Bộ gen ti thể

Chia sẻ: Vo Anh Hoang | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

103
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mời các bạn cùng tham khảo nội dung tài liệu "Bộ gen ti thể" dưới đây để nắm bắt được những nội dung về bộ gen ti thể ở các loài sinh vật, mối quan hệ ty thể và nhân trong tế bào, những enzym cần thiết cho sự bảo tồn và biểu hiện của hệ gen ti thể, sự tương tác của nhân, ti thể,... Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bộ gen ti thể

6. Bộ gen ti thể 6.1. Bộ gen ti thể ở các loài sinh vật (Trịnh Ngọc Đức) Bộ gen ti thể được ký hiệu là mtDNA (mitochondrial) ở dạng chuỗi xoắn kép trần (không có sự tham gia của các phân tử histon), mạch vòng.Ti thể có trong tế bào tạo năng lượng cho tế bào sử dụng, mtDNA chứa trong những túi nhiễm sắc thể trong nhân của ti thể. mtDNA của ti thể chứa 37 gen, tất cả mtDNA đóng vai trò thiết yếu trong chức năng của ty thể. mtDNA của ti thể có 13 gen tham gia vào tạo enzym có vai trò quan trọng trong chuỗi chuyển điện tử phospholyl hóa. Quá trình này sử dụng oxygen để thu 1 phần năng lượng từ các cầu nối của glucose để giữ năng lượng trong ATP (andenosine triphosphate). ATP là nguồn năng lượng quan trọng trong tế bào. mtDNA còn lại trong ti thể tham gia vào quá trình phiên mã tạo ra RNA vận chuyển và RNA ribosome. Những RNA này sẽ tham gia vào quá trình dịch mã trong tế bào ti thể tạo ra protein và vẫn đảm bảo thông tin di truyền bộ gen của ti thể. [1] Kích thước mt DNA khác nhau tuỳ loài[2] Nấm men S. cerevisiae có mt DNA kích thước khoảng 84 kb Ở người, chuột và một số động vật hữu nhũ kích thước mt DNA khoảng 16.5 kb. Ở thực vật kích thước bộ gen ti thể thường rất lớn (ở ngô khoảng 570 kb) Bộ gen ti thể mtDNA mã hóa tổng hợp cho nhiều thành phần của ti thể: hệ thống 2 lọai rRNA, 2225 loại tRNA và nhiều loại protein có trong thành phần của màng bên ti thể. Trong khi đó, thành phần lớn protein của ribosome ti thể do các gen trong nhân xác định Bộ gen ti thể của tế bào động vật gồm các exon, bộ gen ti thể cuả tế bào thực vật và nấm men gồm các exon và intron xen kẽ Bộ gen ti thể ở động vật hữu nhũ có cấu trúc tương đối giống nhau, mỗi mtDNA gồm 37 gen, trong đó có 13 gen mã hoá protein, 22 gen mã hoá tRNA và 2 gen mã hoá rRNA. Các gen ti thể của tế bào động vật hữu nhũ phân bố tương đối không đồng đều, còn các gen ti thể nấm men tập trung một cụm 16 gen còn 10 gen phân tán khắp toàn bộ gen ti thể. Ví dụ:
* Ở nấm men DNA ti thể có tỷ lệ GC khoảng 21%, còn DNA nhân có tỷ lệ GC khoảng 40%. * DNA ti thể của tế bào động vật có vùng gen bao trùm nhau (overlap), vùng Dloop là vùng điều khiển của mtDNA. [2] Hình 6.1.1 Bảng 6.1. Một số bộ ba mã hóa gen ti thể ở các loài khác nhau. Mã di Mã di truyền của gen ti thể Bộ ba mã hóa truyền Động vật Ruồi N ấ m Thực vật gen hữu nhũ giấm men nhân UGA Stop Trp Trp Trp Stop AGA,AGG Arg Stop Ser Arg Arg AUA Ile Met Met Met Ile AUU Ile Met Met Met Ile CUU,CUC Leu Leu Leu Thr Leu Đa số các bệnh di truyền đều do tác động đến gene trong nhân. Tuy nhiên, có một số ít bệnh là kết quả của đột biến trên ti thể.
Mỗi tế bào người thường chứa hàng trăm hoặc nhiều hơn ti thể trong tế bào chất của chúng. Thông quá quá trình phosphoryl hóa oxi hóa phức tạp, những bào quan này sản xuất ra ATP, nguồn năng lượng cần thiết cho sự trao đổi chất tế bào. Do đó ti thể có vai trò quan trọng cho sự sống tế bào. Hình 6.1.2 * Cấu trúc gene ty thể người Bộ gen ti thể ở người có kích thước khoảng 16.569bp, phân tử mạch đôi, dạng vòng định vị trong matrix ti thể và có khoảng vài nghìn bản sao trong một tế bào. DNA ti thể có 2 mạch, mạch nặng giàu guanine (H) và mạch nhẹ giàu cytosine (L). Mạch nặng chứa 12 trong 13 polypeptide mã hóa gene, 14 trong 22 gene tRNA và rRNA. mtDNA không chứa intron và toàn bộ trình tự đều mã hóa cho protein. Chỉ có một vùng không mã hóa trên mtDNA là Dloop, một vùng 1121bp chứa điểm khởi đầu sao chép chuỗi H (OH) và promoter cho phiên mã chuỗi L và H. mtDNA được sao chép từ 2 điểm ori. Sự sao chép DNA khởi đầu từ OH sử dụng một RNA primer tạo ra từ sản phẩm phiên mã chuỗi L. Sự tổng hợp chuỗi H tiến hành khoảng 2/3 mtDNA, thay thế chuỗi H bố mẹ cho đến khi nó tiến đến điểm ori chuỗi L (O L), trong cụm khoảng 5 gen tRNA. Khi đụng vào chuỗi H con, OL cuộn thành một cấu trúc thânvòng và chuỗi L bắt đầu tổng hợp.[2] Sự phiên mã mtDNA khởi sự từ 2 promoter trong Dloop, PL và PH. Sự phiên mã từ cả hai promoter tạo ra một RNA polycistronic. Gen tRNA xe gi ữa trình tự rRNA và
mRNA sau đó sẽ cuộn lại và được cắt ra. mRNA và rRNA tự do được biến đổi sau dịch mã (gắn đuôi polyA) và tRNA được biến đổi đầu 3’CCA.[2] . Hình 6.1.3 6.2. Mối quan hệ ty thể và nhân trong tế bào. (Nguyễn Thị Phương) Số lượng mạch polypeptide trong ti thể ở mỗi loài rất khác nhau, mỗi loài có chứa hơn 1 trăm mạch polypeptide. Khi dùng kỹ thuật phân tích protein trong mỗi mạch polypeptide có chứa khoảng 500 – 800 proteins. Có ít nhất 100 gen trong nhân góp phần vào sự tổng hợp chức năng ở ti thể. Nhiều nguyên nhân chưa biết rõ về mối quan hệ ti thể và nhân nhưng có nhiều bằng chứng xác định chúng có mối quan hệ với nhau trong quá trình sống. Xác định protein trong ti thể từ những trình tự hoàn thành nên hệ gen là nền tảng cơ bản tiên đón trình tự đầu tiên cơ quan bên trong tế bào. Giới hạn của thành công này, là chuỗi nối liên tiếp nhau bị gián đoạn trong gen mục tiêu và tạo ra nhiều protein có tín hiệu nhận biết rất thấp. Những nhóm gen và protein trong nhóm này có thể chia thành 2 nhóm chính. Nhóm 1 gen cần thiết tổng hợp sự phát triển
của sinh vật bình thường có đầy đủ chức năng của ty thể. Nhóm 2 gen mã hóa protein đột biến tạo ra những quy luật khác nhau trong tổng hợp sinh hóa học đặc biệt cho hoạt động của ti thể. Mối quan hệ gen và ti thể cung cấp nhiều điểm nghi vấn về nhiều dạng gen của ti thể và trước đây chưa hề biết đến. [1] 6.2.1. Những enzym cần thiết cho sự bảo tồn và biểu hiện của hệ gen ti thể. Nhiều enzym cần thiết cho quá trình sao chép, phiên mã tạo ra tiền RNA và dịch mã từ RNA trưởng thành. Các DNA polymerase thuộc hệ enzym polymerase γ trong ti thể, chỉ có thể tổng hợp DNA bằng cách nối dài một mồi đã bắt cặp sẵn trên khuôn. Mồi này là một RNA nhỏ được tổng hợp bởi một phức hợp protein gọi là primosome. Primosome bao gồm nhiều protein và một enzym tổng hợp RNA từ khuôn DNA gọi là primase. Ngoài ra enzym này có chức năng nối những đoạn ngắn trên DNA để tạo thành dạng mạch dài, dạng xoắn, dạng vòng.[2] Enzym topoisomerases là enzym liên quan đến quá trình tách mạch và tái tổ hợp tích lũy của DNA tạo ra mối quan hệ quan trọng cho những hoạt động khác nhau ở cơ quan của sinh vật. Có nhiều ý kiến cho rằng trong ti thể không có histone mặc dù DNA của ti thể rất phức tạp và cũng được dịch mã tạo protein. DNA ty thể tương đồng với vùng protein HU ở vi khuẩn và vùng protein HMG1 ở sinh vật nhân thật. Trong dịch mã cần enzym RNA polymerase và ít nhất 1 đến 2 nhân tố hoạt hóa cho dịch mã. Nhiều loại protein liên kết với mtDNA tạo ra cấu trúc nucleod, một số hoạt động liên kết với RNA quá trình dịch mã được kéo dài và dấu hiệu kết thúc ở mỗi loài sinh vật khác nhau. Vùng được phiên mã gồm các intron và exon; exon là trình tự được mã hóa của gen và được dịch mã thành protein. Intron là những trình tự được phiên mã nhưng sẽ bị loại bỏ trong quá trong dịch mã. tRNAs, ribosome RNA cũng tham gia vào quá trình dịch mã RNA thành protein trong ti thể. PolyA được gắn vào RNA dịch mã trong ti thể của động vật đa bào thì đòi hỏi ít nhất 1 enzym gắn vào.Trong tự nhiên sự biểu hiện gen của ti thể cần 18 gen trong nhân, ngoài ra ở nấm men trong quá trình vận chuyển điện tử của cytochrome c cần thêm 1 gen nữa. Gen này được tạo ra từ quá trình đột biến mất đoạn ở trình tự tổng hợp chức năng quan trọng trong bộ gen ti thể như không có khả năng thực hiện quá trình hô hấp của tế bào nhưng tham gia vào chức năng quan trọng như tổng hợp nhân heme, tổng hợp lipid, chuyển hóa acid amin và tổng hợp nhân tố chứa Fe S đóng vai trò cofactor trong một số protein. Số lượng gen có chức năng chính góp phần tổng hợp protein là enzym ở ti thể chủ yếu chứa
trong matrix, trong 2 màng và khoảng không gian của 2 màng. Enzym protease/ peptidases có nhiệm vụ thủy phân protein và chaperones ở ti thể.[1].Trong chu trình Kreb hoạt động cần hệ enzyme thúc đẩy các quá trình như các chất cho điện tử, các chất mang điện tử và các chất tiếp nhận điện tử. Đầu tiên cơ thể cần phân tử pyruvate được tạo ra từ quá trình đường phân của glucose. Cơ thể cần một số phân tử vận chuyển điện tử, có hai loại phân tử vận chuyển điện tử: một loại là nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) và loại kia là flavin adenine dinucleotide (FAD+). Phân tử thứ ba dĩ nhiên là ôxy. Sản phẩm quan trọng nhất của quá trình này là việc sản xuất ra các điện tử năng lượng cao. Mỗi phân tử pyruvate được tạo ra từ phân hủy glucose được vận chuyển tích cực qua màng trong của ti thể vào chất nền nơi thực hiện quá trình hô hấp của ti thể và được kết hợp với coenzyme A để tạo thành acetyl CoA. Sau khi được tạo thành, acetyl CoA sẽ đi vào chu trình Krebs hay là chu trình axít citric. Quá trình này tạo ra 3 phân tử NADH và 1 phân tử FADH2, tất cả chúng sẽ tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử.[3] 6.2.2. Sự tương tác của nhân – ti thể Giữa nhân và ti thể có khoảng cách như vậy hai vùng này có tương tác với nhau không? Một vấn đề đặt ra là số lượng ti thể trong tế bào có được duy trì ổn định khi tế bào phân chia nhiều lần trong nguyên phân, giảm phân .DNA mạch vòng trong ti thể sẽ sao chép độc lập với DNA trong nhân. Bằng cách nào tế bào thay đổi hình thể hình thái, và những nếp màng trong ti thể hoặc liên quan đến vùng trên bề mặt bên trong của màng ti thể. Hoạt động hô hấp khác nhau xảy ra trong những mô khác nhau, điều này dễ hiểu là enzym cần cho hô hấp trong chu trình Kreps sẽ khác so với enzym trong mô hay trong nhân của tế bào ti thể. Enzym có tác dụng kiểm soát và điều hòa những hoạt động lên hoặc xuống, ví dụ cytochrome tham gia vào quá trình oxy hóa không chỉ đòi hỏi sự điều hòa ít nhất 13 gen cấu trúc trong động vật hữu nhũ nhưng cần 3 trong ti thể và 10 gen khác có trong nhân. [1]
Hình 6.2.1 Giữa nhân và ti thể có nhiều mối quan hệ với nhau trong quá trình sống. Nhân trong tế bào kiểm soát các hoạt động của ti thể như nhân tố NRFs (nuclear respiratory factor) kiểm soát một số chức năng ở ti thể. 1. Tác động lên nhân tố dịch mã trong ti thể, mtTFA mã hóa vùng gen của ti thể trong sự sao chép và dịch mã. (promoter for the mitochondrial tracscritional activator). 2. Tác động lên chu trình Krebs xảy ra trong matrix của ti thể 3. Tác động lên chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp của ti thể.[4] 6.2.3. Sự điều hòa của gen trong nhân đến hô hấp ở tế bào động vật có vú. Hình 6.2.2 Nhân tố NRF1 trong nhân chịu tác động của nhân tố đồng kìm hãm PGC1 (transcriptional coactivator of peroxisome proliferatoractivated receptor gamma) được tổng hợp trong nhân hoặc ngoài nhân. Hai nhân tố NRF: NRF1(nuclear respiratory factor 1) nhân tố 1 hô hấp trong nhân và NRF2 (nuclear respiratory factor 2) xác định có trong đặc điểm của cytochrome c và mồi của cytochome trong phản ứng oxy hóa. Đến nay người ta biết được rằng một hoặc hai nhân tố này có hoạt động chính trong chuổi vận chuyển điện tử hô hấp và được mã hóa gen trong nhân. Hai nhân tố này cũng liên quan đến quá trình sao chép, dịch mã ở ti thể, enzym trong tổng hợp nhân heme và nhiều protein tham gia trong chức năng hô hấp. Trong hình 6.2.3 nhiều nhân tố thiết yếu biểu hiện trong nhân tác động lên hệ thống gen của ti thể trong phản ứng
tạo ra năng lượng tế bào. NRF1 có trong nhân kiểm soát chức năng của ti thể: tác động quá trình phiên mã, dịch mã bộ gen ti thể, tác động lên enzym hô hấp được tạo ra bởi bộ gen ti thể.[1] 6.2.4. Sự đồng tiến hóa của nhân và hệ gen ty thể. Những mô tả gen trong nhân mã hóa protein tương tác với gen trong ti thể, thông qua quá trình sao chép, dịch mã hoặc mã hóa trực tiếp protein gọi là bộ gen ti thể. Bộ gen ti thể có trình tự thay thế có ý nghĩa hơn gen trong nhân. mtDNA tổng hợp protein được thay thế cho sự thay đổi có thể xảy ra trong nhân đảm bảo sự chính xác hơn. Những gen biểu hiện chức năng thể hiện rõ trong chuỗi chuyển điện tử, sự đồng tiến hóa của nhân và hệ gen ti thể có bằng chứng cụ thể hơn từ những nghiên cứu thể lai ở dị hợp tử và con lai ở tế bào động vật. Người đầu tiên nghiên cứu Clayton từ kỹ thuật phân tích mtDNA trong tế bào lai giữa người và chuột. Kế tiếp là Wallace và Eisenstadt có những bằng chứng thuyết phục trong nhân và gen của ti thể có những trình tự tương đồng nhau. Đặc biệt mt DNA ở người thì thời gian tồn tại lâu hơn là ở tế bào của loài gặm nhấm. Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Schellfel gây đột biến trong nhân tìm thấy ở chuột đồng có tác động lên phức hợp I ở màng trong ti thể. Đột biến này có thể bổ sung những khuyết điểm trên NST X của loài người. Kết quả này giải thích những điểm khác nhau trên trình tự gen của những loài khác nhau. Nhà khoa học Kenyon và Moraes kiểm tra gen của những loài vượn để cung cấp những thông tin về trình tự gen trong nhân. Tạo dòng lai giữa mtDNA loài vượn và DNA của người, tạo ra sự kết hợp gen trong nhân của người với ti thể trong loài vượn lớn, tế bào này có khả năng thực hiện phản ứng phosphoryl hóa và một số chức năng đặc biệt. Bình thường ti thể trong loài vượn lớn không biểu hiện vùng chức năng của hệ thống OXPHOS nhưng trong tế bào lai thì thực hiện được chức năng của hệ thống OXPHOS. Trên vùng MWFE chứa trong phức hợp I kiểm soát chức năng cao của ti thể ở loài vượn. Những protein tổng hợp trên gen người bị sai hỏng sẽ không kiểm soát được quá vùng chức năng trên tế bào chuột.[1] 6.3. Các quá trình xảy ra ở ti thể (Nguyễn Hồ Thư) 6.3.1. Sự sao chép DNA ti thể (mtDNA) Sao chép DNA ti thể độc lập với sao chép DNA nhân tế bào trong chu kì tế bào. Công trình nghiên cứu gần đây cho thấy rằng có thể tái thiết lập một DNA ti thể trong invitro với các protein tái tổ hợp. DNA ti thể là sợi kép với cấu trúc vòng, số
lượng DNA ti thể ít hơn 1% tổng số DNA trong tế bào nhân thực, số lượng bản sao trong tế bào là 103104, kích thước bộ gen tương đối nhỏ (dài khoảng16,8 kb). DNA ti thể là một trong các nhân tố quyết định tính di truyền tế bào chất. Các gen trên DNA ti thể mã hóa cho nhiều protein/enzim và RNA của ti thể. DNA ti thể động vật có vùng không mang mã di truyền là vùng điều khiển (Displacement loop hay Dloop), trên đó chứa các promoter của quá trình sao chép và phiên mã DNA ti thể. DNA ti thể có cấu trúc xoắn kép và do sự phân bố bất đối xứng của các nucleotide (G + C) trong DNA cho phép phân biệt một sợi "nặng" (sợi H) và một sợi "nhẹ" (sợi L) trên gradient CSCL kiềm. DNA ti thể tự tái bản theo nguyên tắc bán bảo tồn nhờ hệ enzim DNA polymerase γ hoạt động theo chiều 5’ – 3’ có trong chất nền của ti thể và xảy ra ở kì trung gian của chu kì phân chia tế bào. DNA Polymerase γ ti thể (POL) là một phức hợp 3 thành phần gồm một tiểu đơn vị xúc tác khoảng 125 – 140 kDa (POLGA) và hai tiểu đơn vị hoạt động khoảng 35 – 54 kDa(POLGB). POL cùng với DNA helicase TWINKLE hình thành bộ máy hoạt động sao chép để tổng hợp phân tử DNA sợi đơn (ssDNA) khoảng 2 kb . Nếu ssDNA của ti thể kết hợp protein (mtSSB) tạo DNA khoảng 16,8kb tạo DNA ti thể của động vật . Cơ chế của quá trính sao chép DNA ti thể còn nhiều tranh luận về 2 mô hình: Mô hình sao chép của Clayton năm 1982 được gọi là mô hình tổng hợp sợi không đối xứng (The strandasymmetric model) và mô hình sao chép của Holt năm 2000 được gọi là mô hình tổng hợp sợi đối xứng (The strandsymmetric model). * Mô hình tổng hợp sợi không đối xứng (The strandasymmetric model) Trong mô hình này trên DNA ti thể có hai vị trí khởi đầu sao chép: OH là điểm khởi đầu sao chép của sợi nặng H và OL là điểm khởi đầu sao chép của sợi nhẹ L. Sao chép DNA ti thể bắt đầu tại vị trí OH nằm trong vùng không có các gen (vùng điều khiển Dloop), sử dụng mồi RNA được tổng hợp từ promoter sợi nhẹ (LSP) và sợi nặng DNA ti thể được kéo dài tiếp tục theo chiều dài của bộ gen. Khi hai phần ba các sợi nặng H được tổng hợp, điểm khởi đầu sao chép sợi nhẹ được mở ra và sự tổng hợp sợi L bắt đầu tại vị trí OL nằm cách xa OH khoảng 30 nucleotide và tổng hợp theo hướng đối diện với tổng hợp sợi H, tổng hợp sợi mới là sự kiện chi phối trong quá trình sao chép bộ gen ti thể. Quá trình sao chép DNA ti thể tạo 2 phân tử DNA con được phân biệt: phân tử con α trong đó sự tổng hợp hoàn tất, phân tử con β trong đó
sự tổng hợp sợi nhẹ L được tiếp tục từ OH đến OL trước khi quá trình sao chép hoàn tất. Sau đó 2 mạch đơn của DNA con cuộn xoắn tạo phân tử C mtDNA. Hình 6.3.1 . Khởi đầu sao chép của mtDNA OH OL β α Hình 6.3.2. Sự sao chép mtDNA theo mô hình của Clayton năm 1982 * Mô hình tổng hợp sợi đối xứng (The strandsymmetric model) Mô hình tổng hợp sợi đối xứng DNA ti thể được đưa ra gần đây, Holt và cộng sự đã đề xuất mô hình này bằng việc sử dụng điện di gel 2D để phát hiện những đoạn DNA cắt giới hạn bao gồm điểm khởi đầu sao chép và chĩa ba sao chép.Những đoạn DNA được phát hiện đồng thời trên mạch tới và mạch chậm tại chĩa ba sao chép
gọi là yarcs. yarcs được tìm thấy ở vùng giữa 2 điểm khởi đầu sao chép OH và OL. Những kết quả trên đã chứng minh rằng DNA ti thể sao chép đối xứng với việc tổng hợp mạch tới và mạch chậm phát triển theo 2 hướng từ nhiều vị trí sao chép ở 2 bên của những vùng gen cyt b, NAD5, NAD6. Khi quá trình sao chép đến OH, chĩa 3 sao chép ngừng lại và sao chép được giới hạn theo một hướng duy nhất. Mô hình này dựa trên phương pháp điện di gel 2D và phương pháp tiếp cận thực nghiệm độc lập đã hỗ trợ cần thiết phương pháp này. Hình 6.3.3. Sự sao chép mtDNA theo mô hình của Holt năm 2000 6.3.2. Sự phiên mã DNA ti thể (mtDNA) Năm 1983 khi lần đầu tiên trong hệ thống in vitro đã quan sát được phiên mã mtDNA ti thể người. Sự phiên mã đặc biệt bắt đầu từ vùng Dloop, sự phiên mã được nghiên cứu là việc tạo ra promoter cho tổng hợp sợi nặng H và sợi nhẹ L ( yếu tố LSP và HSP) trong vùng Dloop. Phiên mã của DNA ti thể phụ thuộc vào một RNA polymerase trong nhân tế bào. Nó được mã hóa như là một tiểu đơn vị enzyme trong nhân và sau đó nhập bào vào ti thể. RNA polymerase này tương đồng với RNA polymerase của bacteriophages T7 và T3 RNA, đây là E có hoạt tính cao với trọng lượng phân tử gần 98 kDa. RNA Polymerase T7 và T3 có thể thực hiện tất cả các chức năng cần thiết cho phiên mã: nhận ra promoter, khởi động, kéo dài và chấm dứt phiên mã. Chúng tương đồng là 82% ở cấp độ acid amin. Mặc dù tương đồng nhưng mỗi loại có chức năng rất cụ thể và không phải chúng có thể bắt đầu phiên mã từ các promoter khác loại. RNA polymerase ti thể giờ đây đã được tạo ra từ ba sinh vật: người, Xenopus laevis và
Saccharomyces cerevisiae. Đặc điểm của chúng giúp phát hiện các thành phần protein khác cần thiết cho phiên mã trong ti thể. Tuy nhiên, một protein tương đồng với RNA polymerase ti thể có liên quan đến vị trí khởi đầu phiên mã trong tất cả hệ thống. Trong nghiên cứu in vitro cho thấy một phần RNA polymerase ty thể (POLRMT) cùng với nhân tố phiên mã A của ti thể (TFAM) là có thể bắt đầu phiên mã từ promoter ti thể. Sử dụng POLRMT tinh khiết thay vì sử dụng trong invivo thì thấy rằng POLRMT tinh khiết trong các thử nghiệm đã không có phiên mã, cho thấy một yếu tố đã bổ sung cùng với POLRMT. Gần đây, hai yếu tố tương đồng của mtTFBsc đã được xác định: nhân tố phiên mã B1 (TFB1M) và nhân tố phiên mã B2 (TFB2M) của ti thể. Bộ máy phiên mã của ti thể sau đó đã được tái tạo trong ống nghiệm bằng cách kết hợp POLRMT, TFAM và cả TFB1M hoặc TFB2M, cùng với một mẫu DNA ti thể có chứa các trình tự promoter HSP và LSP. TFAM kết hợp gây ra một sự thay đổi cấu trúc của các promoter là cần thiết cho POLRMT nhận ra promoter để khởi động quá trình phiên mã.
Hình 6.3.4. Phiên mã mtDNA Phiên mã của DNA ti thể bắt đầu từ 2 promoter riêng trong vùng Dloop. Promoter LPS của sợi nhẹ và HSP của sợi nặng. Phiên mã từ các promoter này tạo ra RNAs, sau đó RNAs tạo ra phân tử mRNA, rRNA, tRNA. Phiên mã từ LSP tạo mồi RNA cần cho sao chép sợi nặng H trong sao chép DNA ti thể. Phiên mã sợi nặng thì bắt đầu từ 2 vị trí khác nhau HPS1 và HPS2. Vị trí HPS1 nằm phía trước của gen tRNA, hoạt động phiên mã và kết thúc ở đầu 3’ của gen 16S rRNA. Hoạt động của HPS1 thì trước hoạt động HPS2 khoảng 20s và tạo ra 2 rRNAs (12S và 16S) và 2 tRNAs (tRNA phe và tRNA val). Vị trí thứ 2 là HPS2 hoạt động phiên mã và kết thúc ở đầu 5’ của12S rRNA và tạo ra chuỗi polycistronic bảo vệ toàn bộ sợi H. Promoter sợi nhẹ LSP ở vị trí cách HPS1 khoảng 150bp bắt đầu phiên mã sợi đơn polycistronic, mã hóa 8 tRNAs và 1 mRNA. 6.3.2. Sự dịch mã DNA ti thể (mtDNA) Hệ thống dịch mã ti thể trong matrix là một bộ máy độc lập bao gồm các thành phần mã hóa bởi nhân tế bào và bộ gen ti thể. Nó không phải là thiết yếu cho rằng nhiều tế bào có thể phát triển khá tốt trong điều kiện có đường là glucose. Chức năng chính của bộ máy dịch mã ti thể là tổng hợp 13 protein cho việc hình thành hệ thống phosphoryl hóa oxy hóa. Trong các nguyên bào sợi động vật có vú, tổng hợp protein ti thể ức chế nhiều hơn 95% không làm mất hoặc giảm số lượng của mtDNA ti thể trong tế bào. Một số công bố trong các tài liệu cho rằng ribosome ti thể và các yếu tố dịch mã là tương tự như hệ thống dịch mã ở prokaryote, nhưng nhiều khía cạnh của dịch mã trong ti thể có những khác biệt đáng kể. Hơn nữa có sự khác biệt trong dịch mã ti thể của các sinh vật khác nhau. Nhìn chung, sự khác biệt thể hiện ở nhiều đặc điểm: * Thay đổi trong cấu trúc RNA vận chuyển và sử dụng codon thay đổi Một trong những bất ngờ lớn đã được khám phá khi mtDNA của con người và gia súc đã được hoàn thành và so sánh. Mã di truyền không giống nhau ở tất cả các loài. Codon kết thúc UAA và UAG xác định cho bộ máy dịch mã của cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực thì không là codon kết thúc trong ti thể, và một codon khác là codon kết thúc trong dịch mã của ti thể. TAA như là một codon kết thúc ở hầu hết các loài được kiểm tra, nhưng thường các ORF của một mRNA cụ thể kết thúc với T
hoặc một TA, và codon kết thúc được hoàn thành bởi sự Polyadenylation. TAG và AGA đã được tìm thấy như là codon kết thúc ở một số loài. Bảng 6.3.1 Codon trong ti thể ở vài loài phổ biến Động Mã thông vậ Ruồi Thực Codon thường t hữu giấm Neurospora Nấm vật nhũ TUGA r p T r p T r p T r p S T O P SAGA, AGG T O P S e r A r g A r g A r g S T O P AUAArg Ile Met Met Ile Met Ile AUU Ile Met Met Met Met Ile CUU, CUC, Leu Leu Leu Leu Thr Leu CUA, CUG mtDNA động vật có vú mã hóa 22 tRNAS, ít được sử dụng trong cytosol. Do đó, một tRNA đơn phải có khả năng đọc tất cả codon của họ bốn codon, nhưng vẫn chưa rõ trong một số trường hợp hai cặp nucleotide là đủ, hoặc một uridine trong anticodon vị trí linh hoạt có thể bắt cặp với tất cả bốn loại nucleotit trong mã bộ ba. Một uridine trong vị trí linh hoạt (vị trí đầu tiên của anticodon) là thường xuyên thay đổi để pseudouridine
trong một số tRNAs nhận ra họ hai codon kết thúc trong G hoặc A, có để suy đoán rằng cấu trúc này ngăn cản bắt cặp sai hai codon kết thúc bằng C hoặc U. Một lý do tương tự để nhận biết chính xác anticodon codon đã được đề xuất để giải thích thay đổi cụ thể được tìm thấy tại nucleotide ngay sau anticodon . mtDNAs động vật nguyên sinh mã hóa chỉ có một tRNAfMet có anticodon CAT, và nó chỉ là tRNA của methionine. Không chỉ bộ ba kết thúc AUG, AUA và tất cả AUN đã được nhận ra bởi tRNA này, nhưng bắt đầu codon khác TTG, GTG, và GTT phải được nhận ra bởi tRNA này, nếu giả định rằng tất cả các peptide được khởi đầu với methionineformyl. Codon kết thúc UGA được dịch mã là tryptophan trong ty thể của nhiều loài, và các codon kết thúc UAA và UAG lại được dịch là glutamine trong một số loài như Acetabularia, Tetrahymena, và Paramecium. Điều đó thì thích hợp để đề cập đến ở đây chỉ một số nhỏ các protein trong ty thể đã được tổng hợp trực tiếp. Nhiều chuỗi protein được thì tạo ra từ sự tương đồng với petid của vi khuẩn hoặc các sinh vật nhân chuẩn. Trong thực tế, cho đến nay đã không thể dịch mã mRNAs ti thể với ribosome, tRNAs, và các nhân tố khác của ti thể trong ống nghiệm. * Thay đổi trong cấu trúc của ribosome Khi ribosome trong ti thể được phát hiện thì được coi là tương tự với ribosome trong tế bào vi khuẩn. Tuy nhiên, sự giống nhau này đã được rút ra chủ yếu từ nhạy cảm với chloramphenicol và cycloheximide. Khi kích thước của các RNA ribosome được so sánh với kích thước của ribosome trong tế bào chất, sự khác biệt trở nên rõ ràng hơn. Sự khác biệt này thể hiện ở hệ số lắng của ribosome (bảng 2) Bảng 6.3.2. Bảng so sánh kích thước riboxom của ti thể với sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực Sinh vật nhân sơ Sinh vật nhân thực Ti thể 4Tiểu phần lớn rRNA 8 0 0 n t / 2 8 S 1 6 0 0 n t / 1
6 S 1Tiểu phần nhỏ rRNA 9 0 0 n t / 1 8 S 9 5 0 n t / 1 2 S 2 9 0 0 n t / 2 3 S 5.8S1540nt/16S __ 160nt/5.8S 5S 120nt/5S 120nt/5S 120nt/5S * Ngoài ra còn một số đặc điểm khác với dịch mã ở prokaryote như: Yếu tố hoạt động (5 'và 3' UTRs) của mRNA, nhân tố khởi động,….. Tài liệu tham khảo:
1.Martina Gaspari.(2006), Molercular mechanisms for transcription in mammalian mitochondria, Karolinska Institutet 2. David A. Clayton, Mitochondrial DNA replication, Stanford University School of Medicine