Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 3: Cấu trúc gen và hệ gen của sinh vật

•  GEN VÀ GENOME CỦA SINH VẬT

HAI HỆ THỐNG SINH VẬT

•  Dựa trên cơ sở cấu trúc và thành phần tế bào:

–  Sinh vật tiền nhân (Prokaryote) đại diện là các vi

khuẩn (Bacteria) và tảo lam (Cyanobacteria);

–  Sinh vật nhân chuẩn (Eukaryote).

PROKARYOTE

•  Chưa có nhân hoàn chỉnh •

•

Không có phần lớn các bào quan và màng nhân, có vùng tương tự nhân gọi là nucleoid; Bộ gen gồm DNA cấu trúc sơ khai và cuộn với protein histone gọi là nhiễm sắc thể sơ khai.

•  Prokaryote phân chia tế bào theo kiểu phân đôi, không

có trung thể, không hình thành sợi tơ vô sắc và không có ty thể.

•  DNA vòng nhỏ gọi là plasmid; •  Các yêú tố di truyền ngoài nhiễm sắc khác.

EUKARYOTE

•  Cấu trúc nhân hoàn chỉnh với màng nhân kép bao quanh,

thỉnh thoảng bên trên có chứa các lỗ nhân.

•  Hệ thống màng phức tạp, chứa mạng lưới nội chất (nhẵn

và hạt), bộ máy Golgi, lysosome, ty thể và lục lạp (ở sinh vật quang hợp).

•  Nhiễm sắc thể của eukaryote thẳng, có cấu trúc phức tạp

giữa DNA, RNA và các protein histone.

•  Gene di truyền

–  Thời Mendel (1865), gen là yếu tố quyết định sự hình thành và phát triển một tính trạng bên ngoài. Có thể nói mỗi gen Mendel là một nhiễm sắc thể

–  Morgan (1926) cho rằng: không phải một gen mà nhiều gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể và là các đơn vị không thể chia nhỏ hơn được nữa.

–  Theo giả thuyết ”một gen – một enzym” của G.Beadle và E.Tatum (1940) cho rằng mỗi gen quyết định sự tồn tại và hoạt tính của một enzym.

•  Gene phân tử: là trình tự trên DNA cần thiết để tổng hợp 1 sản phẩm chức năng có thể là polypepDt hoặc RNA –  Gene tổng hợp mRNA mang thông Dn qui định

chuỗi polypepDt

–  Gene tổng hợp tRNA, rRNA tham gia quá trình

dịch mã tổng hợp protein

DNA và gene ở prokaryote

Plasmid trong tế bào chất

Lông roi

NST trần, dạng vòng

- Prokaryote không có cấu trúc nhân hoàn chỉnh, DNA được cô đặc trong vùng nhân. Ngoài ra, còn có DNA khác là các plasmid, nó cũng có dạng vòng nhưng nhỏ hơn DNA nhiễm sắc thể

-‐ Phân tử DNA ở prokaryote không cuộn xoắn với protein histon và nhiễm sắc thể là một phân tử DNA trần dạng vòng.

Cấu trúc 1 gene ở prokaryote

-  Các gene nằm trong một nhóm gọi là Operon.

-  1 operon mang thông tin qui định sự tổng hợp, điều hòa một số protein chức năng.

Operon mang gene tổng hợp Triptophan ở vi khuẩn E.coli

Trình tự khởi động (promoter) của prokaryote

Bắt đầu phiên mã

Hộp Pribnov

3’

5’

DNA

TATAAT

TTGACA

+1 -‐35 -‐10

Cấu trúc Operon ở vi khuẩn P

Transcription

Operator region

c

a

b

-10

-35

-35 -10 +1 5’

T 3’

mRNA

RNA polymerase

A

B

C

Cấu trúc gen ở sinh vật Eukaryote (nhân chuẩn, nhân thật)

Khung đọc mã

Promoter

Kết thúc

Bắt đầu phiên mã 5UTR

phiên mã

Hộp AGGA/CAAT

Intron

Kết thúc dịch mã UAA, UAG, UGA

(-75)

3UTR

Bắt đầu dịch mã AUG

3’

5’

Exon

Tín hiệu chuyển peptit

Hộp TATA (-25)

AATAAA Tín hiệu poly A hóa

Vị trí gắn riboxom

Vùng upstream

Vùng downstream

Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn

•  Exon là trình tự mang thông tin di truyền, nằm ở 3 vùng nhất

định của gen, thường được mã hóa sang protein. –  Vùng không dịch mã thành protein, làm tín hiệu bắt đầu phiên mã

tạo RNA và chứa trình tự định hướng mRNA vào ribosome để dịch mã tạo protein.

–  Vùng hai gồm các exon chứa thông tin di truyền dịch mã thành trình

tự amino acid của protein.

của các gen khác nhau, nhưng chúng đều có một số nucleotide nằm ở 2 đầu các intron rất giống nhau, các nucleotide này tham gia vào quá trình cắt intron.

–  Vùng ba được phiên mã thành một phần của mRNA chứa tín hiệu để kết thúc phiên mã và cho phép gắn thêm đuôi poly A vào mRNA. Intron hay trình tự ‘câm’’,không mang thông tin di truyền. •  •  Có rất ít trình tự tương đồng giữa các intron của một gen và

Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn

•  Trình tự không dịch mã đầu 5’ UTR (untranslation region) được tính từ nucleotide phiên mã đầu tiên đến bộ 3 nucleotide khởi đầu dịch mã AUG hoặc GUG.

•  Trình tự không dịch mã đầu 3’ UTR được tính từ một trong 3 codon dừng dịch mã đến hết trình tự kết thúc phiên mã.

•  Trình tự kết thúc phiên mã của nhiều gen có trình

tự như sau: –  5’-CCCAGCCCGCCTAATGAGCGGGCTTTTTTT- 3’

Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn VÙNG KHỞI ĐỘNG

•  - Vùng khởi động (promoter) của nhiều

gen sinh vật eukaryote đều có chung một số trình tự ở hộp CAAT (- 75) và TATA (-25).

Bắt đầu phiên mã

Vùng trình tự của gen điều khiển

Hộp CAAT

Hộp TATA

3’

5’

DNA

TATAAAA

GGCCAATCT

-75

-25

Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn (Tiếp)

•  -Các dấu hiệu gắn chuỗi poly A của mRNA có trình tự 5’- AAUAAA-3’

•  Vùng này nằm ở ngay trước đầu 3’nơi bắt đầu gắn polyA, dài từ 10 đến 30 nu, tiếp theo là vùng CA, rồi đến vùng giầu GU.

Cấu trúc gen của sinh vật nhân chuẩn (Tiếp)

•  Khung đọc mở hay khung đọc mã (open reading frame, ORF): bắt đầu từ một codon khởi đầu AUG và kết thúc bằng một trong 3 mã kết thúc là UAA/UAG/UGA.

•  Mỗi bộ 3 nucleotide của khung đọc mở tương

ứng với một codon mã hóa cho một amino acid. Khung đọc mở được đọc từ đầu 5’ - 3’ dọc theo phân tử mRNA, đọc từng mã một, đọc không chồng chéo và đọc cho đến tận mã kết thúc thì dừng lại.

Gồm 3 vùng chính

1. Vùng khởi động (promoter): ở nhiều gen của sinh vật nhân chuẩn đều có chung một số trình tự ở hộp CAAT (-75) và TATA (-25)

2. Khung đọc mã (khung đọc mở): các bộ 3 nu kế tiếp nhau gồm các đoạn exon (mang thông tin di truyền) xen kẽ các đoạn intron (không mang thông tin di truyền)

3. Trình tự kết thúc phiên mã: trình tự 5’ – CCCAGCCCGCCTAATGAGCGGGCTTTTTT-3’ Chứa 2 đoạn dài 7 nu có trình tự bổ sung . Khi phiên mã tạo mRNA, ở đó hình thành cấu trúc kiểu “kẹp tóc” làm dừng quá trình phiên mã

Vùng khởi động

Có thể: - mỗi gen có một trình tự promoter nhất định

- nhiều gen có một trình tự promoter giống nhau

Khung đọc mã

Bắt đầu bằng một codon khởi đầu: AUG hoặc GUG Kết thúc bằng một trong 3 mã kết thúc; UAA/UAG/ UGA

Chức năng của gene phân tử

1.  Tái bản 2.  Phiên mã tạo RNA 3.  Dịch mã = sinh tổng hợp protein

dựa trên khuôn mRNA

Structure of a gene (prokaryote and eukaryote)

Upstream vs Downstream

Downstream Upstream

Gene Sense strand

3'

5'

3' Promoter region

Antisense strand

5'

3'

Transcription direction

Typical gene structure of prokaryote

Promoter region •  Shine-Dalgarno box (AGGAGG) •  Pribnow box (TATAAT) •  Position-35 (TTGACA)

5’

3’

ORF

Start codon

Stop codon

Terminator

Typical gene structure of prokaryote

-10

-35

3‘

5‘

Pribnow box

Shine- Dalgarno

TTGACA

TATAT

AGGAGG

ATG AUG

TAG/TAA/TGA UAG/UAA/UGA

Start codon

Stop codon

RNA pol binding position

Positon for recognization of RNA pol

Promoter region

Genome là gì???

Photo of intracellular bacterium courtesy of Gregory P. Henderson and Grant J. Jensen, California InsDtute of Technology

Photo of free-‐living bacterium courtesy of Karl O. Steper, Universität Regensburg

Photo of unicellular eukaryote courtesy of Eishi Noguchi, Drexel University College of Medicine

Photo of mulDcellular eukaryote courtesy of Carolyn B. Marks and David H. Hall, Albert Einstein College of Medicine, Bronx, NY

Genome là gì???

Photo of higher plant courtesy of Keith Weller/USDA

Photo of mammal © Photodisc

GENOME

1. Khái niệm: Genome là một khái niệm dùng để chỉ toàn bộ các gen có trong một giao tử đơn bội. Lượng DNA của genome có trong một tế bào sinh vật, bao gồm tất cả các gen và các đoạn DNA giữa các gen.

•  Genome của Eukaryote rất phức tạp về cấu trúc và chức năng. Hầu hết các Eukaryote đều chứa thông tin di truyền nằm trong các tổ chức khác nhau như: nhân, ty thể, lục lạp (có ở các sinh vật quang hợp).

•  Thông tin di truyền còn có ở trong một số virus,

viroid, vi khuẩn sống ký sinh.

09_25_Chromosome22.jpg

Số lượng gen

6000 genes ở nấm men; 18,500 ở giun; 13,600 ở ruồi dấm; 25,000 ở cây Arabidopsis; và khoảng 20,000 tới 25,000 ở chuột và người; ở lúa lại có tới 40 000 gene.

Số lượng gen ở một số sinh vật nhân chuẩn

Số gen và NST trong một số sinh vật

Loài

DNA tổng số (bp)

Số lượng gen

Số nhiễm sắc thể (2x)

4.639.221

4.405

Vi khuẩn (Escherichia coli)

12.068.000

6.200

Nấm men (Saccharomyces cerevisiae)

97.000.000

19.000

Tuyến trùng(Caenorhabditis elegans)

125.000.000

25.500

Thực vật (Arabidopsis thaliana)

180.000.000

13.600

Ruồi dấm (Drosophila melanogaster)

480.000.000

57.000

Lúa nước (Oryza sativa)

2.500.000.000

30.000-35.000

Chuột (Mus musculus)

3.200.000.000

30.000-35.000

Người (Homo sapiens)

Kích thước genome

Ở người: chiều dài trung bình của 1 gen là 27kb.

Ý nghĩa của việc xen kẽ các vùng intron và exon?

Genome là toàn bộ các gen có trong một giao tử đơn bội của loài

Genome nhân

-‐ Genome của nhân được cấu trúc từ bộ nhiễm sắc thể gồm các cặp tương đồng - Genome ở nhân của các loài khác nhau chứa hàm lượng DNA khác nhau. - Bộ nhiễm sắc thể trong nhân có số lượng, kích thước và hình dạng xác định khác nhau đặc trưng theo từng loài

Các loại DNA trong genome nhân

(1) Loại DNA lặp lại ở mức độ cao:

•

Thường chiếm khoảng 10% DNA của mỗi tế bào Trình tự ngắn dưới 10 cặp bazơ

•  •  Có từ 105 – 107 bản sao cho mỗi genome. •  Những trình tự này thường không mã hoá và thường gắn các vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể

Các loại DNA trong genome nhân

2. Loại DNA có trình tự lặp lại thấp hoặc trung bình: -  -

chiếm khoảng 20%. chứa các đoạn lặp lại có kích thước lớn hơn (100 cặp bazơ, được lặp lại từ một vài đến hàng ngàn lần

-  Một số trong chúng có chức năng mã hoá tạo ra rRNA,

mRNA hay rRNA 5S.

-  Ví dụ 2 gen tạo histone và RNA ribosome là các gen lặp lại nhiều lần trong genome nhân. Genome nhân của V.faba có khoảng 4750 gen tạo ra rRNA trong khi đó genome của V.sativa chỉ có khoảng 1875

Các loại DNA trong genome nhân

(3) Loại DNA chứa trình tự duy nhất: -  chiếm khoảng 70%. -  Chỉ có một bản và những trình tự này chỉ lặp lại

đôi lần, mã hoá cho các protein.

-  Trong hầu hết các cây trồng, chỉ có khoảng 20 - 40% của bộ genome là có chứa trình tự DNA chỉ lặp lại một lần.

The Repetitive DNA Content of Genomes

Các loại DNA trong genome nhân

•  DNA mã hóa •  DNA không mã hóa

–  Nhóm lặp lại nhiều lần –  Nhóm ít lặp –  Nhóm không lặp

Genome ty thể

Chức năng/ Sản phẩm

Gen

Bộ máy dịch mã

RNA ribosome

rrn5, rrn18, rrn26

Protein ribosome

rps1,rps3, rps7, rps12

Bán phân tử nhỏ

rps13, rps14, rps19

Bán phân tử lớn

rp12, rp15, rp116

RNA vận chuyển

Ít nhất là 16

Các bán phân tử của các chuỗi hô hấp

NADH dehydrogenase

nad1, nad2, nad3, nad4, nad41, nad5, nad6, nad7, nad9

Cytochrome b

Cob

Cytochrome c oxidase

cox I, coxII, coxIII

ATP synthase

atp1, atp16, atp9

Cytochrome c biogenesis

Ít nhất là 4 gen

Khung đọc mã bảo thủ

Ít nhất đã biết 10 gen

(conserved open reading frames)

Genome ty thể

•  Số lượng bản sao của genome ty thể còn chưa được biết rõ: - có từ 5 – 10 genome/ty thể. -  Ví dụ: Mỗi ty thể của người có khoảng 10 phân tử giống nhau (khoảng 8000/tế bào), trong khi ở S. cerevisiae số lượng này là khoảng 6500, gần 100 genome /1 ty thể

•  DNA ty thể tồn tại chủ yếu ở dạng mạch vòng kép, đôi khi có xuất hiện dạng mạch thẳng như: nấm men, Paramecium, Chlamydomonas.

Genome ty thể

•  Thông tin di truyền trong genome ty thể: genome ty thể chứa các gen mã hóa cho rRNA của ty thể và một số enzyme protein tham gia vào chuỗi hô hấp. •  Ngoài ra, ty thể còn chứa các gen mã hóa tRNA, protein ribosome và một số protein khác liên quan đến quá trình phiên mã, dịch mã, và vận chuyển các protein khác vào ty thể từ tế bào chất.

Genome lục lạp

•  Lục lạp chứa DNA ở dạng các phân tử kép có cấu

trúc vòng. Mỗi lục lạp chứa nhiều phân tử DNA, tuy nhiên mỗi phân tử DNA đều chứa các gen giống nhau.

•  Thông tin di truyền chứa trong genome lục lạp: hầu hết genome của lục lạp có khoảng 200 gen. Các gen này mã hoá cho các RNA ribosome và vận chuyển đồng thời mã hoá cho các protein của ribosome và các protein cần cho hoạt động quang hợp.

Các gen của lục lạp và chức năng

Gen Số Intron Chức năng Ghi chú

tRNA trnL – UAA 1

tRNA TrnI - GAU 1

tRNA TrnA - UGC 1

tRNA TrnV - UAC 1

tRNA TrnG - UCC 1

tRNA TrnK - UUU 1

Rps12 3 exon Protein ribosome Gắn Trans

AtpF1 1 Bán phân tử của ATP synthase

Rps16 1 Protein ribosome

NdhA 1 Bán phân tử NADH dehydrogenase

NdhB 1 Bán phân tử NADH dehydrogenase

1 23 Sr ADN 23S rRNA

Genome của vi khuẩn

•  Có rất ít trình tự DNA lặp lại •  Phần lớn các vi khuẩn chỉ có một nhiễm sắc thể/tế bào. DNA của vi khuẩn cũng ở dạng vòng, chuỗi kép •  Vi khuẩn còn chứa dạng DNA khác được gọi là plasmid có kích thước bé hơn, dạng vòng, có khả năng tự nhân bản. Các plasimid thường chứa một số gen có tính đặc thù cao.

Vi khuẩn (tiếp..)

•  Có 2 dạng gen nhảy

–  Dạng gồm trình tự di truyền vận động TG

(transposase gene) nằm giữa 2 đoạn lặp cùng chiều IR (inverted repeat) còn gọi là đoạn xen IS (insert sequence dài 800-1500bp). Đoạn IS có thể gắn vào DNA NST hoặc plasmid làm thay đổi trình tự gene và có thể tách ra, trình tự đoạn gen trở lại như cũ. –  Gen nhảy kết hợp với gen mã hóa chất kháng sinh àcó thể sử dụng đặc trưng về kích thước, trình tự đoạn IS để chẩn đoán bệnh nhiễm khuẩn bằng kỹ thuật PCR

Plasmid

•  Kích thước 1 - 200 Kb. Mỗi plasmid có chứa

một trình tự gốc tái bản DNA (ORI).

•  Một số plasmid có mặt khoảng từ 10 - 100 bản sao trong một tế bào ký chủ, đây là những plasmid có số lượng bản sao lớn. •  Một số plasmid khác chỉ chứa từ 1 - 4 bản

sao trong một tế bào và được gọi là plasmid có số lượng bản sao thấp.

•  Lượng DNA plasmid trong một tế bào vi

khuẩn rất ít khi vượt quá 0,1 đến 5% DNA

tổng số vi khuẩn.

Virus

•  Virus chưa có cấu tạo tế bào,

bộ gen virus có cấu trúc tương đối đơn giản, số lượng gen ít.

•  Các họ virus khác nhau có cấu trúc vật chất di truyền khác nhau là RNA hoặc DNA

•  Có các nhóm

–  RNA sợi đơn: là dạng phổ biến –  RNA sợi kép: ít gặp (Reovirus – gây bệnh sốt

lưỡi xanh ở cừu)

–  DNA sợi đơn: phage M 13, phage ϕ X174

Virus (tiếp)

•  Trong bộ gen virus có những vùng thay đổi mạnh (hypervariable region), tính chất này giúp virus thích ứng nhanh với điều kiện thay đổi của môi trường.

•  Virus RNA tái bản nhờ hoạt động của enzyme phiên mã ngược reverse transcriptase, từ RNA tạo cDNA dùng làm khuôn cho quá trình phiên mã.

Genome virus

Virus Độ lớn của DNA virus (bp) Chiều dài của DNA virus (nm) Đường kính chiều dài của thể virus (nm)

5.386 1.939 25 φX174

T7 39.936 14.377 78

Kích cỡ DNA của một số virus

48.502 17.460 λ(lambda)

Thể thực khuẩn -‐ Phage

+ Genome thể sống ký sinh

•  Một số tế bào, mô ở một số sinh vật có thể còn

có các thể sống ký sinh bên trong.

•  Thể sống ký sinh có thể có lợi nhưng đa phần là

có hại đó là virus, viroid, nấm, sán, giun, vi khuẩn…và chúng cũng có genome riêng và cũng có chứa các gen mang thông tin di truyền tạo ra polypeptide.

•  Nếu các gen hoạt động thì cũng biểu hiện hoặc đóng góp vào sự biểu hiện nên tính trạng của sinh vật.

Đặc điểm

Prokaryote

Eukaryote

Kích thước Genome (bp)

104-‐107

108-‐1011

Các trình tự DNA lặp lại

Một số

Nhiều

Đoạn DNA không mã hóa xen với đoạn mã hóa

Hiếm

Phổ biến

Không

có

Quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra riêng biệt DNA tách nhau ra trong nhân

Không

có

DNA liên kết với protein

Chỉ một số ít

Nhiều loại

Vùng khởi động

Có

có

Vùng tăng cường/ức chế trên DNA

Hiếm

Phổ biến

Sự gắn mũ và đuôi polyA vào mRNA

Không

Có

Sự cắt, nối mRNA

Hiếm

Phổ biến

Số nhiễm sắc thể

Một

Nhiều

DNA lặp lại trong genome

Các loại DNA lặp lại trong hệ gen

DNA di động và cơ chế chuyển vị

Các loại DNA lặp lại trong hệ gen

Trình tự lặp lại liền kề (Tandemly repeated DNA)

Trình tự lặp lại phân bố rải rác trong genome

Trình tự lặp lại liền kề (Tandemly repeated DNA)

Đoạn DNA chứa những trình tự lặp lại liền nhau hình thành nên các băng vệ tinh khi phân tích DNA bằng phương pháp ly tâm chênh lệch tỷ trọng

Trình tự DNA lặp lại liền kề trên NST ruồi giấm

Một gen có thể chứa nhiều loại DNA vệ tinh với đơn vị lặp lại khác nhau

Kích thước đơn vị lặp lại: <5bp hay >200bp

Minisatellite

Là đoạn DNA có đơn vị lặp lại <25bp, chiều dài khoảng 20 kb

hpp://ﬂylib.com/books/en/2.643.1.51/1/

Microsatellite Đơn vị lặp lại ngắn: 4bp hoặc ngắn hơn, chiều dài <150 bp

orchid.or.jp

Trình tự lặp lại phân bố rải rác trong genome

Các yếu tố di truyền có khả năng di động giữa các vị trí khác nhau trong một hay nhiều gen đã tạo ra các trình tự lặp lại phân bố rải rác trong genome

DNA di động (transposon)

Cấu trúc chung

Trình tự lặp lại ngược chiều (IR)

Chuyển vị qua RNA

Retroposon

Phiên mã

Phiên mã ngược

cDNA

Tái tổ hợp

Retroposon(mới)

Retroposon (cũ)

RNA

Chuyển vị không qua RNA

Vị trí cho

Vị trí nhận

Cơ chế tự tái bản, số lượng transposon tăng lên sau mỗi lần sao chép

Cơ chế bảo tồn, số lượng transposon không tăng lên

Vị trí nhận Vị trí cho

Trình tự chèn (IS)

IS1 ở E.coli

Xác định gene trong genome?

•  Tìm kiếm gene hoặc dự đoán gene là quá trình xác định gene trong chuỗi trình tự DNA hoặc trong toàn bộ genome

Where am I?

Lập bản đồ genome

•  Lập bản đồ gene (genome mapping) là việc chỉ ra vị trí và các thông tin sinh học vào của những đoạn DNA trên NST.

•  Bản đồ di truyền: sử dụng các kỹ thuật di truyền kinh điển (lai, nghiên cứu phả hệ) để xác định các gene, vùng DNA liên quan đến tính trạng, kiểu hình. Khoảng cách giữa các gene được xác định thông qua tần số trao đổi chéo.

•  Bản đồ vật lý: sử dụng các kỹ thuật SHPT hiện đại để xác định trình tự và khoảng cách của các gene, DNA theo chiều dài vật lý.

Bản đồ gene