Tái bản ở đoạn cuối nhiễm sắc thể (telomere replication)

Document Outline

• Tái bản DNA
• Các nguyên tắc và đặc điểm chung của tái bản DNA
  • Sự tái bản DNA theo cơ chế bán bảo tồn (semi-conservative mechanism)
  • Cơ chế phân tử của quá trình tái bản DNA
  • Đơn vị tái bản, điểm khởi đầu và điểm kết thúc tái bản
  • Mồi RNA
• Tái bản DNA prokaryote
• Giai đoạn khởi đầu Tháo xoắn phân tử DNA Mô hình phân tử của DNA vòng ở vi khuẩn hay virus cho ta một khái niệm chung về các cấu hình có thể có của một phân tử DNA. Dạng thứ nhất là siêu xoắn. Dạng thứ hai có cấu trúc lơi hơn, thường là do bị đứt một chỗ trên một trong hai mạch của phân tử DNA. Dạng thứ ba tương ứng với cấu trúc thẳng do sự cắt đứt trên cả hai mạch trong phân tử DNA. Trong đó, dạng siêu xoắn là dạng cơ bản về cấu trúc và chức năng. Như vậy, để bắt đầu tái bản, phân tử DNA phải được tháo xoắn nhờ vào hoạt động của các enzyme có tên là topoisomerase. Có hai loại topoisomerase. Loại I tháo dạng siêu xoắn, chúng gắn vào phân tử DNA và cắt một trong hai mạch. Sau khi giải phóng một phân tử DNA đã được tháo xoắn, các enzyme này sẽ nối lại chỗ đứt. Enzyme loại I được biết rõ nhất là protein ω của E. coli. Các topoisomerase loại II có khả năng tháo các nút nảy sinh do các biến đổi cấu trúc của chuỗi xoắn kép bằng cách cắt đứt cả hai mạch DNA. Enzyme được biết rõ nhất là gyrase của E. coli. Gyrase sử dụng năng lượng từ sự thủy phân ATP để tháo xoắn DNA. Tách rời hai mạch đơn tại điểm khởi đầu tái bản Ở E.coli, OriC chứa bốn vị trí gắn với protein khởi đầu có tên là Dna A. Mỗi vị trí có kích thước 9bp. Sự tổng hợp các protein này gắn liền với tốc độ tăng trưởng tế bào vì thế việc khởi đầu tái bản DNA cũng gắn liền với tốc độ tăng trưởng. Ở tốc độ tăng trưởng cao, các nhiễm sắc thể của vi khuẩn có thể bắt đầu lần tái bản thứ hai trước khi lần tái bản thứ nhất kết thúc tại hai điểm khởi đầu mới. Vì vậy, mỗi tế bào con sẽ nhận được một nhiễm sắc thể đang được tái bản một phần. Quá trình tái bản bắt đầu khi DNA OriC quấn quanh một phức hợp protein Dna A gồm 30-40 phân tử, mỗi phân tử gắn với một ATP. Điều này đã thúc đẩy sự tách rời hai mạch tại ba trình tự lặp 13bp giàu A – T, cho phép protein Dna B gắn vào. Dna B là một DNA hehicase, nằm trong phức hợp primosome. Các helicase phá vỡ liên kết hydro giữa các base nhờ năng lượng thủy phân ATP. Có nhiều loại helicase cùng hoạt động đồng thời: Một số gắn trên mạch 3’ – 5’ như các Rep, số khác gắn trên mạch 5’ – 3’ như helicase II và III. Các mạch đã tách rời sẽ được ổn định dưới dạng mạch đơn nhờ các protein SSB (Single Strand Binding – liên kết với mạch đơn). Các protein này gắn lên khắp phần mạch đơn làm cho hai mạch không kết hợp trở lại được. Mạch khuôn được sử dụng đến đâu thì các protein SSB được giải phóng khỏi khuôn đến đó. Giai đoạn kéo dài Tổng hợp mồi RNA Các DNA polymerase chỉ có thể tổng hợp DNA bằng cách kéo dài một mồi RNA đã bắt cặp sẵn trên khuôn. Như đã biết, mồi này được tổng hợp nhờ hoạt tính của enzyme primase có trong phức hợp primosome. Sự tổng hợp mạch mới diễn ra theo kiểu bán gián đoạn, kéo dài mồi RNA DNA polymerase III là một phức hợp dimer. Mỗi phần gồm nhiều đơn vị gắn với nhau, chịu trách nhiệm tổng hợp một mạch đơn DNA nhằm đảm bảo cho tốc độ tổng hợp của cả hai mạch bằng nhau. Đơn vị α có hoạt tính polymerase thật sự. Đơn vị ε có chức năng đọc sửa nhờ hoạt tính exonuclease 3’- 5’, từ đó làm tăng tính chính xác trong tái bản. Đơn vị β giúp gắn polymerase vào DNA. Đây là nhân tố duy trì, khác nhau ở hai mạch khuôn, quy định độ dài của đoạn DNA được tổng hợp ở mạch tới (dài) khác với ở mạch chậm (ngắn). DNA polymerase III bắt đầu tái bản trên mỗi mạch khuôn bằng cách gắn vào mạch (nhờ đơn vị β) và lắp các nucleotide bổ sung vào vị trí tương ứng, kéo dài đoạn mồi RNA đã bắt cặp sẵn trên khuôn từ đầu 3’OH tự do của mồi (nhờ đơn vị α). Các DNA polymerase có tính đặc hiệu cao, chỉ thêm nucleotide vào đầu 3’OH của mạch đang tổng hợp. Ngoài chức năng polymer hóa theo hướng 5’ - 3’, DNA polymerase III còn có khả năng sửa sai nhờ hoạt tính exonuclease theo hướng 3’- 5’. Exonuclease là hoạt tính enzyme cắt DNA từ đầu mút một mạch. Trên đường di chuyển để tổng hợp mạch mới, nếu gặp chỗ nucleotide vừa lắp sai vị trí, DNA polymerase III sử dụng hoạt tính exonuclease 3’- 5’ cắt lùi lại để bỏ nucleotide sai và lắp cái đúng vào rồi tiếp tục tái bản (đơn vị ε). Quá trình tái bản DNA ở E.coli diễn ra với tốc độ nhanh, có thể đến 50.000 nucleotide/phút. Hoàn chỉnh sợi mới tổng hợp Trên mạch chậm, sau khi mỗi đoạn DNA được kéo dài, mồi RNA bị dời đi nhờ hoạt tính exonuclease 5’–3’ của DNA polymerase I và sẽ bị enzyme RNase H phân hủy. Các chỗ trống mà mồi để lại sẽ được thay bằng trình tự DNA một cách chính xác nhờ kết hợp hoạt tính polymerase 5’ – 3’ (kéo dài đầu 3’ của đoạn Okazaki trước) với hoạt tính exonuclease 3’ – 5’ (đọc và sửa sai) của DNA polymerase I. Cuối cùng, ligase sẽ nối tất cả các đoạn DNA trên mạch mới tổng hợp lại với nhau. Giai đoạn kết thúc tái bản và phân chia tế bào Hai chạc ba tái bản sẽ gặp nhau ở khoảng 180o đối diện với OricC. Quanh vùng kết thúc này có vài điểm làm dừng lại sự tái bản bằng cách gắn với một sản phẩm của gen tus, đó là một nhân tố kỳm hãm hoạt động helicase của Dna B. Khi sự tái bản hoàn tất, hai phân tử DNA vòng vẫn còn dính với nhau. Một topoisomerase loại II có tên là topoisomerase IV sẽ tách rời chúng để sau đó hai nhiễm sắc thể con sẽ được phân phối vào hai tế bào con.
  • Giai đoạn khởi đầu
    • Tháo xoắn phân tử DNA
    • Tách rời hai mạch đơn tại điểm khởi đầu tái bản
  • Giai đoạn kéo dài
    • Tổng hợp mồi RNA
    • Sự tổng hợp mạch mới diễn ra theo kiểu bán gián đoạn, kéo dài mồi RNA
    • Hoàn chỉnh sợi mới tổng hợp
  • Giai đoạn kết thúc tái bản và phân chia tế bào
• Tái bản DNA eukaryote
  • Điểm khởi đầu tái bản và giai đoạn khởi đầu:
  • Chạc ba tái bản và hệ thống các enzim tái bản
  • Tái bản ở đoạn cuối nhiễm sắc thể (telomere replication):