Di truyền thực vật - Chương 2: Cấu trúc của gen, tổ chức các gen ở genom và điều hoà sự biểu hiện của gen

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

Thêm vào BST

Báo xấu

147
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mã di truyền - 4 loại bazơ có thể sắp xếp theo trật tự bất kỳ tạo nên nhiều đơn vị khác nhau. Nếu mỗi đơn vị có 2 gốc bazơ: 42 =16 đơn vị. 3 gốc bazơ: 43 = 64 đơn vị. có 20 aa - đơn vị mã gồm 3 gốc bazơ. - Giải mã di truyền là xem bộ ba bazơ nào xác định 1 aa cụ thể.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Di truyền thực vật - Chương 2: Cấu trúc của gen, tổ chức các gen ở genom và điều hoà sự biểu hiện của gen

Chương 2: Cấu trúc của gen, tổ chức các gen ở genom và điều hoà sự biểu hiện của gen 2.1. Gen và quá trình truyền đạt thông tin ADN -> ARN -> protêin Sao mã Dịch mã 2.1.1. Mã di truyền - 4 loại bazơ có thể sắp xếp theo trật tự bất kỳ tạo nên nhiều đơn vị khác nhau. Nếu mỗi đơn vị có 2 gốc bazơ: 42 =16 đơn vị. 3 gốc bazơ: 43 = 64 đơn vị. có 20 aa -> đơn vị mã gồm 3 gốc bazơ. - Giải mã di truyền là xem bộ ba bazơ nào xác định 1 aa cụ thể. 1961, M. Nirenberg và Matthaei đã sử dụng hệ thống tổng hợp vô bào để giải mã di truyền: + 61 bộ ba mã hoá các aa + 1 số bộ ba vô nghĩa như: mã khởi đầu : AUG mã kết thúc: UAA, UAG, UGA - Tính chất của mã di truyền: + Mã di truyền là mã bộ ba. Mã di truyền không có dấu phẩy, thông tin được đọc theo từng cụm Nu một cách liên tục, không ngắt quãng. + Mã di truyền có tính chất dư thừa. + Những bộ ba cùng mã hoá cho 1 aa - gọi là bộ ba đồng nghĩa. + Mã di truyền có tính chất vạn năng: ý nghĩa của mã đúng với mọi sinh vật. + Mã di truyền có tính biến động, linh hoạt. - Đột biến và mã di truyền: + Đột biến nhầm nghĩa: một cặp bazơ riêng lẻ trên ADN bị biến đổi-> thay đổi cụm mã tương ứng trên mARN -> xuất hiện 1 aa khác. + Đột biến vô nghĩa: sự biến đổi 1 cặp bazơ riêng lẻ trên ADN -> xuất hiện 1 cụm mã vô nghĩa (tín hiệu kết thúc chuỗi) -> mạch polipeptit hình thành ngắn hơn mạch bình thường và không hoạt động chức năng. http://www.ebook.edu.vn 15
+ Đột biến dịch khung: mất hoặc thêm 1 cặp bazơ trên ADN -> mARN mà ở đó khung dọc chuyển dịch đi 1 Nu. (Bảng 2.2- tr64) 2.1.2. Quá trình sao mã (Hình 2.14 – tr66) ADN -> ARN - Quá trình sao mã gồm 4 giai đoạn: + Sự nhận biết đoạn khởi đầu + Mở đầu sự hình thành chuỗi + Sự kéo dài chuỗi + Sự kết thúc - Quá trình sao mã được kiểm tra bởi enzim ARN - polimerase, nó có khả năng bắt đầu sự tổng hợp 1 chuỗi polinuclêotit mà không cần một đoạn mồi. + Nhờ có yếu tố δ mà ARN - polimerase nhận biết được đoạn khởi đầu (có trật tự giàu AT). ARN - polimerase gắn vào đoạn khởi đầu -> định hướng tới đúng chỗ bắt đầu tổng hợp ARN. + Trong quá trình sao mã, sự duỗi xoắn và tách thành hai mạch đơn của ADN cũng xảy ra ở từng đoạn ADN đang hoạt động và bước vào sao mã. ARN được sao chép đúng mẫu cấu trúc của ADN (theo đúng nguyên tắc bổ sung), chiều tổng hợp ARN là 5’ –3’. + Khi ARN - polimerase chạy tới vùng kết thúc, nhờ yếu tố rô (ρ) -> sự kết thúc sao mã xảy ra: cả ARN vừa mới tổng hợp và ARN - polimerase đều được tách ra. - Sự tổng hợp các loại ARN (mARN, tARN, rARN) đều được tiến hành trong nhân tế bào tại NST, ở thời điểm kỳ trung gian của nguyên phân. - Chỉ 1 trong 2 sợi ADN dùng làm khuôn mẫu để tổng hợp ARN (sợi vô nghĩa). - Mỗi phân tử mARN bao gồm 3 phần: + Đoạn dẫn đầu, đầu 5’ + Đoạn mã hoá + Đoạn theo sau, ở đầu 3’ - Ở sinh vật nhân sơ, sau khi sao mã mARN được sử dụng trực tiếp để tổng hợp mạch polipeptit. - Ở sinh vật nhân chuẩn: http://www.ebook.edu.vn 16
mARN qua quá trình thành thục hoá mARN thành thục mới tham gia dịch mã. ->điểm khác của quá trình sao mã với quá trình tái bản: - Được sao mã trên một sợi khuôn của ADN. - Quá trình sao mã không cần đoạn mồi. - Thành phần tham gia vào quá trình sao mã: ARN - polimerase, yếu tố δ - nhận biết đoạn khởi đầu, yếu tố ρ - kết thúc sao mã. 2.1.3. Quá trình dịch mã mARN -> prôtein - Hệ thống tham gia vào quá trình dịch mã: + Riboxom: 2 tiểu phần: tiểu phần nhỏ: có chức năng kết giữ và vận động tiểu phần lớn: tạo liên kết peptit giữa các aa. Riboxom là nơi xảy ra tổng hợp mạch polypeptit + tARN: (Hình 2.15- tr68) tARN được sao mã từ gen tARN, là những phần tử ARN ngắn khoảng 80 Nu, tARN có cấu trúc đặc thù, mạch đơn ribonu quấn trở lại làm thành hình có 3 lá với 3 thuỳ: * 1 thuỳ mang đối mã, sẽ khớp bổ sung với mã sao trên mARN. * 1 thuỳ tác dụng với riboxom. * 1 thuỳ có chức năng nhận biết enzim gắn aa tương ứng vào tARN. Đầu mút mang aa của tất cả các tARN đều kết thúc bằng ACC và đầu mút kia kết thúc bằng GGG. Chức năng: + Chức năng tiếp nhận: nhận biết và tiếp nhận aa tương ứng đã được hoạt hoá. + Chức năng liên kết: aa được liên kết với tARN và tARN sẽ kéo vào riboxom. + rARN: Dịch mã ở riboxom - tổng hợp mạch polipeptit 3 giai đoạn: (1) mở đầu tổng hợp – hình thành liên kết peptit đầu tiên (2) Kéo dài chuỗi polipeptit (3) Kết thúc tổng hợp http://www.ebook.edu.vn 17
* Giai đoạn (1): gắn mARN vào riboxom, xác định codon khởi đầu, gắn tARN mang aa1, aa2 -> hình thành liên kết peptit đầu tiên: + Hạt nhỏ 30S liên kết với mã khởi động nhờ yếu tố F3 + tARN mang aa1 vào hạt 30S và bổ sung anticodon với codon khởi động nhờ yếu tố F2 và 1GTP. + Aa1 ở tARN1 gắn vào bề mặt hạt lớn nhờ 1 GTP, mARN được chuyển dịch 1 bộ ba, yếu tố F2 bị đẩy ra. Ở codon 2 được bổ sung ngay tARN2 mang aa2. + Aa2 nằm ở bề mặt hạt lớn cạnh aa1-> liên kết peptit đầu tiên có sự tham gia của enzim petidyltranspherase. + Nhờ yếu tố G, 1GTP xảy ra sự chuyển dịch 1 bộ ba nữa trên mARN, tARN1 bị đảy ra khỏi roboxom. ->Ở riboxom có tARN2 gắn với 2aa, 1 codon hở trên mARN, tARN mang aa tiếp theo để bổ sung vào. * Giai đoạn (2): Mỗi bước chuyển dịch, ở riboxom luôn hở ra codon mới và anticodon của tARN mang aa bổ sung vào. ->Trình tự các loại aa của mạch polipeptit ứng với trình tự các codon trên mARN. * Giai đoạn (3): Xảy ra khi xuất hiện codon kết thúc trên mARN, tARN không được gắn vào, hệ thống ngừng làm việc, mạch polipeptit tách ra khỏi riboxom, mARN và 2 tiểu phần của riboxom cũng được tách ra. (Hình 2.17- tr70) - Trên 1 mARN có nhiều riboxom làm việc tạo nên 1 đơn vị dịch mã poliriboxom -> thu được nhiều mạch polipeptit trong 1 đơn vị thời gian. - Ở sinh vật nhân sơ: hệ thống sao mã - dịch mã xảy ra đồng thời. (Hình 2.17 – tr70) 2.1.4. Gen là gì ? Khái niệm tổng quát về hệ thống gen ở tế bào - Gen: thể hiện như 1 đơn vị cơ sở của bộ máy di truyền, chiếm 1 locus nhất định trên NST và thông qua quá trình sao chép nó xác định một đon vị chức năng sinh học. Gen http://www.ebook.edu.vn 18
là 1 đoạn ADN mã hoá cho 1 sản phẩm riêng biệt như ARN sử dụng trực tiếp hay ARN dùng để tổng hợp nên mạch polipeptit hoặc protêin phức tạp hơn. - Các hệ thống gen trong tế bào: + Nhóm gen tạo các sản phẩm tham gia vào các hoạt động của chính bộ máy di truyền: * Tái bản * Sao mã * Dịch mã * Tái tổ hợp …….. ->Cho protêin , ARN… - Nhóm gen cho các sản phẩm tham gia vào hoạt động khác của tế bào: trao đổi chất. (Hình 2.18- tr71) 2.2. Cấu trúc và điều hoà hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ 2.2.1. Khái niệm chung - gen hoạt động theo cơ chế điều hoà - Ở nhân sơ, mục đích của sự điều hoà biểu hiện gen là nhằm điều chỉnh hệ enzim cho phù hợp với các tác nhân dinh dưỡng và lý hoá của môi trường, đảm bảo 2 yêu cầu chính của tế bào: tăng trưởng và sinh sản. - Do không có màng nhân, mARN vừa được phiên mã từ ADN có thể tiếp xúc ngay với bộ máy dịch mã để làm khuôn tổng hợp protêin, sự phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời. Sự điều hoà biểu hiện của gen chủ yếu được tiến hành ở giai đoạn phiên mã. - Ở nhân sơ, các gen thường hợp lại thành cụm hướng tới thực hiện một chức năng nhất định gọi là operon. Cơ chế điều hoà chủ yếu được thực hiện thông qua các operon. - 1961, F. Jacob và J. Monod đưa ra mô hình operon: Operon là đơn vị làm việc của gen bao gồm 2 thành phần ADN : + ADN mã hoá (các gen cấu trúc) quy định tổng hợp protêin. + ADN tham gia vào quá trình điều hoà hoạt động của các gen cấu trúc. O- operator: vùng điều hành :21 đôi bazơ P- promotor: vùng khỏi động: 85 đôi bazơ Nói cách khác, operon là một hệ thống hoạt động bao gồm các gen cấu trúc nằm dưới sự kiểm soát của bộ phận điều hoà liên kết sát chúng. http://www.ebook.edu.vn 19
2.2.2. Lac operon ở vi khuẩn, điều hoà âm tính a. Điều hoà cảm ứng âm tính - Hệ gen kiểm tra tổng hợp các enzim tham gia vào phân giải đường lactose ở vi khuẩn E.coli: + β- galactosidase: phân giải lactose -> galactose + glucose + Galactoside permease cần cho sự xâm nhập của galactose vào tế bào + Transacetylase: không tham gia vào chuyển hoá lactose - Cơ chế hoạt động của hệ gen lactose: * Các gen cấu trúc: + Gen kiểm tra tổng hợp β - galactosidase (Z) :3510 đôi bazơ + Gen kiểm tra tổng hợp galactosidase permerase(Y): 780 đôi bazơ + Gen kiểm tra enzim transacetylase (A): 825 đôi bazơ * P: 85 đôi bazơ: + Đoạn A: nơi tiếp nhận sự tác động của protêin hoạt hoá trao đổi chất. + Vùng để ARN - polymerase liên kết để sao mã. * O: 21đôi bazơ + Nơi tác động của protêin điều hoà do gen điều hoà (I) kiểm tra theo cơ chế tự khiển. * Protêin điều hoà: + Bám vào ADN + Tiếp thu thông tin điều hoà. Khi protêin điều hoà có tác dụng bao vây vùng O, gây nên ức chế sao mã các gen cấu trúc. (Hình 3.1 a- tr75) Khi trong môi trường có mặt lactose, nó tác động với protêin điều hoà làm biến đổi protêin điều hoà, làm mất hoạt tính bao vây vùng O -> hoạt động của ARN - polymerase được diễn ra từ điểm khởi động -> các gen cấu trúc được sao mã. (Hình 3.1r- tr75) Như vậy, lactose đóng vai trò chất cảm ứng, biến chất ức chế hoạt động -> bất hoạt, làm mất hoạt tính liên kết vào vùng O của protêin điều hoà. ->Cơ chế điều hoà cảm ứng âm tính. http://www.ebook.edu.vn 20
- Hoạt động của lac - operon được kiểm tra di truyền bằng nghiên cứu các thể đột biến xảy ra ở gen điều hoà và vùng điều hành: + Đột biến vùng P: không gắn được ARN - polymerase -> gen cấu trúc không được sao mã. + Đột biến vùng O,I: sự ức chế sao mã của operon không xảy ra. Vùng O bị đột biến: các gen cấu trúc A,Y,Z luôn ở trạng thái làm việc vì vùng O không mãn cảm với hiệu quả phong toả của protêin ức chế ( gọi là đột biến gây biểu hiện trội theo hướng đồng). Khi đột biến xảy ra tại Z tạo nên codon vô nghĩa làm dừng sự dịch mã -> 3 gen Z, A, Y đều không được tổng hợp. Khi đột biến xảy ra ở vùng Y thì chỉ có sản phẩm của gen Z được tổng hợp ….(đột biến hướng cực). ->Chứng tỏ các gen cấu trúc của operon được sao mã cùng nhau. b. Điều hoà ức chế âm tính – operon sinh tổng hợp aa - Điều hoà hoạt động của các operon sinh tổng hợp aa cũng diễn ra theo cơ chế điều hoà âm tính: - Khác với Lac – operon: khi có tác động của sản phẩm aa lên protêin điều hoà -> có hoạt tính bao vây vùng O và ức chế sao mã. ->Như vậy, aa có tác dụng như yếu tố đồng ức chế. Khi tế bào thiếu aa, sự sao mã xảy ra, hoạt tính của các enzim tham gia vào sinh tổng hợp protêin tăng. Khi đủ aa, các gen cấu trúc ngừng sao mã. Ví dụ: Operon histiddin Operon triptophan 2.2.3. Một số cơ chế điều hoà khác a. Điều hoà dương tính: - Ở tế bào vi khuẩn có mặt phân tử adenozinmônphotphat (AMP), nó được tổng hợp nhờ enzim adenylxyclase. Khi có glucose nồng độ cAMP trong tế bào thấp. - cAMP thể hiện vai trò trong sự điều hoà hoạt động của lac- operon ở chôx nó liên kết với 1 protêin hoạt hoá trao đổi chất (CAP), tạo ra phức hợp cAMP - CAP, phức hợp này liên kết với vùng A ở P gây hoạt hoá sao mã của các gen cấu trúc -> cAMP – CAP có tác động như yếu tố điều hoà dương tính. http://www.ebook.edu.vn 21
- Tác động của cAMP - CAP không phụ thuộc vào gen điều hoà (I) và operator. Khi cAMP - CAP gắn vào vùng A thì sự liên kết của ARN - polimerase với điểm khởi động được kích thích mạnh để tiến hành sao mã. ->Cơ chế điều hoà dương tính xảy ra độc lập với cơ chế âm tính. b. Cơ chế điều hoà phức hợp ở araoperon: - Operon tham gia vào sự chuyển hoá đường arabinose ở vi khuẩn hoạt động theo cơ chế điều hoà phức hợp (cả dương tính và âm tính). - Khi gen điều hoà hoạt động, các protêin điều hoà hình thành, protêin điều hoà liên kết với ADN ở vùng O theo hai điểm (O1, O2) -> gây biến dạng ADN lớn -> ARN - polimerase không liên kết được với điểm khởi động để sao mã các gen cấu trúc. - Khi trong môi trường có mặt đường arabinose, chất này tác động vào protêin điều hoà -> protêin điều hoà mất khả năng phong toả vùng điều hành -> ARN – polymerase hoạt động. Song song với sự kiện này, phức hợp cAMP - CAP liên kết với ADN như một yếu tố điều hoà dương tính -> sự gắn ARN - polymerase vào điểm khởi động được kích thích mạnh -> các gen cấu trúc được sao mã. - Như vậy, ara operon cùng hoạt động hai cơ chế điều hoà: + Âm tính: giải toả ức chế do arabinose tác động với protêin điều hoà. + Dương tính: kích thích ARN - polymerase tiếp cận với promotor do tác động của phức hợp cAMP - CAP. c. Điều hoà theo cơ chế sao mã bỏ dở ở triptophan ( Hình 3.2 – tr78) - Operon này có đoạn ADN từ vùng O tới gen cấu trúc 1 (140dp): đoạn dẫn đường gồm: + Một trật tự 26 bazơ không tham gia mã hoá. + Một trật tự gồm 45 bazơ ứng với 15 bộ ba mã hoá có 1 peptit ngắn – peptit dẫn đường (14aa: 2aa triptophan ứng với bộ ba 10,11). + Các trật tự cấu trúc dạng uốn palindrome giống cấu trúc ở vùng kết thúc của 1 gen. - Cơ chế: + Khi tế bào có nhiều triptophan chúng được ARN vận chuyển đưa đến lắp ráp theo hai codon 10,11-> sự trượt của riboxom xảy ra bình thường -> hình thành tổng hợp chuỗi peptit dẫn đường. Ở trường này chuyển động của ARN - polymerase gặp đoạn http://www.ebook.edu.vn 22
attenuator gây tín hiệu kết thúc sao mã ở đoạn dẫn đường -> sự sao mã dừng ở đây. Như vậy, sự sao mã của các gen cấu trúc không tiếp tục diễn ra trong khi tế bào vẫn có đủ triptophan (sao mã bỏ dở). + Khi trong tế bào thiếu triptophan sẽ có ARN vận chuyển mang triptophan tới riboxom để tiếp tục tổng hợp chuỗi peptit dẫn đường -> riboxom dừng lại ở codon ttriptophan-> phần dẫn đường của mARN cuộn lại gây biến dạng cấu trúc uốn đặc trưng làm đoạn attenuator không thực hiện được chức năng dừng lại -> sự trượt ARN – polymerase tiếp tục diễn ra -> các gen cấu trúc được sao mã. Như vậy, các enzim tham gia vào sinh tổng hợp triptophan được tạo ra, triptophan được tích luỹ với số lượng lớn trong tế bào. -> Operon triptophan: phương thức điều hoà theo cơ chế bỏ dở hoàn toàn độc lập với phương thúc điều hoà ức chế âm tính. - Tóm lại, những đặc điểm về cấu trúc operon ở sinh vật nhân sơ: + 1 operon có nhiều gen cấu trúc liên kết sát nhau + Từ vùng O -> gen cấu trúc 1 có 1 đoạn dẫn đường có độ dài rất khác nhau. + Các gen cấu trúc sao mã cùng nhau -> 1 mạch mARN kiểm tra nhiều protêin (đa chức năng). + Riboxom đọc theo từng gen cho các protêin riêng biệt. + ADN điều hoà chiếm tỷ lệ nhỏ so với ADN mã hoá. 2.3.Cấu trúc và hoạt động của gen sinh vật nhân chuẩn 2.3.1. Cấu trúc exon – intron của gen a. Sự phát hiện ra cấu trúc exon - itron - 1977, nhóm tác giả phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor phát hiện cấu trúc không liên tục của gen ở adenovirus –2: + Độ dài của mạch mARN tham gia vào dich mã ngắn hơn so với mạch mARN sao ra theo khuôn của chuỗi ADN muộn (L- ADN). + Bằng phương pháp lai phân tử : mARN tạo thể lai không tương ứng trên toàn mạch L- ADN mà chỉ xảy ra ở 4 đoạn: 1 đoạn dẫn dầu kéo dài hơn và 3 đoạn ngắn tiếp theo. Những đoạn “ dư ra” của L-ADN tạo nên những dải uốn. (Hình 3.3b - tr81) http://www.ebook.edu.vn 23
->Để hình thành mARN tham gia vào dịch mã, chỉ có thể bằng con đường cắt bỏ các đoạn: những đoạn không mã hoá (intron), xen kẽ những đoạn mã hoá (exon). Cấu trúc này gọi là gen phân đoạn hay gen khảm. - Ví dụ: + Gen ovalbumin gà mang 7 đoạn xen (7 intron) xen kẽ với 8 exon. + Gen α - 2collagen gà mang 50 intron và 50 exon. + Gen catalase ở thực vật có hoa - Ngoại lệ: gen histon nhím biển và 4 gen sốc nhiệt ở drosophila không có intron. (Hình 3.3b – tr81) b. Đặc điểm cấu trúc exon- intron của gen - Số lượng các exon, intron khác nhau trong 1 gen. - Độ dài của exon và intron rất khác nhau, E mARN thành thục phải trải qua những quá trình sau: - Gắn mũ chụp: Ở đầu 5’ của mARN xảy ra phản ứng tạo mũ, đó là hai phản ứng methyl hoá ở vị trí 7 của guanozin và ở vị trí 2’ của đường ribose. - Gắn đuôi poli – A: Ở đầu 3’ của mARN sơ cấp xảy ra phản ứng poli – A hoá với chuỗi poly - A (có thể dài tới 200 gốc A) vào mARN , nhờ mARN protêin liên kết với chuỗi poly - A. - Sự tách ghép: + Cắt intron: Mỗi intron có đầu 5’ và đầu 3’, ở mỗi đầu có đoạn 2 Nu rất ổn định (đoạn chuẩn): 5’ GU…………….AC 3’ Ở 1 số ARN nhân nhỏ (sn ARN) trong thành phần enzim cắt nối có các trình tự dinu bổ sung, tương ứng với các đoạn chuẩn trong intron. http://www.ebook.edu.vn 24
Enzim cắt nối kết hợp với sn ARN tạo thành phức hợp sn - RNP. Một sn – RNP bám vào đầu 5’, sn – RNP kia bám vào điểm nhánh gần đầu 3’. Cả hai sn - RNP này cùng với sn - RNP khác và protêin điều hoà -> phức hợp RNP (spliceosom). Splcceosom tách intron ở đầu 5’ và đầu nối tự do kia (3’) của intron vào điểm nhánh -> intron bị bẻ cong thành hình thòng lọng. Intron được tách ra từ đầu 3’ và 2 exon liền kề sẽ được nối với nhau. Intron bị cắt sẽ thoái hoá. + Nối exon: Các exon liền kề nhau được nối với nhau và theo cơ chế này hình thành mARN thành thục. 5’ 3’ Sợi bổ sung ’ ’ 3 E1 I1 E2 I2 E3 I3 5 Sợi khuôn Sao mã E1 I1 E2 I2 E3 I3 pre- mARN Cắt nối E1 E2 E3 m- ARN Ngoài ra ở các nhóm sinh vật quá trình tách ghép mARN sơ cấp xảy ra do xúc tác của chính mARN mà không có sự tham gia của các protêin – enzim khác (tự tách ghép). - Ở nhân tế bào mARN sao ra được cuốn vào các hạt có tên là informofer. Hạt này có hằng số lắng đọng 30S, cấu trúc từ vài chục phân tử ribonucleoprotêin dạng hạt. Phân tử mARN ở cấu trúc cuốn vào chuỗi hạt có thể tồn tại trong nhân tế bào. Khi ở mARN sơ cấp xảy ra quá trình thành thục hoá và chuyển ra bào chất nó được tháo khỏi các hạt informofer. (Hình 3.4 – tr84) 2.3.3. Sự tách ghép nảy sinh, những ý nghĩa của cấu trúc exon - intron a. Sự tách ghép nảy sinh - Ở một gen, quá trình tách ghép mARN sơ cấp có thể xảy ra theo nhiều cách, kết quả hình thành nhiều dạng mARN thành thục khác nhau gọi là tách ghép nảy sinh. - Ví dụ: Virus SV40 ; tiền mARN xảy ra 2 kiểu tách ghép: http://www.ebook.edu.vn 25
(1) Tạo ra mARN thành thục kiểm tra tổng hợp protêin T- antigen lớn (T) (2) Protêin T- antigen nhỏ (t) -> virus sử dụng tiết kiệm ADN + Đối với sinh vật nhân chuẩn sự tách ghép nảy sinh không nhiều. Tuy nhiên nó có ý nghĩa lớn trong sự tạo đa dạng các sản phẩm và trong điều hoà sự biểu hiện của gen. Ví dụ: Gen calcitonine Hai loại protêin được dịch mã từ gen này là calcitonine được tìm thấy trong tế bào C của tuyến giáp và CGRP là chất trung gian thần kinh được tìm thấy trong não. Hai protêin này là sản phẩm của 2 mARN hình thành do sự ghép nối tạo 2 tổ hợp exon khác nhau. Như vậy, các tế bào ở giai đoạn khác nhau có chứa sản phẩm sai khác do một gen kiểm tra phù hợp với chức năng hoạt động của nó. Sai khác của các sản phẩm này không do đột biến gen gây nên mà do quá trình tách ghép - biến đổi ở mARN sơ cấp tạo ra. Ví dụ 2: Gen α - amilase ở chuột cống chứa 4 exon: + 2 exon dẫn đường (L,S) + 2 exon mã hoá protêin α - amilase Sự tách ghép mARN sơ cấp xảy ra khác nhau ở tế bào gan và tế bào tuyến nước bọt -> tốc độ dịch mã của các mARN thành thục ở 2 dạng tế bào này khác nhau -> có ý nghĩa trong điều hoà hoạt động gen ở mức dịch mã. (Hình 3.6- tr86) Ví dụ 3: Gen kiểm soát enzim transphosase ở yếu tố di truyền di động P ở genom ruồi. b. Ý nghĩa của cấu trúc exon - intron Tính chất cấu trúc không liên tục, nhiều thanhd phần của gen có ý nghĩa trong tiến hoá hình thành những gen mới. Nhiều gen phức tạp có thể xuất hiện thông qua sự lắp ghép khác nhau từ những đoạn thành phần. 2.4. Đặc điểm cấu trúc operon và điều hoà hoạt động gen ở sinh vật nhân chuẩn 2.4.1. Những yếu tố điều hoà của operon và đặc điểm của chúng a. Promotor (vùng khởi động) http://www.ebook.edu.vn 26
- Cách không xa điểm tạo mũ cảu gen có trật tự ADN với chức năng khởi động, là nơi gắn vào của ARN - polymerase II để tiến hành sao mã ra các mARN . Vùng khởi động thường quan sát thấy những trật tự có thành phần bazơ như: TATAAATAA và GGGCGG - Vùng khởi động của các gen do ARN - polymerase III sao mã và thường nằm ở bên trong gen đó. - Ví dụ tARN promotor - Vùng khởi động của ARN - polymerase I nằm ở phía trước gen rARN. b. Enhanser (vùng tăng cường sao mã) M.L. Brinstiel (1980) nghiên cứu các gen histon ở tế bào trứng ếch và nhiều nghiên cứu sau này thấy: Có những đoạn ADN nằm ở những vị trí khác nhau của gen, có chức năng tiếp nhận thông tin làm tăng quá trình sao mã - gọi là vùng tăng cường sao mã. - Đặc điểm: + Vùng tăng cường là yếu tố tác động theo hướng đồng, chúng chỉ có hoạt tính khi nằm trong khối thống nhất chứa gen mà chúng điều khiển. + Vùng tăng cường không có tính hướng, vị trí của chúng có thể thay đổi mà không ảnh hưởng tới chức năng hoạt động của chúng. + Vùng tăng cường không mang tính đặc trưng cho từng gen mà chúng điều khiển, có ý nghĩa hầu như cho mọi gen. + Vùng tăng cường có tính chất đặc trưng rất yếu ở góc độ phân loại. + Ở một số trường hợp vùng tăng cường có tích chất đặc trưng cho từng mô của cơ thể đa bào bậc cao. + Một gen có thể mang một số vùng tăng cường. + Vùng tăng cường là đoạn ADN ngắn, ở một vùng tăng cường có thể chưá 1 hoặc một vài tâm trục. c. Silenser (vùng gây giảm sao mã) Là những đoạn ADN (nằm ở thành phần ADN không mã hoá) có tác dụng làm giảm sự sao mã. Tóm lại, ở sinh vật nhân chuẩn những thành phần tham gia vào sự điều hoà hoạt động của gen ở operon phức tạp hơn nhiều so với cấu trúc operon ở sinh vật nhân sơ. Hơn nữa, lượng ADN mã hoá (exon) chiếm tỷ lệ nhỏ hơn nhiều so với lượng ADN không mã http://www.ebook.edu.vn 27
hoá (intron và khoảng cách giữa các gen). Ở bộ phận ADN này nằm dải rác nhiều yếu tố tham gia vào sự điều hoà sao mã. (Hình 3.7 – tr88) 2.4.2. Điều hoà sao mã - sự tương tác giữa các tác nhân điều hoà với enhancer và các vùng điều hoà khác của gen. a. Tác động của các hoocmon và protêin điều hoà - Ở sinh vật bậc cao nhiều chất hoocmon có tác dụng điều hoà hoạt động gen. Những tế bào có các chất hoocmon tới tác động tế bào đích: + Protêin tiếp nhận (R) phối hợp với hoocmon steroit (H) -> phức hợp R- H, sau một số biến đổi hình dạng protêin, phức này đi vào nhân tế bào. Trong nhân tế bào phức hợp protêin tiếp nhận – hoocmon liên kết với vùng tăng cường (hay vùng khởi động) của gen. Từ đó gây ra hiệu quả kích thích sao mã. + Ở tế bào đích của dạng hoocmon glucocorlicoit: khi chưa có hoocmon, protêin tiếp nhận liên kết với một phân tử Hsp 90 và tồn tại ở bào chất. Khi hoocmon glucocorticoit có mặt, protêin tiếp nhận liên kết với nó và phân tử Hsp 90 bị đẩy ra. Phức hợp protêin tiếp nhận – glucocorticoit đi vào nhân tế bào, ở đó nó liên kết với một đoạn của vùng tăng cường nằm không xa gen (yếu tố phản ứng với glucocoticoit – GRE) – kích thích promotor của gen -> sao mã tăng. - 1984, D. Brown phát hiện yếu tố kích thích sao mã của ARN – polimerase III (TF III A). Yếu tố này liên kết với vùng khởi động của gen và tạo điều kiện cho ARN- polimerase III gắn vào để tiến hành sao mã. Histon H1 có tác dụng ngăn chặn sự liên kết của TF III A và cản trở sao mã. Nhưng khi yếu tố này đã tạo phức hợp ở vùng khởi động thì histon H1 không có khả năng tách nó ra và không cản trở được sao mã. -> Protêin điều hoà thường có cấu trúc hai tiểu phần: + Một tiểu phần có cấu trúc bám để gắn với vùng đặc trưng trên ADN. + Phần thứ hai mang chức năng hoạt tính (Hình 3.8 – tr 90) http://www.ebook.edu.vn 28
b. Cơ chế hoạt động của vùng tăng cường (enhancer) - Giả thuyết 1: enhancer là chỗ để cho ARN – polimerase hay các yếu tố tham gia vào sự sao mã khác đi vào, sau đó được chuyển dịch theo ADN và tìm đến promotor, sao mã xảy ra. Giả thuyết này không áp dụng cho trường hợp enhancer ở trong gen hay ở sau gen. - Giả Thuyết 2: enhancer có thể tương tác với hệ thống khung tựa của nhân tế bào -> sự chuyển dịch không gian, làm cho enhancer được gắn với các yếu tố điều hoà khác của gen. Từ đó, những quá trình về tiếp nhận thông tin, truyền tín hiệu sao mã trở nên hiệu quả hơn. - Giả thuyết 3: protêin điều hoà liên kết với 1 enhancer ở một tiểu phần, tiểu phần kia có thể liên kết với promotor hay với một protêin của enhancer khác -> gây hiệu quả mở, kích thích sao mã của ADN. - Sau khi enhancer tương tác với các protêin điền hoà, nó trở thành chỗ “nóng” để từ đó dọc theo sợi nhiễm sắc xảy ra 1 loạt các quá trình cộng hưởng, gây nên những biến đổi làm bất ổn định các hạt nuclêoxom, chúng được giải phóng ra khỏi sợi ADN -> tạo điều kiện cho sao mã xảy ra. 2.4.3. Điều hoà biểu hiện của gen đối với sự phát triển của cây 2.5. Tổ chức các genom, hiện tượng khuếch đại gen 2.5.1. Các gen đơn bản và các gia đình gen, ý nghĩa - Nếu gen chỉ tồn tại theo 1 bản ở bộ đơn bội NST thì nó thuộc nhóm các gen đơn bản. - Ở sinh vật bậc cao, các gen tồn tại không tuân theo 1 bản mà theo nhiều bản là chủ yếu, tạo nên gia đình gen. Gia đình gen là tập hợp bao gồm những gen giống nhau, thực hiện những chức năng tương tự, tức là nó mã hoá những protêin nguồn gốc giống nhau. - Một số kiểu tổ chức gia đình gen: http://www.ebook.edu.vn 29
+ Kiểu thứ nhất : các gen lặp lại liên tục kế liền tiếp nhau: các bản gen có cấu trúc giống nhau, mã hoá cho một sản phẩm giống nhau được lặp lại nhiều lần. Gồm các gen ARN roboxom, 5S ARN, các gen histon… Ví dụ 1: các gen histon của nhím biển : số bản sao lặp lại (H1, H4, H2B, H3, H2A): 300 - 600. Ví dụ 2: ở ruồi dấm n=100 (H1, H3, H4, H2A, H2B) (Hình 3.9 - tr92) + Kiểu thứ 2: trong đó các thành viên gen nằm sát nhau theo một khối ở một khu vực nào đó của genom, nhưng không tạo nên các đơn vị lặp lại đồng nhất như kiểu 1. Ví dụ 1: các gen β - globin gồm 7 thành viên, chiến khoảng 80000 đôi bazơ của NST số 11. (Hình 3.10a – tr93) Ví dụ 2: Gia đình gen α - globin nằm ở NST số 16, 37000 đôi bazơ. (Hình 3.10b - tr93) + Kiểu thứ 3: các thành viên không tạo thành khối nằm liền nhau, mà nằm phân tán rải rác ở genom. - Cơ chế: ngay sau khi sự nhân bản gen, xảy ra quá trình chuyển đoạn các gen được chuyển tới những chỗ mới. Ví dụ: thành viên gen actin ở ruồi giấm + Siêu gia đình: Một số gia đình gen tạo thành một tập đoàn lớn tới hàng ngàn bản gen, chiếm một khu vực rất lớn của genom tới hàng triệu đôi nuclêotit. Ví dụ: Siêu gia đình các gen immunoglubulin gồm: Các gen immunoglubulin Các gen kiểm tra sự dung hợp mô Các gen kiểm tra các protêin tiếp nhận ở tế bào kiểu T và các gen khác. -> Đặc điểm cấu trúc của gen cũng như những kiểu tổ chức các gen ở genom nói lên tính chất phức tạp, tính chất tổ chức tinh vi và thống nhất cao trong sự điều hành hoạt động của các gen ở góc độ định tính cũng như định lượng, diễn ra trong quá trình phát triển cá thể của sinh vật bậc cao. 2.5.2. Hiện tượng khuếch đại gen, ý nghĩa - Ở nhiều trường hợp số lượng bản gen được tăng vọt nên so với số bản lặp đã có trong genom - hiện tượng khuếch đại gen. http://www.ebook.edu.vn 30
Ví dụ: Sự khuếch đại gen ARN riboxom ở tế bào noãn của cóc Xenopus lavis: số lượng bản gen rARN có trong genom khoảng 600 bản, sau khuếch đại tăng lên 2.106 bản. - Ở quá trình khuếch đại, những bản gen rARN được tách ra khỏi NST và tạo thành những vòng nhỏ. Các vòng này tái bản theo cơ chế vòng lăn tạo nên số lượng rất lớn các bản gen rARN. Như vậy, khuếch đại gen là hiện tượng phổ biến ở sinh vật. Nó là một trong những cơ chế thích ứng, trả lời theo cơ chế tự động ở những giai đoạn phát triển cá thể nào đó, hoặc có thể xảy ra do tác động của yếu tố môi trường. 2.6. Các yếu tố di truyền di động trong genom 2.6.1. Khái niệm, sự phát hiện ra yếu tố di truyền di động - Hệ gen các loài sinh vật không tĩnh mà rất động. Gen nhảy hay yếu tố di truyền di động (Transposalle genetic elemets, TGE) đầu tiên được phát hiện bởi Barbara Mc Clinlock – 1947, khi nghiên cứu những biến động di truyền ảnh hưởng tới sự đứt NST ở ngô. - TN: + MC Clinlock sử dụng một gen chỉ thị kiểm soát sự tích tụ sắc tố trong aleurone (lớp ngoài cùng của nội nhũ hạt ngô). Gen chỉ thị này là một alen của locus C trên cách ngắn NST 9. Vì alen này (c1) là một yếu tố ức chế trội đối với màu sắc của aleurone - hạt ngô mang alen này không màu. + Thụ phấn cho cây CC bằng hạt phấn của bông cờ C1C1 - hạt ngô có nội nhũ C1CC - hầu hết không màu, chỉ có một ít đốm có màu. -> alen C1 đôi khi không có mặt trọng sự phát triển nội nhũ, dẫn tới một dòng tế bào và các tổ chức có khả năng tạo thành sắc tố, kiểu gen ở đây sẽ là –CC, trong đó có phần nhỏ mất alen C1 – alen này mất là do đứt gãy NST. (Hình 3.11- tr95) Khi Ds (yếu tố di động) nằm cạnh locus C – nó bị bất hoạt hóa (C- C1) - hạt không màu. Nếu trong kiểu gen có mặt yếu tố Ac – do được chuyển dịch – locus C trở lại hoạt tính – các hạt có vệt màu. Kết luận: yếu tố di truyền di động là những đoạn ADN đặc biệt, xen vào 1 hoặn 1 số vị trí trong hệ gen, tạo nên các biến đổi di truyền. Các biến đổi này sẽ mất đi khi TGE rời khởi vị trí đã xen. http://www.ebook.edu.vn 31
2.6.2. Các yếu tố di truyền di động ở vi khuẩn, ý nghĩa - Ở vi khuẩn đã phát hiện những dạng đột biến đặc biệt, những đột biến này có đặc điểm trung là ở cạnh chúng có 1 đoạn ADN xen vào (IS – insertion sequence). - Ví dụ: E. coli có một đoạn xen IS1 (720bp), xác định enzim có chức năng vận chuyển. Gen này nằm giữa hai đoạn lặp đảo ngược (inverted repeats – IR), 24bp. IR IS1 IR 24bp 720bp 24bp + Một đoạn xen IS2, khi xen vào E.coli mất khả năng lên men glactose, khi rời khỏi gen -> khả năng lên men lại tái lập. + Gen nhảy Tn 1681: gồm 2 đoạn xen IS1 nằm ở hai đầu 1 gen khác, dài 552 bp, quy định độc tố chịu nhiệt, gây ỉa chảy. IR IS1 IR Gen độc tố IR IS1 IR 2.6.3. Các yếu tố di truyền di động ở sinh vật nhân chuẩn, đoạn xen, cơ chế xen, các cơ chế chuyển vị - Ở sinh vật nhân chuẩn đã phát hiện ra nhiều yếu tố di truyền di động như ở nấm men, ruồi, ngô... - Ví dụ: nấm men: gen nhảy Ty-1 ở sachoromyces cerevisiae - Ruồi giấm: yếu tố P, copia, MDG –1. MDG - 3 (Hình 3.15 – tr98) - Đặc điểm của đoạn xen: + Ở hai đầu mút có 2 trật tự bazơ giống nhau, nhưng xếp ngược chiều nhau (9 - 40 đôi bazơ). + Hầu hết các đoạn IS chứa gen kiểm tra enzim transposase +Trong đoạn IS chứa những điểm khởi đầu và kết thúc dịch mã, chứa đoạn ADN gây tín hiệu kết thúc sao mã. + Ở điểm xen vào của đoạn IS trên NST, ở 2 phía của nó có 2 trật tự lặp (4- 9 đôi bazơ). - Cơ chế xen: http://www.ebook.edu.vn 32
Đầu tiên tại điểm đích (target sequence), nơi gen nhảy sẽ xen vào trên NST, xảy ra các vết cắt zigzag theo cơ chế đặc thù của enzim giới hạn. Gen nhảy xen vào giữa và vết cắt được gắn liền lại theo nguyên tắc bổ sung – 2đầu gen nhảy xuất hiện 2 đoạn lặp cùng chiều. ATTAT TAATA ATTAT TAATA + IR IS IR (gen nhảy) TAATA IR IS IR ATTAT ATTAT IR IS IR ATTAT TAATA TAATA (Gắn liền lại) - Sự chuyển vị của các yếu tố di động ở sinh vật nhân chuẩn xảy ra theo cơ chế sau: + Yếu tố di truyền di động được tách ra khỏi ADN cho để chuyển đến ADN nhận theo cơ chế tái tổ hợp tương đồng giữa 2 trật tự lặp ở 2 đầu của nó. + Xảy ra theo cơ chế sao chép ngược: ADN của yếu tố di động sao ra thành ARN - sao chép tái bản ADN của nó, và chuyển tới chỗ mới. + Các yếu tố di động được tái bản, tiếp theo là sự di động của chúng. 2.6.4. Ý nghĩa của yếu tố di truyền di động - Xuất hiện 1 số đột biến thuận nghịch dưới sự kiểm soát của yếu tố di động - Các yếu tố di động có thể gây sự đứt NST- sắp xếp lại các đoạn trên NST. http://www.ebook.edu.vn 33
- Yếu tố di động có thể là vật trung gian của sự tái tổ hợp ADN, có vai trò trong sự lắp ghép các trên trên NST - ứng dụng trong chuyển nạp gen. - Phát hiện vị trí của gen nghiên cứu trên NST nhờ yếu tố di động (gen đột biến được “đeo thẻ” nhờ yếu tố di động. - Yếu tố di động cung cấp một số thành phần điều hòa- gen tăng cường sao mã - Sự vận động của yếu tố di động xảy ra với tần số rất thấp. Sự tăng tần số vận động của chúng có liên quan tới gía trị thích ứng của cơ thể. - Yếu tố di động có thể tự tái bản để lan truyền trong genom của tế bào - yếu tố di động được coi như yếu tố “ký sinh” ở genom, sử dụng bộ máy tái bản của tế bào chủ. http://www.ebook.edu.vn 34