223 Chương Đột biến gene, Tái tổ hợp Yếu tố Di truyền Vận động I Đột biến gene Đột biến gene biến đổi xảy bên cấu trúc gene Mỗi đột biến gene dẫn đến thay đổi trình tự nucleotide tạo allele khác 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 (spontaneous mutation) Các đột biến tự nhiên thường xuất Các kiểu đột biến gene Đột biến gene hay 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), Thực tế đột biến điểm làm giảm làm chức gene làm tăng cường chức gene Về nguồn gốc, đột biến điểm phân làm đột biến ngẫu phát (spontaneous) đột biến cảm ứng (induced) Đột biến cảm ứng: dạng đột biến xuất với tần số đột biến tăng lên xử lý có mục đích tác nhân đột biến tác nhân môi trường biết Đột biến ngẫu nhiên đột biến xuất xử lý tác nhân đột biến Đột biến ngẫu nhiên tính tỉ lệ sở đột biến dùng để ước chừng nguồn 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 cho phân tích di truyền Tác nhân đột biến sử dụng phổ biến nguồn chiếu xạ lượng cao (high-energy radiation) hóa chất đặc biệt Các dạng đột biến điểm: có hai dạng đột biến điểm phân tử DNA: + Đột biến thay cặp base (base substitution) + Đột biến thêm-bớt cặp base (base insertion - base deletion) Các đột biến phát sinh ảnh hưởng môi trường ảnh hưởng tác nhân gây đột biến 224 1.1 Đột biến thay cặp base Kiểu đột biến đơn giản thay base, cặp nucleotide gene thay cặp nucleotide khác Ví dụ: A thay G sợi DNA Sự thay tạo cặp base G-T Ở lần chép tạo cặp G-C phân tử DNA cặp A-T phân tử DNA Tương tự, đột biến thay A T sợi, tạo kết cặp tạm thời T-T Kết chép tạo T-A phân tử DNA A-T phân tử DNA Trong trường hợp hợp này, cặp base T-A đột biến cặp A-T không đột biến Nếu sợi gốc DNA khơng đột biến có trình tự 5'-GAC-3', sợi đột biến có trình tự 5'-GTC-3' sợi khơng đột biến có trình tự 5'-GAC-3' Đột biến thay cặp base chia làm hai loại: + Đột biến đồng hoán (transition mutations): Nếu đột biến mà base pyrimidine thay pyrimidine purine thay purine Đột biến đồng hốn là: T → C C → T (Pyrimidine → pyrimidine) A → G G → A (purine → purine) Đột biến đảo hoán (Transversion): Đột biến làm thay pyrimidine thành purine hay purine thay pyrimidine Các đột biến đảo hoán: T → A, T → G, C → A C → G (Pyrimidine → purine) A → T, A → C, G → T G → C (Purine → pyrimidine) Như có thay kiểu đột biến đồng hốn có đến thay kiểu đột biến đảo hoán Nếu thay xảy với ngẫu nhiên xác suất nhau, có tỷ lệ đột biến: đồng hoán : đảo hoán Tuy nhiên thực tế, đột biến thay base có xu hướng nghiêng đột biến đồng hoán, số đột biến thay base tự phát tỷ lệ xảy đột biến là: đồng hoán : đảo hoán 1.2 Đột biến thêm bớt base (base-pair addition/deletion), gọi indel mutation (insertion-deletion) Trường hợp đơn giản đột biến 225 thêm cặp base đơn Đôi đột biến làm thêm đồng thời nhiều cặp base Hậu đột biến điểm đến cấu trúc biểu gene Đột biến điểm xuất vùng mã hóa chuỗi polypeptide gene (a polypetide-coding part of a gene), chẳng hạn đột biến thay base đơn gây nhiều hậu quả, tất có tác động lên mã di truyền theo hướng: làm thối hóa mã di truyền xuất mã kết thúc q trình dịch mã Có dạng: Đột biến đồng nghĩa (synonymous mutations): đột biến thay đổi codon mã hóa acid amine thành codon mã hóa cho acid amin Đột biến đồng nghĩa xem đột biến im lặng (silent mutations) Đột biến nhầm nghĩa (missense mutations), đơi cịn gọi đột biến khơng đồng nghĩa (nonsynonymous mutations): codon mã hóa cho acid amin bị thay đổi thành codon mã hóa cho acid amin khác Đột biến vơ nghĩa (nonsense mutations): codon mã hóa cho acid amin bị thay đổi thành codon kết thúc dịch mã (translation termination/stop codon) Mức độ ảnh hưởng đột biến nhầm nghĩa vô nghĩa lên chuỗi polypeptide khác tùy trường hợp Nếu đột biến nhầm nghĩa thay acid amin acid amin khác tương tự mặt hóa học, xem đột biến thay bảo thủ (conservative substitution) Sự thay đổi ảnh hưởng đến cấu trúc chức protein Ngược lại, thay acid amin khác phương diện hóa học gọi nonconservative substitution, hầu hết gây thay đổi lớn cấu trúc chức protein Đột biến vô nghĩa dẫn đến kết thúc dịch mã sớm Vì chúng gây hậu tương ứng chức protein Nếu đột biến vô nghĩa xảy gần đầu 3' khung đọc mã, kết ảnh hưởng đến protein Tuy nhiên nhiều đột biến vô nghĩa vùng tạo sản phẩm hồn tồn bị hoạt tính 226 Bảng 8.1 Đột biến điểm mức độ phân tử Kiểu đột biến • Ở mức độ DNA Đồng hốn Kết ví dụ Purine thay purine khác, pyrimidine thay pyrimidine khác: AT → GC, GC → AT, CG → TA, TA → CG Đảo hoán Purrin thay pyrimidine pyrimidine thay purine: AT→ CG, AT→ TA, GC→TA, GC→CG TA→GC, TA → AT, CG→ AT, CG→GC Thêm/Mất (Insertion-deletion) Thêm vào cặp base DNA (thêm/mất base gạch dưới) AAGACTCCT → AAGAGCTCCT AAGACTCCT → AAACTCCT • Ở mức độ protein Đột biến đồng nghĩa Codon đặc biệt mã hoá cho acid amin: Đột biến nhầm nghĩa Loại bảo thủ Codon tạo thành mã hoá cho amino acid khác Mã hố cho acid amin có chất hố học: Loại khơng bảo thủ AAA → AGA Lys Arg (kiềm) (kiềm) Mã hoá cho amino acid khác chất hoá học: UUU → UCU Phenylalanin Serine Kỵ nước Phân cực Đột biến vô nghĩa Codon kết thúc chuỗi: Đột biến dịch khung Thêm vào cặp base: AAG ACT CCT → AAG AGC TCC T Mất cặp base: AGG → CGG Arg Arg CAG → UAG Gln Stop AAG ACT CCT → AAA CTC CT 227 Gene kiểu dại Đột biến thay base Đột biến dịch khung Protein điều hịa khơng thể bám Điểm đột biến trình tự khơng mã hóa Hình 8.1 Hậu đột biến điểm gene Codon 1-4 nằm vùng mã hóa gene Giống với đột biến vô nghĩa, đột biến thêm bớt base gây hậu trình tự polypetide kể từ điểm bị đột biến (Hình 8.1) Trình tự mRNA đọc theo khung gồm ba base (codon) lúc Mất thêm base làm thay đổi khung đọc trình dịch mã từ điểm bị đột biến kết thúc theo khung Vì loại đột biến gọi đột biến dịch khung (frameshift mutations) Đột biến tạo trình tự acid amin kể từ điểm bị đột biến kết thúc khác với trình tự acid amin gốc Đột biến dịch khung gây hồn tốn cấu trúc chức protein bình thường Trường hợp đột biến xảy trình tự điều hịa trình tự khơng mã hóa khác (Hình 8.1) Những phần gene khơng trực tiếp mã hóa cho protein mà chứa nhiều điểm bám DNA chủ yếu cho protein xen vào, trình tự khơng nhạy cảm cho biểu gene cho hoạt tính gene 228 Ở mức độ DNA, điểm (docking) gồm điểm mà RNA polymerase nhân tố gắn kết bám vào, điểm mà protein điều hòa phiên mã đặc trưng gắn vào Ở mức độ RNA, docking quan trọng thêm vào gồm điểm bám ribosom (ribosome-binding site) mRNA vi khuẩn, điểm nối đầu 5' 3' để gắn exon eukaryote điểm có vai trị cho điều hịa dịch mã định vị mRNA đến vùng đặc biệt tế bào Nhìn chung hậu chức đột biến điểm vùng phụ thuộc vào việc làm gián đoạn (hoặc tạo ra) điểm bám Đột biến làm gián đoạn điểm có khả làm thay đổi phần biểu gene dựa vào thay đổi số lượng sản phẩm biểu thời điểm định mô định hay thay đổi phản ứng với tín hiệu (cue) mơi trường định Ngược lại, đột biến vài điểm bám hồn tồn phá hủy giai đoạn càn cho biểu bình thường gene, điểm bám mRNA polymerase nhân tố splicing Vì làm bất hoạt sản phẩm gene ngăn cản hình thành sản phẩm Cần phân biệt thay đổi xảy đột biến gene thay đổi trình tự DNA gene với thay đổi mức độ kiểu hình Nhiều đột biến điểm triình tự khơng mã hóa làm thay đổi khơng thay đổi kiểu đột biến điểm bám DNA cho protein điều hòa thay đổi điểm khác gene làm thay đổi chức chúng Các tác nhân gây đột biến gene 2.1 Các tác nhân gây đột biến vật lý - Phóng xạ ion hóa: tia phóng xạ α, β, γ tia X, chùm tia neutron proton làm bắn điện tử gây ion hóa biến đổi DNA - Phóng xạ khơng ion hóa: tia tử ngoại (UV) nhiệt làm tăng mức lượng nguyên tử Tia tử ngoại thường tạo dimer thymine gắn hai thymine kề mạch 2.2 Các tác nhân gây đột biến hóa học - Tạo sai hỏng chép: chất đồng đẳng base (bromouracil, 2-amino purine…) gắn vào sai chép có chúng Các chất màu acridine gắn vào base mạch xoắn kép làm hay thêm vào base - Tác động trực tiếp lên gene khơng có chép gây đột biến điểm hay biến đổi A-T → G-C G-C → A-T Cơ chế phân tử đột biến gene 229 Khi kiểm tra dãy đột biến gây tạo bới tác nhân đột biến khác cho thấy tác nhân đột biến đặc trưng đặc tính đột biến khác hay "preference" dạng đột biến định điểm đột biến định, gọi điểm dễ xảy đột biến (mutational hot spots) Đặc tính đột biến ý lần locus rII bacteriophage T4 Tác nhân đột biến hoạt động qua ba chế khác nhau: chúng làm thay base DNA; làm biến đổi base gây kết cặp nhầm với base khác; làm sai hỏng base, dẫn đến kết cặp với base điều kiện bình thường Đột biến thay base: vài hợp chất hóa học tương tự nitrogen base bình thường DNA, đơi chúng gắn vào DNA thay cho base bình thường Những chất gọi chất tương đương với base (base analogs) Các chất tương đương kết cặp không kết cặp base bình thường Vì chúng gây đột biến gắn vào nucleotide không trình chép Dạng keto phổ biến 5BU Adenine Dạng keto phổ biến 5BU Dạng enol 5BU Hình 8.2 Chứng minh vài kết cặp nhầm xảy kết thay đổi tautomer thành tautomer khác Để hiểu hoạt động chất tương đương base, trước hết cần phải xem xét khuynh hướng tự nhiên base hình thành dạng khác Mỗi base phân tử DNA xuất số nhiều dạng gọi tautomers, chúng đồng phân khác vị trí vị trí nguyên tử liên kết nguyên tử Dạng keto base thường có DNA (Hình 8.2), dạng imino enol base Tautomer imino enol kết cặp sai với base tạo kết cặp nhầm (mispair) Khả kết cặp nhầm gây đột biến trình chép ý Watson Crick tác giả nghiên cứu cơng thức mơ hình cấu trúc DNA 230 Sự kết cặp nhầm sinh ngẫu nhiên, sinh base bị ion hóa Tác nhân gây đột biến 5-bromouracil (5-BrU) chất tương đương với thymine, có brome vị trí carbon số thay cho nhóm CH3 thymine Hoạt tính dựa q tình inolization ionization Ở dạng keto, 5-BrU kết cặp với adenin trường hợp thymine Tuy nhiên, có mặt nguyên tử bromine làm thay đổi cách có ý nghĩa phân bố electron vịng base Vì 5-BrU chuyển sang dạng enol dạng ion, kết cặp với guanine trường hợp cytosine tạo cặp 5-BrU-G Trong lần nhân đôi G kết cặp với C, tạo cặp G-C thay cho cặp A-T Kết gây đột biến đồng hoán Tương tự 5-BrU gây đột biến đồng hốn A-T thay cho cặp G-C Một hóa chất gây đột biến khác 2-amino-purine (2-AP), hóa chất tương đương adenine, kết cặp với thymine Khi bị proton hóa, 2-AP kết cặp nhầm với cytosine, gây hệ sau đột biến đồng hoán G-C thay cho A-T kết cặp nhầm với cytosine lần chép - Thay base (base alteration) Một vài tác nhân đột biến không gắn vào DNA, mà lại làm biến đổi base gây kết cặp sai Tác nhân alkyl sử dụng phổ biến tác nhân đột biến, chẳng hạn ethylmethanesulfonate (EMS) nitrosoguanidine (NG) gây đột biến theo cách Những tác nhân thêm nhóm alkyl (nhóm ethyl trường hợp EMS nhóm methyl trường hợp NG) nhiều vị trí base Tuy nhiên, đột biến xảy nhóm alkyl thêm vào oxy số guanine tạo O-6-alkylguanine Sự alkyl hóa dẫn đến kết cặp nhầm với thymine (Hình 8.3) Kết sinh đột biến đồng hoán G-C→A-T lần chép Tác nhân xen vào (intercalating agents) nhóm tác nhân quan khác gây biến đổi DNA Nhóm hợp chất bao gồm proflavin, acridin cam nhóm hợp chất hóa học khác Các tác nhân nhóm phân tử bắt chước cặp base xen vào base nitơ lõi chuỗi xoắn kép DNA Ở vị trí xen vào chúng gây thêm vào cặp nucleotide - Sai hỏng base Một số lớn tác nhân đột biến gây sai hỏng nhiều base Vì kết cặp với base đặc trưng Kết làm cản trở chép DNA polymerase khơng thể tiếp tục trình tổng hợp DNA qua 231 base sai hỏng Ở E.coli trình xảy địi hỏi hoạt tính hệ thống SOS Hệ thống kích thích phản ứng khẩn cấp ngăn cản chết tế bào DNA bị sai hỏng nặng Hình 8.3 Sự kết cặp nhầm chuyên biệt đột biến cảm ứng alkyl hoá * Cơ chế đột biến ngẫu nhiên Đột biến ngẫu nhiên xảy nhiều nguyên nhân: gồm sai hỏng trình chép DNA, tổn thương ngẫu nhiên, chen vào yếu tố di động Đột biến ngẫu nhiên nên khó xác định chế Tuy nhiên, vài hệ thống chọn lọc cho phép thu đột biến ngẫu nhiên phân tích mức độ phân tử Từ chất thay đổi trình tự suy q trình dẫn đến đột biến ngẫu nhiên Những sai hỏng ngẫu nhiên (spontaneous lesions) đến DNA sinh đột biến Hai tổn thương ngẫu nhiên thường xuất nhất: depurine hố deamin hố, depurine hố phổ biến Depurination tác dụng aflatoxin, làm base purine Ngồi ra, q trình purine xảy cách tự nhiên Một tế bào động vật ngẫu nhiên khoảng 10.000 purine DNA hệ tế bào khoảng 20 37oC Nếu tổn thương giữ lại, dẫn đến sai hỏng di truyền đáng kể trình chép, vị trí purine khơng thể định rõ loại base Trong điều kiện định base chèn vào tạo đột biến 232 Deamination cytosine tạo uracil Uracil kết cặp với adenin trình chép, kết tạo đột biến đồng hoán G-C→ A-T Deamination 5-methylcytosine tạo thymine (Hình 8.4) Quá trình chép tạo đột biến đồng hốn chuyển C thành T Hình 8.4 Deamination Cytosine (a) 5-methylcytosine Ngoài trình gây sai hỏng trên, oxy hóa tạo base bị sai hỏng dạng tổn thương thứ ba Dạng oxygen hoạt động gốc superoxid (O2-), hydrogen peroxide (H2O2) gốc hydroxyl (-OH) tạo sản phẩm q trình chuyển hóa (aerobic metabolism) Các dạng gây tổn thương oxy hóa đến DNA, kết tạo đột biến Các sai hỏng chép DNA nguồn đột biến khác - Thay base: sai hỏng chép DNA xảy có cặp nucleotide ghép khơng xác (như A-C) tạo q trình tổng hợp DNA dẫn đến thay base - Đột biến thêm vào base: Một loại sai hỏng chép khác dẫn đến thêm vào đị cặp base Trong trường hợp số base thêm vào không chia hết cho 3, tạo đột biến dịch khung vùng mã hóa protein II Sửa chữa bảo vệ DNA * Cơ chế sửa sai sinh học Tế bào sống có hàng loạt hệ thống sai hỏng DNA theo nhiều cách 233 khác Tỷ lệ đột biến tự nhiên thấp nhờ tính hiệu hệ thống sửa sai Sai hỏng hệ thống sửa sai dẫn đến tỷ lệ đột biến cao • Quang phục hoạt (photoreactivation) hay sửa sai nhờ ánh sáng (light repair) Bộ khung DNA Ánh sáng trắng Tia cực tím Hình 8.5 Sự tạo thành loại bỏ dimer thymine Sau xử lý tia tử ngoại gây đột biến, đưa ánh sáng phần lớn sai hỏng phục hồi nhờ enzyme photolyase Enzyme gắn vào photodimer cắt thành monomer tác dụng ánh sáng mặt trời có bước sóng 320-370 nm Sau phục hồi base ban đầu (Hình 8.5) • Sửa sai làm nhóm alkyl (dealkylation) Enzyme alkyltransferasecos thể sửa trực tiếp sai hỏng Chúng cắt nhóm alkyl từ chất nitrosoguanine ethylmethnesulfonate gắn vào vị trí O-6 guanine Enzyme methyltransferase E coli có khả chuyển nhóm methyl từ chất O-6 methylguanine sang gốc cistein phân tử protein Tuy nhiên hệ thống sửa sai bảo hịa mức độ alkyl hóa đủ cao • Sửa sai cắt bỏ (excision repair pathway) Phần lớn chế sửa sai khác thực theo lối cắt bỏ (excistion repair) khơng cần ánh sáng nhờ nuclease, sau thay vào base Có thể xảy theo nhiều cách: 234 - Cắt base (base excision repair) uvrABC exonuclease cắt bỏ đoạn DNA 12 nucleotide DNA polymerase I tổng hợp đoạn DNA Ligase nối chổ hở Hình 8.6 Sửa sai cắt bỏ nucleotide Sự cắt bỏ base sai hỏng nhờ enzyme DNA glycosylase Các enzyme nhận biết base bị biến đổi điểm purine hay pyrimidine thủy giải liên kết N-glycosilic nối base với đường Rồi enzyme AP endonuclease cắt liên kết đường phosphate gần base bị biến đổi Sau enzyme thứ ba, deoxyribophosphodiesterase loại bỏ nucleotide đoạn bị hỏng Sau đó, DNA polymerase lấp đầy khoảng trống với nucleotide bổ sung với sợi khn cịn lại Enzyme DNA ligase gắn khe hở đầu 3'-5' (Hình 8.6).Trong tế bào tồn số DNA glycosylase Chẳng hạn, enzyme uracil-DNA glycosylase cắt uracil khỏi DNA Uracil tạo thành đột biến nhóm amin ngẫu nhiên cytosine, dẫn đến đột biến đồng hoán thay C T Enzyme phát uracil DNA bất thường, chúng cắt bỏ sửa sai - Cắt nucleotide: Sự cắt bỏ vùng có nhiều pyrimidine dimer thực nhờ enzyme exonuclease (enzyme rạch mạch hay enzyme tạo khấc DNA) phức hợp enzyme mã hóa bới gene uvr ABC E coli Phức hợp cắt đoạn 12 nucleotide mạch: nucleotide từ đầu bị sai hỏng nucleotide đầu lại Khoảng trống 12 nucleotide lấp đầy nhờ enzyme DNA polymerase I dựa vào mạch đơn bổ sung trình tự DNA gốc DNA ligase gắn vào khe hở 235 - Đọc sửa base bắt cặp sai Cơ chế đọc sửa base bắt cặp sai (proofreading for basepair matching) thực chép DNA Trong trình chép, trước thực phản ứng polymer hóa nối nucleotide, nucleotide triphotphate phải bắt cặp bổ sung với mạch khuôn Nếu bắt cặp sai xảy ra, DNA polymerase loại bỏ nucleotide bắt cặp sai Ngay trước nucleotide ráp vào, enzyme dị lại cặp base cuối, chúng khơng bắt cặp polymer hóa bị dừng Cặp nucleotide đầu cuối 3' bắt cặp sai bị loại bỏ nhờ hoạt tính exonuclease3'→5' DNA polymerase Khi bắt cặp đúng, q trình polymer hóa tiếp tục Hoạt tính đọc sửa base bắt cặp sai đặc tính nhiều DNA polymerase đảm bảo cho kéo dài xác mạch đạng tổng hợp + 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 mạch đơn DNA để phục hồi đoạn sai hỏng trở lại trạng thái bình thường ban đầu 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 nguyên tắc chép DNA bảo đảm sửa sai hoàn thành với độ xác cao - giải phóng sai hỏng (error-free) Có hệ thống chủ yếu để loại bỏ sai hỏng: Hệ thống sửa chữa sai hỏng phát trước chép hệ thống sửa chửa sai hỏng phát trình diễn biến chép (sửa sai sau chép) + Sửa sai đứt mạch kép (repair of double-strand break) Khi sợi chỗi xoắn kép bị đứt vị trí, gọi đột biến đứt mạch đơi, gây sai hình nhiễm sắc thể, làm chết tế bào tạo trạng thái tiến ung thư Tế bào sử dụng nhiều protein đường sửa sai đứt gãy mạch đôi thực tái tổ hợp giảm phân Quá trình sửa chữa trao đổi chéo giảm phân xảy sau (Hình 8.7): Trên nhiễm sắc thể xảy đứt mạch đơi kết ăn mịn đầu mút đoạn ngắn DNA sợi đơn Đầu 3' sợi "xâm lấn" vào chromatid 236 chromatid a Chuỗi DNA xoắn kép chromatid A Chuỗi DNA xoắn kép đầu 3’ Sự bẻ gãy sợi đôi cắt đầu cuối Sự bẻ gãy, xâm lấn tạo vòng Sự di chuyển vòng tổng hợp Cấu trúc Holliday Lấp đầy khoảng trống liên kết đầu tự Heteroduplex với chỗ ghép nhầm Bẻ gãy nối đầu với đầu Sửa chữa A Bẻ gãy nối đầu với đầu Sửa chữa A Kết không trao đổi chéo Trao đổi chéo kép hoàn toàn Đây Đây Nếu không sửa chữa octad 6:2 octad 6:2 A/a tạo octad 5:3 Hình 8.7 Mơ hình bẻ gãy sợi đơi nhờ trao đổi chéo 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 khơng xâm lấn Vì tạo vùng dị hợp tử nhỏ "Aa" sử dụng mạch khuôn để khôi phục base bị sợi DNA polymerase lấp đầy chỗ trống enzyme ligase nối đầu mút xảy cấu trúc đặc biệt giống với trao đổi chéo sợi đơn Cấu trúc chứa đoạn bắt cặp không tương đồng đơn giản Trao đổi chéo sợi đơn gọi cấu trúc Holliday (Holliday structure) Holliday phát vào năm 1960 • Hệ thống SOS 237 Ở tế bào vi khuẩn tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng chiếu tia uv, tia X tác dụng hóa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp khởi động Ở E coli, hệ thống có liên quan với hai protein mã hóa gene lexA recA Protein lexA chất ức chế, gắn vào hộp 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 hóa enzyme protease recA Protein recA bị hoạt hóa cắt bỏ protein lexA, cho phép gene hệ thống SOS phiên mã Phản ứng hệ thống SOS xảy thời gian ngắn phức tạp Nó bao gồm q 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 sấp (error-prone replication) Tế bào xảy chép DNA nhanh bình thường Nếu sửa sai khơng kịp, tế bào phải chấp nhận bị đột biến bị chết III Các yếu tố di truyền vận động (Transposable genetic elements) Các yếu tố di truyền vận động prokaryote Trình tự đoạn xen (insertion sequence) vi khuẩn Trình tự xen đoạn đoạn DNA vi khuẩn di chuyển từ vị trí nhiễm sắc thể đến vị trí nhiễm sắc thể nhiễm sắc thể khác Khi xen vào gene, yếu tố IS làm gián đoạn trình tự mã hóa làm bất hoạt biểu gene Một số trường hợp, có tín hiệu kết thúc phiên mã dịch mã, yếu tố IS làm cản trở biểu sau promotor operon Yếu tố IS tìm thấy operon gal E coli, chia làm bốn nhóm: IS1, IS2, IS3 IS4 Chúng phân bố rãi rác nhiễm sắc thể vi khuẩn plasmid Ví dụ yếu tố IS1 có khoảng 5-8 nhiễm sắc thể với chiều dài 768 bp Tất yếu tố IS chứa đoạn DNA mã hóa cho protein, gọi transposase, enzyme cần thiết cho di chuyển yếu tố IS từ vị trí nhiễm sắc thể đến vị trí khác Đoạn gene nằm đoạn lặp lại đảo ngược (inverted repeat - IR) ngắn Ví dụ yếu tố IS1 có khoảng 5-8 nhiễm sắc thể với chiều dài 768 bp, đoạn lặp lại đảo ngược có kích thước 18-23 bp, yếu tố IS2 có yếu tố IS khác Yếu tố IS vùng trình tự xác định, chúng vị trí xảy trao đổi chéo Ví dụ: Sự tái tổ hợp plasmid nhiễm sắc thể E coli tạo chủng Hfr xảy qua trao đổi chéo đơn yếu tố IS plasmid yếu tố IS nhiễm sắc thể 238 Bảng 8.2 Một vài trình tự xen vào kích thước chúng Trình tự xen vào Số E coli Chiều dài (bp) Đoạn lặp lại đảo ngược (bp) IS1 5-8 nhiễm sắc thể 768 18-23 IS2 nhiễm sắc thể, plasmid 1327 32-41 IS3 nhiễm sắc thể, plasmid 1400 32-38 IS4 1-2 nhiễm sắc thể, 1400 16-18 IS5 Chưa biết 1250 Ngắn 1.1 Gene nhảy prokaryote Các yếu tố IS riêng lẻ khơng có khả tự di chuyển mà hai yếu tố nằm đủ gần chúng vận động đơn vị hoàn chỉnh mang theo gene nằm chúng Cấu trúc phức tạp gọi transposon Có hai kiểu transposon vi khuẩn: (a) Transposon hỗn hợp (b) Transposon đơn giản Hình 8.8 Đặc trưng cấu trúc transposon hỗn hợp (composite transposon) transposon đơn giản (simple transposon) Transposon hỗn hợp (composite transposon) chứa nhiều gene nằm trình tự IS gần nhau, có hướng ngược tạo trình tự lặp lại đảo ngược (inverted repeat = IR) Một yếu tố IS mã hóa cho transposase xúc tác cho chuyển vị transposon Chẳng hạn Tn10 transposon hỗn hợp mang gene mã hóa cho tính kháng kháng sinh tetracyline Gene nằm hai yếu tố IS10 có hướng ngược 239 Transposon đơn giản (simple transposon) trình tự IR, trình tự ngắn (