V. Sắp xếp và khuếch đại các gen trong genome

Nói chung, genome có cấu trúc và tổ chức bền vững. DNA của genome thường không bị biến đổi bởi sự phát triển vô tính, nhưng thỉnh thoảng các trình tự của chúng cũng có thể bị chuyển chỗ trong gen, bị cải biến, khuếch đại hoặc thậm chí biến mất, như là một trường hợp tự nhiên.

Trao đổi chéo trong phân bào giảm nhiễm là một trong những nguyên nhân gây ra biến đổi của genome. Tuy nhiên, điều này xảy ra chủ yếu trong tế bào sinh dục mà không có trong các tế bào soma. Việc sắp xếp lại genome sẽ dẫn đến những thay đổi sau:

- Tạo ra các gen mới cần thiết cho sự biểu hiện trong các trường hợp đặc biệt.

- Sự tái sắp xếp có thể đáp ứng cho việc mở hoặc đóng gen. Đây cũng chính là cơ chế của sự điều hòa biểu hiện gen.

Một ví dụ điển hình là hiện tượng sắp xếp lại các gen trong genome của nấm men S. cerevisiae và của ký sinh trùng Trypanosome châu Phi khi gây chứng ngủ li bì ở vật chủ.

1.1. Chuyển đổi dạng giao phối của nấm men

Nấm men có thể tồn tại ở cả hai dạng đơn bội hoặc lưỡng bội. Các dạng lưỡng bội là dị hợp tử ở trường hợp locus kiểu giao phối, và các tế bào đơn bội có thể hoặc là MATa hoặc MATα. Việc chuyển đổi trạng thái được thông qua giao phối, kết hợp các bào tử đơn bội thành lưỡng bội và qua việc tái tạo giao tử mới. Tuy nhiên, giao phối chỉ xảy ra giữa hai loại tế bào đơn bội a và α. Các tế bào đơn bội cùng loại không thể kết hợp với nhau tạo thành tế bào lưỡng bội.

MAT (mating type locus) là vị trí hoạt động hay cassette hoạt động: một vùng đặc biệt của nhiễm sắc thể số 3 chứa các gen qui định dạng giao phối (a và α). Các gen này còn tồn tại ở hai vị trí khác trong genome. Tuy nhiên, ở đó chúng đều bị bất hoạt. Hai vị trí này được gọi là hai vị trí tĩnh (hay cassette tĩnh HML và HMR). Mỗi vị trí tĩnh chỉ mang các gen qui định cho một dạng giao phối. Khi các gen được sao chép từ một vị trí tĩnh vào vị trí hoạt động thì mRNA mới được tổng hợp từ các gen đó. Như vậy, quá trình sao chép quyết định dạng giao phối của nấm. Bản gốc luôn được bảo tồn ở vị trí tĩnh và bản thứ hai xuất hiện ở vị trí hoạt động.

Nếu vị trí tĩnh có mang đột biến thì chúng sẽ được sao chép vào vị trí hoạt động. Tuy nhiên, nếu xảy ra đột biến ở cassette MAT thì tính trạng mới xuất hiện không bền. Một khi dạng giao phối chuyển đổi thì các gen cũ ở vị trí MAT bị thay thế bởi bản sao của vị trí tĩnh khác. Lúc đó, đột biến bị loại đi và tính trạng mới sẽ biến mất.

So sánh giữa các dạng cùng sợi nấm (homothallic) và khác sợi nấm (heterothallic) người ta nhận thấy dạng heterothallic có gen HO hoạt động và có thể chuyển đổi tự động giữa các kiểu giao phối, và vì thế một bào tử đơn có thể làm tăng quần thể tự phối, trong khi dạng homothallic không có gen HO và duy trì cùng một kiểu giao phối trong suốt chu trình sinh trưởng đơn bội.

Phân tích di truyền cho thấy các gen sau đây cần cho việc chuyển đổi kiểu giao phối:

Trình tự các nucleotide ở vị trí tĩnh và vị trí hoạt động chỉ khác nhau một đoạn ngắn ký hiệu là Ya và Yα (Hình 2.8). Enzyme HO-endonuclease nhận biết vị trí đặc hiệu tại ranh giới phân cách giữa Z và Y và của cassette hoạt động MAT và cắt cả hai sợi DNA tại đó. Điều đặc biệt là enzyme này không cắt DNA khi chúng hiện diện ở cassette tĩnh.

Sau khi đoạn Y của vùng MAT bị phân hủy hết, đoạn Y của một trong hai cassette tĩnh được dùng làm khuôn mẫu để sao chép vào vị trí bị phân hủy (Hình 2.8). Nếu đột biến xuất hiện ở vùng MAT (đoạn Y), tính trạng mới chỉ biểu hiện tạm thời. Một khi dạng giao phối chuyển đổi, các gen bình thường được sao chép vào vùng MAT và đột biến bị loại đi.

1.2. Chuyển đổi gen ở Trypanosome

Bình thường, Trypanosome sẽ trải qua một số lần biến đổi hình thái khi được truyền từ ruồi châu Phi sang vật chủ. Bề mặt của tế bào Trypanosome được bao bọc một lớp đơn gồm 5×10⁶ phân tử của một loại glycoprotein (VSG-variable surface glycoprotein). Đây chính là kháng nguyên bề mặt của Trypanosome khi chúng xâm nhập vào vật chủ. Điều đáng chú ý là chúng có khả năng thay đổi kháng nguyên bề mặt, do đó tránh được phản ứng miễn dịch của tế bào vật chủ. Quá trình thay thế kháng nguyên bề mặt phụ thuộc vào sự chuyển đổi các gen mã hóa cho chúng xảy ra ở một vị trí đặc biệt trong genome (vị trí hoạt động). Chuyển đổi gen mã hóa kháng nguyên bề mặt nhằm mục đích hoạt hóa gen mã hóa kháng nguyên bề mặt mới thay thế cho kháng nguyên tồn tại trước đó. Khi một gen đang hoạt động bị thay thế bởi một gen khác sẽ tương ứng với việc xuất hiện kháng nguyên mới và loại bỏ kháng nguyên cũ.

Cấu trúc chung của một VSG được mô tả trên hình 2.9 và 2.10. Một VSG vừa được tổng hợp dài khoảng 500 amino acid gồm tín hiệu N-terminus, tiếp theo là đoạn peptide quyết định tính kháng nguyên; đoạn peptide bảo thủ giữa các VSG và đuôi kỵ nước. Phân tử này được tổng hợp dưới dạng protein tiền thân (pre-protein). Do đó, chúng phải trải qua biến đổi ở hai đầu NH₂ và COOH để trở thành dạng protein hoàn chỉnh (mature form). Dạng này được đính vào màng tế bào ở đầu COOH.

Một loại Trypanosome có thể tạo ra ít nhất khoảng 100 VSG từ khi nhiễm cho đến khi gây chết vật chủ. Số gen mã hóa cho VSG có thể nhiều hơn 1.000 gen, tất cả các gen này đều nằm trong genome. Tuy nhiên, tại một thời điểm bất kỳ chỉ có một gen hoạt động tổng hợp nên một loại VSG. Do đó, sự thay đổi kháng nguyên tương ứng với sự thay đổi hoạt động của gen. Khi một gen mới được mở, gen hoạt động trước nó phải bị ức chế hoàn toàn. Lúc đó, một kháng nguyên mới sẽ thay thế kháng nguyên tồn tại trước nó.

Hình 2.9 cho thấy chuỗi polypeptide chứa khoảng 500 amino acid. N-terminus chứa một peptide tín hiệu cho sự vận chuyển qua ER (lưới nội sinh chất, endoplasmic reticulum) và tới màng plasma, được tách ra khỏi protein hoàn chỉnh. Vùng biến thiên là khác nhau ở mỗi VSG, điều đó cho thấy các VSG có ít hoặc không có tính đồng nhất. Hướng tới phần C-terminus, chuỗi polypeptide được bảo toàn tốt hơn và phần này được gọi là vùng tương đồng. Đuôi kỵ nước chứa một tín hiệu nhận biết để gắn với mỏ neo glycolipid (glycolipid anchor) (Hình 2.10). Khi mỏ neo được gắn thì 20 amino acid cuối cùng sẽ được tách ra.

Glycoprotein biến đổi bề mặt (VSG) được gắn với màng thông qua một mỏ neo glycolipid chứa ethanolamine, một cấu trúc glycan mang một số gốc mannose (mannose moiety), một glucosamine và một phosphoinositol liên kết với 1,2-dimyristoyglycerol có gai trong màng plasma. Gốc glycolipid là yếu tố quyết định phản ứng lai (cross-reacting) (CRD) được nhận biết bằng các kháng thể phản ứng với tất cả dạng biến đổi của VSG, nhưng chỉ khi VSG được phóng thích khỏi màng. Màng liên kết với VSG không được nhận biết bởi các kháng thể anti-CRD. Sự phóng thích VSG được xúc tác bởi hoạt tính của trypanosome-specific phospholipase C được giả định là hiện diện ở mặt bên trong (inner face) của màng plasma. Người ta không biết rằng enzyme có thể cắt liên kết phosphoester trên mặt khác của màng như thế nào.


Hình 2.9. Sơ đồ minh họa chuỗi protein của một VSG đặc trưng




Hình 2.10. Cấu trúc của mỏ neo glycolipid của VSG

- Hoạt động của gen VSG

Gen mã hóa cho một VSG được gọi là bản gen gốc (basic copy gene). Các gen này được phân thành hai nhóm tùy thuộc vào vị trí của chúng trên nhiễm sắc thể.

+ Các gen nằm ở telomere (khoảng 5-15 kb)>200 gen.

+ Các gen nằm cách telomere hơn 50 kb.

Tương tự như ở nấm men, các gen mã hóa cho VSG nằm rải rác trong genome và ở trạng thái không hoạt động. Một gen bất kỳ được hoạt hóa chỉ khi nó được sao chép vào vị trí hoạt động (expression site) trong khi nguyên bản của nó vẫn được bảo tồn ở vị trí tĩnh. Bản sao của bản gen gốc vào vị trí hoạt động được gọi là ELC (bản sao hoạt động-expression linked copy). Vị trí hoạt động nằm ở gần telomere. Như vậy, việc chọn một bản gen gốc để sao chép tạo bản sao hoạt động sẽ phụ thuộc vào vị trí của bản gen gốc ở telomere hoặc nằm phía trong telomere. Có hai giả thiết để một gen trở nên hoạt hóa như sau:

- Vị trí hoạt động không thay đổi mà chỉ có các ELC thay thế cho nhau. Bản sao của một bản gen gốc sẽ thay thế cho bản sao của một gen khác ở tại vị trí đó, điều này xảy ra tương tự như các gen ở cassette tĩnh được sao chép vào cassette hoạt động trong trường hợp với nấm men.

- Vị trí hoạt động thay đổi, khi cần tổng hợp một VSG mới, gen ở vị trí hoạt động cũ bị ngừng và gen ở một vị trí khác (gần telomere) được khởi động.

Một số phân tử mRNA tương ứng với các VSG khác nhau được phân lập và được xác định trình tự nucleotide (thông qua cDNA). Điều ngạc nhiên là phần oligonucleotide ở đầu 3’ của mọi gen VSG đều khác với phần 3’ của các mRNA được phiên mã từ các gen đó. Mặt khác, các gen này không có phần 5’ giống như các mRNA. Như vậy, các mRNA không được tổng hợp hoàn toàn trên khuôn mẫu các gen này. Phần 3’ của các mRNA tương ứng với phần 3’ của vị trí hoạt động ELC, trong khi phần 5’ (gồm 35 nucleotides) được tổng hợp từ những đoạn DNA khác và được gắn vào mRNA (hiện tượng trans-splicing).

2. Khuếch đại các gen

Số lượng bản sao của một số gen cũng có thể được tăng lên tạm thời trong quá trình phát triển các tế bào soma. Việc tăng số lượng của một gen đặc biệt nào đó phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể của tế bào và xảy ra không phổ biến. Các bản sao có thể nằm tập trung thành một nhóm gồm bản sao này nối tiếp bản sao khác hoặc có thể tồn tại như những đoạn DNA có khả năng tái bản độc lập. Chẳng hạn:

- Sự nhân bản của gen mã hóa cho rRNA ở trứng ếch. Trứng ếch có đường kính khoảng 2-3 mm, dự trữ rất nhiều rRNA. Chúng được phiên mã từ rất nhiều gen rDNA. Các gen này được nhân lên (khoảng 2.000 lần) theo cơ chế “vòng tròn quay” (xem chương 4) trong quá trình phát triển và tồn tại dưới dạng các vòng tròn khép kín.

- Khi nuôi cấy các tế bào động vật có vú trong môi trường đặc biệt, DNA tại một số vị trí trong genome được nhân lên. Ví dụ: nuôi cấy các tế bào ung thư trong môi trường chứa độc tố methotrexate. Chất này ức chế hoạt tính của enzyme dihydrofolate reductase (DHFR) giữ vai trò trong tổng hợp các nucleotide của DNA. Các tế bào ung thư nuôi cấy trong môi trường có chất độc này phát triển thành các quần lạc tế bào kháng lại độc tố. Khi nồng độ chất độc tăng dần, nồng độ DHFR cũng tăng theo, có thể đạt tới 1.000 lần lớn hơn mức bình thường. Nồng độ enzyme tăng do số lượng các gen mã hóa cho chúng tăng. Cơ chế chính xác của hiện tượng này chưa rõ ràng, nhưng có thể xảy ra theo hai cách:

- Trao đổi chéo không cân bằng giữa hai nhiễm sắc tử (chromatid) của nhiễm sắc thể dẫn đến một số tế bào không có gen dhfr và một số khác có hai bản sao của gen này. Trong môi trường có độc tố, trao đổi chéo không cân bằng được lặp đi lặp lại và các tế bào chứa nhiều gen dhfr vẫn phát triển tốt trong môi trường này.

- Các đoạn DNA (100-1.000 kb) chứa 2-4 gen dhfr (~31 kb/gen) được sao chép từ nhiễm sắc thể bình thường tạo ra các nhiễm sắc thể rất nhỏ, không có tâm động. Các nhiễm sắc thể nhỏ này ghép vào các nhiễm sắc thể bình thường khác. Quá trình này lặp đi lặp lại và qua một số lần phân bào nguyên nhiễm, tế bào nào mang số lượng lớn các gen dhfr càng có điều kiện phát triển thuận lợi trong môi trường có chứa độc tố.

Một phương thức tăng khả năng di truyền là ứng dụng các tương tác vật chủ cộng sinh-ký sinh, trong đó DNA lạ được chuyển vào tế bào vật chủ từ một vi khuẩn. Cơ chế này tương tự với sự tiếp hợp của vi khuẩn. Sự biểu hiện của DNA vi khuẩn trong vật chủ mới của nó sẽ làm thay đổi kiểu hình của tế bào. Ví dụ điển hình là vi khuẩn A. tumefaciens cảm ứng tạo khối u ở tế bào thực vật bị chúng xâm nhiễm.

Khi DNA lạ được đưa vào tế bào eukaryote, nó có thể tồn tại ngoài nhiễm sắc thể hoặc được hợp nhất trong genome. Nếu xảy ra theo trường hợp thứ hai, genome sẽ mang những đột biến di truyền và nhiều khi DNA lạ vẫn tiếp tục hoạt động làm xuất hiện các tính trạng mới. Việc đưa các gen lạ vào tế bào soma hoặc tế bào sinh dục mà vẫn duy trì hoạt động của những gen đó được gọi là chuyển nhiễm (transfection). Cá thể biểu hiện tính trạng mới nhờ hoạt động của gen lạ đưa vào tế bào sinh dục được gọi là cá thể chuyển gen. Quá trình này có thể làm thay đổi sự ổn định của genome. DNA sau khi được tiêm vào trong các tế bào trứng động vật có thể được hợp nhất trong genome và truyền cho thế hệ sau như một thành phần di truyền bình thường. Khả năng đưa một gen chức năng đặc trưng có thể trở thành một kỹ thuật y học sử dụng cho việc chữa bệnh di truyền.

Tài liệu tham khảo/đọc thêm

1. Võ Thị Thương Lan. 2002. Sinh học phân tử. NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.

2. Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson JD. 2002. Molecular Biology of the Cell. 3^rd ed. Garland Publishing, Inc. New York, USA.

3. Cantor CR and Smith CL. 1999. Genomics. John Wiley & Sons, Inc. New York, USA.

4. Dale JW and Von Schanzt M. 2002. From Gene to Genome. John Wiley & Sons, Ltd. West Sussex, UK.

5. Lewin B. 2000. Gene VII. Oxford University Press, Oxford, UK.

6. Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL and Darnell J. 2004. Molecular Cell Biology. 5^th ed. WH Freeman and Company, New York, USA.

7. Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M and Loscik R. 2004. Molecular Biology of the Gene. The Benjamin Cummings/Cold Spring Habor Laboratory Press, San Francisco, CA, USA.

8. Weaver RF. 2003. Molecular Biology. 2^nd ed. McGraw-Hill Company Inc. New York, USA.



¹DNA lặp lại mô tả các chuỗi hiện diện hơn một bản sao trong mỗi genome.

²DNA không lặp lại chứa các chuỗi duy nhất: chỉ có một bản sao trong genome đơn bội.

Chúng ta có thể điểm qua những mốc chính trong lịch sử nghiên cứu về gen như sau:

Mendel (1865) là người đầu tiên đưa ra khái niệm nhân tố di truyền. Johansen (1909) đã đề xuất thuật ngữ gen (từ genos, nghĩa là sản sinh, nguồn gốc) để chỉ nhân tố di truyền xác định một tính trạng nào đó. Sau đó, Morgan trong những năm 1920 đã cụ thể hóa khái niệm về gen, khẳng định nó nằm trên nhiễm sắc thể và chiếm một locus nhất định, gen là đơn vị chức năng xác định một tính trạng.

Vào những năm 1940, Beadle và Tatum đã chứng minh gen kiểm tra các phản ứng hóa sinh và nêu giả thuyết một gen-một enzyme. Tuy nhiên, trường hợp hemoglobin là một protein nhưng lại gồm hai chuỗi polypeptide do hai gen xác định, do đó giả thuyết trên buộc phải điều chỉnh lại là một gen-một polypeptide.

Vào những năm 1950, DNA (deoxyribonucleic acid) được chứng minh là vật chất di truyền. Mô hình cấu trúc DNA của Watson và Crick được đưa ra và lý thuyết trung tâm (central dogma) ra đời. Gen được xem là một đoạn DNA trên nhiễm sắc thể mã hóa cho một polypeptide hay RNA.

Cuối những năm 1970, việc phát hiện ra gen gián đoạn ở sinh vật eukaryote cho thấy có những đoạn DNA không mã hóa cho các amino acid trên phân tử protein. Vì thế, khái niệm về gen lại được chỉnh lý một lần nữa: Gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptide, nó bao gồm cả phần phía trước là vùng 5’ không dịch mã (5’ untranslation) hay còn gọi là vùng ngược hướng (upstream) và phía sau là vùng 3’ không dịch mã (3’ untranslation) hay còn gọi là vùng cùng hướng (downstream) của vùng mã hóa cho protein, và bao gồm cả những đoạn không mã hóa (intron) xen giữa các đoạn mã hóa (exon).

Hiện nay, có thể định nghĩa gen một cách tổng quát như sau: Gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền chiếm một locus nhất định trên nhiễm sắc thể và xác định một tính trạng nhất định. Các gen là những đoạn vật chất di truyền mã hóa cho những sản phẩm riêng lẻ như các mRNA được sử dụng trực tiếp cho tổng hợp các enzyme, các protein cấu trúc hay các chuỗi polypeptide để gắn lại tạo ra protein có hoạt tính sinh học. Ngoài ra, gen còn mã hóa cho các tRNA, rRNA và snRNA...


Bảng 3.1. Tóm tắt lịch sử nghiên cứu về di truyền học



II. Lý thuyết trung tâm

1. Sự xác định di truyền cấu trúc bậc một của protein

Cấu trúc không gian của chuỗi polypeptide được xác định bởi trình tự sắp xếp của các amino acid tức cấu trúc bậc một. Như vậy, mặc dù có nhiều mức độ cấu trúc không gian khác nhau, nhưng cấu trúc bậc một tức trình tự sắp xếp các amino acid chi phối toàn bộ các mức độ cấu trúc khác. Việc xác định di truyền phân tử protein ở trạng thái tự nhiên có đầy đủ hoạt tính sinh học chỉ quy tụ lại chủ yếu ở xác định cấu trúc bậc một là đủ.

Nhiều nghiên cứu cho thấy, việc mất hoạt tính enzyme nhiều khi không phải do vắng mặt của enzyme, mà chỉ do các biến đổi trên phân tử (modification). Có trường hợp đột biến dẫn đến những thay đổi tinh vi, enzyme vẫn có hoạt tính nhưng sẽ biểu hiện khác nếu thay đổi điều kiện. Chẳng hạn:

Ở nấm mốc Neurospora crassa, enzyme tyrosinase do gen T xác định, xúc tác cho phản ứng chuyển hóa tyrosine thành dihydroxyphenylalanine. Alelle T⁺ của dòng hoang dại sản xuất tyrosinase có hoạt tính ở nhiệt độ bình thường và cả ở 60^oC. Một đột biến T^S sản xuất tyrosine có hoạt tính ở nhiệt độ bình thường, nhưng lại mất hoạt tính ở 60^oC.

Như vậy, trong đa số trường hợp, đột biến của một gen không làm biến mất enzyme mà chỉ biến đổi cấu trúc dẫn đến thay đổi hoạt tính. Các đột biến của cùng một gen có thể gây ra những biến đổi khác nhau trên enzyme. Các hiện tượng đó chứng tỏ rằng cấu trúc của enzyme chịu sự kiểm soát trực tiếp của gen.

Bản chất đó chính là quan hệ một gen-một polypeptide.

Như đã nêu trên, người ta khám phá ở người có những gen tạo ra hemoglobin (Hb) khi biến dị sẽ tạo ra những hemoglobin bất thường do sai hỏng ở các chuỗi polypeptide α hoặc β (Bảng 3.2 và 3.3) và gây ra các bệnh di truyền.


Bảng 3.2. Các loại hemoglobin ở chuỗi polypeptide α

Ở trường hợp này, thứ tự các amino acid có thể bị sai lệch. Từ những dữ liệu trên ta thấy các dạng đột biến tạo một Hb bất thường đó là thay một amino acid này bằng một amino acid khác.

Qua hai chuỗi polypeptide α và β chúng ta thấy có một số dạng hemoglobin bất thường ở người. Trên mỗi chuỗi, chỉ trình bày những amino acid đã bị thay đổi ở dạng đột biến. Số thứ tự chỉ vị trí của amino acid trong chuỗi polypeptide. Mỗi hemoglobin bất thường có thể được đặt cho một chữ cùng tên (nếu có) của địa phương được tìm thấy.

Đột biến được biểu hiện bởi sự thay thế vị trí của một amino acid này bằng một amino acid khác.


4. Sự tương quan đồng tuyến tính gen-polypeptide

4.1. Đột biến tryptophan synthetase-sự đồng tuyến tính giữa gen và chuỗi polypeptide

Nghiên cứu trên enzyme tryptophan synthetase xúc tác cho phản ứng tổng hợp tryptophan của E. coli người ta nhận thấy có nhiều đột biến xảy ra trên cùng một gen mã hóa cho tryptophan synthetase.

Thực hiện tái tổ hợp trong gen (nguyên tắc là gen ở các vị trí càng xa nhau trên nhiễm sắc thể càng dễ tái tổ hợp), người ta đã nhận được các dạng biến dị có tính chất khác nhau, và tính được khoảng cách tương đối giữa những điểm khác nhau của đột biến đã được xác định. Vị trí biến dị trên thể nhiễm sắc tương ứng với vị trí của amino acid trên chuỗi polypeptide. Như vậy, có thể cho rằng có sự đồng tuyến tính giữa gen và chuỗi polypeptide (Hình 3.1).

Nhiều dạng đột biến của tryptophan synthethase đã được tạo ra. Bằng cơ chế tái tổ hợp, những khoảng cách tương đối giữa những điểm khác nhau của đột biến đã được xác định. Sản phẩm protein của mỗi dạng đột biến đã được phân tích, và những thay đổi các amino acid khác cũng được xác định. Người ta đã tìm thấy mối tương quan hoàn toàn giữa những khoảng cách của các đột biến được tìm thấy trên gen với khoảng cách của amino acid bị thay đổi trong phân tử protein.

4.2. Đột biến

4.2.1. Khái niệm

Một gen (DNA) có 4 loại base và một phân tử protein có 20 loại amino acid¹, nhưng giữa chúng có mối tương quan như thế nào. Đầu tiên, người ta cho rằng một base qui định một amino acid, nhưng những tính toán cho thấy không hợp lý. Vì chỉ có 4 base trong DNA và 20 amino acid trong protein, cho nên mỗi codon phải chứa ít nhất 3 base. Hai base cũng không thể làm thành một codon bởi vì chỉ có 4² = 16 cặp hợp lý của 4 base. Nhưng 3 base thì có thể bởi vì sẽ có 4³ = 64 bộ ba hợp lý. Vì số lượng bộ ba hợp lý lớn hơn 20, cho nên sẽ có trường hợp một vài codon chỉ định cùng một amino acid. Ví dụ: UCU, UCC, UCA, UCG, AGU và AGC đều cùng mã hóa cho serine.

Từ đó, người ta đưa ra khái niệm mã di truyền (tín hiệu di truyền). Mã di truyền cho phép đọc thứ tự trên DNA để biết thứ tự trên chuỗi polypeptide. Mã di truyền không mơ hồ, có nghĩa với một trình tự chẳng hạn ATA ta biết nó ghi mã cho một amino acid gì, và cũng thấy rằng có nhiều mã di truyền xác định cho một amino acid (Bảng 3.4).

4.2.2. Đột biến điểm

Là đột biến chỉ tác động một vị trí, nói rõ hơn đó là một base. Khi thay đổi một base trên DNA sẽ tạo ra sự thay đổi một amino acid (Hình 3.2).

Đột biến dĩ nhiên xảy ra trên DNA và được sao lại trên mRNA trong phiên mã, rồi trên protein trong dịch mã.

Những đơn vị mã (codon) được đọc theo chiều 5’3’.

STOP: codon kết thúc (còn gọi là vô nghĩa).

Đột biến điểm có các dạng sau:

+ Không hậu quả nào cả, vì amino acid không nằm trong vị trí hoạt động hoặc không có vai trò trong cấu trúc enzyme.

+ Có biến đổi nhẹ ở chuỗi polypeptide sẽ tạo ra tính mẫn cảm yếu với nhiệt, làm giảm sự ổn định chuỗi polypeptide.

+ Mất hẳn hoạt tính enzyme nếu đúng ngay vị trí hoạt động của enzyme đó.

4.2.3. Đột biến kìm hãm

Đến nay, người ta nhận thấy mọi sai lệch trong việc tổng hợp protein nếu có đều xảy ra từ DNA, còn quá trình diễn ra từ RNA đến polypeptide luôn luôn đúng. Nghiên cứu một vài kiểu protein đột biến ta thấy:

- Đột biến sai nghĩa. Làm xuất hiện một bất thường trong trình tự amino acid. Kết quả protein mất hoạt tính. Hoạt tính này có thể được phục hồi, hoặc do một đột biến ngược để cho lại protein cấu trúc ban đầu.

- Đột biến vô nghĩa. Làm mất đi một phần chuỗi polypeptide, phần còn lại không có hoạt tính, và hoạt tính này có thể có lại được nhờ đột biến trong một codon đã bị đột biến.

Thông thường, những gen kìm hãm đột biến vô nghĩa không nằm ở gần vị trí của đột biến ấy. Đó là những gen làm biến đổi hệ thống dịch mã khi tổng hợp protein.

A: trình tự các codon và các amino acid tương ứng ở dạng tự nhiên.

B: thay đổi một base (C thành A) làm thay đổi một amino acid (Arg thành Pro) gây nên đột biến sai nghĩa.

C: thay đổi một base (C thành G) sinh ra một codon vô nghĩa (UGA).

D: thêm một base (C) gây nên đột biến acridine hoặc đột biến dịch khung, có sự dời khung đọc.

E: mất một base (A), gây nên đột biến acridine, chấm dứt đọc.

Tổng hợp protein trong tế bào có các đặc điểm sau:

- Các phân tử thông tin như nucleic acid và protein được tổng hợp theo khuôn. Tổng hợp theo khuôn vừa chính xác vừa ít tốn enzyme. Tuy nhiên, căn cứ vào hàng loạt tính chất hóa học các protein không thể làm khuôn mẫu cho sự tổng hợp của chính chúng. Vì vậy, khuôn mẫu để tổng hợp nên protein không phải là protein.

- Sinh tổng hợp protein tách rời về không gian với chỗ chứa DNA. Nhiều nghiên cứu cho thấy tổng hợp protein có thể xảy ra khi không có mặt DNA. Sự kiện này thể hiện rõ ràng nhất ở những tế bào eukaryote. Trong những tế bào này, hầu như toàn bộ DNA tập trung ở nhiễm sắc thể trong nhân, còn tổng hợp protein chủ yếu diễn ra ở tế bào chất. Tảo xanh đơn bào Acetabularia khi bị cắt mất phần chứa nhân vẫn tổng hợp được protein và sống vài tháng nhưng mất khả năng sinh sản. Rõ ràng, nơi chứa DNA mang thông tin di truyền và chỗ sinh tổng hợp protein tách rời nhau về không gian.

- DNA không phải là khuôn mẫu trực tiếp để tổng hợp protein, do đó phải có chất trung gian chuyển thông tin từ DNA ra tế bào chất và làm khuôn để tổng hợp protein. Chất đó phải có cả trong nhân và tế bào chất với số lượng phụ thuộc vào mức độ tổng hợp protein.

- Chất trung gian đó được xem chính là RNA nhờ các đặc điểm sau:

+ RNA được tổng hợp ngay ở trong nhân có chứa DNA, sau đó nó đi vào tế bào chất cho tổng hợp protein.

+ Những tế bào giàu RNA tổng hợp protein nhiều hơn.

+ Về phương diện hóa học RNA gần giống DNA: chuỗi polyribo-nucleotide thẳng cũng chứa 4 loại ribonucleotide A, G, C và uracil (U). Nó có thể nhận được thông tin từ DNA qua bắt cặp bổ sung.

Nói chung, trong tế bào không thể tìm thấy chất nào khác ngoài RNA có thể đóng vai trò trung gian cho tổng hợp protein. Mối quan hệ này chính là thông tin di truyền đi từ DNA qua RNA rồi đến protein và được biểu diễn ở hình 3.3. Mối quan hệ này còn được gọi là lý thuyết trung tâm (central dogma), được Crick đưa ra từ 1956 đến nay về căn bản vẫn đúng.

Vào những năm 1970, người ta đã phát hiện quá trình phiên mã ngược từ RNA tổng hợp nên DNA nhờ enzyme reverse transcriptase. Đến nay, việc sao chép (tổng hợp) RNA trên khuôn mẫu RNA cũng đã được chứng minh ở nhiều loại virus. Ngoài ra, thông tin từ protein cũng có thể được truyền sang protein (prion của bệnh bò điên). Riêng dòng thông tin từ protein ngược về mRNA/DNA thì chưa được tìm thấy (Hình 3.4).



Hình 3.4. Những bổ sung mới vào lý thuyết trung tâm của Crick

6. DNA và mã di truyền

Chúng ta đã biết có sự liên quan đồng tuyến tính giữa DNA và phân tử protein, từ đó dễ dàng dự đoán rằng trình tự đặc hiệu của các amino acid trên phân tử protein sẽ được mã hóa bằng nhóm các nucleotide trên phân tử DNA. Có tất cả 4 loại base, nếu các base có nhóm đôi tức 2 nucleotide mã hóa cho một loại amino acid thì tất cả chỉ có 16 tổ hợp, không đủ cho 20 loại amino acid. Như vậy, đơn vị mã hóa (codon) phải gồm 3 nucleotide (xem phần 4.2).

Vấn đề tiếp theo là xác định chính xác các codon nào mã hóa cho từng amino acid. Nirenberg và Matthaei đã sử dụng enzyme để tổng hợp nhân tạo RNA. Khi dùng chỉ một loại nucleotide là U sẽ nhận được RNA là poly(U), nếu chỉ dùng A sẽ nhận được poly(A).

Năm 1961, Nirenberg và Matthaei đã dùng poly(U) thay cho khuôn mẫu mRNA để tổng hợp protein trong hệ thống vô bào (có amino acid, enzyme tổng hợp protein, nhưng không có DNA...), sản phẩm thu được là chuỗi polypeptide polyphenylalanine chỉ chứa một loại amino acid là phenylalanine. Điều đó chứng tỏ codon UUU mã hóa cho phenylalanine. Đây là codon đầu tiên được xác định. Sau đó, họ cũng chứng minh được rằng AAA mã hóa cho lysine, GGG cho glycine và CCC cho proline.

Năm 1964, Khorana tìm ra phương pháp tổng hợp mRNA nhân tạo với trình tự lặp lại (như AAG AAG AAG...) và nhờ nó giải quyết xong các vấn đề còn chưa rõ ràng.

Bảng mã di truyền (Bảng 3.4) cho thấy trong 64 codon, có 3 codon UAA, UAG, UGA không mã hóa cho amino acid được gọi là vô nghĩa (non-sense), đồng thời là codon kết thúc (termination) tức dấu chấm câu, chấm dứt chuỗi polypeptide.

Mã di truyền có tính suy biến (degeneration) tức một amino acid có nhiều codon mã hóa, chỉ trừ methionine và tryptophane chỉ có một codon (tương ứng là ATG và TGG). Các codon đồng nghĩa tức mã hóa cho cùng một amino acid thường có hai base đầu tiên giống nhau, nhưng khác nhau ở cái thứ ba. Ví dụ: CCU, CCC, CCA và CCG tất cả đều mã hóa cho proline. Trên thực tế, U và C luôn luôn tương đương nhau ở vị trí thứ ba, còn A và G tương đương nhau trong 14 trên 16 trường hợp.

Trừ một số ngoại lệ, mã di truyền có tính phổ biến (universal) tức toàn bộ thế giới sinh vật có chung bộ mã di truyền.

Khi nghiên cứu các quy luật di truyền Mendel và học thuyết di truyền nhiễm sắc thể, gen được quan niệm như một điểm trên nhiễm sắc thể, vừa là đơn vị chức năng xác định một tính trạng, vừa là đơn vị đột biến, vừa là đơn vị tái tổ hợp. Cùng với sự phát triển của di truyền học, khái niệm về gen được cụ thể hóa thêm, cấu trúc và chức năng của gen được hiểu chi tiết hơn.

Một gen thường được xem gồm có hai phần, phần mang mã di truyền được phiên mã sang phân tử mRNA và phần DNA làm nhiệm vụ điều khiển hoạt động của gen (Hình 3.5). Cả hai phần đều có cấu trúc cơ bản khá giống nhau ở mọi sinh vật prokaryote và eukaryote. Tuy nhiên, gen eukaryote còn có cấu trúc đặc thù liên quan đến các cơ chế kiểm soát khác nhau đối với hoạt động của gen.

Cấu trúc một gen điển hình nói chung đều có promoter, vị trí để RNA polymerase hoạt động khởi đầu phiên mã. Đôi khi nằm rất xa gen, có thể thấy các enhancer (vùng tăng cường) hoặc silencer (vùng ức chế) có vai trò liên quan đến quá trình phiên mã. Độ dài của một gen thay đổi tùy theo số lượng và độ dài của các intron chứa trong nó.


Hình 3.5. Cấu trúc chung của một gen

Vùng DNA mang mã di truyền sẽ được phiên mã sang phân tử mRNA. Quá trình này thực hiện theo chiều 5’3’ trên sợi mRNA đang được tổng hợp. Không phải mọi phiên mã di truyền trên phân tử mRNA đều được dịch mã sang phân tử protein. Hai đầu 5’ và 3’ của phân tử mRNA gồm một số nucleotide không được dịch mã mà lại liên quan đến tính bền vững của phân tử mRNA hoặc tham gia kiểm soát quá trình dịch mã. Hai đoạn này gọi là vùng không dịch mã 5’ và 3’ (untranslated region). Vùng không dịch mã 5’ nằm trước điểm khởi đầu dịch mã (3 nucleotide AUG mã hóa cho methionine đầu tiên của chuỗi polypeptide) và vùng không dịch mã 3’ nằm sau điểm kết thúc dịch mã (stop codon có thể là UAA, UGA và UAG). Do tế bào prokaryote không có cấu trúc nhân nên quá trình phiên mã (tổng hợp mRNA) và dịch mã (tổng hợp protein) xảy ra đồng thời. Còn phân tử mRNA của eukaryote được phiên mã trong nhân, sau đó phải cắt bỏ intron và gắn các exon lại, chịu biến đổi tại các đầu 5’ và 3’ trước khi vận chuyển ra ngoài tế bào chất để dùng làm khuôn mẫu tổng hợp protein.

Hoạt động của một gen được đánh giá thông qua quá trình phiên mã (tổng hợp mRNA) và quá trình dịch mã (tổng hợp protein). Hoạt động này được kiểm soát rất chặt chẽ bằng các cơ chế khác nhau ở mọi giai đoạn, như bắt đầu và kết thúc phiên mã, quá trình biến đổi mRNA, quyết định tính bền vững và kiểm tra lại thông tin di truyền trên các phân tử này... Do cấu trúc sắp xếp các gen prokaryote khác với gen eukaryote nên sự phối hợp giữa các cơ chế điều khiển mang tính chất riêng biệt cho từng loại genome.

Các gen prokaryote thường sắp xếp nằm gần nhau và chịu sự điều khiển chung của một promoter, tức là chúng được phiên mã sang cùng một phân tử mRNA. Cấu trúc này được gọi là operon. Như vậy, một operon gồm hai hay nhiều gen nằm cạnh nhau trên một nhiễm sắc thể. Thông thường, đó là các gen cùng tham gia vào một con đường chuyển hóa, ví dụ như các gen mã hóa cho các enzyme cần thiết cho quá trình chuyển hóa glucose.

Do có chung promoter điều khiển cho mọi gen nằm trong một operon cho nên chỉ có một loại phân tử mRNA được tổng hợp từ một operon (mang thông tin di truyền của tất cả các gen nằm trong đó). Nói cách khác, quá trình phiên mã của các gen trong một operon xảy ra đồng thời và phân tử mRNA đặc trưng cho operon được gọi là mRNA-polycistron.

Tuy nhiên, điều cần ghi nhớ là quá trình dịch mã trên các phân tử mRNA-polycistron xảy ra hoàn toàn độc lập với nhau. Mỗi đoạn tương ứng với một gen trên phân tử này đều có vị trí bám của ribosome, có mã bắt đầu và kết thúc tổng hợp chuỗi polypeptide riêng biệt. Do đó, tốc độ tổng hợp các protein trên các phân tử mRNA-polycistron hoàn toàn khác nhau (Hình 3.6).

Khái niệm locus được đưa ra để chỉ vị trí của gen trên nhiễm sắc thể, là vị trí của tất cả các allele của dãy đa allele. Bản thân hiện tượng đa allele cho thấy gen có cấu tạo phức tạp, sự biến đổi của gen có thể dẫn đến nhiều trạng thái allele khác nhau.

2.1. Hiện tượng allele giả

Theo quan niệm cổ điển gen là đơn vị tái tổ hợp. Nếu cá thể mang hai allele lặn a₁/a₂ của một dãy đa allele sẽ tạo thành hai loại giao tử là a₁ và a₂, lai phân tích với bố mẹ đồng hợp tử lặn sẽ chỉ cho kiểu hình đột biến a₁ và a₂ mà không có dạng tái tổ hợp hoang dại. Ví dụ:

Tuy nhiên, nhiều thí nghiệm cho thấy nếu tăng số cá thể thí nghiệm lên 10.000 hoặc 100.000, thì có thể phát hiện có dạng kiểu hình hoang dại do tái tổ hợp.

Ví dụ: Trường hợp locus mắt quả trám ở ruồi giấm, có 18 allele. Khi tăng số cá thể nghiên cứu lên nhiều lần, người ta phát hiện các allele xếp thành 3 nhóm A, B và C. Các allele của cùng một nhóm, khi lai lẫn nhau, không cho kiểu hình tái tổ hợp hoang dại mắt bình thường, mà chỉ có kiểu hình mắt quả trám. Nhưng lai allele của nhóm này với allele của nhóm khác sẽ có xuất hiện kiểu hình hoang dại do tái tổ hợp. Hiện tượng này được gọi là allele giả.

Hiện tượng allele giả cho thấy gen phân chia nhỏ về mặt tái tổ hợp, có thể xảy ra tái tổ hợp giữa các phần trong gen. Lúc đầu, hiện tượng allele giả được coi là trường hợp ngoại lệ, nhưng khi tăng số cá thể nghiên cứu lên nhiều lần thì rõ ràng đó là hiện tượng phổ biến. Nó được tìm thấy ở nhiều đối tượng khác nhau như nấm men S. cerevisiae, ngô, bồ câu, chuột, bacteriophage...

2.2. Locus rII của bacteriophage T₄

Nghiên cứu chi tiết về các đột biến rII của bacteriophage T₄ đã làm sáng tỏ hơn về cấu trúc gen. Bacteriophage T₄ ở dạng hoang dại r⁺ có khả năng xâm nhiễm đồng thời hai chủng E. coli B và K, trong khi các đột biến rII chỉ xâm nhiễm chủng B mà không xâm nhiễm chủng K (Hình 3.7).




Hình 3.7. Kiểu hình của các đột biến rII của phage T₄

Benzer (1955) đã thu được vài nghìn đột biến rII có nguồn gốc độc lập với nhau. Ông cho lai các đột biến này với nhau và căn cứ vào sự xuất hiện các dạng tái tổ hợp hoang dại r⁺ mà lập bản đồ các điểm đột biến (mutation sites).

Trước thí nghiệm của ông, rII được coi là một locus. Tuy nhiên, thí nghiệm của ông đã cho thấy các đột biến xếp thành hai nhóm rIIA và rIIB. Lai các đột biến rIIA × rIIB sẽ có r⁺, nhưng lai rIIA × rIIA và rIIB × rIIB thì kiểu hình đột biến là r.

Cho đến nay, chúng ta định nghĩa một gen là nhờ dựa trên kiểu hình đột biến và vị trí trên bản đồ của nó. Bacteriophage là một mô hình di truyền đơn giản (genome của E. coli dài khoảng 4.600.000 bp, trong khi bacteriophage T₄ là 165.000 bp và bacteriophage λ khoảng 46.500 bp), chúng có thể sinh sản một số lượng lớn rất nhanh (10¹⁰ hoặc hơn thế) và dễ dàng phân tích. Các thí nghiệm thực hiện với đột biến rII của T₄ được thiết lập dựa trên cơ sở sau:

- Các gen có một phạm vi và ranh giới hạn chế.

- Các gen có thể chia được, có thể có sự tái tổ hợp giữa hai allele trong một gen đơn.

- Hoạt động của gen có thể được phân tích bởi sự phân tích bổ sung.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, gen có thể phân chia nhỏ về mặt đột biến. Các đoạn rIIA và rIIB được gọi là cistron, đơn vị chức năng nhỏ nhất đảm bảo khả năng xâm nhiễm chủng K. Thuật ngữ cistron thực chất là gen, ngày nay nó chỉ có tính chất lịch sử, ít được sử dụng. Theo quan niệm hiện nay, rIIA và rIIB là hai locus. Hai khái niệm mới được đưa ra là muton-đơn vị đột biến và recon-đơn vị tái tổ hợp.

Benzer đã tìm thấy 2.000 điểm đột biến trên đoạn gen được nghiên cứu, chúng phân bố không đều nhau, có những điểm tập trung nhiều đột biến hơn. Chiều dài gen khoảng 900 nucleotide. Đơn vị đột biến muton ở đây tương ứng với 900/2.000. Số đột biến ghi nhận có thể thấp hơn so với thực tế nên muton có thể tương ứng với một cặp nucleotide. Giống như vậy recon có thể tương ứng với một cặp nucleotide.

Tóm lại, gen là đơn vị chức năng, có thể chia nhỏ bởi các đơn vị đột biến tái tổ hợp.

Muốn nghiên cứu cấu trúc bên trong một gen, phải tìm hiểu nhiều allele của gen đó. Nhiều đột biến có kiểu hình giống nhau nhưng không allele với nhau. Thử nghiệm chức năng allele được sử dụng để xác định xem hai đột biến có allele với nhau không. Đây chính là thử nghiệm mà Benzer dùng để lập bản đồ locus rII.

Thử nghiệm này còn được gọi là thử nghiệm bổ sung (complementary test) vì nó cho biết sai hỏng chức năng ở hai đột biến có bổ sung tức bù trừ cho nhau được không.

Phương pháp thử này cũng được gọi là thử nghiệm đều-lệch (cis-trans test). Sở dĩ như vậy là vì phép thử nghiệm này so sánh hiệu quả kiểu hình của các gen đột biến ở hai vị trí khác nhau trên nhiễm sắc thể tương đồng. Ở vị trí lệch (trans) các đột biến nằm trên hai nhiễm sắc thể, còn ở vị trí đều (cis) các đột biến nằm trên cùng một nhiễm sắc thể. Trường hợp sai hỏng ở hai gen khác nhau nên có thể bổ sung được, còn trường hợp sai hỏng ở cùng một gen không bù đắp được sẽ dẫn đến kiểu hình đột biến.

Thử nghiệm chức năng allele có thể được thực hiện dễ dàng trên các đối tượng vi sinh vật với các đột biến hóa sinh, thường là các đột biến khuyết dưỡng (auxotroph mutant: mất khả năng tổng hợp một chất nào đó). Ví dụ: Ở nấm mốc Neurospora crassa có nhiều đột biến mất khả năng tổng hợp adenine (Ade^-). Các đột biến này dễ phát hiện vì có khuẩn lạc màu đỏ. Có hai dạng đột biến Ade_x và Ade_y, nếu dị hợp tử Ade_x/Ade_y có kiểu hình đột biến tức là cho khuẩn lạc màu đỏ, thì Ade_x và Ade_y là hai allele của một gen. Thử nghiệm chức năng allele cho thấy các đột biến Ade ở N. crassa tạo thành 9 nhóm. Điều đó chứng tỏ có 9 gen tổng hợp adenine ở loài nấm này: ade₁, ade₂, ade₃... trong đó ade₃ có hai locus nằm kề sát nhau là ade₃A và ade₃B (Hình 3.9).

Qua nghiên cứu các gen sản xuất adenine người ta nhận thấy quá trình tổng hợp adenine có liên quan đến 9 nhóm đột biến của gen này hoặc gen kia, và đều cùng có một kết quả là mất khả năng tổng hợp adenine. Như vậy, khái niệm gen không chỉ kiểm tra di truyền cả chu trình tổng hợp adenine, mà gen là đơn vị chức năng nhỏ nhất, kiểm tra một giai đoạn cơ bản nào đó của chu trình. Nếu biến đổi di truyền làm sai hỏng chức năng đó sẽ dẫn đến xuất hiện đột biến mất khả năng tổng hợp adenine.




Hình 3.9. Vị trí các gen ade trên các nhiễm sắc thể của nấm mốc Neurospora crassa

Tài liệu tham khảo/đọc thêm

1. Hồ Huỳnh Thùy Dương. 1998. Sinh học phân tử. NXB Giáo dục, Hà Nội.

2. Phạm Thành Hổ. 2003. Di truyền học. NXB Giáo dục, Hà Nội.

3. Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson JD. 2002. Molecular Biology of the Cell. 3^rd ed. Garland Publishing, Inc. New York, USA.

4. Lewin B. 2000. Gene VII. Oxford University Press, Oxford, UK.

5. Pierce BA. 2003. Genetics: A Conceptual Approach. W.H. Freeman & Co. New York, USA.

6. Watson JD, Hopkins NH, Roberts JW and Weiner AM. 2004. Molecular Biology of the Gene. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. California, USA.



¹Hai mươi amino acid được tìm thấy trong các phân tử protein là: Alanine (Ala), Arginine (Arg), Asparagine (Asn), Aspartic acid (Asp), Cysteine (Cys), Glutamic acid (Glu), Glutamine (Gln), Glycine (Gly), Histidine (His), Isoleucine (Ile), Leucine (Leu), Lysine (Lys), Methionine (Met), Phenylalanine (Phe), Proline (Pro), Serine (Ser), Threonine (Thr), Tryptophan (Trp), Tyrosine (Tyr) và Valine (Val).

Chương 4


Tái bản DNA

I. Chứng minh tái bản DNA theo cơ chế bán bảo thủ

1. Cơ chế tái bản bán bảo thủ

1.1. Cơ chế tái bản ở prokaryote

Đặc điểm cơ bản của sự tái bản đó là tái bản theo phương thức bán bảo thủ (semiconservative replication). Tái bản bán bảo thủ nghĩa là trong hai chuỗi của tất cả các phân tử DNA bao giờ cũng có:

- Một chuỗi của DNA cũ (từ một trong hai chuỗi của DNA mẹ).

- Một chuỗi của DNA mới (mới được tổng hợp).

Mỗi một lần tái bản đều có sự tách rời của hai chuỗi của DNA mẹ, đồng thời mỗi chuỗi mẹ tiến hành sao chép để cho một chuỗi con, chuỗi này sau đó lại kết hợp với chuỗi mẹ.

Vị trí mở xoắn kép và tổng hợp DNA mới cùng một lúc trên DNA gọi là chạc ba tái bản (replication fork) do cấu trúc của vùng tái bản có hình chữ Y. Sự tổng hợp DNA mới gắn liền với việc mở xoắn DNA cũ.

1.2. Cơ chế tái bản ở eukaryote

Sự tái bản ở tế bào eukaryote phức tạp hơn so với ở tế bào prokaryote nhưng cơ chế của sự tái bản ở eukaryote cũng tương tự như ở prokaryote và tiến hành theo các nguyên tắc:

- Hai hướng.

- Bổ sung, đối song song, theo chiều 5’ 3’.

- Không liên tục ở một trong hai chuỗi.

- Cần những RNA primer.

Tuy nhiên, có một số điểm khác như sau:

- Trong khi ở prokaryote chỉ có một điểm khởi đầu, thì sự tái bản ở eukaryote bắt đầu cùng một lúc ở nhiều điểm khởi đầu. Điều này là cần thiết do DNA của eukaryote có chiều dài rất lớn.

- Vận tốc phát triển của chạc ba tái bản ở eukaryote (khoảng 50 nucleotide/s) chỉ bằng 1/10 so với ở E. coli.

Những thí nghiệm của Meselson và Stahl (1957) đã chứng minh lý thuyết tái bản DNA theo kiểu bán báo thủ (Hình 4.1). Các tác giả trên đã nuôi cấy E. coli trong nhiều thế hệ trong một môi trường chứa ¹⁵NH₄Cl làm nguồn cung cấp nitrogen duy nhất. Bằng cách này, DNA được tổng hợp có ¹⁵N (¹⁵N là một chất phóng xạ nặng hơn chất phóng xạ thông thường ¹⁴N). Ở một thời điểm nhất định (thời điểm 0), các tác giả này đã chuyển nuôi cấy vào một môi trường chứa ¹⁴NH₄Cl. Tiếp đến, sau từng thời gian đều đặn, họ phân tích DNA chiết xuất từ vi khuẩn bằng phương pháp ly tâm theo gradient CsCl.

Kết quả thực nghiệm cho thấy:

- Ở thời điểm 0: chỉ có một phân tử tương ứng với DNA nặng ¹⁵N.

- Sau một thế hệ trong môi trường chứa ¹⁴N: những phân tử DNA gồm một chuỗi nặng ¹⁵N (chuỗi mẹ) và một chuỗi nhẹ ¹⁴N (mới được tổng hợp).

- Sau hai thế hệ trong môi trường chứa ¹⁴N: có hai phân tử lai (gồm một chuỗi nặng và một chuỗi nhẹ) và hai phân tử đều gồm những chuỗi nhẹ không có chuỗi nặng.


II. Mô hình tái bản DNA-chạc ba tái bản

1. Mô hình tái bản

Mô hình tái bản được nghiên cứu trên thể nhiễm sắc của vi khuẩn E. coli, DNA có dạng mạch vòng sợi đôi (Hình 4.2). Để tự tái bản DNA phải tháo ra đơn giản ở một vị trí nhất định và nơi đó xuất hiện chạc ba tái bản (Hình 4.3).

Hình 4.4 mô tả cấu trúc của chạc ba tái bản. Nhờ vào phương pháp phóng xạ ảnh tự ghi, người ta nhận thấy sự tái bản thực hiện theo hai hướng (bidirectional synthesis). Đồng thời cũng chứng minh được vi khuẩn E. coli (prokaryote) có duy nhất một điểm gốc tái bản, đó là điểm mà hai chuỗi xoắn kép của DNA mẹ được tách ra, tương ứng với hai chạc ba tái bản phát triển ngược chiều nhau. Chuỗi DNA sau khi tách ra được dùng làm khuôn mẫu cho sự tổng hợp DNA mới (Hình 4.5).

Hình 4.6 so sánh sự khác nhau giữa tái bản DNA không định hướng và tái bản theo hai hướng. Trong tái bản không định hướng, chỉ có một chạc ba tái bản. Trong khi tái bản theo hai hướng yêu cầu hai chạc ba tái bản. Mũi tên cong chỉ hướng chuyển động của các chạc ba. Hầu hết DNA tái bản theo hai hướng.

Hình 4.7 và 4.8 mô tả phương thức hợp nhất các vòng tái bản DNA ở ruồi giấm (D. melanogaster). Quá trình tái bản diễn ra đồng thời trên hàng chục ngàn vị trí khác nhau của phân tử DNA và tạo thành các vòng tái bản, các vòng tái bản sau đó sẽ mở rộng theo hai hướng để cuối cùng hợp nhất với nhau tạo thành hai phân tử DNA.

Trường hợp bacteriophage λ (thực khuẩn thể λ) có vật chất di truyền là một phân tử DNA mạch thẳng sợi đôi, khi ta chuyển chúng vào vi khuẩn thì các đầu dính kết DNA (cos) của nó gắn lại theo dạng vòng tròn. Sự dính kết lại này là do hoạt động của enzyme DNA ligase giúp tạo lại dạng xoắn. Khi đó, sự tái bản DNA tiến hành theo cơ chế vòng tròn quay (Hình 4.9).

Hình 4.10 mô tả toàn bộ quá trình tái bản DNA. Quá trình này trải qua ba giai đoạn chính sau:

Trước tiên ta thấy quá trình mở xoắn của hai sợi DNA cần thiết phải có một enzyme rất quan trọng đó là helicase (còn gọi là enzyme mở xoắn).

Chẳng hạn, trên phân tử E. coli chỉ có một gốc tái bản (ký hiệu là ori C) dài 245 bp. Có ít nhất 8 enzyme hoặc protein tham gia vào giai đoạn khởi đầu của sự tái bản. Những enzyme-protein này mở xoắn DNA ở gốc ori C và thiết lập một phức hợp tiền mồi (prepriming complex) để chuẩn bị cho những phản ứng của giai đoạn sau.

Một phức hợp khoảng 20 protein Dna A được kết hợp với một vùng của ori C bắt đầu cho quá trình mở xoắn và khởi đầu sự tái bản. Phản ứng này cần ATP và một protein giống như histone của vi khuẩn (HU). Tiếp đó, protein Dna C giúp protein Dna B gắn vào vùng ori C, Dna B chính là helicase sẽ mở xoắn DNA theo hai hướng để tạo ra hai chạc ba tái bản. Các phân tử protein liên kết sợi đơn (single stranded binding protein, protein SSB) gắn vào chuỗi đơn DNA để ổn định chuỗi này. Enzyme gyrase (DNA topoisomerase II) mở xoắn để tạo siêu xoắn trái (). Enzyme primase (protein Dna G) sẽ xúc tác tổng hợp RNA primer để gắn vào khuôn mẫu DNA.

Giai đoạn kéo dài bao gồm sự tổng hợp cùng một lúc hai chuỗi DNA. Một chuỗi được tái bản cùng hướng phát triển của chạc ba sẽ liên tục (sợi chủ), còn chuỗi kia sẽ không liên tục bao gồm các đoạn Okazaki (sợi thứ). Các nucleotide gắn vào đầu 3’ tự do, và kéo dài chuỗi ra nhờ enzyme DNA polymerase III theo chiều 5’3’. Trong giai đoạn này, nhiều enzyme đã tham gia vào sự tổng hợp hai chuỗi DNA tại chạc tái bản. DNA helicase tiếp tục tách hai chuỗi DNA mẹ, DNA gyrase mở xoắn, protein SSB ổn định những chuỗi DNA đơn đã được tách ra, DNA ligase gắn các đoạn Okazaki trên sợi thứ.

Sinh tổng hợp DNA trong tế bào cùng một lúc diễn ra trên rất nhiều vị trí (20.000-60.000) suốt chiều dài khổng lồ của DNA khuôn mẫu. Ở các vị trí đó, enzyme helicase giúp DNA chuyển từ dạng siêu xoắn sang dạng dãn (hai sợi DNA tách ra) với tốc độ 10 μm/giờ. Với tốc độ này, để helicase có thể chạy suốt chiều dài chuỗi DNA trong một tế bào cây đậu ngựa (DNA dài tổng cộng khoảng 9 m) phải mất hơn một thế kỷ. Trong thực tế, công việc này chỉ mất khoảng 15-40 giờ.

Chuỗi DNA xoắn kép như vậy được tách đôi ở các vị trí sẽ xảy ra sinh tổng hợp, hình thành các chạc ba. Ở chạc ba, cả hai chuỗi DNA mạch đơn đều được sử dụng làm khuôn mẫu cùng một lúc. Trên một chuỗi, sinh tổng hợp sẽ diễn ra theo chiều từ 5’3’ cùng chiều với chiều phát triển của chạc tái bản. Trên sợi còn lại, sinh tổng hợp vẫn diễn ra theo chiều 5’3’ nhưng ngược chiều với chiều phát triển của chạc tái bản, và chỉ thực hiện được từng đoạn ngắn độ 1.000 nucleotide (đoạn Okazaki). Trong khi di chuyển từng quãng, enzyme primase sẽ tổng hợp những đoạn RNA primer ngắn (111 nucleotide) để từ đó DNA được tiếp nối nhờ DNA polymerase III. Khi đoạn Okazaki mới được hoàn chỉnh, RNA primer được tách ra nhờ DNA polymerase I (hoạt tính exonulease 5’3’) và được thay thế bởi DNA cũng nhờ tác dụng của cùng enzyme. Các khe hở còn lại giữa các đoạn Okazaki được DNA ligase gắn và DNA trở lại dạng chuỗi xoắn kép: một phân tử DNA mới được hình thành (Hình 4.11).

Cuối cùng, hai chạc ba tái bản gặp nhau ở phía đối diện của nhiễm sắc thể vòng của E. coli. Người ta biết rất ít về những phản ứng của giai đoạn này. Có thể hoạt động của một loại DNA topoisomerase là cần thiết để tách hai phân tử DNA vòng đã được tổng hợp. Quá trình phân đôi hai phân tử DNA trong tế bào con khi phân chia tế bào cũng chưa được biết rõ.

Tái bản DNA chỉ xảy ra khi có sự khởi động mồi. Thường mồi (primer) là đoạn RNA ngắn gắn trước đầu DNA.

Quan sát chạc ba tái bản ta thấy DNA polymerase gắn nhóm phosphate vào đầu 3’-OH tự do. Tuy nhiên, lúc đầu chưa có đầu 3’-OH tự do, do đó ở ngay điểm gốc tái bản enzyme RNA polymerase (enzyme primase) sẽ hoạt động tạo nên một đoạn mồi ngắn để có đầu 3’-OH tự do, nhờ đó DNA polymerase mới bắt đầu hoạt động tái bản.




Hình 4.11. Hai sợi DNA mới được tổng hợp theo hai kiểu khác nhau

Nghiên cứu tái bản ở bacteriophage M13 (DNA một sợi vòng). Gọi DNA + (M13) là sợi (+). Từ sợi (+) tạo ra dạng tái bản (), sợi () này sẽ dùng làm khuôn tạo ra sợi (+) khác.

DNA polymerase sẽ không hoạt động, nếu không có mồi ghép đôi vào sợi (+) đầu tiên. Enzyme RNA polymerase sẽ tổng hợp đoạn mồi bằng cách bổ sung một số nucleotide vào vị trí khởi đầu tái bản, tạo nên đầu 3’-OH tự do. RNA polymerase bao gồm các đơn vị ₂, β, β’ và σ. Chất kháng sinh rifampicin có tác dụng ức chế đơn vị β, khi đó RNA polymerase sẽ bị ức chế và M13 không có hiện tượng tái bản. Như vậy, chính RNA polymerase giữ vai trò khởi động để sau đó DNA polymerase mới bắt đầu hoạt động tái bản được. Vì vậy, đầu tiên phải có một đoạn mồi gắn với DNA bằng liên kết cộng hóa trị, và đoạn mồi này do RNA polymerase tổng hợp nên.

Tiếp tục, đoạn mồi RNA sẽ bị loại ra bởi DNA polymerase (khác với DNA polymerase tái bản ở trên). DNA polymerase này bắt đầu gắn các nucleotide vào đầu 3’-OH tự do, và sau cùng enzyme DNA ligase nối các đoạn tái bản này lại (Hình 4.12).

Như vậy, việc tái bản DNA cần các enzyme sau:

- Helicase: mở xoắn để tách sợi DNA đang xoắn.

- SSB: gắn trên DNA một sợi để sợi luôn luôn ở tình trạng mở.

- RNA polymerase (primase): tác động hình thành đoạn mồi RNA.

- DNA polymerase I: loại bỏ đoạn mồi RNA.

- DNA polymerase III (khác với loại trên) tác động tổng hợp DNA bằng cách kéo dài đoạn mồi RNA.

- DNA ligase: gắn các đoạn Okazaki đã tổng hợp với nhau.

Từ các nghiên cứu về tái bản DNA của bacteriophage M13, người ta đã đưa ra sơ đồ giả thuyết về sự biến đổi DNA một sợi của M13 thành dạng sao chép tái bản (RF).

Và quan sát trên chạc ba tái bản đang phát triển, ta có thể theo dõi được sự tái bản liên tục và không liên tục của các đoạn DNA mới bổ sung cho sợi DNA khuôn mẫu.

Đây là enzyme chủ yếu của sự tái bản, chịu trách nhiệm tổng hợp hai chuỗi DNA ở chạc tái bản. Có ba loại DNA polymerase khác nhau, được ký hiệu là I, II và II. Cơ chế và vai trò của các enzyme DNA polymerase cũng rất khác nhau.

1.1. DNA polymerase I

Do Kornberg phát hiện năm 1955. DNA polymerase I của E. coli mang chuỗi polypeptide có khối lượng phân tử là 109.000 Da với ba hoạt tính riêng biệt. Nhiệm vụ chính của DNA polymerase I là xúc tác cho quá trình lắp ráp các dNTP từng cái một vào đầu 3’ tự do của đoạn mồi đang gắn trên DNA khuôn mẫu. Kết quả là sợi DNA mới sẽ dài dần về phía đầu 3’ (Hình 4.13).




Hình 4.13. Các thành phần cần thiết cho sinh tổng hợp DNA

DNA polymerase I của E. coli còn có hoạt tính exonuclease (hoạt tính cắt các chuỗi nucleotide ở các đầu tự do của DNA) 3’5’ xúc tác cho sự thoái hóa bậc thang từ đầu 3’ của cả DNA sợi đôi và sợi đơn khi không có dNTPs. Trong trường hợp có dNTPs, hoạt tính exonuclease trên sợi đôi sẽ bị ức chế bởi hoạt tính polymerase. Trong quá trình tổng hợp DNA, hoạt tính exonuclease thực hiện chức năng đọc sửa bằng cách cắt bỏ những nucleotide lắp ráp sai.

Ngoài ra, enzyme này còn có hoạt tính exonulease 5’3’ xúc tác cho sự chuyển chỗ của các nucleotide từ đầu 5’ của điểm đứt và bổ sung tức thời các nucleotide từ đầu 3’ tạo ra chuyển động của điểm đứt dọc theo DNA.

1.2. DNA polymerase II và DNA polymerase III

Khởi đầu, enzyme DNA polymerase I được xem như giữ vai trò chủ yếu trực tiếp trong tái bản DNA. Nhưng sau đó, người ta quan sát thấy ở E. coli đột biến không có DNA polymerase I mà vẫn có sự tái bản, và phát hiện rằng chính DNA polymerase III giữ vai trò tái bản DNA. Nghiên cứu tính chất và so sánh ba loại enzyme trên người ta nhận thấy DNA polymerase III mới là enzyme thực sự điều khiển tổng hợp DNA. Trong khi đó DNA polymerase I chỉ có vai trò loại bỏ RNA mồi nhờ cắt đầu 5’3’ và thay vào chỗ RNA mồi bằng DNA khác, còn DNA polymerase II chưa rõ tác dụng, có lẽ nó tham gia vào quá trình sửa chữa (thay một đoạn DNA hỏng bằng một đoạn DNA bình thường) hoặc thay thế DNA polymerase I khi có khó khăn trong tổng hợp DNA.

Về tốc độ làm việc, các DNA polymerase rất khác nhau. Trong một giây, DNA polymerase I gắn được 10 dNTP trong khi DNA polymerase II chỉ gắn được 0,5 dNTP và DNA polymerase III gắn tới 150 dNTP.

2.1. Topoisomer

Giả sử có hai phân tử DNA mạch vòng có cùng trình tự nucleotide. Nhưng hai phân tử này có thể có số vòng (linking number-Lk) khác nhau trong phân tử. Số vòng ở đây được định nghĩa là số lần của một chuỗi DNA quấn xung quanh một chuỗi khác. Những trường hợp này được gọi là topoisomer. Topoisomer có các dạng sau:

2.1.1. Dạng lỏng lẻo (relaxed DNA)

Ở dạng này sức căng của xoắn kép là tối thiểu. Đó là dạng cấu trúc ổn định nhất của phân tử.

2.1.2. Dạng siêu xoắn (supercoiled DNA)

Trục của xoắn kép có thể cuộn xung quanh mình tạo thành một siêu xoắn. Có hai dạng siêu xoắn sau:

- Siêu xoắn dương (+). Số vòng tăng, xoắn kép xoắn cùng chiều (xoắn phải) tạo thành dạng siêu xoắn dương (positive supercoil).

- Siêu xoắn âm (). Số vòng giảm, xoắn kép xoắn theo chiều ngược lại (chiều trái) tạo thành dạng siêu xoắn âm (negative supercoil),

Phần lớn những phân tử DNA trong tự nhiên ở dạng siêu xoắn âm.

2.2. DNA topoisomerase

Enzyme DNA topoisomerase (là một enzyme nuclease thuận nghịch) có tác dụng thay đổi số Lk của DNA. Các DNA topoisomerase có tác dụng thêm vào hoặc loại bớt những siêu xoắn trong phân tử DNA xoắn kép. Có hai loại DNA topoisomerase sau:

2.2.1. DNA topoisomerase I

DNA topoisomerase I tồn tại ở cả prokaryote lẫn eukaryote và có tác dụng sau:

- Cắt một chuỗi DNA và tháo một vòng xoắn sau vị trí cắt.

- Nối lại chuỗi DNA đã bị cắt bởi liên kết phosphodiester mới. DNA sau khi được tái tạo lại có cấu trúc lỏng lẻo hơn (Hình 4.14).




Hình 4.14. Cơ chế hoạt động của topoisomerase I. Enzyme cắt một sợi đơn của DNA sợi đôi, chuyển sợi nguyên vẹn qua chỗ đứt gãy, sau đó hàn chỗ đứt gãy lại. Quá trình này tăng số Lk lên 1.

2.2.2. DNA topoisomerase II

Ở prokaryote, DNA topoisomerase II có tên là DNA gyrase. DNA topoisomerase II có tác dụng cắt tạm thời hai chuỗi của DNA, có tác dụng sắp xếp lại siêu xoắn, tạo ra siêu xoắn trái () của chuỗi DNA xoắn kép (Hình 4.15). Phản ứng này cần 1 ATP.

Ở eukaryote, DNA topoisomerase II cũng được tìm thấy nhưng ít được nghiên cứu.

3.1. Helicase

Enzyme helicase (còn có tên là enzyme deroulase) có nhiệm vụ giúp chuỗi DNA từ dạng siêu xoắn sang dạng dãn thành hai sợi đơn bằng cách cắt các liên kết hydrogen giữa những base bổ sung. Dạng cấu trúc này cần thiết cho các đoạn trên chuỗi DNA mà ở đó có nhu cầu sinh tổng hợp. Phản ứng này cần sự có mặt của ATP (Hình 4.16).




Hình 4.15. Hoạt động của topoisomerase II ở chạc ba sao chép

3.2. Protein SSB

Các protein SSB liên kết phối hợp với DNA sợi đơn nhưng không liên kết với DNA sợi đôi. Chúng được xem như là các chất phản ứng trong tạo dòng phân tử xuất phát từ chỗ chúng có khả năng phá vỡ sự ổn định của các cấu trúc thứ cấp bên trong sợi nucleotide; tăng nhanh sự tái ủ của các polynucleotide bổ trợ và tăng hoạt tính của các DNA polymerase bằng cách loại bỏ các cấu trúc thứ cấp bên trong sợi là những yếu tố ngăn cản sự tiến triển của các enzyme này (Hình 4.17). Nhờ tính chất này, các protein SSB trở thành các chất phản ứng hữu ích trong xác định trình tự DNA.




Hình 4.16. Hoạt động của enzyme helicase. DNA helicase tách rời hai sợi của chuỗi xoắn kép. Khi ATP được bổ sung vào DNA helicase được liên kết với sợi đơn, thì helicase di chuyển với một độ phân cực xác định trên DNA sợi đơn. Độ phân cực nghĩa là DNA helicase được liên kết với khuôn mẫu sợi thứ trên chạc ba tái bản.


4. DNA ligase

Có nhiệm vụ nối hai đầu 3’-OH và 5’-PO₄ của hai đoạn DNA rời thành một đoạn liên tục. Một mối hàn như vậy cần một năng lượng là 2ATP (đối với eukaryote) hoặc NAD⁺ (đối với vi khuẩn).

Đặc điểm của DNA ligase là không làm việc với các sợi DNA đơn (single strand) mà chỉ hàn nối các đoạn DNA ở dạng chuỗi xoắn kép. Khi nối DNA, có thể gặp 2 trường hợp: đầu so le-đầu dính (protruding ends-cohesive ends) hoặc đầu bằng (blunt ends). Trường hợp đầu so le, các nucleotide nằm trên phần so le của hai đoạn DNA phải tương đồng thì DNA polymerase mới hoạt động được.