SỰ NHÂN ĐÔI VÀ SỬA CHỮA CỦA DNA (DNA REPLICATION AND REPAIR)
ThS. Nguyễn Kim Thạch BM. Hóa Sinh – Sinh Học Phân Tử Trƣờng ĐH Y Khoa Phạm Ngọc Thạch
E-mail: nguyenkimthach@pnt.edu.vn
1
SƠ ĐỒ TRUYỀN THÔNG TIN DI TRUYỀN
2 3
RNA
PROTEIN
DNA 1
DNA
1. NHÂN ĐÔI CỦA DNA (REPLICATION_DNA SYNTHESIS)
2. SAO MÃ (TRANSCRIPTION_RNA SYNTHESIS)
3. DỊCH MÃ (TRANSLATION_PROTEIN SYNTHESIS)
CÁC BASE (PURINE VÀ PYRIMIDINE)
Nucleoside
[structure of deoxyadenosine]
Nucleotide
DANH PHÁP
Base
Nucleoside +deoxyribose
Nucleotide +phosphate
Purines
adenine guanine hypoxanthine
adenosine guanosine inosine
Pyrimidines
thymine cytosine
uracil
thymidine cytidine +ribose uridine
ii). Structure of the DNA double helix
Cấu trúc chuỗi polynucleotide của DNA
5’
3’
• polynucleotide chain • 3’,5’-phosphodiester bond
A-T base pair
Liên kết Hydro giữa các base
G-C base pair
Chargaff’s rule: The content of A equals the content of T,
and the content of G equals the content of C in double-stranded DNA from any species
Mạch đôi của DNA
5’
3’
Rãnh chính
Rãnh phụ
“B” DNA
3’
5’
3’
5’
DNA LÀ CỐT LÕI CỦA NST
DNA LÀ CỐT LÕI CỦA NST
Cấu trúc của chromatin
Beads on a string
1kb : 55 nm
Sợi 30 nm 1kb : 17 nm
2 vòng DNA quấn quanh khối cầu histone
Lõi gồm 8 phân tử histone quấn quanh bởi DNA N-TERMINAL TAIL ACCESSIBLE
CẤU TRÚC NUCLEOSOME
Histone octamer = (H2A-H2B)2 + (H3/H4)2
VAI TRÒ CỦA HISTONE
Acetyl hóa Methyl hóa Phosphoryl hóa Ubiquitin hóa ADP-ribosyl hóa …
NHÂN ĐÔI DNA
HISTONE
SAO MÃ
SỬA LỖI
Sự nén khối và tháo nén của chromosome trong vòng đời tế bào
Telomeres và sự lão hóa
Metaphase chromosome
Telomeres “caps” bảo vệ 2 đầu tận cùng của NST, là trình tự lập liên tiếp 5-8 bp giàu cặp GC. Bảo vệ NST Trƣớc quá trình tái sắp xếp và sát nhập của các NST.
telomere
centromere
telomere
<1 to >12 kb
telomere structure
(TTAGGG)many
young
(TTAGGG)few
senescent
• hoạt tính telomerase (enzyme) hoạt động tùy theo chiều dài của telomere ở tế bào mầm
• sự giảm hoạt tính của telomerase ở các tế bào soma khác nhau và sự cắt ngắn của NST ở mỗi vòng đời của tế bào.
SỰ NHÂN ĐÔI NST VÀ DNA DIỄN RA Ở PHA S
Phân bào
Tăng trưởng nhanh và chuẩn bị quá trình nhân đôi DNA.
G0
tăng trưởng và chuẩn bị phân chia tế bào. Các tế bào bão hòa
DNA nhân đôi và tổng hợp histone
Sự nhân đôi của DNA và cấu trúc NST ở phase S của vòng đời TB.
Sự nhân đôi DNA mạch gốc của NST
Sự nhân đôi sợi DNA (mỗi ~150 kb)
5’ 3’ 3’ 5’
Sự nhân đôi đồng thời
Quả bóng nhân đôi
5’ 3’
3’ 5’
2 mạch con DNA được sinh ra
5’ 3’
3’ 5’
Hình thành các quả bóng nhân đôi
SỰ NHÂN ĐÔI BẮT ĐẦU BẰNG VIỆC XÁC ĐỊNH ORI
SSB DUY TRÌ SỰ TÁCH ĐÔI CỦA ĐOẠN DNA
SỰ NHÂN ĐÔI DIỄN RA TẠI NGÃ BA NHÂN ĐÔI
•PRIMASE •POLYMERASE •HELICASE
PHỨC HỢP PROTEIN TẠI NGÃ BA NHÂN ĐÔI
DNA POLYMERASE III
SSB PROTEINS
HELICASE
OKAZAKI FRAGMENT DNA LIGASE
PRIMASE
DNA POLYMERASE I
Topoisomerase giữ 2 mạch DNA tách rời trong quá trình tháo xoắn bởi helicase. SSB cố định 2 mạch đơn DNA trạng thái tách rời và giúp báo hiệu polymerase trượt nhân bản từ mạch khuôn.
SỰ NHÂN ĐÔI DIỄN RA TẠI NGÃ BA NHÂN ĐÔI
•PRIMASE •POLYMERASE •HELICASE
DNA TEMPLATE
RNA PRIMER
GROWING DNA POLYMER
ENTERING dTTP
dNTP GẮN VÀO CHUỖI DNA ĐANG KÉO DÀI TẠI VỊ TRÍ 3’
Các thành phần tham gia quá trình nhân đôi của DNA
gắn vào trình tự DNA mạch gốc
dnaA Primasome dnaB dnaC dnaG DNA gyrase
Rep protein SSB DNA pol III DNA pol I DNA ligase
helicase (tháo xoắn DNA của sợi gốc) gắn dnaB primase (tổng hợp RNA primer) nhận biết đầu âm cuộn xoắn DNA tại ngã 3 nhân đôi helicase (tháo xoắn DNA tạo ngã 3) gắn vào sợi đơn DNA polymerase nhân đôi sơ cấp. loại bỏ primer và gắn liền các đoạn ngắn DNA gắn liền các đoạn ngắn DNA bằng lk 3’, 5’- phosphodiester
Đặc điểm của các DNA polymerases
DNA polymerases of E. coli_
Polymerization: 5’ to 3’ Vùng đọc sửa exonuclease: 3’ to 5’ Sửa sai exonuclease: 5’ to 3’
pol I yes yes yes
pol II yes yes no
pol III (core) yes yes no
DNA polymerase III là enzyme chính thực hiện nhân đôi. DNA polymerase I giữ vai trò nhân đôi gắn các đoạn ngắn và cắt xén các primer trên mạch chậm và sửa sai . Được dùng để tạo DNA tái tổ hợp.
• Tất cả DNA polymerases cần primer với đầu 3’ có nhóm OH tự do • Tất cả DNA polymerases xúc tác gắn trực tiếp theo chiều theo chiều 5’ to 3’. • 1 số DNA polymerases có khả năng xúc tác vùng đọc sửa 3’ đến 5’ (proofreading)
SỰ NHÂN ĐÔI DNA CẦN RẤT NHIỀU ENZYME KHÁC NHAU
PRIMASE HELICASE DNA POLYMERASE
SỰ NHÂN ĐÔI DNA
DNA LIGASE
RIBONUCLEASE H
TOPOISOMERASE
CƠ CHẾ VƢỢT NUCLEOTIDE LỖI CỦA DNA POLYMERASE
QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI DIỄN RA TẠI NHIỀU VỊ TRÍ & THEO 2 HƢỚNG
TELOMERE LÀ ĐẦU MÚT CỦA NST
CẤU TRÚC TELOMERE
SỰ BẮT CẶP HOOGSTEEN CỦA DNA
Gặp trên đoạn DNA giàu G ở promoter của gen và ở telomere.
VẤN ĐỀ KHI NHÂN ĐÔI DNA TẠI TELOMERE
TELOMERASE
THÁO XOẮN KHÓ HELICASE ĐẶC BIỆT
KHIẾM KHUYẾT TRONG CƠ CHẾ NHÂN ĐÔI DNA
LỖI TRÊN DNA LUÔN ĐƢỢC KIỂM TRA
CƠ CHẾ SỬA SAI
• Đột biến xảy ra trong quá trình nhân đôi DNA và có thể được sửa chữa đồng thời bởi cơ chế đọc sửa của DNA polymerase
• Đột biến không được sửa chữa theo cơ chế đọc sửa, sự bắt cặp sai được sửa chữa bằng cơ chế cắt xén.
• Đột biến phát sinh bất cứ thời điểm nào cũng được sửa chữa bằng cơ chế cắt xén (cắt xén base hoặc nucleotide).
Sửa chữa bắt cặp sai (hậu nhân đôi) (giảm sự nhân đôi DNA sai 1.000 lần)
CH3
• mạch DNA gốc được methyl hóa ở adenine
CH3
• đột biến trên mạch mới được nhận biết ở vị trí methyl hóa
CH3
CH3
5’ 3’
• các đột biết được sửa chữa bằng cơ chế cắt xén • sau khi sửa chữa, mạch nhân đôi mới tạo thành được methyl hóa
Sửa chữa bằng sự cắt xén
Khử amin ATGCUGCATTGA TACGGCGTAACT
uracil DNA glycosylase
ATGC GCATTGA TACGGCGTAACT
repair nucleases
AT GCATTGA TACGGCGTAACT
DNA polymerase b
thymine dimer ATGCUGCATTGATAG TACGGCGTAACTATC excinuclease AT AG (~30 nucleotides) TACGGCGTAACTATC DNA polymerase b ATGCCGCATTGATAG TACGGCGTAACTATC DNA ligase ATGCCGCATTGATAG TACGGCGTAACTATC
ATGCCGCATTGA TACGGCGTAACT DNA ligase ATGCCGCATTGA TACGGCGTAACT
Sửa chữa bằng cắt xén Base
Sửa chữa bằng cắt xén Nucleotide
Cytosine có thể sửa chữa bằng khử amin (Deamination)
cytosine
uracil
5-methylcytosine không thể sửa chữa bằng khử amin.
thymine
5’-methyl- cytosine
Ở các bệnh di truyền, hơn 30% các base đơn bị biến đổi xảy ra ở vị trí 5’-mCpG-3’ .
Sự tương quan của hoạt động sửa chữa DNA ở tế bào sợi (fibroblast cells) từ các dòng tế bào đông vật có vú theo quãng đời
100
human
elephant
) e f i l f o n a p s (
10
i ờ đ g n ã u Q
hamster rat mouse shrew
1
cow
Hoạt động sửa chữa DNA
Những nhƣợc điểm của hoạt động sửa chữa DNA
• Xeroderma pigmentosum (khô sắc tố da)
• nguyên nhân do đột biến gene bao gồm sửa chữa cắt xén nucleotide (nucleotide excision repair) • nguy cơ ung thư da và các thể khác của nó (melanoma) tăng trên 1000 lần khi tiếp xúc ánh.
• Ataxia telangiectasia (hội chứng giãn mạch) • nguyên nhân do DNA bị tổn thương • nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X • có liên quan đến tăng nguy cơ gây ung thư vú.
• Fanconi anemia (suy tủy xƣơng bẩm sinh)
• nguyên nhân do gen bao gồm cả do hoạt động sữa chữa DNA • nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X và ánh nắng mặt trời.
• Bloom syndrome
• nguyên nhân do đột biến gen bên trong DNA helicase • nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X • Nhạy cảm khi tiếp xúc ánh nắng mặt trời.
• Cockayne syndrome
• nguyên nhân do ảnh hưởng của quá trình sao mã và sửa chữa DNA • Nhạy cảm khi tiếp xúc ánh nắng mặt trời
• Werner’s syndrome
• nguyên nhân do đột biến gen bên trong DNA helicase • sự lão hóa non.
Hầu hết các nguyên nhân gây ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể và các đột biến gen; dễ dẫn đến ung thư, các thể ung thư máu (leukemias).
Các câu hỏi trắc nghiệm lƣợng giá
Câu 1: Base nitơ trong thành phần acid nucleic dẫn
xuất từ nhân
A. Purin, Pyridin
B. Purin, Pyrol
C. Pyrimidin, Purin
D. Pyrimidin, Imidazol
E. Pyridin, Indol
Câu 2: Ở điều kiện sinh lý, DNA trong nhiễm sắc thể có
các đặc điểm, trừ
A. Có cấu trúc phụ thuộc các pha trong chu kỳ tế bào
B. Có những chỗ xoắn cuộn chặt phân bố không đều
C. Quấn quanh các phức hợp protein histone
D. Khó tương tác với các phức hợp protein giữ nhiệm vụ
sao mã
E. Không thể phân biệt được với DNA trong ty thể
Câu 3: Liên quan đến tổng hợp DNA, câu nào
sau đây ĐÚNG
A. DNA nhân đôi theo cơ chế bán bảo tồn
B. Quá trình tổng hợp DNA xảy ra theo chiều 3’-5’
C. DNA polymerase giúp nhận biết điểm khởi đầu
D. DNA gyrase giúp DNA mở xoắn dễ dàng
E. Tất cả các câu trên đều đúng.
Câu 4: Quá trình nhân đôi DNA bắt đầu
bằng hiện tƣợng.
A. Tạo đoạn mồi
B. Tách chuỗi DNA đôi thành chuỗi đơn
C. Tháo xoắn chuỗi DNA
D. Nhận diện các vị trí Ori
E. Các câu trên đều sai
Câu 5: Trong quá trình nhân đôi DNA, ngã ba nhân đôi là nơi xảy ra các quá trình sau, trừ.
A. Các protein SSB gắn kết với DNA
B. Helicase tháo xoắn mạnh mẽ
C. Primase tổng hợp đoạn mồi
D. Polymerase gắn các nucleotide tự do vào đoạn DNA
đang được tổng hợp
E. Ligase liên tục nối các đoạn okazaki
