sợi sớm cần lần tổng hợp đoạn mồi Trên sợi chậm diễn nhiều lần tổng hợp đoạn mồi để tổng hợp đoạn Okasaki Khi đoạn Okasaki tổng hợp xong phân tử DNA polymerase tách phân tử DNA polymerase vào thực chức năng: cắt bỏ đoạn mồi RNA tổng hợp DNA thay chỗ đoạn mồi bị Khe hở lại hai đoạn Okasaki kế nối lại nhờ enzyme ligase Quá trình diễn cuối sợi DNA trở nên liên tục 2.2 Ở Eukaryote Sự chép eukaryote phức tạp so với prokaryote chế chép eukaryote tương tự prokaryote Tuy nhiên, có số điểm khác sau: - Trong prokaryote có điểm khởi đầu, chép eukaryote bắt đầu lúc nhiều điểm khởi đầu Điều cần thiết eukaryote có hệ gen lớn - Vận tốc phát triển chẻ ba chép eukaryote khoảng 50 nucleotide/s 1/10 so với E coli - Trang Nhóm – DH11SH - Ở, eukaryote hệ enzyme tham gia phức tạp so với prokaryote Hệ enzyme ADN polymerase có nhiều loại alpha, beta, gama… chế hoạt động phức tạp Tóm lại trình chép prokaryote erkaryote có khác bản: Prokaryote Toàn DNA có đơn vị chép Erkaryote Có nhiều đơn vị chép Các đoạn RNA mồi đoạn okazaki tổng hợp Dài Ngắn Thời gian chép Ngắn (ở E.coli 40 phút) Tốc độ chép Khoảng 1500 nuclêôtit/giây Dài (thường khoảng – 10 giờ), Khoảng 10 – 100 nuclêôtit/giây Nơi diễn chép Quá trình chép ADN nhân sơ diễn liên tục đồng thời với trình phiên mã dịch mã nhân Đơn vị chép Cơ chế kiểm soát Tế bào chế kiểm soát nghiêm ngặt trình chép DNA polymerase Có loại DNA polymerase (pol III) Quá trình chép diễn nhân tế bào Tế bào có chế kiểm soát nghiêm ngặt trình chép, điểm ori chép qua lần không lặp lại trước toàn DNA chép hoàn toàn Có tham gia loại DNA polymerase ( pol I, pol II, pol III) II.Quá trình phiên mã Khái niệm: Là trình truyền thông tin di truyền từ phân tử ADN mạch kép sang ARN mạch đơn Sự giống Diễn tác dụng enzyme DNA polymerase đặc trưng Vùng DNA chứa gen cần phiên mã phải mở xoắn cục sợi đơn (gọi sợi có nghĩa) dùng làm khuôn cho tổng hợp RNA Nguyên liệu cho tổng hợp có loại ribonucleotide: A, U, G, C Phản ứng trùng hợp RNA diễn theo nguyên tắc bổ sung sợi RNA kéo dài theo chiều 5’-3’ (ngược chiều sợi khuôn) Trang Nhóm – DH11SH Sự khởi đầu kết thúc phiên mã phụ thuộc vào tín hiệu trình tự DNA đặc thù nằm trước sau gen phiên mã Quá trình phiên mã gồm giai đoạn: khởi đầu, kéo dài, kết thúc Sản phẩm RNA sợi đơn Sự khác 2.1 Ở Prokaryote Tế bào prokaryote chứa loại RNA polymerase Enzyme cấu tạo yếu tố sigma lõi enzyme Nhân tố sigma giúp cho DNA pol nhận biết bám chặt vào promoter để bắc đầu phiên mã vị trí xác, lõi enzyme đóng vai trò tổng hợp RNA Promoter gen vi khuẩn nằm trước vị trí khởi đầu phiên mã Bằng cách phân tích trình tự DNA số lượng lớn gen vi khuẩn người ta nhận thấy có hai đoạn ngắn tương đối giống gen gen khác, đoạn gồm sáu nucleotide Đoạn thứ nằm cách vị trí khởi đầu khoảng 35 bp, biến đổi trình tự TTGACA.Đoạn thứ hai nằm cách vị trí khởi đầu khoảng 10 bp, biến đổi trình tự TATAAT Chúng gọi vùng 35 vùng10 Tín hiệu kết thúc trình tự DNA có vai trò thúc đẩy tách RNA polymerase khỏi DNA giải phóng chuỗi RNA tổng hợp Sao tổng hợp xong, RNA sử dụng trực tiếp cho trình dịch mã 2.2 Ở Eukaryote Tế bào eukaryote có đến ba loại RNA polymerase RNA polymerase I (pol I), RNA polymerase II (pol II), RNA polymerase III (pol III) Trong đó, RNA polymerase II đảm nhận việc phiên mã cho hầu hết gen, chủ yếu gen mã hóa cho protein RNA polymerase I phiên mã gen tiền thân rRNA lớn RNA polymerase III phiên mã gen tRNA, số gen RNA kích thước nhỏ nhân (small nuclear, snRNA) RNA 5S Các RNA polymerase eukaryote bao gồm nhiều tiểu đơn vị, có tiểu đơn vị tương ứng với tiểu đơn vị enzyme vi khuẩn Ở Eukaryote có hai loại gen cấu trúc: loại thứ gen (khoảng 10%) có đoạn mã hóa trình tự liên tục, loại thứ hai (khoảng 90%) gen có trình tự mã hóa không liên tục Đối với gen mà đoạn mã hóa liên tục sau tổng hợp sau tiền mRNA gia công thành mRNA hoàn chỉnh Đối với gen mà đoạn mã hóa không liên tục, bên gen tiền mRNA tương ứng chứa đoạn không mã hóa (intron), phân bố xen kẽ với đoạn mã hóa (exon) Về sau mRNA trải qua trình chế biến gia công tinh vi để tạo mRNA trưởng thành Cơ chế cắt bỏ intron nối exon: Quá trình thực phần lớn RNA Các phân tử RNA tương đối ngắn (dưới 200 nucleotide) gọi snRNA Có năm loại liên quan đến dạng cắt nối U1, U2, U4, U5 U6 Mỗi snRNA kết hợp với nhiều protein Trang Nhóm – DH11SH để hình thành snRNP Có ba trình tự nằm intron đóng vai trò quan trọng trình cắt nối là: vị trí cắt nối đầu 5’, vị trí phân nhánh trình tự giàu pyrimidine bao quanh nucleotide adenine gần đầu 3’, vị trí cắt nối đầu 3’ Đầu tiên, vị trí cắt nối đầu 5’ nhận dạng U1 snRNP bắt cặp base bổ sung Vị trí phân nhánh nhận dạng BBP (branch-point binding protein: protein gắn vị trí phân nhánh) U2AF U2 snRNP đến thay BBP (nhờ U2AF giúp đỡ) Sự bắt cặp base U2 snRNA vị trí phân nhánh làm thừa gốc A không bắt cặp sẵn sàng phản ứng với vị trí 5’ Sau U4 U6 snRNP U5 snRNP đến gắn với phức hợp Dạng U1 rời khỏi phức hợp U6 chỗ U1 vị trí cắt nối đầu 5’ U4 giải phóng để U6 tương tác với U2 Điều làm cho vị trí cắt nối đầu 5’ vị trí phân nhánh đặt kề tạo điều kiện cho phản ứng cắt nối xảy Nucleotide adenine đặc hiệu vị trí phân nhánh công cắt intron vị trí đầu 5’ Đồng thời có liên kết đồng hóa trị xảy A vị trí phân nhánh đầu 5’ intron tạo nên cấu trúc hình thòng lọng Đầu 3’ exon trước nối với đầu 5’ exon thòng lọng intron giải phóng Tóm lại trình phiên mã prokaryote erkaryote có khác bản: Prokaryote Erkaryote Số loại RAN pol (pol I, II, III) Tích hợp tín hiệu khởi đầu Ít Nhiều phiên mã Tạo qua bước: -sao chép thong tin từ mạch gốc Tạo mRNA Trực tiếp tạo từ mạch gốc tạo mRNA sơ khai trưởng thành theo nguyên tắc bổ sung -loại bỏ intron để tạo mRNA trưởng thành Có Không mRNA ribosome mRNA phiên mã hoàn Sự kết cặp phiên dùng để dịch mã kể chỉnh hoàn trước mã – dịch mã chúng chưa phiên mã xong dịch mã nhân, rời (ở nhân) nhân tế bào chất để dịch mả mRNA Polycistron Monocistron III.Quá trình dịch mã Sự giống Được thực tham gia ribosome loại RNA(mRNA, tRNA, rRNA) phiên mã tử khuôn DNA Xảy polyribosme, ribosome “đọc” mRNA theo hướng 5’- 3’ Sự tổng hợp từ đầu N đến đầu C protein Sản phẩm chuỗi polipeptit xác định, hình thành protein Sự khác 2.1 Ở Prokaryote Trang Nhóm – DH11SH Có yếu tố khởi đầu xúc tác cho tiểu đơn vị nhỏ việc hình thành phức hợp khởi đầu Đó IF1, IF2, IF3 Mỗi yếu tố khởi đầu có tác dụng sau: - IF1 giúp tiểu đơn vị nhỏ gắn vào mRNA ngăn cản tRNA gắn vào vùng thuộc vị trí A tiểu đơn vị nhỏ - IF2 protein gắn thủy phân GTP IF2 thúc đẩy liên kết fMettRNAi fMet tiểu đơn vị nhỏ, ngăn cản aminoacyl-tRNA khác đến gắn vào tiểu đơn vị nhỏ - IF3 ngăn cản tiểu đơn vị nhỏ tái liên kết với tiểu đơn vị lớn gắn với tRNA mang amino acid IF3 gắn vào tiểu đơn vị nhỏ vào cuối vòng dịch mã trước, giúp tách ribosome 70S thành tiểu đơn vị lớn tiểu đơn vị nhỏ Khi tiểu đơn vị nhỏ gắn ba yếu tố khởi đầu, gắn tRNA khởi đầu mRNA Sự gắn hai RNA hoàn toàn độc lập với Bước 1: Tiểu đơn vị nhỏ gắn vào codon khởi đầu Sự liên kết tiểu đơn vị nhỏ với mRNA thực thông qua bắt cặp base bổ sung vị trí gắn ribosome rRNA 16S Các mRNA vi khuẩn có trình tự nucleotide đặc hiệu gọi trình tự Shine-Dalgarno (SD) gồm 5-10 nucleotide trước codon khởi đầu Trình tự bổ sung với trình tự nucleotide gần đầu 3' rRNA 16S Tiểu đơn vị nhỏ đặt mRNA cho codon khởi đầu đặt vào vị trí P tiểu đơn vị lớn gắn vào phức hợp Bước 2: tRNA có mang methionine biến đổi đến gắn trực tiếp với tiểu đơn vị nhỏ Một tRNA đặc biệt gọi tRNA khởi đầu đến gắn trực tiếp với vị trí P (không qua vị trí A) tRNA có anticodon (bộ ba đối mã) bắt cặp với AUG GUG Tuy nhiên tRNA không mang methionine valine mà mang dạng biến đổi methionine gọi Nformyl methionine tRNA khởi đầu gọi fMet-tRNAi fMet Trong sau trình tổng hợp polypeptide, gốc formyl loại bỏ enzyme deformylase Ngoài ra, aminopeptidase loại bỏ methionine hai amino acid đầu chuỗi polypeptide Bước 3: Hình thành phức hợp khởi đầu 70S Bước gắn thêm tiểu đơn vị lớn để tạo thành phức hợp khởi đầu 70S diễn sau: codon khởi đầu fMettRNAi fMet bắt cặp với nhau, tiểu đơn vị nhỏ thay đổi hình dạng làm giải phóng IF3 Sự vắng mặt IF3 cho phép tiểu đơn vị lớn gắn vào tiểu đơn vị nhỏ mang thành phần Nhờ có tiểu đơn vị lớn gắn vào, hoạt tính GTPase IF2- Trang Nhóm – DH11SH GTP kích thích để thủy phân GTP IF2-GDP tạo thành có lực thấp ribosome tRNA khởi đầu dẫn đến giải phóng IF2-GDP IF1 Như phức hợp khởi đầu cuối tạo thành bao gồm ribosome 70S gắn codon khởi đầu mRNA, với fMet-tRNAi fMet vị trí P, vị trí A trống Phức hợp sẵn sàng tiếp nhận tRNA mang amino acid vào vị trí A để bắt đầu tổng hợp polypeptide 2.2 Ở Eukaryote Bước 1: Sự hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43S Giai đoạn khởi đầu đòi hỏi hỗ trợ 30 protein khác nhau, eukaryote có yếu tố khởi đầu tương ứng với prokaryote Các yếu tố khởi đầu ký hiệu eIF Khi ribosome eukaryote hoàn thành chu trình dịch mã, tách rời thành tiểu đơn vị lớn tiểu đơn vị nhỏ tự thông qua tác động yếu tố eIF3 eIF1A (tương tự với IF3 prokaryote) Hai protein gắn GTP eIF2 eIF5B làm trung gian thu hút tRNA khởi đầu gắn methionine (chứ N-formyl methionine prokaryote) đến tiểu đơn vị nhỏ Chính yếu tố eIF5B-GTP tương đồng với IF2-GTP prokaryote Yếu tố liên kết với tiểu đơn vị nhỏ theo phương thức phụ thuộc eIF1A Rồi eIF5B-GTP giúp thu hút phức hợp eIF2GTP MettRNAi Met đến tiểu đơn vị nhỏ Hai protein gắn GTP đưa Met tRNAi Met vào vùng thuộc vị trí P tiểu đơn vị nhỏ Kết quả, hình thành phức hợp tiền khởi đầu 43S Bước 2: Sự nhận dạng mũ 5’ mRNA Quá trình thực thông qua eIF4F Yếu tố có ba tiểu đơn vị, tiểu đơn vị gắn vào mũ 5', hai tiểu đơn vị khác gắn với RNA Phức hợp lại gắn với eIF4B làm hoạt hóa enzyme RNA helicase tiểu đơn vị eIF4F Helicase tháo xoắn tất cấu trúc bậc hai hình thành đầu tận mRNA Phức hợp eIF4F/B mRNA lại thu hút phức hợp tiền khởi đầu 43S đến thông qua tương tác eIF4F eIF3 Bước 3: Tiểu đơn vị nhỏ tìm thấy codon khởi đầu cách quét xuôi dòng từ đầu 5' mRNA hình thành phức hợp khởi đầu 80S Một gắn vào đầu 5' mRNA, tiểu đơn vị nhỏ yếu tố liên kết với di chuyển dọc theo mRNA theo hướng 5' → 3' gặp trình tự 5'-AUG-3' mà nhận dạng codon khởi đầu Được nhận dạng bắt cặp base bổ sung anticodon (bộ ba đối mã) tRNA khởi đầu codon khởi đầu Sự bắt cặp Trang Nhóm – DH11SH thúc đẩy phóng thích eIF2 eIF3 cho phép tiểu đơn vị lớn gắn vào tiểu đơn vị nhỏ Sự gắn dẫn đến phóng thích yếu tố khởi đầu lại thông qua thủy phân GTP tác dụng eIF5B Cuối cùng, Met-tRNAiMet đưa vào vị trí P phức hợp khởi đầu 80S Lúc này, ribosome tư sẵn sàng tiếp nhận aminoacyl-tRNA vào vị trí A Những yếu tố khởi đầu dịch mã giữ mRNA eukaryote dạng vòng Ngoài việc gắn vào đầu 5' mRNA, yếu tố khởi đầu lien kết chặt chẽ với đầu 3' thông qua đuôi poly(A) Điều thực tương tác eIF4F protein gắn poly(A) bọc bên đuôi poly(A) Việc tìm thấy yếu tố khởi đầu dịch mã có vai trò "vòng hóa" mRNA theo phương thức phụ thuộc đuôi poly(A) giải thích quan sát trước ribosome kết thúc dịch mã mRNA mà vòng hóa thông qua đuôi poly(A) ribosome phóng thích ribosome lý tưởng để tái khởi đầu dịch mã mRNA Tóm lại trình dịch mã prokaryote erkaryote có khác bản: Prokaryote Erkaryote Nhỏ (70S) gồm 50S Ribosome Lớn (80S) gồm 40S 60S 30S Axit amin formyl methionine Methionine mRNA mARN polycistron mARN monocistron phiên mã diễn nhân phiên mã, dịch mã xảy Nơi xảy dịch mã trước, dịch mã xảy tế bào lúc chất sau eIF1, eIF2, eIF3, eIF4, eIF5, Nhân tố khởi động IF1, IF2, IF3 eIF6 Trang ... trước mã – dịch mã chúng chưa phiên mã xong dịch mã nhân, rời (ở nhân) nhân tế bào chất để dịch mả mRNA Polycistron Monocistron III .Quá trình dịch mã Sự giống Được thực tham gia ribosome loại RNA(mRNA,... polycistron mARN monocistron phiên mã diễn nhân phiên mã, dịch mã xảy Nơi xảy dịch mã trước, dịch mã xảy tế bào lúc chất sau eIF1, eIF2, eIF3, eIF4, eIF5, Nhân tố khởi động IF1, IF2, IF3 eIF6 Trang... mRNA sơ khai trưởng thành theo nguyên tắc bổ sung -loại bỏ intron để tạo mRNA trưởng thành Có Không mRNA ribosome mRNA phiên mã hoàn Sự kết cặp phiên dùng để dịch mã kể chỉnh hoàn trước mã – dịch