ACID NUCLEIC – VẬT LIỆU DI TRUYỀN
Cấu tạo
Each nucleotide consists of three main components: a phosphate group, a ribose sugar molecule, and a nitrogenous base The nitrogenous base can be classified as either a pyrimidine (which includes Cytosine, Thymine, and Uracil) or a purine (which includes Adenine and Guanine).
Các nucleotide liên kết với nhau theo trình tự từ đầu 5’ của phân tử đường ribose đến nhóm phosphate của nucleotide tiếp theo thông qua liên kết phosphodieste Sự ghép nối không đối xứng này đã hình thành cấu trúc xoắn của acid nucleic.
Dạng phổ biến nhất của acid nucleotide làm vật liệu di truyền là DNA Ở sinh vật nhân sơ, DNA thường kết hợp với protein trong vùng tế bào chất gọi là vùng nhân, trong khi ở sinh vật nhân thực, DNA kết hợp với protein để tạo thành cấu trúc nhiễm sắc thể trong nhân tế bào Sự kết hợp này giúp thu gọn kích thước của DNA và tăng cường tính chính xác trong hoạt động của nó.
DNA được hình thành từ hai mạch polynucleotide song song, liên kết với nhau thông qua các liên kết hydro Các liên kết này tuân theo nguyên tắc bổ sung giữa các base nitrogen, đảm bảo tính chính xác trong cấu trúc của DNA.
Adenine liên kết với Thymine bằng 2 liên kết hydro; Guanine liên kết với Cytosine bằng 3 liên kết hydro
Trình tự nucleotide trên DNA tạo ra sự đa dạng cho DNA, là yếu tố quan trọng nhất trong di truyền, giúp duy trì đặc tính loài và các tính trạng được truyền lại qua các thế hệ sinh vật.
Quá trình truyền thông tin của DNA diễn ra thông qua tái bản DNA, từ đó tổng hợp protein được thực hiện qua hai giai đoạn chính: phiên mã (tổng hợp RNA) và dịch mã.
DNA có thể có 3 dạng xoắn: dạng A; dạng B và dạng Z
Hai mạch đơn xoắn đôi vào nhau tạo thành bộ khung cho DNA, tạo ra những khoảng trống giữa hai mạch gọi là các rãnh Các rãnh này nằm liền kề với các cặp base và có thể hình thành điểm bám Do hai mạch đơn không đối xứng nhau, các rãnh có kích thước không đều, trong đó rãnh lớn rộng 22 Å và rãnh nhỏ rộng 12 Å Độ rộng của rãnh giúp các cạnh của base trở nên dễ tiếp cận hơn trong rãnh lớn so với rãnh nhỏ, dẫn đến các protein của nhân tố phiên mã thường liên kết với các đoạn trình tự cụ thể trong chuỗi xoắn kép DNA bằng cách tiếp xúc với các cạnh của base ở rãnh lớn.
Chức năng
DNA là nền tảng của sự sống trên Trái đất, tồn tại trong mọi sinh vật Chức năng chính của DNA là lưu giữ thông tin di truyền cần thiết cho sự phát triển, hoạt động và sinh sản của mỗi sinh vật Nó có thể được xem như là hướng dẫn sinh học có mặt trong từng tế bào.
Số lượng và trình tự sắp xếp nucleotide trong chuỗi polynucleotide là yếu tố quyết định thông tin di truyền Các cơ chế tái bản DNA giúp duy trì tính ổn định của thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào.
DNA không chỉ có vai trò trong việc củng cố, lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền, mà còn thông qua cơ chế phiên mã và dịch mã, nó tạo ra protein cần thiết cho mọi hoạt động sống của tế bào Do đó, có thể khẳng định rằng DNA là yếu tố chính điều khiển hầu hết các hoạt động sống ổn định của tế bào.
Sự đa dạng di truyền được hình thành từ số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp của các nucleotide trên DNA, đặc trưng cho từng cá thể và loài khác nhau Hai người khác nhau có bộ gen tương đồng đến 99,9%, chỉ khác biệt 0,1% Bộ gen người có 7% sự tương đồng với vi khuẩn E coli, 21% với sâu, 90% với chuột và 98% với tinh tinh Tổng thể, bộ gen người bao gồm khoảng 3 tỷ phân tử ADN.
Sự tái bản DNA (DNA replication)
Sao chép DNA là quá trình DNA tạo ra một bản sao của chính nó trong quá trình phân chia tế bào
Bước đầu tiên trong quá trình sao chép DNA là giải nén cấu trúc xoắn kép, được thực hiện bởi enzyme topoisomeraza II và helicase Sự tách biệt của hai sợi DNA tạo ra hình chữ 'Y' gọi là ngã ba sao chép, với hai sợi hoạt động như khuôn để tạo ra sợi DNA mới Quá trình này bắt đầu tại các điểm cụ thể trong DNA, được xác định bởi protein khởi tạo, như DnaA trong E coli và phức hợp nhận diện gốc trong nấm men Các chuỗi mục tiêu của protein khởi tạo thường "giàu A,U" để dễ tách rời hơn Khi gốc đã được định vị, các protein khởi tạo sẽ kết hợp với các protein khác để hình thành phức hợp tiền nhân bản, giải phóng DNA sợi kép.
DNA polymeraza I và DNA polymeraza III có vai trò quan trọng trong việc kéo dài mạch DNA mới, với nguyên tắc tổng hợp luôn theo chiều 5’ → 3’ Trên DNA, sợi dẫn đầu được định hướng từ 3' đến 5' về phía ngã ba sao chép, trong khi sợi muộn lại được định hướng từ 5' đến 3' và cách xa ngã ba sao chép Do sự khác biệt trong định hướng này, hai sợi DNA sẽ được sao chép theo cách khác nhau.
Sợi dẫn đầu (Leading Strand) bắt đầu với một đoạn RNA gọi là primer, được tạo ra bởi enzyme primase, và liên kết với đầu sợi dẫn đầu Primer là điểm khởi đầu cho quá trình tổng hợp DNA, sau đó DNA polymerase gắn vào sợi dẫn đầu và tiến hành tổng hợp mạch mới một cách liên tục theo nguyên tắc bổ sung.
Sợi muộn (Lagging Strand) là phần của quá trình sao chép DNA, trong đó nhiều primer RNA được tạo ra và liên kết tại các vị trí khác nhau Các đoạn DNA được tổng hợp từ mỗi primer sẽ hình thành các mảnh Okazaki, dẫn đến việc sao chép không liên tục Sau đó, các mảnh Okazaki này cần được nối lại, và enzyme ligase sẽ thực hiện nhiệm vụ kết nối chúng, tạo thành hai sợi DNA đôi liên tục.
Khi các bazơ A với T và C với G được khớp, enzyme exonuclease sẽ loại bỏ các primer Sau đó, các khoảng trống sẽ được lấp đầy bởi các nucleotide bổ sung Sợi DNA mới sẽ được kiểm tra và sửa chữa bởi enzyme DNA polymeraza II để đảm bảo không có sai sót trong trình tự DNA.
Kết quả của quá trình sao chép DNA là tạo ra hai phân tử DNA, mỗi phân tử bao gồm một chuỗi nucleotide mới và một chuỗi nucleotide cũ Điều này lý giải cho khái niệm sao chép DNA là bán bảo toàn, trong đó một nửa chuỗi là từ phân tử DNA gốc và nửa còn lại là hoàn toàn mới Cuối cùng, sau khi sao chép, DNA mới sẽ tự động kết thúc thành cấu trúc xoắn kép.
Ngoài các thành phần đã đề cập trên, quá trình này còn có thể có sự tham gia của:
*Prôtêin SSB: giúp hai mạch đơn không bị dính lại vào nhau để các enzym hoạt động
Telomerase là enzyme giúp hạn chế sự suy giảm của đầu mút DNA, chỉ hoạt động trong tinh hoàn và buồng trứng, không có mặt ở các tế bào sinh dưỡng khác Ở sinh vật nhân sơ, DNA có dạng mạch vòng và chỉ có một đơn vị tái bản để thực hiện quá trình nhân đôi.
DNA ở sinh vật nhân thực có cấu trúc phức tạp và chứa số lượng gen lớn, dẫn đến sự hiện diện của nhiều đơn vị tái bản trên DNA.
Dòng DNA tái tổ hợp (Recombinant DNA)
DNA tái tổ hợp là phân tử DNA được hình thành từ hai hoặc nhiều trình tự DNA khác nhau Trong kỹ thuật di truyền, quá trình này thường liên quan đến việc gắn các đoạn DNA từ những nguồn khác nhau vào vectơ tách dòng Các vectơ này mang DNA tái tổ hợp có khả năng biểu hiện thành protein tái tổ hợp trong các sinh vật Một số dược phẩm, như insulin, hormone tăng trưởng và oxytocin, được sản xuất thông qua công nghệ DNA tái tổ hợp Ngoài ra, vắc-xin cũng có thể được tạo ra bằng phương pháp này Escherichia coli là sinh vật chủ phổ biến nhất trong công nghệ DNA tái tổ hợp.
(Kỹ thuật tạo dòng DNA tái tổ hợp sẽ được đề cập kỹ hơn ở phần sau)
Sửa chữa DNA
DNA có khả năng tự sửa chữa khi bị tổn thương, mà tổn thương này là sự thay đổi bất thường có thể nhận diện bởi các enzyme Khi có thông tin dư thừa từ trình tự không bị hư hại trong DNA bổ sung hoặc nhiễm sắc thể tương đồng, tổn thương có thể được sửa chữa chính xác Nếu tế bào không khắc phục được tổn thương DNA, quá trình phiên mã gen và dịch mã protein sẽ bị cản trở, dẫn đến khả năng nhân bản bị ngăn chặn hoặc tế bào có thể chết.
Cần phân biệt rõ giữa tổn thương DNA và đột biến Đột biến là sự thay đổi trong trình tự cơ bản của DNA, khác với tổn thương DNA Khi sự thay đổi này xảy ra trong cả hai sợi DNA, các enzyme không thể nhận diện và sửa chữa, dẫn đến đột biến không thể khôi phục Ở cấp độ tế bào, đột biến có thể gây ra sự thay đổi trong chức năng và điều hòa protein.
Các yếu tố môi trường và quá trình trao đổi chất trong tế bào gây ra từ 10.000 đến 1.000.000 tổn thương phân tử mỗi ngày, chiếm khoảng 0,000165% trong số 6 tỷ bazơ của bộ gen người Những tổn thương không được sửa chữa, đặc biệt là ở các gen quan trọng như gen ức chế khối u, có thể cản trở chức năng của tế bào, làm tăng khả năng hình thành khối u và góp phần gây ung thư.
Tổn thương DNA có thể được chia thành hai loại chính:
Các nhân tố nội sinh, bao gồm oxy phản ứng từ các sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất bình thường, có thể gây ra đột biến tự phát Điều này đặc biệt xảy ra trong quá trình khử oxy hóa hoặc do các lỗi trong quá trình sao chép DNA.
Các tác nhân bên ngoài như tia cực tím (UV 200–400 nm) từ mặt trời hoặc nguồn sáng nhân tạo, cùng với các tần số bức xạ khác như tia X và tia gamma, có thể gây hại cho DNA Ngoài ra, các yếu tố như thủy phân, gián đoạn nhiệt, một số độc tố thực vật, hóa chất đột biến do con người tạo ra, đặc biệt là các hợp chất thơm, cũng đóng vai trò quan trọng trong việc làm tổn thương cấu trúc DNA Các virus cũng là một trong những tác nhân có thể ảnh hưởng đến sự toàn vẹn của DNA.
Tốc độ sửa chữa DNA phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại tế bào, tuổi của tế bào và môi trường ngoại bào Khi một tế bào tích lũy thiệt hại DNA lớn hoặc không còn khả năng sửa chữa hiệu quả, nó có thể rơi vào ba trạng thái: trạng thái “tắt” không thể đảo ngược (nhạy cảm tế bào), tự chết tế bào được lập trình, hoặc nếu tế bào tiếp tục phân chia không kiểm soát, có thể dẫn đến sự hình thành khối u gây ung thư.
Khả năng sửa chữa DNA trong tế bào là yếu tố then chốt đảm bảo tính toàn vẹn của bộ gen và chức năng bình thường của sinh vật Nhiều gen được xác định có ảnh hưởng đến tuổi thọ thực chất liên quan đến khả năng sửa chữa và bảo vệ tổn thương DNA.
NHIỄM SẮC THỂ
Nhiễm sắc thể là gì ?
Nhiễm sắc thể là cấu trúc của protein và DNA, tham gia vào hoạt động di truyền và điều chỉnh hoạt động sống chính của tế bào
Với nhân thực, DNA liên kết với protein histone tạo thành các cấu trúc đơn giản nhất gọi là nucleosome
Mỗi nucleosome bao gồm phần lõi 8 protein histone và đoạn DNA dài 147 bp, quấn 1,75 vòng quanh lõi protein theo chiều xoắn trái
Từ cấu trúc của nucleosome sẽ tạo thành các cấu trúc cấp cao hơn: sợi cơ bản (11 nm); sợi nhiễm sắc (30 nm); sợi siêu xoắn (300 nm); cromatide (700 nm)
DNA liên kết với protein histone và nonhistone để trung hòa điện tích âm của nó, giúp DNA thu gọn và điều chỉnh hoạt động gen một cách hiệu quả.
Trong tế bào, nhiễm sắc thể có mặt theo từng cặp, được gọi là cặp nhiễm sắc thể tương đồng Những cặp này có kích thước, hình dạng và kiểu băng nhuộm giống nhau, đồng thời chứa cùng một tập hợp gen, dẫn đến sự hình thành cơ thể lưỡng bội (2n).
Trong bộ nhiễm sắc thể, cặp nhiễm sắc thể giới tính đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giới tính và khả năng sinh sản của sinh vật Chúng có thể tồn tại dưới dạng đồng giao tử (XX), dị giao tử (XY) hoặc đôi khi là đơn giao tử (XO) Ngoài ra, một số dạng đột biến có thể ảnh hưởng đến số lượng nhiễm sắc thể trong bộ nhiễm sắc thể của loài.
Trong cấu trúc nhiễm sắc thể, ba đặc điểm hình thái quan trọng bao gồm chiều dài tổng số của nhiễm sắc thể, tâm động và kiểu băng khi nhuộm Giemsa Những đặc điểm này tạo nên sự đặc trưng cho mỗi nhiễm sắc thể ở từng loài Mặc dù mỗi loài có bộ nhiễm sắc thể riêng biệt, nhưng điều này không phản ánh mức độ tiến hóa của chúng.
Nhiễm sắc thể tồn tại với ba vị trí quan trọng: đầu mút (telomere), vị trí khởi đầu tái bản (replication origin) và tâm động (centromere) Tâm động là nơi gắn kết của nhiễm sắc thể với thoi phân bào trong quá trình phân chia tế bào Vị trí của các cấu trúc này trên nhiễm sắc thể ảnh hưởng đến hình dáng của chúng, được phân loại thành các dạng: trung tâm (metacentric), cận trung tâm (submetacentric), cận cuối (acrocentric) và cuối (telocentric).
Telomere là các đoạn trình tự DNA lặp lại nằm ở đầu mút của nhiễm sắc thể, được xem như chiếc "mũ bảo vệ" cho nhiễm sắc thể Chúng có vai trò quan trọng trong việc duy trì tuổi thọ của tế bào và bảo vệ sức khỏe của phân tử DNA Mỗi lần sao chép DNA, chiều dài telomere sẽ ngắn lại, và khi chúng trở nên quá ngắn, khả năng bảo vệ DNA khỏi tổn thương và đột biến sẽ giảm, dẫn đến tình trạng lão hóa và các bệnh tật liên quan đến tuổi già.
Nhiễm sắc thể trong tế bào
a Ở tế bào sinh vật nhân sơ
Khoảng 80% DNA của tế bào vi khuẩn được tìm thấy trong hạch nhân (nucleoid), một cấu trúc không có màng nhân bao quanh DNA trong hạch nhân liên kết với các protein như HU hoặc H1, tạo thành khoảng 50.
– 100 vùng, gọi là các domain
Mỗi domain bao gồm 40 k.b ở dạng siêu xoắn Các domain kết dính với nhau ở những đoạn
DNA tạo thành hình dạng giống như một bông hoa với 50-100 cánh gắn liền tại nhị hoa Thay đổi cấu trúc của một cánh không ảnh hưởng đến các cánh khác.
Hai loại enzyme chính tham gia vào việc ổn định cấu trúc DNA là DNA gyrase và DNA toipoisomerase Bên cạnh đó, có bốn loại protein, trong đó protein HU đóng vai trò tương tự như protein histone ở tế bào nhân thực, giúp quy định cấu trúc không gian của sợi nhiễm sắc thể một cách chặt chẽ.
Nhiễm sắc thể ở nhân thực được tìm thấy trong nhân tế bào, tạo thành genome kiểu nhân Khi tế bào chuẩn bị phân chia, sợi nhiễm sắc sẽ co đặc lại, tạo ra các vùng co đậm đặc và vùng không co đặc, điều này có thể được quan sát qua kính hiển vi điện tử.
Vùng đậm đặc được gọi là vùng dị nhiễm sắc
Heterochromatin là các vùng DNA không thay đổi trong quá trình phân chia tế bào, với một số vùng có thể co đậm và biến mất Phần lớn các gen trong heterochromatin là các đoạn DNA lặp lại và các gen không hoạt động Đặc biệt, không xảy ra sự trao đổi chéo giữa các nhiễm sắc thể tương đồng trong vùng này.
Vùng nhiễm sắc không co đặc, hay còn gọi là nhiễm sắc thực (euchromatin), chỉ có thể quan sát thấy sự co đặc khi tế bào phân chia Đây là khu vực chứa các gen quan trọng của nhiễm sắc thể, đảm bảo các hoạt động sống cần thiết cho tế bào.
Chu kỳ tế bào
Chu kỳ tế bào là chuỗi sự kiện diễn ra trong tế bào từ một lần phân bào đến lần tiếp theo, trong đó bộ máy di truyền và các thành phần tế bào được nhân đôi trước khi tế bào phân chia thành hai tế bào con Ở sinh vật đơn bào như nấm men và vi khuẩn, chu kỳ này dẫn đến việc tạo ra hai cá thể mới Đối với sinh vật đa bào, chu kỳ tế bào là quá trình thiết yếu giúp hợp tử phát triển thành cơ thể hoàn chỉnh và bổ sung số lượng tế bào để thay thế những tế bào đã chết.
Chu kỳ tế bào được chia thành các pha: G1, S, G2 (gộp lại thành kỳ trung gian) và pha nguyên phân (pha M) Pha M bao gồm hai quá trình liên quan: nguyên phân, trong đó nhiễm sắc thể của tế bào mẹ được chia thành hai phần bằng nhau, và phân chia tế bào chất (cytokinesis), trong đó tế bào chất cũng được chia thành hai phần bằng nhau, hình thành hai tế bào con.
Nguyên phân (Mitosis)
Nguyên phân, hay còn gọi là phân bào nguyên nhiễm, là giai đoạn trong chu kỳ tế bào mà các nhiễm sắc thể kép được tách ra và di chuyển về hai nhân tế bào mới Quá trình này bắt đầu từ giai đoạn S của pha trung gian, khi DNA được nhân đôi Sau nguyên phân, thường diễn ra phân chia tế bào chất, bào quan và màng tế bào, tạo ra hai tế bào mới với các thành phần khá cân bằng.
Nguyên phân cơ bản bao gồm bốn pha: Kỳ đầu (Prophase), Kỳ giữa (Metaphase), Kỳ sau (Anaphase) và Kỳ cuối (Telophase), cùng với quá trình phân chia tế bào chất (Cytokinesis) Ở kỳ đầu, sau khi tế bào kết thúc pha G2, tế bào chuẩn bị phân chia bằng cách cuộn xoắn các nhiễm sắc thể và hình thành thoi vô sắc Trong giai đoạn này, nhiễm sắc thể co xoắn và nhân mới bắt đầu tiêu biến Các sợi nhiễm sắc thể kết tụ thành nhiễm sắc thể riêng biệt, có thể quan sát được qua kính hiển vi quang học Nhiễm sắc thể có dạng dài, mỏng như sợi chỉ, mỗi nhiễm sắc thể bao gồm hai nhiễm sắc tử nối với nhau tại tâm động.
Trong kỳ giữa của quá trình phân bào, các trung thể sẽ trùng hợp tubulin để hình thành thoi phân bào thông qua các vi ống Các protein động cơ sau đó sẽ đẩy hai trung thể dọc theo các vi ống đến hai cực đối diện của tế bào.
Trong giai đoạn cuối của kỳ đầu giữa, các vi ống thể động bắt đầu tìm kiếm và gắn vào các thể động của nhiễm sắc thể Thể động là cấu trúc gắn vi ống được hình thành từ các protein trên tâm động nhiễm sắc thể Một số vi ống cực tương tác với các vi ống cực từ trung thể đối diện để tạo thành thoi vô sắc.
Sau khi các vi ống gắn kết với các thể động, hai trung thể bắt đầu kéo các nhiễm sắc thể về hai đầu đối diện của tế bào Sức căng này khiến các nhiễm sắc thể sắp xếp dọc theo mặt phẳng xích đạo, một mặt phẳng ảo ở giữa hai trung thể Điểm kiểm soát kỳ giữa đảm bảo rằng tất cả các thể động đều gắn vào thoi và các nhiễm sắc thể được sắp xếp đúng cách Nếu tế bào vượt qua điểm kiểm soát này, nó sẽ tiến vào kỳ sau.
Trong kỳ cuối (Telophase), các cohesin gắn kết các nhiễm sắc tử chị em sẽ được phân giải, cho phép hai nhiễm sắc tử tách nhau và tạo thành hai nhiễm sắc thể con giống hệt nhau Việc rút ngắn các vi ống thể động giúp kéo các nhiễm sắc thể con mới hình thành đến hai cực đối diện của tế bào Trong giai đoạn này, các vi ống cực sẽ đẩy nhau, làm cho tế bào dài ra Cuối kỳ, nhiễm sắc thể đạt mức cuộn xoắn tối đa, hỗ trợ quá trình phân tách nhiễm sắc thể và hình thành lại hạt nhân.
Trong giai đoạn cuối của quá trình nguyên phân, các vi ống cực phân cực tiếp tục đẩy nhau, khiến tế bào dài ra Nếu lớp màng nhân bị phá vỡ, một màng nhân mới sẽ hình thành từ các mảnh màng cũ của tế bào mẹ, bao quanh mỗi bộ nhiễm sắc thể con Khi màng nhân mới xuất hiện, cả hai bộ nhiễm sắc thể bắt đầu giải co xoắn Quá trình nguyên phân hoàn tất với mỗi nhân mới có bộ nhiễm sắc thể giống hệt nhau Việc phân chia tế bào chất có thể xảy ra hoặc không, tùy thuộc vào loại sinh vật.
Phân chia tế bào chất là một quá trình riêng biệt, không phải là giai đoạn của nguyên phân, cần thiết để hoàn tất việc phân chia tế bào Ở tế bào động vật, một rãnh phân cắt hình thành ở mặt phẳng xích đạo cũ sẽ thắt lại, tạo ra hai tế bào mới Cả tế bào động vật và thực vật đều được điều khiển bởi các túi từ bộ máy Golgi, di chuyển đến giữa tế bào Ở thực vật, các cấu trúc này hòa vào nhau để hình thành phiến ngăn trong phragmoplast, phát triển thành thành tế bào và tách nhân ra Phragmoplast là cấu trúc vi ống điển hình ở thực vật bậc cao, trong khi một số tảo xanh sử dụng phycoplast cho phân chia tế bào Mỗi tế bào con đều có bản sao hoàn chỉnh bộ gen của tế bào gốc, và sự kết thúc của phân chia tế bào chất đánh dấu kết thúc pha M.
Giảm phân (Meiosis)
Giảm phân là quá trình tạo ra giao tử từ tế bào sinh dục, trong đó tế bào sinh dục với bộ nhiễm sắc thể 2n trải qua hai lần phân bào liên tiếp, gọi là giảm phân I và giảm phân II Trong quá trình này, nhiễm sắc thể chỉ nhân đôi một lần, dẫn đến sự hình thành giao tử đơn bội, bao gồm giao tử đực (tinh trùng hoặc tinh tử) và giao tử cái (trứng hoặc noãn), mỗi loại có bộ nhiễm sắc thể n.
Diễn biến cơ bản của quá trình giảm phân:
Gồm Kỳ trung gian và 4 kỳ phân bào chính thức
Kỳ trung gian I: Tại kỳ trung gian DNA và NST nhân đôi, NST nhân đôi thành NST kép gồm 2 Crômatit dính với nhau ở tâm động
Kỳ đầu I: Bước vào kỳ đầu I, các NST kép bắt đôi với nhau theo từng cặp tương đồng
Sau khi tiếp hợp, các NST bắt đầu co xoắn lại
Các NST kép trong mỗi cặp bắt đầu đẩy nhau ra từ tâm động, trong khi chúng tiếp tục co xoắn lại Đồng thời, thoi phân bào được hình thành và một số sợi thoi gắn với tâm động của các NST.
Trong quá trình giảm phân, các NST kép trong cặp NST tương đồng có thể trao đổi các đoạn crômatit, hiện tượng này được gọi là trao đổi chéo, dẫn đến hoán vị gen Cuối kỳ đầu I, màng nhân và nhân con dần tiêu biến, và thoi phân bào xuất hiện Kỳ đầu I chiếm phần lớn thời gian của quá trình giảm phân, có thể kéo dài từ vài ngày đến vài chục năm, như ở phụ nữ.
Trong kỳ giữa I, các cặp nhiễm sắc thể kép tương đồng sau khi bắt đôi và co xoắn cực đại sẽ di chuyển về mặt phẳng xích đạo của tế bào, tạo thành hai hàng xếp song song Dây tơ phân bào từ mỗi cực tế bào chỉ gắn vào một phía của mỗi nhiễm sắc thể kép trong cặp tương đồng.
Kỳ sau I: Mỗi NST kép trong cặp NST kép tương đồng di chuyển theo dây tơ phân ly về hai cực của tế bào trên thoi vô sắc
Kỳ cuối I là giai đoạn quan trọng trong quá trình phân chia tế bào, khi các nhiễm sắc thể kép dần dãn xoắn và màng nhân cùng nhân con bắt đầu hình thành Trong giai đoạn này, thoi phân bào tiêu biến, đánh dấu sự khởi đầu của quá trình phân chia tế bào chất, dẫn đến việc giảm một nửa số lượng nhiễm sắc thể kép.
Sau khi hoàn thành giảm phân I, các tế bào tiến vào giảm phân II mà không trải qua quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể Giảm phân II tương tự như nguyên phân, bao gồm 4 kỳ, nhưng diễn biến của nó không bao giờ giống với nguyên phân.
Kỳ đầu II: NST vẫn ở trạng thái n NST kép bắt đầu co ngắn và cho thấy số lượng NST kép (đơn bội)
Kỳ giữa II: Các NST kép tập trung và xếp thành một hàng ở mặt phẳng xích đạo
Kỳ sau II: Các NST tách nhau ở tâm động thành 2 NST đơn và phân li về 2 cực tế bào
Kỳ cuối II: Các NST đơn nằm gọn trong nhân mới được tạo thành với số lượng bộ đơn bội (n NST)
Sau hai quá trình giảm phân I và II, từ một tế bào mẹ (2n NST kép) sẽ tạo ra 4 tế bào con có số NST đơn là n Những tế bào con này phát triển và biến đổi thành các giao tử Ở động vật, tế bào mẹ ở con đực tạo ra 4 tinh trùng trong khi ở con cái, chỉ có 1 tế bào lớn hình thành tế bào trứng, còn lại 3 tế bào nhỏ không tham gia vào quá trình sinh sản Đối với thực vật, các tế bào tạo thành sau giảm phân tiếp tục phân bào để hình thành hạt phấn hoặc túi phôi.
Sự phân ly độc lập của các gen trên các nhiễm sắc thể khác nhau cùng với sự trao đổi chéo trong kỳ đầu của giảm phân 1 là yếu tố quan trọng làm tăng sự đa dạng di truyền Điều này cung cấp nguồn nguyên liệu phong phú cho quá trình chọn giống và tiến hóa của sự sống trên Trái đất.
QUY LUẬT DI TRUYỀN
Định luật di truyền của Mendel
Gregor Mendel là nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu di truyền một cách hệ thống, đặt nền tảng cho ngành di truyền học hiện đại Sự thành công của Mendel đến từ việc ông sử dụng loài Đậu Hà Lan (Pisum sativum), nổi bật với các tính trạng tương phản và khả năng phân ly độc lập trong quá trình phát sinh giao tử Đặc biệt, Đậu Hà Lan có khả năng tự thụ phấn nghiêm ngặt, giúp Mendel dễ dàng kiểm soát các phép lai và thu thập dữ liệu chính xác cho nghiên cứu của mình.
Hà Lan có thể được giải thích bởi số lượng lớn trong mỗi thế hệ, cho phép sử dụng toán thống kê để phân tích kết quả một cách chính xác và khoa học.
Kiểu hình trội là khái niệm quan trọng, thể hiện ở các thể dị hợp tử, trong đó kiểu hình này sẽ tương tự với một trong hai bậc phụ huynh.
Khi Mendel cho lai hai cá thể thuần chủng tương phản về tính trạng, kết quả cho thấy kiểu hình ở đời sau phân ly theo tỉ lệ
Nguyên lý cơ bản nhất của định luật Mendel là lai các cá thể F1 với nhau để thu được F2, với tỉ lệ 3 trội : 1 lặn.
Học thuyết di truyền của Mendel cho thấy hầu hết các kiểu hình ở người không chỉ do một gen đơn quy định, mà là kết quả của sự tương tác giữa nhiều gen Đến năm 2016, có khoảng 6000 đặc điểm gen đơn được xác định trong số 20.000-25.000 gen mã hóa protein của con người Điều này chứng minh rằng các tính trạng phổ biến ở con người chủ yếu phát sinh từ sự tương tác gen phức tạp, và học thuyết này là nền tảng cho việc phát triển các kỹ thuật nghiên cứu và chẩn đoán di truyền.
Một phương pháp phổ biến trong chẩn đoán di truyền là nghiên cứu di truyền phả hệ, dựa trên học thuyết của Mendel Phương pháp này giúp xác định một số đặc điểm di truyền liên quan đến các tính trạng đơn gen.
Gen quy định tính trạng là gen trội
1 Nếu con bị bệnh chắc chắn một trong hai người bố hoặc mẹ sẽ bị bệnh
2 Nếu cơ thể mang gen gây bệnh sẽ được biểu hiện ngay ra kiểu hình: biểu hiện ở mọi thế hệ
3 Bố mẹ bị bệnh có khả năng sinh ra con không bị bệnh nếu bố mẹ mang kiểu gen dị hợp tử
Gen quy định tính trạng là gen lặn
1 Bố mẹ không bị bệnh có thể sinh ra người con bị bệnh đặc biệt là trong giao phối cận huyết
2 Tất cả con sinh ra nếu bố mẹ bị bệnh đều sẽ bị bệnh
3 Tuân theo kiểu di truyền chéo: có thể có thế hệ không xuất hiện người bị bệnh
4 Sẽ có thể di truyền dọc nếu tính trạng bị bệnh này rất phổ biến trong quần thể
Mở rộng của quy luật di truyền của Mendel
Để nghiệm đúng quy luật di truyền của Mendel, cần tuân thủ ba điều kiện chính: (1) Mỗi gen quy định một tính trạng; (2) Alen trội hoàn toàn so với alen lặn; (3) Các tính trạng nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau Khi xem xét hai tính trạng phân ly độc lập với alen trội hoàn toàn, tỉ lệ xuất hiện ở thế hệ F2 gần đúng là 9 trội, trội: 3 trội, lặn: 3 lặn, trội: 1 lặn, lặn, tương ứng với tỉ lệ 9:3:3:1.
Mặc dù đa phần ở con người có các gen tương tác lẫn nhau, tỷ lệ ở thế hệ F2 sẽ không còn chính xác Thay vào đó, chúng ta áp dụng các quy luật suy rộng, trong đó có tính trạng trội không hoàn toàn.
Một dạng biểu hiện khác của bố mẹ dị hợp tử là tính trạng trội không hoàn toàn Tỉ lệ kiểu gen vẫn tuân theo quy luật di truyền của trội hoàn toàn, nhưng tỉ lệ kiểu hình thay đổi thành 1 trội : 2 trung gian : 1 lặn Bên cạnh đó, còn có tính trạng đồng trội.
Khi hai gen cùng quy định một tính trạng tương tác với nhau, chúng có vai trò như nhau và kiểu gen chứa cả hai gen trội sẽ biểu thị kiểu hình trung gian Ví dụ điển hình là nhóm máu ở người, được quy định bởi loại kháng nguyên A và B trên bề mặt hồng cầu Các kháng nguyên này là prôtêin kết hợp với cacbôhyđrat Trong Di truyền học cổ điển, gen quy định kháng nguyên này là gen đơn với ba alen: IA, IB và i Trong ba alen, IA và IB là đồng trội, trong khi alen i là gen lặn Cụ thể, người có kiểu gen IAIA hoặc IAi thuộc nhóm máu A; người có kiểu gen IBI hoặc IBi thuộc nhóm máu B; người có kiểu gen IAI B thuộc nhóm máu AB; và người có kiểu gen ii thuộc nhóm máu O.
Gen đa hiệu có khả năng tham gia vào nhiều vai trò khác nhau trong việc hình thành các tính trạng của cơ thể Sự thay đổi cấu trúc của một gen có thể dẫn đến biến đổi trong hoạt động và trạng thái của nhiều tính trạng khác nhau.
Nhiều gen trong trạng thái dị hợp tử, đồng hợp tử trội hoặc đồng hợp tử lặn có thể hạn chế sự biểu hiện, bất hoạt hoặc gây chết gen, dẫn đến sự thay đổi tỉ lệ kiểu hình ở thế hệ con không còn đúng với tỉ lệ 3:1 hoặc 9:3:3:1 Tương tác giữa nhiều gen, đặc biệt là tương tác bổ trợ, đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Tương tác bổ trợ là sự tương tác giữa hai hoặc nhiều gen không alen, cùng quy định một tính trạng, trong đó sự hiện diện của hai alen trội dẫn đến sự xuất hiện của kiểu hình mới Ví dụ, khi xem xét hai gen, chúng ta có thể thấy rõ sự ảnh hưởng của chúng đến kiểu hình.
Gen A quy định màu sắc hoa, với alen A tạo ra hoa màu đỏ và alen a cho hoa màu trắng Gen B tương tác với gen A, trong đó alen B tạo ra hoa màu vàng khi kết hợp với alen A, trong khi alen b không tương tác Các kiểu gen tương ứng bao gồm: A–B– cho hoa vàng, A–bb và aaB– cho hoa đỏ, và aabb cho hoa trắng.
Tùy thuộc vào kiểu tương tác giữa các gen, có thể xuất hiện các tỉ lệ như 9:7, 9:3:3:1 và 9:6:1 trong tương tác bổ trợ Ngoài ra, tương tác nhiều gen cũng có thể dẫn đến hiện tượng tương tác át chế.
Hiện tượng tương tác giữa các gen xảy ra khi một gen kìm hãm hoạt động của một gen khác thuộc locut khác nhau, bao gồm hai trường hợp chính: át chế trội và át chế lặn.
Có thể xuất hiện các tỉ lệ sau ở đời con: 13:3 ; 12:3:1; 9:3:4 ; 9:7 f Tương tác nhiều gen: tương tác cộng gộp (hiện tượng biến dị liên tục)
Tác động cộng gộp là hiện tượng khi hai hoặc nhiều locus gen tương tác, mỗi alen trội góp phần làm tăng biểu hiện kiểu hình Điều này thường liên quan đến các tính trạng số lượng như năng suất sữa và chiều cao Tính trạng số lượng có phổ biến dị rộng và có thể định lượng qua các phương pháp như cân, đo, đong, đếm Hơn nữa, sự tương tác giữa kiểu gen và môi trường cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc điểm này.
Môi trường có tác động lớn đến sự biểu hiện gen, ảnh hưởng trực tiếp đến các tính trạng như chiều cao và cân nặng Đặc biệt, sự đột biến gen là một yếu tố quan trọng cần lưu ý, vì trong quá trình tương tác giữa cơ thể và môi trường, nhiều gen có thể bị biến đổi.
Kiểu hình phụ thuộc vào hai yếu tố chính: độ thâm nhập và độ biểu hiện Độ thâm nhập (penetrance) là tỷ lệ phần trăm cá thể mang alen đột biến biểu hiện bệnh, chẳng hạn như một đột biến trội liên quan đến u nguyên bào võng mạc có thể xuất hiện ở 75% người mang alen này Trong khi đó, độ biểu hiện (expressivity) đề cập đến mức độ hoặc cường độ mà kiểu gen biểu hiện ra kiểu hình, ví dụ như người mang alen đột biến trội có thể phát triển ung thư ở cả hai mắt hoặc chỉ một mắt.
Gen liên kết với giới tính
Một hiện tượng phổ biến ở sinh vật nhân thực là sự liên quan giữa giới tính và một số gen Bộ nhiễm sắc thể của con người bao gồm 23 cặp, trong đó có 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính Các gen trên nhiễm sắc thể giới tính có thể quy định giới tính hoặc không, và chúng có thể nằm trên nhiễm sắc thể X hoặc Y, ở vùng tương đồng hoặc không tương đồng.
Với gen nằm trên nhiễm sắc thể X vùng không tương đồng là gen lặn, mang những đặc điểm: Đặc điểm liên kết X lặn
1 Bệnh uất hiện nhiều ở nam hơn ở nữ
2 Đột biến sẽ không bao giờ truyền từ bố sang con trai vì con trai chỉ nhận một nhiễm sắc thể Y từ bố
3 Nếu bố bị bệnh thì gen bệnh sẽ được truyền lại cho con gái
4 Gen gây bệnh truyền theo xu hướng so le: ông ngoại bị bệnh → mẹ không bệnh → con trai bị bệnh
Với gen nằm trên nhiễm sắc thể X vùng không tương đồng là gen trội, mang những đặc điểm:
1 Bệnh xuất hiện nhiều ở nữ hơn nam
2 Nếu bố bị bệnh và mẹ bình thường luôn sinh ra con gái bị bệnh, con trai không bệnh
3 Nếu bố bình thường, mẹ bị bệnh thì con sinh ra có tỷ lệ bị bệnh là 50:50
Với gen nằm trên nhiễm sắc thể Y vùng không tương đồng, mang những đặc điểm:
1 Chỉ xuất hiện ở nam không xuất hiện ở nữ giới
2 Nếu bố bị bệnh luôn sinh ra con trai bị bệnh
Nhiều gen trên nhiễm sắc thể thường có thể bị ảnh hưởng bởi giới tính, nhờ vào sự tương tác giữa chúng và các gen trên nhiễm sắc thể giới tính.
Liên kết và hoán vị gen
a Cơ sở di truyền của hiện tượng liên kết và hoán vị gen
Mỗi nhiễm sắc thể chứa nhiều gen khác nhau, hiện tượng này được gọi là liên kết gen Trong quá trình giảm phân và thụ tinh, các gen trên cùng một nhiễm sắc thể phân ly và tổ hợp cùng nhau, dẫn đến sự di truyền đồng thời của nhóm tính trạng mà chúng quy định.
Các gen trên cùng một nhiễm sắc thể thường phân li cùng nhau, tạo thành các nhóm gen liên kết Số lượng nhóm gen liên kết trong mỗi loài tương ứng với số nhiễm sắc thể trong bộ đơn bội của loài đó, và số nhóm tính trạng cũng bằng với số nhóm gen liên kết.
Mỗi nhiễm sắc thể được cấu tạo từ một phân tử ADN, trong đó chứa nhiều gen xếp thành hàng dọc Sự phân li của các nhiễm sắc thể trong quá trình giảm phân và sự tổ hợp tự do trong thụ tinh dẫn đến sự phân li và tổ hợp của các gen Các gen nằm gần nhau trên nhiễm sắc thể có liên kết chặt chẽ hơn, trong khi các gen xa nhau có lực liên kết yếu hơn Khi xảy ra hoán vị gen, tỷ lệ này phụ thuộc vào tần số trao đổi chéo.
Tần số hoán vị gen phản ánh khoảng cách di truyền giữa các gen trên nhiễm sắc thể, với các gen gần nhau có tần số trao đổi chéo thấp hơn Một tần số trao đổi chéo 1% tương đương với 1 centimorgan (cM) hoặc 1 map unit (m.u.) Đáng chú ý, tần số hoán vị gen luôn nhỏ hơn 50%.
Dựa vào tần số hoán vị gen, ta có thể tính được khoảng cách di truyền giữa các gen theo cách làm sau:
Sở dĩ có sự không trùng nhau giữa hai kết quả khoảng cách giữa các gen là do xảy ra hiện tượng nhiễu trong trao đổi chéo kép.
Di truyền ở nấm men Saccharomyces cerevisiae
Nấm men, đặc biệt là loài Saccharomyces cerevisiae, đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu nấm và sinh vật nhân thực Tế bào nấm men có hình dạng cầu hoặc hình trứng, kích thước nhỏ từ 5-6 đến 10-14 µm, và chúng sinh sản thông qua quá trình tạo chồi và bào tử.
Nguồn dinh dưỡng chủ yếu của chúng là sử dụng đường glucose, galactose, saccharose, maltose như nguồn cacbon, chúng sử dụng amino acid và muối amon như nguồn nitơ
Vòng đời của S cerevisiae tương tự như các tế bào soma khác, với sự hiện diện của cả tế bào đơn bội và lưỡng bội Kích thước của những tế bào này biến đổi tùy thuộc vào giai đoạn tăng trưởng và mức độ căng thẳng mà chủng gặp phải.
Trong quá trình tăng trưởng nhanh chóng, tế bào đơn bội phát triển nhanh hơn tế bào lưỡng bội Cụ thể, các tế bào đơn bội có chồi xuất hiện gần kề với các tế bào mẹ, trong khi tế bào lưỡng bội lại có chồi xuất hiện ở hai cực đối diện.
Quá trình phân bào của chúng tạo ra các bộ bốn Các bộ bốn đó có thể có 3 loại:
- Kiểu giống bố mẹ (parental ditypes, PDs): bốn bào tử giống bố hoặc mẹ
- Kiểu bốn (tetratypes, Ts): bốn bào tử vừa giống và khác bố mẹ
- Kiểu khác bố mẹ (nonparental ditypes, NPDs): cả bốn bào tử khác bố và mẹ
Dựa vào tỷ lệ của các loại bộ bốn này, ta có thể kết luận:
- Nếu Số PD = Số NPD hai gen phân ly độc lập
- Nếu Số PD > Số NPD hai gen liên kết
Và ta cũng có thể tính tần số trao đổi chéo là: rf = (𝑆ố 𝑁𝑃𝐷+ 𝑆ố 𝑇/2)/ 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑏ộ 𝑏ố𝑛 × 100% Đối với bộ bốn có thứ tự: Khoảng cách giữa gen và tâm động = 𝑆𝐷𝑆/(2.𝑇ổ𝑛𝑔 𝑠ố 𝑏ộ 𝑏ố𝑛) × 100%
BIỂU HIỆN CỦA GEN
Mã di truyền
Mã di truyền là phần mật mã chứa thông tin về trình tự amino acid, được mã hóa dưới dạng nucleotide trên gen Đây là mã bộ ba, với 4 loại nucleotide tạo thành 64 mã bộ ba, trong đó có 61 codon mã hóa cho 20 axit amin và 3 codon xác định sự dừng dịch mã Hầu hết các axit amin có thể được xác định bởi nhiều codon khác nhau Tác động kiểu hình của đột biến dịch khung phụ thuộc vào việc khung đọc có được khôi phục hay không Tất cả các sinh vật đều sử dụng cùng một mã di truyền cơ bản, và các hệ thống dịch mã từ các sinh vật khác nhau đều sản xuất ra cùng loại protein So sánh trình tự ADN và protein cho thấy sự tương ứng hoàn toàn giữa các codon và axit amin ở mọi sinh vật.
Mã di truyền là mã bộ ba không gối lên nhau, vì vậy việc thêm hoặc mất một cặp nucleotide trên mạch polynucleotide có thể thay đổi khung đọc trên gen, ảnh hưởng lớn đến sinh vật bị đột biến Sự thay đổi một cặp nucleotide có thể không làm thay đổi cấu trúc sản phẩm Do tính thoái hóa của mã di truyền, nếu sự thay thế cặp nucleotide không làm thay đổi trình tự amino acid, gọi là đột biến đồng nghĩa (silent mutations); nếu thay đổi amino acid này bằng amino acid khác, gọi là đột biến sai nghĩa (missense mutation); và nếu xuất hiện mã kết thúc, gọi là đột biến vô nghĩa (nonsense mutation).
Một điều ta đã được thực nghiệm chứng minh rằng, quá trình phiên mã từ DNA đến RNA luôn sử dụng mạch có chiều 3’ → 5’ trên DNA làm khuôn.
Phiên mã
Phiên mã là quá trình tổng hợp RNA từ gen, trong đó trình tự deoxyribonucleotide trên mạch khuôn DNA được chuyển đổi thành trình tự ribônucleotide của RNA theo nguyên tắc bổ sung.
Quá trình phiên mã yêu cầu enzyme RNA polymerase làm xúc tác, với các trình tự promoter trên DNA đóng vai trò là tín hiệu khởi đầu RNA polymerase gắn các nucleotide theo hướng 5’→ 3’, và các trình tự kết thúc (Terminator) sẽ chỉ định điểm dừng cho phiên mã.
Cấu trúc của RNA polymerase bao gồm 5 thành phần Trong đó, Sigma là một nhân tố đặc hiệu
Nó có vai trò nhận biết promoter và đảm bảo sự phiên mã được mở đầu ở vị trí đúng
RNA polymerase moves along the gene from the start site to the stop site, with regulatory sequences known as promoters located before the start site Promoters serve as the binding site for the enzyme, initiating the transcription process.
RNA sẽ cùng các yếu tố bổ sung gắp vào để khởi đầu phiên mã
Quá trình kéo dài sợi RNA trải qua 3 bước cơ bản:
Mở đầu, Kéo dài, Kết thúc a Mở đầu
Yếu tố sigma cùng với các yếu tố khác của enzyme RNA polymerase sẽ gắn vào vùng promoter, cụ thể là vùng -10, nơi có các trình tự đồng thuận dễ nhận biết Sự gắn kết này giúp RNA polymerase định hướng để bắt đầu quá trình mở mạch gen tại vị trí +1.
RNA polymerase di chuyển dọc theo mạch khuôn gen từ chiều 3’-5’, lắp ráp ribônuclêôtit tự do vào mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung và sử dụng ATP để kết nối các ribônuclêôtit bằng liên kết phosphodieste, tạo ra chuỗi polynucleotide mới theo hướng 5’-3’ Khi đoạn gen đã hoàn tất phiên mã, nó sẽ đóng xoắn lại ngay lập tức Giai đoạn này, được gọi là giai đoạn kéo dài (elongation), là giai đoạn lâu nhất trong toàn bộ quá trình phiên mã.
Khi một đoạn ARN khoảng 10 nucleotide được hình thành, yếu tố σ rời khỏi enzym lõi, dẫn đến sự thay đổi cấu hình của ARN polymerase Enzym này có nhiệm vụ giãn xoắn mạch ADN phía trước, tổng hợp chuỗi ARN, tách chuỗi ARN khỏi mạch khuôn ADN và sau đó đóng xoắn lại mạch ADN phía sau Cần lưu ý rằng, để thực hiện các hoạt động tương tự trong quá trình sao chép ADN, ADN polymerase cần sự hỗ trợ từ một số enzym hoặc protein khác như topoisomerase và helicase.
Yếu tố Rho trong RNA-pôlymêraza (Pol) tương tác với prôtêin NusA, tạo thành một cấu trúc giống như "kẹp tóc" Cấu trúc này bao gồm các đoạn giàu G≡C và một đoạn pôlyU bổ sung cho chuỗi pôlyA của mạch khuôn gen mà Pol đang đọc Khi Pol tiếp cận đoạn này, chuỗi pôlyU của Rho liên kết với pôlyA của gen, dẫn đến việc Pol bị chặn lại và buộc phải chấm dứt phiên mã.
Trong quá trình phiên mã, pôlyA đóng vai trò là tín hiệu kết thúc, trong khi yếu tố Rho có chuỗi pôlyU là thành phần hỗ trợ Ở sinh vật nhân sơ, RNA ngay lập tức tham gia vào dịch mã, trong khi ở sinh vật nhân thực, có ba loại ARN polymerase khác nhau để phiên mã các ARN khác nhau, với các promoter và protein hỗ trợ khác nhau Sau phiên mã, RNA cần trải qua các quá trình cải biến như gắn mũ 7′-methylguanylate ở đầu 5’ và đuôi 3’ Poly-A, cùng với quá trình cắt nối (splicing) do spliceosome xúc tác Ribozyme, những phân tử RNA hoạt động như enzyme, đảm bảo các phản ứng cắt nối diễn ra đồng bộ Điều thú vị là các mARN khác nhau có thể được tạo ra từ cùng một bản mã sao (tiền mRNA), và trong một số trường hợp hiếm, có thể xảy ra hiện tượng transplicing, kết hợp các exon từ các gen khác nhau.
Có 5 loại ARN đóng vai trò trong biểu hiện gen bao gồm: mARN; tARN; rARN; snARN: cấu trúc nên phức hợp cắt nối, xử lý mARN sau phiên mã; miARN: có vai trò trong điều hòa biểu hiện gen.
Dịch mã
Dịch mã là quá trình mà ribosome trong tế bào chất hoặc mạng lưới nội chất tổng hợp protein, diễn ra sau khi RNA được phiên mã từ DNA trong nhân.
Trong quá trình dịch mã, RNA thông tin được giải mã tại ribosome bên ngoài nhân, tạo ra chuỗi amino acid hay polypeptide Polypeptide sau đó gấp và co xoắn để hình thành protein hoạt động, thực hiện các chức năng trong tế bào Ribosome hỗ trợ quá trình này bằng cách tạo ra trình tự bộ ba bổ sung với tRNA và mRNA mang mã di truyền, trong đó mỗi tRNA mang một amino acid cụ thể được nối lại thành polypeptide khi mRNA di chuyển qua.
Dịch mã gồm ba giai đoạn:
Khởi đầu: Ribosome gắn với xung quanh đoạn đầu mRNA Các tRNA đầu tiên được gắn tại bộ 3 mở đầu
During elongation, tRNA delivers an amino acid to the corresponding tRNA that matches the next codon Subsequently, the ribosome translocates to the next triplet of mRNA to continue the process of synthesizing a chain of amino acids.
Kết thúc: Khi đạt tới bộ 3 dừng, ribosome giải phóng polypeptide
Các ARN vận chuyển (tRNA) làm trung gian cho sự dịch mã các codon trên mARN thành các axit amin tRNA mang anticodon
Anticodon gồm ba nucleotide bổ sung với một codon trên mARN
Cấu trúc của tARN gồm ba bậc: bậc một là chuỗi nucleotide, bậc hai là các trình tự bổ sung ngắn tạo thành cấu trúc hình lá ba thùy, và bậc ba là hình dạng không gian ba chiều dạng chữ L Sự bắt cặp giữa codon trên mARN và anticodon trên tARN giúp đưa axit amin vào chuỗi polypeptide tARN tích điện là tARN đã liên kết cộng hóa trị với axit amin của nó.
Quá trình dịch mã diễn ra trong ribosome, nơi bổ sung một amino acid tại một thời điểm cho đến khi hoàn thành polypeptide Ribosome bao gồm hai tiểu đơn vị: 40S và 60S, kết hợp lại để tạo ra vị trí cho quá trình dịch mã mRNA thành protein Loại amino acid được thêm vào được xác định bởi mã di truyền trên mRNA, với mỗi amino acid tương ứng với bộ ba đối mã Trình tự nucleotide trong mRNA quyết định trình tự chuỗi amino acid, và quá trình bổ sung amino acid diễn ra theo hướng từ đầu amino đến đầu carboxyl mRNA mang thông tin di truyền từ nhiễm sắc thể đến ribosome, nơi các ribonucleotides được "dịch" thành các bộ ba.
3 nucleotide gọi là codon Mỗi bộ 3 mã hóa cho một amino acid cụ thể
Mỗi ribosome có ba vị trí riêng biệt để gắn tRNA Trong quá trình khởi đầu, amino acid được kích hoạt bằng ATP để tạo thành amino acid hoạt hóa Enzym Aminoacyl tRNA synthetase xúc tác cho sự liên kết giữa amino acid hoạt hóa và tRNA cần thiết, tạo ra phức hợp amino acid - tRNA, hay còn gọi là Aminoacyl-tRNA.
Quá trình tổng hợp chuỗi polipeptit diễn ra theo ba bước:
Tiểu đơn vị bé của ribôxôm gắn với mARN ở vị trí nhận biết đặc hiệu (gần bộ ba mở đầu) và di chuyển đến bộ ba mở đầu
(AUG) Ở sinh vật nhân thực bộ ba AUG mã hóa cho axit amin Methionin còn ở sinh vật nhân sơ mã AUG mã hóa cho axit amin foocmin Methionin
Phức hợp axit amin mở đầu và tARN kết hợp với bộ ba mở đầu (đối mã UAX khớp với mã AUG trên mARN theo nguyên tắc bổ sung), sau đó tiểu phần lớn gắn vào để tạo thành ribôxôm hoàn chỉnh.
Bước 2 Kéo dài chuỗi polipeptit
Phức hợp axit amin 1 - tARN gắn vào ribôxôm, khớp bổ sung đối mã với codon tiếp theo trên mARN Quá trình này dẫn đến việc hình thành một liên kết peptit giữa axit amin mở đầu và axit amin 1.
Ribôxôm di chuyển đến côđon tiếp theo, trong khi tARN mở đầu rời khỏi ribôxôm Phức hợp aa2 - tARN vào ribôxôm khớp với đối mã của côđon đó, tạo ra một liên kết peptit mới giữa axit amin 1 và axit amin 2.
Quá trình cứ tiếp diễn như vậy cho đến khi ribôxôm tiếp xúc với mã kết thúc (UGA, UAG hay UAA)
Khi ribôxôm gặp bộ ba kết thúc (UAA, UAG, UGA), quá trình dịch mã sẽ ngừng lại, dẫn đến việc hai tiểu phần của ribôxôm tách rời Một enzyme đặc hiệu sẽ loại bỏ axit amin mở đầu và giải phóng chuỗi pôlipeptit, hoàn tất quá trình dịch mã.
Một riboxom trượt qua một phân tử mARN trưởng thành sẽ tạo ra chuỗi polipeptit với cấu trúc bậc 1 hoàn chỉnh Sau khi tổng hợp, chuỗi polipeptit này tiếp tục trải qua các biến đổi để hình thành các cấu trúc bậc 2, 3 và 4, từ đó thực hiện các chức năng sinh học quan trọng.
ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN GEN
Khái quát – Một số khái niệm
Điều hòa biểu hiện gen là quá trình điều chỉnh hoạt động của các gen, bao gồm việc kích hoạt, tăng cường, giảm bớt hoặc ngăn chặn sự phiên mã và dịch mã Đối với prokaryote, những sinh vật đơn bào tiếp xúc trực tiếp với môi trường, việc điều chỉnh biểu hiện gen là cần thiết để thích ứng với sự thay đổi môi trường Quá trình này giúp tế bào vi khuẩn tiết kiệm năng lượng bằng cách phân loại các protein cần thiết cho các tình huống cụ thể, dựa trên các tín hiệu đặc thù Điều hòa biểu hiện gen có thể diễn ra ở nhiều giai đoạn và theo nhiều cơ chế khác nhau.
Cấu trúc ADN có thể được thay đổi thông qua các phương pháp như uốn cong, methyl hóa, liên kết protein hoặc tái tổ hợp Quá trình phiên mã và sau phiên mã được điều hòa bởi sự ảnh hưởng của ARN polymerase tới các trình tự promoter, bao gồm sự tác động của protein ức chế hoặc hoạt hóa Sau khi mở đầu phiên mã, quá trình kéo dài và giải phóng mARN diễn ra, trong khi biến đổi mARN thông qua polyadenylation và sự ổn định mARN sau phiên mã cũng rất quan trọng Kết thúc phiên mã có thể xảy ra sớm do điều hòa suy giảm phiên mã (attenuation) Điều hòa dịch mã có vai trò quan trọng trong việc nhận biết vị trí mở đầu dịch mã của ribosome và ảnh hưởng tới sự di chuyển của ribosome trên mARN, thông qua các yếu tố như antisense RNA Cuối cùng, điều hòa sau dịch mã liên quan đến mức độ ổn định của chuỗi polypeptide và các biến đổi protein sau dịch mã.
Hệ gen bao gồm các gen kiểu dại được điều hòa biểu hiện, ảnh hưởng đến sản phẩm gen như enzyme và protein trong quá trình chuyển hóa Sản phẩm này có thể thay đổi theo điều kiện khác nhau, với khả năng cảm ứng từ trạng thái OFF sang ON để hình thành con đường dị hóa, hoặc từ ON sang OFF để tạo ra con đường đồng hóa Ngoài ra, một số gen không được điều hòa, nghĩa là chúng luôn ở trạng thái biểu hiện (ON) hoặc luôn tắt (OFF).
Cần phân biệt khái niệm cảm ứng và ức chế:
Cấu trúc Operon và Regulon
Dịch mã ở prokaryote bắt đầu trước khi phiên mã kết thúc, cho phép ribosome bám vào mARN polycistronic gần đầu 5’ trong khi phiên mã vẫn tiếp diễn Điều này dẫn đến việc dịch mã nhiều gen cùng một lúc từ một bản sao mARN, do đó, sự điều hòa hoạt động của gen chủ yếu diễn ra ở cấp độ phiên mã.
Enzyme RNA polymerase đóng vai trò quan trọng trong quá trình phiên mã, do đó, cơ chế điều hòa gen chủ yếu thông qua việc điều chỉnh hoạt động của enzyme này Các kênh kiểm soát có thể thực hiện việc này.
Các promoter trên gen có ái lực với ARN polymerase, với các promoter mạnh cho hiệu suất hoạt động cao và mức độ phiên mã nhanh (2 giây/lần), trong khi các promoter yếu có tốc độ thấp hơn (10 phút/lần) Chẳng hạn, promoter của E coli có hai trình tự quan trọng cho sự nhận biết và gắn bám của ARN polymerase là TTGACA (vùng -35) và TATAAT (vùng -10 – hộp Pribnow).
*Điều hoà thông qua nhân tố và các nhân tố kháng
Điều hòa phiên mã ở sinh vật nhân sơ diễn ra thông qua các yếu tố như nhân tố kết thúc, nhân tố phiên mã dở và nhân tố kháng kết thúc Các gen trong sinh vật nhân sơ thường được tổ chức thành các operon, với một promoter duy nhất, tạo ra ARN polycistronic Tập hợp các gen hoặc operon được biểu hiện từ các promoter riêng biệt nhưng được điều hòa bởi cùng một phân tử điều hòa, được gọi là Regulon.
Một tín hiệu có khả năng điều hòa đồng thời sự biểu hiện của nhiều gen trên cùng một nhiễm sắc thể và liên quan đến một quá trình nhất định Do sự gần gũi của nhiều gen, chúng thường được phiên mã cùng nhau thành một mARN.
Ta xét đến một cấu trúc operon ở E.coli là cấu trúc lac
Operon Ở đây liên quan đến khái niệm điều hòa dương tính và điều hòa âm tính
Operon Lac ở E.coli là operon đầu tiên được phát hiện và nghiên cứu khá chi tiết từ năm
Operon Lac, được phát hiện bởi Jacob và Monod vào năm 1961, hoạt động dưới sự kiểm soát của sự điều hòa âm tính, với protein LacI là yếu tố kìm hãm chính Protein LacI, sản phẩm của gen Lac I nằm trước operon Lac, có khả năng tương tác với operator (O) và β-galactosides Khi không có chất cảm ứng, quá trình phiên mã trên operon Lac bị ức chế bởi sự bám vào của protein LacI Tuy nhiên, khi β-galactosides có mặt, chúng hoạt động như yếu tố cảm ứng, giúp giải phóng sự ức chế của protein LacI và kích hoạt quá trình phiên mã.
Khi môi trường thiếu glucose, tế bào vi khuẩn sẽ tăng cường tổng hợp cAMP, dẫn đến việc kích hoạt mạnh mẽ operon.
Trong tế bào vi khuẩn, ngoài gen vùng nhân, còn có nhiều plasmid chứa các operon tương tự Điều này cho phép sản phẩm của các operon tương tác với nhau Vi khuẩn kiểu dại luôn có đáp ứng cảm ứng với Lactose, được ký hiệu là Lac + Trong khi đó, vi khuẩn đột biến có thể xuất hiện với hai kiểu hình: luôn biểu hiện Lac + hoặc luôn không biểu hiện Lac -.
❖ I + ;P + ;O + ; Z + → Các bộ phận luôn hoạt động bình thường
❖ I - → Lac + cơ định (đột biến mất chức năng)
❖ P - , Z - → Các bộ phận không còn hoạt động
Ta xét 3 thí nghiệm cụ thể sau đây:
Protein LacI từ plasmid LacI + có khả năng tác động lên vùng operator trên nhiễm sắc thể vi khuẩn Gen I + thể hiện tính trội so với gen I - cùng với các gen đột biến Z - và Y - Yếu tố này hoạt động theo dạng trans.
Protein LacI là một loại protein ức chế mạnh mẽ, ngăn chặn sự sản xuất của chính nó từ gen LacI+ Khi protein LacI hoạt động, kiểu hình gen không được biểu hiện, dẫn đến việc không tạo ra sản phẩm Đây là một yếu tố hoạt động theo kiểu trans.
Sự có mặt của O + ở plasmid không đền bù đột biến O c trên nhiễm sắc thể của vi khuẩn Operator là yếu tố tác động cis
Operon tryptophan là một mô hình operon ức chế, trong đó sự hiện diện của chất đồng ức chế trong môi trường sẽ ngăn chặn sự biểu hiện của các gen cấu trúc liên quan đến quá trình chuyển hóa chất này.
Tryptophan ức chế biểu hiện của các gen tryptophan, với sự ức chế này thường xảy ra trong các con đường chuyển hóa liên quan đến quá trình sinh tổng hợp Chất ức chế thường là sản phẩm cuối cùng của con đường chuyển hóa được điều hòa Sự hiện diện của tryptophan kích hoạt chất ức chế trong operon tryptophan, trong khi gen trpR chịu trách nhiệm sản xuất chất ức chế này.
Phân biệt giữa chất ức chế và đồng ức chế:
Khi tryptophan hiện diện, nó hoạt động như một chất đồng ức chế, gắn vào chất ức chế TrpR, gây ra sự thay đổi cấu trúc và cho phép chất ức chế này bám vào operator, từ đó ức chế phiên mã các gen trong operon Ngược lại, khi tryptophan vắng mặt, protein ức chế không thể bám vào operator, dẫn đến việc phiên mã diễn ra Các đột biến ở gen trpR có thể làm thay đổi domain bám tryptophan hoặc domain bám DNA của protein, dẫn đến việc mất khả năng bám của chất ức chế, khiến các gen trp được biểu hiện cơ định ngay cả khi tryptophan có mặt.
Kết thúc phiên mã sớm (Attenuation) là hiện tượng xảy ra ở vi khuẩn, trong đó phiên mã diễn ra đồng thời với dịch mã Nhiều operon ức chế có thể khởi đầu phiên mã tại promoter nhưng kết thúc sớm ở vùng dẫn đầu trước gen cấu trúc đầu tiên Hiện tượng này được gọi là phiên mã dở, tức là sự kết thúc sớm của quá trình phiên mã.
Phiên mã dở xuất hiện trong một số operon ức chế liên quan đến sinh tổng hợp axit amin Sự kết thúc sớm của phiên mã được điều hòa bởi sự có mặt của tARN- đã gắn aminoacyl cùng nguồn.
Giả sử xét cấu hình operon Trp ở E.coli, thể đột biến trpR - không phải cơ định Sự thay đổi biểu hiện trytophan độc lập chất ức chế
Promoter và các yếu tố phiên mã trên RNA polymerase
Vi khuẩn chỉ có một loại RNA polymerase duy nhất chịu trách nhiệm cho quá trình phiên mã Tuy nhiên, lõi enzyme này có khả năng tương tác với nhiều yếu tố phiên mã khác nhau, hay còn gọi là yếu tố sigma, tùy thuộc vào các điều kiện môi trường khác nhau.
Trong điều kiện bình thường, lõi enzyme tương tác với yếu tố sigma 𝜎 để thực hiện phiên mã Khi nhiệt độ tăng cao, yếu tố sigma được thay thế để nhận diện các promoter của gen Ngoài ra, trong môi trường thiếu dinh dưỡng, yếu tố 𝜎 cũng được sử dụng để điều chỉnh quá trình phiên mã.
Sigma factors play a crucial role in regulating gene expression under various conditions For instance, the rpoD sigma factor is associated with normal growth conditions, while rpoE and rpoH are involved in the response to thermal shock The rpoN sigma factor is activated during nitrogen deficiency, and rpoS responds to general stress conditions Additionally, the fliA sigma factor is linked to flagellum synthesis In eukaryotic organisms, the promoter regions of genes coding for proteins are recognized by specific sigma factors.
RNA polymerase II chỉ có thể tương tác với promoter khi hầu hết các yếu tố phiên mã đã hiện diện tại đây Ngoài ra, để quá trình phiên mã diễn ra, các gen cũng cần có trình tự tăng cường phù hợp.
(enhancer) là vị trí tương tác với các yếu tố hoạt hóa, làm tăng mức độ phiên mã trên promoter.
Điều hòa dịch mã và sau dịch mã
Sau quá trình phiên mã ở eukaryote, có nhiều cơ chế điều hòa như sự thay đổi thời gian sống của mARN và việc dự trữ các mARN Một số protein được tổng hợp có thể điều hòa quá trình này thông qua khả năng liên kết đặc hiệu với mARN mã hóa, từ đó kìm hãm quá trình dịch mã tiếp theo của mARN.
Protein có thể trải qua nhiều biến đổi sau dịch mã, ảnh hưởng đến chức năng của chúng, bao gồm ubiquitin hóa và phosphorin hóa Ubiquitin hóa là quá trình mà ubiquitin được gắn vào protein, đánh dấu chúng để phân giải tại proteosome Trong khi đó, phosphorin hóa là việc thêm phosphate vào protein, đóng vai trò quan trọng trong dẫn truyền tín hiệu.
Chúng ta đang khám phá miRNA, một loại RNA đặc biệt có khả năng điều hòa biểu hiện gen Quá trình bắt đầu khi enzyme RNA polymerase III phiên mã mRNA từ DNA, sau đó enzyme Drosha cắt mRNA thành các precursor-miRNA (pre-miR) có chiều dài khoảng 70 nucleotid và cấu trúc “kẹp tóc” Sau khi được vận chuyển ra ngoài tế bào chất, enzyme Dicer tiếp tục cắt pre-miR thành các đoạn miR mạch đôi dài từ 21 đến 25 nucleotid Cuối cùng, chỉ một mạch miR sẽ kết hợp với các thành phần khác để thực hiện chức năng điều hòa gen.
RISC (RNA-induced silencing complex) tạo phức hợp RISC/miR
Phức hợp RISC/miR liên kết với mRNA mục tiêu, dẫn đến việc ức chế quá trình dịch mã hoặc làm phân hủy các mRNA này.
miRNA đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự biểu hiện gen thông qua quá trình phân hủy mRNA Chúng tham gia vào nhiều quá trình sinh lý và bệnh lý khác nhau, ảnh hưởng đến sự tồn tại, tăng trưởng và phát triển của các loại tế bào miRNA có thể tác động đến sự hình thành, phát triển, biệt hóa và thậm chí là cái chết của tế bào Sự biến đổi của miRNA, rối loạn chức năng trong quá trình tổng hợp hoặc biểu hiện của chúng có liên quan đến nhiều loại ung thư.
Quá trình dịch mã có thể bị ngăn chặn khi các protein đặc hiệu gắn vào đầu 5' của mRNA, cản trở sự tiếp xúc của ribosome Các yếu tố như ribosome, tRNA, và các yếu tố khởi đầu cũng ảnh hưởng đến quá trình này Sự hình thành và biểu hiện của protein đích phụ thuộc vào các protein điều hòa.
