AXIT ĐÊÔXIRIBÔNUCLÊIC (ADN) VÀ HỆ GEN

Chia sẻ: Huỳnh Hữu Việt | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

199
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tất cả các tế bào của tất cả các sinh vật trên hành tinh chúng ta đều có hệ gen (genome) với cấu trúc chung là ADN và sự biểu hiện thông tin trên ADN cũng giống nhau về căn bản. Phát minh ra cấu trúc của phân tử ADN, đã tạo ra cuộc cách mạng trong Sinh học, mở đầu Sinh học phân tử. Phân tử ADN thoả mãn các yêu cầu đối với vật chất di truyền : chứa và truyền đạt thông tin, tự sao chép chính xác, có khả năng biến dị và sửa sai....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: AXIT ĐÊÔXIRIBÔNUCLÊIC (ADN) VÀ HỆ GEN

CHƯƠNG II AXIT ĐÊÔXIRIBÔNUCLÊIC (ADN) VÀ HỆ GEN Thành phần hóa học và cấu trúc phân tử ADN Chức năng ADN Genomics và các –omics khác Tất cả các tế bào của tất cả các sinh vật trên hành tinh chúng ta đều có hệ gen (genome) với cấu trúc chung là ADN và sự biểu hiện thông tin trên ADN cũng gi ống nhau về căn bản. Phát minh ra cấu trúc của phân tử ADN, đã tạo ra cuộc cách mạng trong Sinh học, m ở đầu Sinh h ọc phân t ử . Phân tử ADN thoả mãn các yêu cầu đối với vật chất di truyền : chứa và truyền đạt thông tin, tự sao chép chính xác, có khả năng biến dị và sửa sai. Sau phát minh ra kĩ thuật di truyền (genetic engineering), Sinh h ọc phân t ử phát tri ển nhanh d ẫn đến biết được chi tiết trình tự từng đơn phân nuclêôtit trên ADN hình thành khoa học về hệ gen (Genomics), mà đỉnh cao là Bộ gen người (Human Genome).  I. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC HÓA HỌC CỦA ADN 1. Chứng minh ADN là vật chất di truyền Vào năm 1868, vài năm sau khi Mendel công bố các quy luật di truyền, nhà sinh hóa học Thụy Sĩ Friedrich Miescher (hình 2.1) phát hiện trong nhân tế bào mủ một chất không phải prôtêin, đó là axit nuclêic. Đến những năm 1930, các nhà hóa học biết 4 lo ại nuclêôtit đơn phân của ADN và cho thấy ADN của nhân giới hạn trong các nhiễm sắc thể. Nhiều số liệu cho thấy có sự liên quan chặt chẽ giữa ADN và vật Hình 2.1. Friedrich Miescher chất di truyền : - ADN có trong tế bào của tất cả các sinh vật, là thành phần ch ủ yếu c ủa nhi ễm s ắc th ể (NST), một cấu trúc tế bào mang gen. - Tất cả các tế bào dinh dưỡng (tế bào xôma) đều chứa một lượng ADN rất ổn định. - Số lượng ADN tăng theo số bội thể của tế bào. - ADN hấp thụ tia tử ngoại nhiều nhất ở bước sóng 260nm, chính là bước sóng mà tia tử ngo ại có hiệu quả gây đột biến cao nhất. Nhưng trong một thời gian dài quan niệm prôtêin là chất di truyền vẫn ngự tr ị. Các NST đ ều có chứa ADN lẫn prôtêin, hơn nữa lúc đó cho rằng các prôtêin m ới có đủ sự phức tạp hóa h ọc c ần thiết để chứa thông tin di truyền. Mãi đến năm 1944, vai trò mang thông tin di truy ền c ủa ADN mới được chứng minh trực tiếp lần đầu tiên và đến năm 1952 mới được công nhận sau nhi ều tranh cãi. 2. Thành phần hóa học Deoxyribonucleic axit (ADN) là một chất cao phân tử (pôlime) - m ột pôlinuclêôtit. Nó được tạo nên do sự nối liền nhiều đơn phân (monomer) là các nuclêôtit, mà thành ph ần g ồm có gốc axit phôtphoric, đường 5-đêôxiribôzơ và các bazơ nitơ. Kết quả phân tích hóa học của ADN ở những sinh vật khác nhau cho thấy sự gi ống nhau đ ặc bi ệt gi ữa các đ ơn phân h ợp thành. Bazơ nitơ gồm hai purin là Adenin (A) và Guanin (G) và hai pirimidin là Xitôzin ( xitôzin theo kí hiệu quốc tế là C (Cytosine)) và Timin (T) (xem hình 2.3). 1
Tất cả sinh vật đều có chung một cấu trúc ADN . Tính đặc trưng của ADN một loài chỉ biểu hiện ở sự sắp xếp các nuclêôtit theo một trình tự dọc theo chiều dài và số lượng của chúng. Tổng ADN của hệ gen đơn bội của tế bào được gọi là giá trị-C (C-value). 2. Mô hình cấu trúc ADN của Watson - Crick Việc xác định cấu trúc không gian của một phân tử phức tạp và quan tr ọng nh ư ADN đã hấp dẫn nhiều nhà khoa học. Vào năm 1950 hầu như chưa bi ết gì v ề sự sắp xếp không gian của các nguyên tử trong phân tử ADN và dĩ nhiên cũng chưa bi ết b ằng cách nào nó chứa thông tin cho quá trình sao chép và kiểm soát các hoạt động c ủa t ế bào. Th ời gian này, M. Wilkins và R. Franklin sử dụng kĩ thuật phân tích dùng tán xạ tia X (X-ray diffraction analysis) đối với ADN, đã thu nhận những kết quả rõ nhất. Vào năm 1953, J.Watson và F.Crick đã sử dụng tài tình các số li ệu phân tích hóa h ọc và tán xạ tia X để xây dựng mô hình cấu trúc của phân tử ADN, còn gọi là mô hình cấu trúc ADN của Watson - Crick hay chuỗi xoắn kép. Mô hình gồm hai mạch pôlinuclêôtit bổ sung nhau (complementary) tạo thành lò xo xoắn kép (hình 2.2). Phía ngoài là khung đ ường – phôtphat, các bazơ nitơ quay vào trong, mặt phẳng vuông góc trục dọc và bắt cặp b ổ sung v ới baz ơ đ ối di ện trên mạch kia. Hai mạch được gắn với nhau bằng các liên kết hiđrô gi ữa các bazơ đ ối di ện v ới nhau theo từng cặp: đối diện Adenin là Timin bắt cặp nhau nhờ 2 liên kết hiđrô , đối diện Guanin là Xitôzin bắt cặp nhau nhờ 3 liên kết hiđrô (hình 2.3). Mỗi mạch đơn có một đầu mang nhóm P tự do gắn vào C 5 của đường đêôxiribôzơ nên gọi là đầu 5'P, còn đầu kia nhóm OH ở vị trí C3 nên gọi là đầu 3'OH. Hai mạch có đầu ngược nhau thể hiện một đặc điểm của mô hình là sự đối song song (antiparalell). Watson, Crick và Wilkins đã nhận được giải thưởng Nobel vào năm 1962. Hình 2.2. Mô hình chuỗi xoắn kép ADN của Watson-Crick. Hình 2.3a. Adenin bắt cặp Timin (2 liên kết hidrô) Hình 2.3b. Guanin bắt cặp Xitôzin (3 liên kết hidrô) Hình 2.3. Sự bắt cặp A-T và G-X (dR = đêôxiribônuclêôtit) Một tính chất quan trọng của ADN là khả năng biến tính và hồi tính. Hai mạch DNA gắn với nhau nhờ các liên kết hidrô, nếu các liên kết này bị đứt 2 mạch sẽ tách r ời nhau như khi đun nóng phân tử ADN vượt quá nhiệt độ sinh li (thường ở khoảng 80 – 95 OC). Đó là hiện tượng biến tính (denaturation) của ADN. Nó có tính là thuận nghịch. Nếu ADN đã bi ến tính đ ược hạ 2
nhiệt độ từ từ trở lại bình thường thì chúng có thể gắn lại với nhau thành mạch kép, gọi là hồi tính (renaturation). Sử dụng đặc tính biến tính và hồi tính, có thể ti ến hành lai DNA v ới DNA, DNA v ới RNA và RNA với RNA. Kết quả lai dương tính có được khi giữa 2 lo ại DNA phải có nh ững đoạn có trình tự bổ sung cho nhau, tức tương đồng. Có thể dùng đồng vị phóng xạ đánh dấu để phát hiện đoạn lai. II. CHỨC NĂNG CỦA ADN Mỗi một tế bào trên hành tinh của chúng ta đều lưu trữ thông tin di truyền trong cùng m ột d ạng hóa chất, đó là ADN mạch kép, được tạo nên từ 4 loại nuclêôtit (A, T, G và X) xếp nối nhau theo một trình tự xác định. Tuy cấu trúc của ADN đơn giản hơn nhiều so với phân tử protein, nh ưng nó thỏa mãn đầy đủ các chức năng của vật chất di truyền : mang, b ảo qu ản và truy ền đ ạt thông tin di truyền. Các cơ chế sao chép ADN, biểu hiện thông tin di truyền v ề căn bản cũng gi ống nhau ở tất cả các loài sinh vật. 1. Vai trò mang thông tin di truyền Đòi hỏi trước tiên đối với vật chất di truyền là có khả năng ch ứa thông tin di truy ền. Phân t ử ADN có chiều ngang giới hạn (2 nm = 2 phần tỉ met), nh ưng chi ều dài thì không h ạn ch ế. Trình tự sắp xếp các nuclêôtit theo chiều dài có thể phản ánh những thông tin nhất định . Tuy ADN chỉ có 4 loại nuclêôtit nhưng số loại tổ hợp (sư sắp xếp thứ tự) trình tự khác nhau là m ột con s ố khổng lồ. Người ta tính ra rằng với đoạn ADN có 20 nuclêôtit, thì s ố lo ại t ổ h ợp trình t ự c ủa nó theo chiều dài có đến 420 tức khoảng nghìn tỉ tổ hợp. Khả năng chứa thông tin đó làm cho phân tử ADN là phân tử dài nhất trong tự nhiên, khi mà nó chứa các trình tự mã hóa các phân tử ARN, prôtêin, trình tự điều hòa. Nói chung, nó chứa cả chương trình phát triển của mỗi tế bào. Đặc biệt là 64 bộ ba mã hóa (codon) cho tổng hợp prôtêin cũng giống nhau (trừ vài ngo ại lệ ở ti thể) ở tất cả các tế bào của tất cả các sinh vật từ vi khuẩn đến con người. Ngoài việc chứa thông tin theo chiều dài, khả năng này còn được mở rộng do các thay đổi cấu trúc : gãy nối lại tạo các xen đoạn, tăng đoạn, chuyển đoạn,… Con người có thể lắp ghép giữa các đoạn ADN tạo ADN tái tổ hợp trong công nghệ gen. Các lo ại phân t ử khác không có khả năng này. Hơn thế nữa, ADN là loại phân tử duy nhất được sửa sai ngay trên phân t ử đ ảm b ảo cho việc bảo quản chính xác thông tin di truyền chi phối mọi hoạt động sống của tế bào. Thông tin chứa trên ADN được sử dụng và hiện thực hóa nhờ các chất trung gian là ARN rồi dần đến tổng hợp các prôtêin là những công cụ phân tử thực hiện chức năng của tế bào. 2. Sao chép ADN Các sinh vật tự sinh sản bằng truyền thông tin di truyền cho thế hệ sau. Mỗi tế bào riêng l ẻ là một đơn vị tự tái sinh nhỏ nhất, và là phương tiện truyền thông tin di truyền ở tất cả các loài sinh vật. Một trong những tính chất căn bản của chất di truyền ADN là khả năng tự sao chép chính xác hay tự nhân đôi (self duplication). Ưu điểm nổi bật của mô hình Watson - Crick là cho phép dự đoán ngay phân tử ADN sao chép như thế nào. Tế bào sao chép thông tin của chúng theo kiểu bán bảo tồn (semiconservative), bằng cách tách hai sợi ADN mạch kép và dùng mỗi sợi làm khuôn để pôlime hóa tạo m ạch đơn m ới có trình t ự nuclêôtit bổ sung với nó (hình 2.4). Quá trình sao chép phức tạp, nhờ hàng loạt enzim và prôtêin, bắt đầu từ điểm xuất phát ori (origine). 3
ADN mẹ có 2 sợi cũ 2 ADN mới, 2 sợi đơn Hình 2.4. Sao chép ADN theo kiểu bán bảo tồn Các nguyên tắc chung của sao chép ADN : – Các liên kết hidrô gắn hai mạch với nhau phải bị phá vỡ và tách rời hai mạch; – Sự hình thành chẻ ba sao chép hay điểm mọc dài là nơi mà các mạch ADN mẹ tách ra để thực hiện sao chép. – Phải có đoạn mồi (primer) tức đoạn ADN hay ARN mạch đơn ngắn bắt cặp bổ sung ngay đầu 3’ mạch đơn khuôn, nơi khởi sụ sao chép; – Có đủ 4 loại nuclêôtit triphôtphat (ATP, GTP, TTP và CTP) và các nuclêôtit bổ sung bắt cặp với các nuclêôtit trên mạch khuôn; – Mạch mới luôn tổng hợp theo hướng 5,P ––> 3, OH : nuclêôtit mới nối vào đầu 3’OH; – Các nuclêôtit mới nối nhau bằng liên kết phôtphodieste để kéo dài mạch mới và tương tự. Mỗi bước được điều khiển bởi enzim đặc hiệu và thực hiện một cách nhanh chóng, chính xác. Các chi tiết trong cơ chế sao chép nucleic acid có thể thay đổi ở t ế bào nhân s ơ, nhân chu ẩn và các virus, nhưng nguyên tắc căn bản c ủa sao chép thông qua tổng hợp các mạch bổ sung vẫn tương tự nhau. 3. Biểu hiện thông tin trên ADN : Học thuyết trung tâm Vào năm 1956, F.Crick nêu ra học thuyết trung tâm (central dogma) hay tiền đề cơ sở của sinh học phân tử, cho thấy các quá trình diễn ra với ADN và sự bi ểu hi ện thông tin di truyền trên phân tử ADN, mà đến nay căn bản vẫn đúng (hình 2.5). - Tổng hợp phân tử ADN hay sao chép theo kiểu bán bảo tồn và là cơ sở của quá trình sinh sản. Tổng hợp - Tổng hợp ARN hay phiên mã : Cũng chính chiến ADN (Sao chép) lược pôlime hóa dựa vào mạch khuôn mang thông tin được dùng để chuyển từng phần thông tin từ ADN sang các phân tử ARN, pôlime gần giống với ADN. - Tổng hợp protein hay dịch mã : Các phân tử ARN này đến lượt điều khiển việc tổng hợp các phân tử Tổng hợp ARN prôtêin ở các ribôxôm, bộ máy dịch mã (translation) (Phiên mã) phức tạp hơn nhiều phân tử gồm ARN và prôtêin. Các prôtêin là những enzim chủ chốt cho hầu hết các phản ứng hóa học và các chức năng khác của tế bào. Chức năng đặc hiệu của mỗi prôtêin phụ thuộc trình Tổng hợp tự chuỗi axit amin của chúng, được xác định đặc prôtêin hiệu bởi trình tự chuỗi nuclêôtit của gen tương ứng, (Dịch mã) là đoạn ADN mã hóa cho prôtêin đó. Bằng cách đó, hệ gen (genome) của tế bào xác định hóa học của nó; và hóa học của mỗi một tế bào sống căn bản tương tự nhau, bởi vì nó phải đáp ứng cho vi ệc tổng hợp Các axit amin ADN, ARN và prôtêin. Hình 2.5. Học thuyết trung tâm 4
Như vậy, luồng thông tin di truyền đi từ ADN qua ARN rồi đến prôtêin, mà chúng là nh ững công cụ phân tử biểu hiện thông tin mang trên ADN. Sinh tổng h ợp prôtêin g ồm 2 b ước căn b ản : phiên mã (ADN –> ARN) và dịch mã (ARN –> prôtêin). Vào những năm 1970, phát hiện quá trình phiên mã ngược từ mARN tổng hợp nên c-ADN nhờ enzim phiên mã ngược (reverse transcriptase). Thông tin không thể đi theo chiều ngược từ prôtêin đ ến ARN. Sự biểu hiện thông tin di truyền tế bào thường là một chiều. Các tính trạng của tế bào được biểu hiện thành từng đơn vị là các gen mà bản chất là ADN. Hệ gen là tập hợp tất cả các gen của tế bào. Các tế bào đơn giản nhất biết được đến nay có ít hơn 500 gen. Tuy nhiên, mỗi tế bào có một kiểu gen và một kiểu hình. Thông tin di truyền trên DNA chỉ được hiện thực hoá một phần tùy loại tế bào. Các cơ chế nêu trên có hiệu quả như nhau cho thông tin di truyền của tế bào nhân sơ và nhân chuẩn và của các virut. Đây là các quá trình phức tạp, ch ịu s ự đi ều hoà chính xác theo chương trình phát triển cá thể (do ADN mang) dưới tác động c ủa các nhân t ố môi tr ường trong và ngoài tế bào. 4. Các biến đổi trên ADN Tất cả các đột biến đều do những thay đổi trình tự nuclêôtit trên ADN. Các đ ột bi ến có thể xảy ngẫu nhiên (spontaneously) hay gây tạo (cảm ứng - induced) bởi các tác nhân gây đột biến (mutagens). Các đột biến có thể do thay đổi từng cặp bazơ hay những trình tự dài hơn. Đột biến điểm (Point mutation) là biến đổi trình tự của một cặp bazơ. Đột biến điểm có thể do chuyển đổi hoá học bazơ này thành bazơ khác hoặc do bắt cặp sai trong sao chép. Sự biến đổi gồm nhiều kiểu : xen đoạn (Insertion), tăng đôi đoạn (Duplication), mất đoạn (deletion). Transposon hay phần tử di động (transposable element) là trình tự DNA có khả năng tự xen vào (hay bản sao chính nó) ở vị trí mới trên hệ gen (genome), mà không c ần có quan h ệ gì với lôcut mục tiêu. Xen đoạn là kiểu đột biến phổ biến nhất và do sự di chuyển của các phần tử di động. Phần lớn đột biến ngẫu nhiên do sự hiện diện c ủa các bazơ bất th ường trên ADN. Các biến đổi trên ADN có thể được di truyền. Ngoài ra, có thể xảy ra các biến đổi ngẫu nhiên nh ư : gãy hay đứt mạch, bazơ nitơ bị cắt mất làm cho bazơ tương ứng không có cặp, gắn các nhóm chức mới vào bazơ nitơ (như -CH3), biến bazơ nitơ này thành cái khác làm bắt cặp sai, tạo các dime timin,... 5. Các cơ chế sửa sai và bảo vệ ADN Sự sao chép chính xác của phân tử ADN có tầm quan trọng sống còn đối với hoạt động bình thường của tế bào. Nhiễm sắc thể chứa các thông tin c ần thi ết cho việc xây d ựng và đi ều khiển toàn bộ hoạt động của tế bào. Vì thông tin cho sự l ắp ráp hàng ngàn prôtêin khác nhau, có chiều dài hàng trăm hoặc ngàn bazơ, sự sai hỏng một vài bazơ trong số đó d ễ xảy ra và có ý nghĩa rất quan trọng. Bản thân phân tử ADN dài, mỏng manh, trong quá trình s ống nó th ường xuyên chịu tác động của các nhân tố bên trong và ngoài t ế bào. Đi ều đó cho th ấy chỉ riêng cơ chế sao chép chính xác chưa đủ giải thích sự ổn định cấu trúc ADN qua nhiều thế hệ tế bào. Các nghiên cứu di truyền học đã dẫn đến tìm ra các cơ chế sửa sai và bảo vệ ADN duy trì sự ổn định cấu trúc và thông tin di truyền của nó qua nhiều thế hệ. Bản thân ADN có mạch kép thuận tiện cho sửa sai : khi sai ở một mạch, dùng mạch bổ sung tổng hợp lại cho đúng. S ửa sai trên ADN được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau. Trong sao chép ADN, ADN-pôlimêraza tổng hợp ADN trong ống nghiệm với sai sót là 1.10-5 tức trong 100.000 nuclêôtit có một cái sai. Trong các sinh vật thì mức sai sót này c ủa ADN hãy còn quá lớn. Thực nghiệm cho thấy sai sót khi sao chép trong cơ thể sinh vật (in vivo) là 1.10-9 tức một sai sót trên một tỉ bazơ. Như vậy tế bào người có 3.109 cặp nuclêôtit mỗi lần sao chép chỉ có ba sai sót. Đánh giá tốc độ biến đổi trong ti ến hóa cũng kh ẳng đ ịnh mức chính xác rất cao trong sao chép in vivo (trong cơ thể sinh vật). 5
Mức chính xác cao của sao chép trong cơ thể sinh vật có đ ược nh ờ các c ơ ch ế s ửa sai c ả trong sao chép và khi không sao chép. Hàng loạt enzim đặc hiệu làm nhiệm vụ dò tìm và sửa sai. Tổng cộng có khoảng 50 enzim chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử ADN. Đặc biệt, enzim Uraxil-glicôsilaza chuyeân doø tìm uraxil treân ADN ñeå loaïi boû, maø ôû daïng ñoät bieán maát hoaït tính enzim naøy thì treân ADN xuaát hieän uraxil. Ngoài các hệ thống sửa sai, tế bào còn có các hệ thống bảo vệ ADN. Trường hợp đặc biệt khi bị tác động bởi các tác nhân gây đột biến như phóng xạ, các s ợi ADN b ị t ổn th ương nhi ều thì hệ thống cấp cứu (S.O.S system) được mở ra tăng cường sửa sai. Các hệ thống sửa sai và bảo vệ ADN giúp hạn chế tối đa các sai hỏng xảy ra, nhưng đột biến không tránh khỏi. Vì mọi hệ thống không bao gi ờ có sự hoàn ch ỉnh tuy ệt đ ối và có những biến đổi không phát hiện được như 5-mêtilxitôzin (xitôzin có thêm nhóm -CH 3) khi bị mất nhóm amin (-NH2) sẽ biến thành timin là một bazơ bình thường của ADN. III. GENOMICS VÀ CÁC –OMICS Hoạt động sống của không thể thiếu các gen là ADN. Sự hiểu biết trọn vẹn bất kì quá trình sinh học nào chỉ có thể đạt được khi phân tích được chi tiết cấu trúc và chức năng c ủa gen. Kĩ thu ật tái tồ hợp ADN (DNA recombinant technology) đã tạo nên cuộc cách mạng mới trong di truyền học nói riêng và sinh học nói chung. Đ ặc biệt, ph ương pháp xác định trình tự nối tiếp chuỗi (sequencing) nuclêôtit của gen hay gọi ngắn gọn là giải kí tự chuỗi giúp cho sự hiểu biết về gen ngày nay đạt đến trình tự sắp xếp từng nuclêôtit của gen. 1. Genomics Cho đến đầu những năm 1970, ADN là phân tử của tế bào khó phân tích sinh hóa nhất. Đến nay, có thể tách từng đoạn đặc hiệu ADN của hệ gen, nhân bản chúng v ới s ố l ượng vô h ạn và giải kí tự chuỗi của chúng ngay trong một đêm. Từ 1990 đến nay, việc giải kí tự chuỗi DNA của hàng loạt sinh vật đã được bắt đầu thực hiện, Đến năm 2008, gần 850 loài đã giải lí tự chuỗi xong, mà m ột s ố ít đi ển hình đ ược nêu ở bảng 2.1. Bảng 2.1. Một số bộ gen đã được giải kí tự chuỗi (sequencing) hoàn toàn Đặc tính *Giá trị-C (bp) Đánh giá số Loài (C-value) gen mã hóa prôtêin Bộ gen nhỏ nhất 1.Mycoplasma genitalum 580.000(580Kb) 468 Mô hình nghiên cứu vi 2. Escherichia coli 4.639.000 khuẩn và SH phân tử (E. coli) (4,639 Mb) 4289 Mô hình sinh vật nhân 3.Saccharomyces 12.069.000 cerevisiae (Nấm men) chuẩn nhỏ nhất (12,069Mb.) ~ 6300 Mô hình nghiên cứu 4. Arabidopsis thaliana ~ 142.000.000 (thực vật) cây có hoa (142 Mb) ~ 26.000 Sinh vật nhỏ với dự 5.Caenorhabditis elegans ~ 97.000.000 (tuyến trùng) báo chính xác sự phát (97 Mb) ~ 20.000 triển 6.Drosophila ~ 137.000.000 melanogaster (ruồi giấm) Đối tượng mô hình di (137 Mb) ~ 14.000 5. Homo sapiens (người) truyền động vật ~ 3.200.000.000 Được nghiên cứu kỉ (3,2 Gb) ~ 24.000 nhất Theo sách của Alberts, các đồng tác giả. Molecular Biology of the Cell (fifth edition), 2008 * Giá trị-C : Kích thước hệ gen bằng số cặp nuclêôtit hay cặp bazơ (base pair - bp)/h ệ gen đ ơn b ội Sự giải kí tự chuỗi thành công ở hệ gen người và hàng trăm các sinh vật khác đã tạo nên khoa học về hệ gen gọi là genomics (genome – hệ gen) hay hệ gen học. Genomics là một lãnh vực 6
tương đối mới nhằm xác định nhanh chóng trình tự nucleotide của ADN h ệ gen và các ch ức năng của chúng. Các tri thức bắt nguồn từ genomics không những cho phép chúng ta hiểu chi tiết các cơ chế phân tử của sự sống mà còn cách mạng hóa nông nghiệp, y học và nhiều lĩnh vực kĩ thuật. Nó đồng thời cung cấp nhiều cách ti ếp c ận mới đ ể phát hiện, bảo tồn và sử dụng đa dạng sinh học của hành tinh chúng ta. Cuối cùng, tri thức c ủa genomics có thể dẫn đến thế hệ máy điện toán và phần mềm mới dựa trên cơ sở bắt chước cách truyền tín hiệu chính xác và tinh vi của các tế bào. Sự hiểu biết chi tiết về ADN hệ gen dẫn đến một hướng nghiên c ứu m ới là di truyền ngược. Khác với di truyền cổ điển mà các nghiên cứu bắt đầu từ quan sát ki ểu hình r ồi cu ối cùng m ới đến ADN, di truyền ngược khởi sự từ ADN truy ra hiệu quả kiểu hình. Bước đầu, hướng này có tiến triển tốt trong việc truy tìm nhiều bệnh cho người. 2. Hệ gen người Đầu năm 1990, Dự án hệ gen người bắt đầu với kinh phí 3 tỉ Mĩ kim (USD) trong 15 năm và sẽ kết thúc vào 2005 (hình 2.6). Thực hiện dự án do nhóm các Vi ện S ức kh ỏe qu ốc gia c ủa Mĩ (National Institutes of Health − NIH) giữ vai trò chủ yếu và phối hợp với các nước Anh, Pháp, Đức, Trung Quốc và Nhật Bản thành nhóm Liên hiệp các phòng thí nghiệm ( Consortium). Tất cả có 16 cơ quan khoa học lớn trên thế giới trực tiếp tham gia. Nhóm th ứ hai Celera Genomics do C. Venter chủ trì, ra đời chậm hơn nhưng đạt kết quả nhanh với chi phí thấp hơn. – Ngày 26/6/2000 : Công bố bản thảo hành động (working draft) của nguyên bộ gen người (> 90% với số base phân tích gấp 3 – 4 lần bộ gen). – Ngày 14/4/2003 : Dự án bộ gen người hoàn thành và tuyên bố kết thúc sớm 2 năm ở Hội nghị khoa học của NIH kỉ niệm 50 năm chuỗi xoắn kép ADN và các nhà khoa học Mĩ chỉ tiêu tốn 2,7 tỉ Mĩ kim. Đây là sự kiện trọng đại như ý kiến của các nhà khoa học : “Đây là ngày chúng ta hoàn tất lần xuất bản đầu tiên Cuốn sách của sự sống (the Book of Life).” hay “Trong nhiều thế kỉ tới, ngày hôm nay sẽ được nhớ đến như một cột mốc lịch sử”. Các đột phá kĩ thuật góp phần hoàn thành dự án có giá trị to lớn trong tất cả các lĩnh vực sinh học. Các số liệu căn bản về Hệ gen người : − Chiều dài AND (số lượng cặp bazơ : 3,2 tỉ cặp bazơ (bp : base pair) hay 3,2Gb (Gigabase tương tự Gigabytes bên tin học). + Gen trung bình gồm 27000 base, nhưng dao động lớn, với gen dài nhất ở người là gen dystrophin có 2,4 triệu cặp bazơ (Mbp). + Tổng số gen được đánh giá khoảng 24.000 gen (số liệu năm 2008), ít hơn rất nhiều so với các dự kiến trước đây là 50.000 đến 140.000 gen. + Gần như toàn bộ trình tự base (99,9%) giống nhau một cách chính xác ở tất cả mọi người. Điều này cho thấy không có sự phân biệt chủng tộc. + Gần 50% các gen chưa biết chức năng. Một số điều ngoài dự kiến : – Ít hơn 2% (1,1 − 1,4%) bộ gen mã hoá cho protein. – 5% đến 28% trình tự được phiên mã ra RNA. – Các trình tự lặp lại (repeated sequences) không mã Hình 2.6. Biểu tượng bộ hoá cho protein (ADN rác) chiếm ít nhất 50% bộ gen gen người người. 7
Các biến dị và đột biến : Khoảng 1,4 – 2,0 triệu điểm có sự khác nhau 1 base trên DNA giữa các cá thể người. Tính trung bình, giữa các cá thể người khác nhau kho ảng 1/1000 baz ơ. S ự khác nhau này gọi là sự đa hình đơn nuclêôtit (single nucleotide polymorphism – SNP). SNP là những dấu chuẩn (markers) để xác định cơ sở di truyền của nhiều bệnh và cung c ấp thông tin v ề ph ản ứng của từng cá thể trong chữa trị bệnh. Một lĩnh vực m ới đ ược hình thành là Y học cá thể hóa (Individualized medecine). Phát hiện này hứa hẹn cách mạng hoá sự truy tìm các trình tự base gắn với bệnh tật và vạch ra bí ẩn trong lịch sử phát sinh loài người. Ngoài ra, s ự phân tích SNP sẽ giúp tìm ra cơ sở di truyền học trong sự khác nhau của từng người v ề khả năng toán h ọc, trí nhớ, thể thao,… . Có người cho rằng Thời đại sau hệ gen (Post−Genomics Era) đã bắt đầu với các dấu hiệu : – Sử dụng các công cụ và công nghệ để khai thác hệ gen người. – Sinh học phát triển ở mức cao hơn như Sinh học các hệ thống (the Systems Biology). – Sự phát triển hàng loạt các công nghệ then chốt (key tehnologies) m ới như Tin−sinh học (Bioinformatics), Biochip và microarrays, Công nghệ sinh học nano (Nanobiotechnology),… 3. Proteomics và các –omics khác Proteomics là khoa học nghiên cứu toàn bộ các phức hợp của protein gồm : cấu hình (conformation), vị trí (localization), các biến đổi (modifications), các tương tác (interactions), chức năng (function). Sự hiểu biết các đặc tính của nhiều loại protein sẽ giúp sản xuất các hormone và vaccin có hiệu quả với số lượng lớn. Nếu như genomics giúp cho chẩn đoán sớm thì việc ngăn ngừa và chữa trị bệnh sẽ nhờ các kết quả của proteomics. Tuy nhiên, nghiên cứu proteomics khó hơn gấp nghìn lần so với genomics, ví dụ như tất cả các tế bào người đều có bộ gen như nhau (trừ các tế bào sinh dục), nhưng mỗi loại tế bào có bộ prôtêin riêng. Ngoài ra, một gen có thể tạo ra nhiều loại phân tử prôtêin. Đó là chưa kể đến cấu trúc không gian 3 chiều của phân tử prôtêin rất tinh vi, gói cuộn (folding) phức tạp nên rất nhạy cảm với tác động của môi trường. Tiếp theo genomics, proteomics, hàng loạt –omics khác cũng ra đời (hình 2.7). – Cellomics : Nghiên cứu các gen liên quan đến hình thái và chức năng tế bào. – Metabolomics : Nghiên cứu các gen điều khiển trao đổi chất. Trong tương lai, metabolomics sẽ can thiệp vào các quá trình sinh lí để chữa trị hoặc ngăn ngừa bệnh. - Lipidomics : Nghiên cứu cơ chế các gen lien quan đến lipid – Ionomics : Nghiên cứu cơ chế các gen chi phối sự điều hòa tất cả các ion trong tế bào. Các –omics mới tiếp tục xuất hiện như : pharmacogenomics (thuốc trị bệng), nutrigenomics (dinh dưỡng), physionics,... Điều này cho thấy, công nghệ gen can thiệp đến ADN hệ gen cả chiều rộng lẫn chiều sâu và đó là đặc điểm nổi bậc của Công nghệ sinh học thế kỉ XXI – Công nghệ sinh học kiểu Hình 2.7. Các –omics gen. 4. Genomics chức năng Genomics chức năng (Functional genomics) là xác định vai trò các sản phẩm của gen đ ược mô tả bởi ki tự chuỗi bộ gen. Có một số gen toàn năng (universal genes) cần thiết cho tất cả các sinh vật, như các gen mã hóa cho điểm gắn ATP (ATP binding site). Phân tích so sánh là phương pháp hữu dụng trong nghiên cứu các gen mã hoá enzim, mà hầu như chắc chắn cần phải tồn tại để nhận biết các đặc tính của sinh vật. Một vài phân tích về sư phân chia các gen và hoạt tính của chúng ở 3 loài vi khuẩn được trình bày trong bảng 2.2. Dữ liệu giúp dễ nhận thấy sự phân bố các loại gen liên quan với chức năng ở các vi khuẩn. Ví dụ, các gen trao đổi chất (metabolism) là điển hình phong phú nhất của các gen trong hệ gen vi 8
khuẩn, mặc dù các gen dịch mã (translation) nhiều hơn chúng tính trên số phần trăm khi kích thước hệ gen giảm. Đáng ngạc nhiên là các gen quan trọng cho sinh học của tế bào, như các gen sao chép ADN và phiên mã chỉ chiếm một phần nhỏ của ADN hệ gen vi khuẩn điển hình (bảng 2.2). Ngoài ra, một số rất lớn (hơn 30%) các gen mã hóa prôtêin (khung đọc mở - ORF) chưa xác định được chức năng. Bảng 2.2. Sự phân bố các gen trên ADN hệ gen theo chức năng Phần trăm các gen trên ADN hệ gen theo chức năng Các chức năng Escherichia coli Haemophilus Mycoplasma (4,64 Mbp) influenzae genitalium (1.83 Mbp) (0,58Mbp) 1. Trao đổi chất 21.0 19.0 14,6 2. Cấu trúc 5,5 4,7 3,6 3. Vận chuyển 10,0 7,0 7,3 4. Điều hòa 8,5 6,6 6,0 5. Dịch mã 4,5 8,0 21,6 6. Phiên mã 1,3 1,5 2,6 7. Sao chép 2,7 4,9 6,8 8. Chức năng 8,5 5,2 5,8 khác đã biết 9. Chưa biết 38,1 43,0 32,0 *Ba vi khuẩn nêu trên có bộ gen là một phân tử DNA vòng tròn M. genitalium chỉ có 470 gen, nhưng sử dụng các tác nhân gây đột biến (mutagens) để làm gen im lặng (knock out genes), các nhà khoa học đã xác định rằng M. genitalium có thể sống sót trong phòng thí nghiệm với chỉ 337 gen tối thiểu. Số gen này được gọi là “ hệ gen căn bản tối thiểu” (the “minimal essential genome”. Dựa vào hệ gen này, “tế bào nhân tạo” được thiết kế. 5. Genomics so sánh Genomics so sánh (Comparative genomics) thực hiện việc so sánh kí tự chuỗi bộ gen của các sinh vật khác nhau. Tính trung bình, các loài vi khuẩn cổ Archaea dường như có tỉ lệ phần trăm các gen tạo côenzim và năng lượng cao hơn so với vi khuẩn thực Bacteria. Mặt khác, Archaea có xu hướng mang ít gen dành cho chuyển hóa cacbôhidrat hay cho các chức năng của màng tế bào, như là sự vận chuyển và sinh tổng hợp màng hơn là Bacteria. Ngày nay, nhờ biết rõ chi tiết bộ gen các sinh vật, việc xây dựng cây phát sinh chủng loài chính xác hơn và vấn đề nguồn gốc chung của sinh giới kể cả con người thể hi ện r ất rõ ở c ấp đ ộ ADN như : - Vi khuẩn E. coli , mà vị trí phân loại rất xa với người, có 8 % trùng hợp về gen với con người. - Nấm men S. cerevisiae, mô hình sinh vật nhân chuẩn nhỏ nhất, có 25% trùng hợp gen người. Kĩ thuật di truyền (KTDT) mà thao tác chủ yếu là kĩ thuật tái tồ hợp ADN hay còn gọi là tạo dòng phân tử (molecular cloning) vừa là công cụ quan trọng nghiên cứu bản chất sự sống, vừa là công nghệ gen có đóng góp to lớn cho các ứng dụng thực tiễn. Đến nay, sau 40 năm phát triển, đóng góp to lớn của KTDT cho sinh học đi sâu vào bản chất sự sống được coi có tầm quan trọng tương tự phát minh ra kính hiển vi vào thế kỉ XVII, về mặt ứng dụng thực tiễn có thể sánh với chế tạo thành công bom nguyên tử, và tiềm năng ứng dụng của nó chưa thấy giới hạn, ngoại trừ vấn đề đạo lí sinh học (bioethics). TÓM TẮT CHƯƠNG Việc chứng minh vai trò mang thông tin di truyền của ADN và mô hình cấu trúc ADN của Oatsơn-Crick đã tạo nên bước phát triển mới cho sinh học dẫn đến sự hình thành sinh học phân 9
tử. Tất cả các tế bào đều có hệ gen với cấu trúc chung là ADN mạch kép và quá trình bi ểu hi ện thông tin trên ADN cũng giống nhau về căn b ản. ADN thoả mãn các yêu cầu đối với vật chất di truyền : chứa và truyền đạt thông tin, tự sao chép chính xác, có khả năng biến dị và sửa sai ngay trên phân tử. Phát minh ra kĩ thuật di truyền dẫn đến công nghệ gen với nhiều ứng dụng to lớn, góp phần tích cực cho sự phát triển Sinh học phân tử biết được chi ti ết trình tự từng đ ơn phân nuclêôtit trên ADN hình thành khoa học về hệ gen (Genomics), mà đỉnh cao là Hệ gen người (Human Genome). Các –omics ra đời góp phần hiểu biết chi tiết hơn về hàng loạt cơ chế của sự sống và sẽ dẫn đ ến nhiều công nghệ mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y học, nông nghiệp và bảo vệ môi sinh. BÀI ĐỌC THÊM PHÁT MINH SINH HỌC LỚN NHẤT THẾ KỈ XX Năm 1945, ngay sau thế chiến thứ II một quyển sách nhỏ “ Thế nào là sự sống ?” (What is the life ?) đã được xuất bản. Tác giả của sách là E. Schrödinger, m ột trong những nhà v ật lý h ọc nổi tiếng xây dựng thuyết cơ lượng tử. Quyển sách đã thu hút sự chú ý của công chúng, đặc biệt là các nhà vật lý học, vì trong đó Schrödinger c ổ vũ cho nghiên c ứu sinh h ọc tìm các quy lu ật v ật lý mới. Các quan điểm của Bohr và Schrödinger đã c ổ vũ nhi ều nhà vật lý h ọc chuyển sang nghiên c ứu di truyền học với hoài bảo lãng mạn là tìm ra các quy luật vật lý m ới trong b ản ch ất c ấu trúc gen. Vào năm 1952, vai trò di truyền của ADN được chứng minh, tuy còn tranh c ải. Th ời gian này, M. Wilkins (hình 2.7) và R. Franklin (hình 2.8) sử dụng kĩ thuật phân tích dùng tán xạ tia X (X-ray diffraction analysis) (hình 2.9) đối với ADN, đã thu nhận những kết quả rõ nhất. Lúc này Francis Crick cũng vừa nêu ra phương pháp toán học giải thích kết quả của tán xạ tia X đối với các cấu trúc xoắn của prôtêin và dùng nó giải thích các hình ảnh do Franklin và Wilkins thu được. Năm 1951, F. Crick (1916 - 2004) 35 tuổi bắt đầu quan tâm đến ADN. Thực ra từ năm 1946, sau khi đọc cuốn sách "Sự sống là gì?" (“What is a life?”), Crick đã chú ý nghiên c ứu sinh v ật h ọc. Thời gian này James Watson khoảng 25 tuổi, sau khi bảo vệ tiến sĩ đến thực hiện hậu tiến sĩ ở Cambridge. Sự hợp tác của hai người dẫn đến một trong những phát minh lớn nhất của thế kỷ 20. Hình 2.9. Hình của Franklin Hình 2.7. Maurice Wilkins Hình 2.8. Rosaline Franklin (1921 -1958) Màng hiện hình Mẫu ADN Nguồn tia-X Hi ện hình 10
Hình 2.10. Kĩ thuật phân tích dùng tán xạ tia X Vào năm 1953, J.Watson và F.Crick (hình 2.11 và 2.12) đã thực hi ện b ước quyết đ ịnh cu ối cùng bằng sự tổng hợp tài tình các số liệu phân tích hóa h ọc và tán x ạ tia X đ ể xây d ựng mô hình cấu trúc DNA của Oatsơn - Crick hay chuỗi xoắn kép. Công trình công bố trên tạp chí Nature (2.13). Hình 2.11. Oatxơn và Crick năm 1953 Hình 2.12. Oatxơn (1928 -) và Crick (1916 - 2004) Hình 2.13. Bài báo “Cấu trúc phân tử của axit năm 2003 (kĩ niệm 50 năm ADN) nuclêic” công bố trên tạp chí Nature 25/04/1953 Như vậy, giữa thế kỉ XX (năm 1953) mô hình cấu trúc phân tử DNA của Oatxơn-Crick ra đời, đặt nền móng cho sự phát triển của Sinh học phân tử. Phát minh khoa h ọc này đ ược đánh giá là lớn nhất trong thế kỉ XX, nó ra đời sau bom nguyên tử (1945) và tr ước khi phóng v ệ tinh nhân tạo đầu tiên (1957). Năm 1962, Oatxơn, Crick và Vilkin (Wilkins) đã nhận giải Nobel; tiếc rằng bà R. Franklin mất sớm vào năm 1958 mới 37 tuổi. Từ 1962 đ ến năm 2002 có 40 gi ải Nobel thì 2/3 số giải này liên quan đến ADN. Sau phát minh này, giới khoa học đã tiên đoán thế ki XXI là thế ki sinh học và sự phát triển vượt bậc của sinh học ở nửa cuối thế kỉ XX đã biến dự báo thành hiện thực. CÁC KHÁI NIỆM CẦN NHỚ 1. Các chứng minh rằng ADN là chất di truyền. 2. Mô hình cấu trúc ADN của Watson-Crick. 3. Sao chép ADN theo kiểu bán bảo tồn. 4. Quá trình sao chép có sự tham gia của nhiều enzim và khác nhau ở 2 mạch khuôn. 5. Học thuyết trung tâm 6. Sửa sai ADN trong sao chép và khi không sao chép. 7. Các hệ thống bảo vệ ADN. 8. ADN thỏa mãn các yêu cầu đối với chất di truyền. 11
9. Genomics và các – omics khác 10. Hệ gen người và các số liệu căn bản 11. Genomics chức năng và so sánh. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Các chứng minh nào cho thấy ADN là vật chất di truyền ? 2. Mô hình cấu trúc ADN của Oatxơn-Crick có những đặc điểm gì ? 3. Nguyên tắc bổ sung giữa các cặp bazơ nitơ của ADN có ý nghĩa như thế nào đối với hoạt động sống của tế bào và khả năng ứng dụng trong chẩn đoán phân tử ? 4. Nêu các chức năng của ADN và minh họa bằng các ví dụ. 5. Sự ổn định rất cao của thông tin di truyền nhờ các cơ chế nào ? 6. ADN thỏa mãn các yêu cầu đối với chất di truyền như thế nào ? 7. Genomics là gì ? 8. Kể các – omics được nêu ra trong bài. 9. Genomics chức năng và so sánh có ý nghĩa như thế nào ? 10. Vì sao nói ADN là chất kỳ diệu nhất trong thiên nhiên ? 12