Chương 1: LƯỢC SỬ RA ĐỜI SINH HỌC PHÂN TỬ
Các tính điểm môn học Chuyên cần: 10% Kiểm tra giữa kỳ: 30% Thi cuối kỳ: 60%
• Chương I. Lược sử phát triển của sinh học phân tử • Chương II. Các đại phân tử sinh học: Acid nucleic và Protein
– Cấu trúc và chức năng của acid nucleic – Cấu trúc và chức năng của protein
• Chương III. Cấu trúc gen và hệ gen của sinh vật
– Cấu trúc của gen – Hệ gen – Các DNA lặp lại trong hệ gen
• Chương IV. Sự tái bản DNA • Chương V. Cơ chế gây biến đổi DNA • Chương VI. Sự phiên mã của gen và cơ chế điều hòa phiên mã
– I.Sự phiên mã ở sinh vật tiền nhân – Sự phiên mã ở sinh vật nhân chuẩn – Điều hòa phiên mã của gen
• Chương VII. Mã di truyền và quá trình dịch mã.
Nguồn gốc, cấu trúc và chức năng các loại RNA
– Mã di truyền – – Sinh tổng hợp protein
Tài liệu tham khảo chính
• 1. PGS. TS. Phan Hữu Tôn, Giáo trình Sinh
học phân tử đại cương, 2009.
• 2. Hồ Huỳnh Thùy Dương, 2008, Sinh học
phân tử, NXB giáo dục.
• 3. PGS.TS. Khuất Hữu Thanh, Cơ sở di
truyền phân tử và Kỹ thuật gen, 2004, NXB Khoa học kỹ thuật.
• 4. PGS.TS. Khuất Hữu Thanh, Kỹ thuật gen – nguyên lý và ứng dụng, 2005, NXB KHKT
• 5. David Clark, Molecular Biology, 2005,
Elsevier Inc.
Biotechnology
Biological organisms,
Process
systems,
using
or
Goods and
of producing
or
Technology
Services
processes
Molecular Biotechnology
Genetic engineering
Process
Useful products
or
or
or
For producing
Based on
Technology
Commercial processes
Recombinant DNA Technology
6
Những cuộc cách mạng trong CNSH gần đây
Năm 1989, vi khuẩn được sử dụng để dọn sạch 11 triệu gallons dầu trong sự cố tràn dầu trên bờ biển Alaska
Nhiên liệu sinh học tử dầu thực vật
Nuôi cấy tế bào gốc
I. ĐỊNH NGHĨA
• Theo Francois Jacob: Sinh học hiện đại có mục
đích giải thích các đặc tính của cơ thể sống thông qua nghiên cứu cấu trúc, chức năng các phân tử vật chất thành phần.
• Sinh học phân tử: Là một ngành sinh học hiện đại quan tâm đến việc giải thích các hiện tượng và quy luật ở mức phân tử.
ĐỊNH NGHĨA
• SHPT ra đời trên cơ sở hội tụ của các ngành học khác: sinh học tế bào, di truyền học, hóa sinh học.
Hóa sinh học
Tế bào học
Di truyền học
II. THUYẾT TIẾN HÓA VÀ THUYẾT TẾ BÀO
• Xuất hiện từ nửa sau
thế kỷ 19
• Đặt nền móng cho sự ra đời của ngành Sinh học với tư cách là ngành khoa học thực nghiệm
• Dựa trên việc quan sát sự phân bố của các loài
1859, Học thuyết tiến hóa Darwin và Wallace
Charles Darwin (02/1908 – 04/1882)
• Chọn lọc tự nhiên:
Sự biến đổi trong của các loài sinh vật trải qua một thời gian đủ dài, hoặc dưới áp lực của môi trường xung quanh.
Alfred Russel Wallace (1823 –1913)
• Sự biến đổi này
được di truyền cho các thế hệ sau.
1666, Thuyết tế bào
• 1666 phát hiện tế bào khi mô tả cấu trúc sợi bần
Robert Hooke
• 1838 Mathias
Jacob Schleiden và Theodor Schawann đưa ra thuyết tế bào
Mathias Jacob Schleiden
Theodor Schawann
“Mỗi động vật (sinh vật) được cấu tạo từ một tập hợp các đơn vị sống, mỗi đơn vị sống mang trong nó tất cả các đặc tính của sự sống”
Rudolph Virchow,1858
Thuyết tế bào
• Theo Pasteur: Sự sống chỉ có thể sinh ra từ
sự sống
• Thuyết tế bào ra đời là cơ sở cho nền sinh
– Làm cơ sở cho kỹ thuật nuôi cấy tế bào in vitro
học hiện đại – TB riêng lẻ có khả năng tăng trưởng và phân chia độc lập nên có thể làm đối tượng nghiên cứu vật chất sống
III. SINH HÓA HỌC & DI TRUYỀN HỌC CỔ ĐIỂN
• Sinh hóa học cổ điển: các định luật hóa
– Cuối thế kỷ 19, xác định hầu hết các amino
acid
học có áp dụng được vào tế bào không? – Nửa sau thế kỉ 19, người ta xác định tất cả các thành phần cấu tạo của tế bào: lipid, glucid, protein
• Di truyền học cổ điển nghiên cứu các
định luật di truyền của Mendel
Gregor Johann Mendel
1822-1884
IV. SỰ PHỐI HỢP GIỮA DI TRUYỀN HỌC VÀ SINH HÓA HỌC
• 1909, A. Garrod nghiên cứu bệnh
quy luật Mendel
– Biểu hiện nước tiểu có màu đen do hàm
lượng homogentisic acid cao.
– Nguyên nhân: thiếu enzyme oxydase phân
hủy các hợp chất vòng phenol
– Kết luận: Một bất thường sinh hóa là do thiếu
sót di truyền.
Alkaptonurie (bệnh alkapton niệu) ở người – Do đột biến một gen lặn hiếm di truyền theo
Thí nghiệm xác định DNA là vật chất di truyền
• 1928 Griffith – Thí nghiệm biến nạp
• 1944 Avery – Tác nhân biến nạp là DNA
• 1952 Hershey & Chase – Thí nghiệm trên thực
khuẩn thể
1928, Thí nghiệm Griffith
• Phế cầu khuẩn Streptococcus Pneumoniae • Chủng S: Độc, tế bào có vỏ polysaccharide,
khuẩn lạc trơn (smooth)
• Chủng R: chủng lành, tế bào không có vỏ polysaccharide, khuẩn lạc nhăn (Rough)
Tiến hành thí nghiệm
Kết luận
• Một chất nào đó từ chủng S chết đã
chuyển vào chủng R biến chủng R thành chủng S
• S chết + R sống S sống • Griffith gọi quá trình này là sự biến nạp
(transformation)
• Thành phần chuyển từ chủng S sang chủng R gọi là tác nhân biến nạp
1944, Avery, Macleod & McCarty
• Bằng kỹ thuật tinh sạch DNA thu từ
Avery
chủng S, Avery và cộng sự đã chứng minh tác nhân biến nạp là DNA
Martha Chase
Alfred Harshey
1952, thí nghiệm Harshey & Chase
Nguồn: http://www.whfreeman.com/life/update/
Đối tượng – thực khuẩn thể
Phage xâm nhiễm tế bào E.coli
Tiến hành
• Dùng phương pháp đánh dấu đồng vị
phóng xạ – 32P: Đánh dấu DNA – 35S: Đánh dấu protein
• Cho thực khuẩn thể đã được đánh dấu với 35S và 32P xâm nhiễm vào tế bào E.coli
• Li tâm thu cặn tế bào và xác định đồng vị
phóng xạ
Kết quả
• Phần cặn tế bào vi khuẩn thu được chứa
đồng vị phóng xạ 32P
• Như vậy, thực khuẩn thể chỉ chuyển DNA
vào tế bào E.coli trong quá trình xâm nhiễm.
V. SỰ RA ĐỜI CỦA SHPT
• Các mốc chính của SHPT
– Dựa trên các thông tin:
• Thành phần hóa học của DNA
• Quy tắc Chargaff
• Ảnh nhiễu xạ tia X (Maurice
Wilkins)
1953, Cấu trúc DNA – Watson, Crick
Hai nhà khoa học tìm ra cấu trúc DNA
J. Watson 1928-nay
F.Crick 1916-2004
1962 James Watson, Francis Crick, và Maurice Wilkins Dành giải thưởng Nobel trong sinh lý và dược
Công bố mô hình cấu trúc DNA (tạp chí NATURE)
Nguồn: Molecular biology, David Clark
2003, DNA Double Helix, 50th Anniversary
Cấu tạo hóa học của DNA
• DNA cấu tạo từ các đơn phân gọi là các
Nucleotides
– Một nhóm phosphate – Một đường deoxyribose – Một trong 4 loại base nito
• Adenine (A) • Guanine (G) • Cytosine (C) • Thymine (T)
• Mỗi đơn phân gồm 3 thành phần:
Thành phần cấu tạo của DNA
Cấu trúc một Nucleotide
Nguồn: https://www.msu.edu/course/isb/202
Nucleoside TriPhosphate
Cấu trúc xoắn kép
Quy tắc Chargaff
• 1. Tổng số nucleotide của Purine (A và G) bằng tổng số nucleotide của Pyrimidine (C và T) A + G = C + T
• Số lượng A luôn bằng số lượng T; số lượng C luôn bằng số lượng G A = T C = G
Erwin Chargaff
Rosalind Frankin
Ảnh nhiễu xạ tia X của DNA
Nguồn: http://sciencecomm.wikispaces.com
• Thông tin di truyền
được chuyển từ DNA
đến RNA và đến
protein thông qua các
quá trình
– Phiên mã: Chuyển
thông tin di truyền từ
DNA đến RNA
– Dịch mã: Chuyển từ
RNA thành protein
1956,Học thuyết trung tâm F. Crick
1970, Enzyme cắt giới hạn (RE)
• Do Howard
Termin và David Baltimore độc lập phân lập
• Đánh dấu cột mốc lịch sử trong kỹ thuật gen hiện đại.
Các mốc chính
• 1984 – Kỹ thuật PCR, Kary
Mullis
Là kỹ thuật nền của SHPT
• 1986 – Máy giải trình tự tự
động, Leory Hood
• 1990 – Dự án gen người
(HGP)
Các mốc chính (tiếp)
• 1996, hoàn thành
S. cerevisiae 6300 genes
giải trình tự bộ gen nấm men Saccharomyces cerevisiae
• 1997, hoàn thành
E.coli 4300 genes
giải trình tự bộ gen vi khuẩn E.coli
Các mốc chính (tiếp)
• 1998, hoàn thành giải trình tự bộ gen giun tròn
Caenorhabditis elegans (19000 genes)
• 2000, hoàn thành giải trình tự bộ gen Drosophila
medanogster (13600 genes)
• 2000, bộ gen thực vật đầu tiên được giải trình tự
Arabidopsis thalina
Dự án HGP
• 14/4/2003 hoàn tất giải trình tự bộ gen
người
• Tốn 2,7 tỷ USD • Tổng số gen khoảng 30,000 ít hơn rất nhiều so với dự kiến là 50,000 đến 140,000 gen.
• Gần như toàn bộ, tới base (99,9%) giống nhau một cách chính xác ở tất cả mọi người. Điều này cho thấy không có phân biệt chủng tộc.
• Gần 50% các gen chưa biết chức năng.
• – Ít hơn 2% (1,1 - 1,4%) bộ gen mã hoá cho
protein.
• – 5% đến 28% phiên mã tạo ra RNA
• – Các trình tự lặp lại (repeated sequences)
không mã hoá cho protein (DNA rác) chiếm ít
nhất 50% bộ gen người.
Ngoài dự kiến
• Công nghệ tạo các vi sinh vật mới có ích
• Công nghệ sản xuất giống cây trồng, vật nuôi vượt giới
hạn của tiến hóa để chống chịu bệnh, thích nghi với
điều kiện sinh thái cho năng suất cao
• Công nghệ sản xuất các loại thực phẩm có giá trị dinh
dưỡng cao, có giá trị về dược phẩm, bổ sung vitamin,
vacxin thực vật…
Ứng dụng của SHPT
Một số gen mục tiêu quan trọng
– Beta-galactosidase – Kháng hygromycine – Protein chống đông lạnh – Alpha-globin, neomycine – Phosphat transferase – Liciferase
• Gen sinh trưởng (fGH, hGH, bGH)
Tăng chất lượng và sản lượng thịt, sữa
• Lợn: các loại gen hóc môn sinh trưởng và
hGRF, alb-hGRF, mMT-hGF và mMT-bGH
yếu tố sinh trưởng – mMT, hGH, mMT-bGH, PRL-bGH, mMT-
– Gen tạo máu – Gen tạo sữa – Gen tạo kháng thể
• Bò: b-GH
• Liệu pháp gen và liệu pháp thay thế tế bào mô ở người
