Kiến thức di truyền học bổ sung Biên tập bởi: PGS. TS. Phạm Thành Hổ Kiến thức di truyền học bổ sung Biên tập bởi: PGS. TS. Phạm Thành Hổ Các tác giả: PGS. TS. Phạm Thành Hổ Phiên bản trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/c0d3cee7 MỤC LỤC 1. Gen 2. Mã di truyền 3. Sự hoàn thiện marn ở eukaryote 4. Về bệnh di truyền 5. Phân tích gen và sản phẩm của gen Tham gia đóng góp 1/52 Gen Về khái niệm Các thông tin di truyền sinh vật cần cho quá trình sinh trưởng, phát triển và sinh sản nằm trong phân tử ADN của nó. Những thông tin này nằm trong trình tự nucleotit của ADN và được tổ chức thành các gen. Mỗi gen thường chứa thông tin để tổng hợp một chuỗi polypeptit hoặc một phân tử ARN có chức năng riêng biệt. Xét về cấu trúc, mỗi gen là một đoạn ADN riêng biệt mang trình tự bazơ thường mã hoá cho trình tự axit amin của một chuỗi polypeptit. Các gen rất khác nhau về kích thước, có thể từ dưới 100 cặp đến vài triệu cặp bazơ. ở sinh vật bậc cao, các gen hợp thành các phân tử ADN rất dài nằm trong các cấu trúc được gọi là nhiễm sắc thể. ở người có khoảng 30.000 - 40.000 gen phân bố trên 23 cặp NST, trong đó có 22 cặp NST thường (autosome) và 1 cặp NST giới tính (X và Y). Như vậy, ở người có 24 loại NST khác nhau. Trên nhiễm sắc thể, các gen thường nằm phân tán và cách biệt nhau bởi các đoạn trình tự không mã hóa. Các đoạn trình tự này được gọi là các đoạn ADN liên gen. ADN liên gen rất dài, như ở người các gen chỉ chiếm dưới 30% toàn bộ hệ gen. Xét ở mỗi gen, chỉ một mạch của chuỗi xoắn kép là mang thông tin và được gọi là mạch khuôn dùng để tạo ra phân tử ARN mang trình tự bổ trợ để điều khiển quá trình tổng hợp chuỗi polypeptit. Mạch kia được gọi là mạch không làm khuôn. Cả hai mạch trên phân tử ADN đều có thể được dùng làm mạch để mã hoá cho các gen khác nhau. Ngoài ra, người ta còn dùng một số thuật ngữ khác để chỉ mạch khuôn và mạch không làm khuôn, như mạch đối nghĩa / mạch mang nghĩa, mạch không mã hoá / mạch mã hoá. Cần chú ý là, mạch đối nghĩa và mạch không mã hóa chínhlà mạch khuôn để tổng hợp phân tử ARN. Khả năng lưu giữ thông tin di truyền của ADN là rất lớn. Với một phân tử ADN có n bazơ sẽ có 4 n khả năng tổ hợp trình tự bazơ khác nhau. Trong thực tế, chỉ một số lượng hạn chế các trình tự mang thông tin có ích (thông tin mã hóa các phân tử ARN hoặc protein có chức năng sinh học). Về tổ chức của gen Hầu hết các gen phân bố ngẫu nhiên trên nhiễm sắc thể, tuy nhiên có một số gen được tổ chức thành nhóm, hoặc cụm. Có hai kiểu cụm gen, đó là các operon và các họ gen. Operon là các cụm gen ở vi khuẩn. Chúng chứa các gen được điều hoà hoạt động đồng thời và mã hoá cho các protein thường có chức năng liên quan với nhau. Ví dụ như operon lac ở E. coli chứa ba gen mã hoá cho các enzym mà vi khuẩn cần để thủy phân lactose. Khi có lactose làm nguồn năng lượng (và vắng mặt glucose) thì vi khuẩn cần ba enzym do operon lac mã hoá. Sự dùng chung một trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) 2/52 của các gen trong operon (hình 1) cho phép các gen đó được điều khiển biểu hiện đồng thời và sinh vật có thể sử dụng nguồn năng lượng một cách hiệu quả. Một họ gen đơn giản (a), và một họ gen phức tạp (b) ở các sinh vật bậc cao không có các operon, các cụm gen được gọi là các họ gen. Không giống như các operon, các gen trong một họ gen rất giống nhau, nhưng không được điều khiển biểu hiện đồng thời. Sự cụm lại của các gen trong họ gen có lẽ phản ánh nhu cầu cần có nhiều bản sao của những gen nhất định và xu hướng lặp đoạn của nhiều gen trong quá trình tiến hóa. Một số họ gen tồn tại thành nhiều cụm riêng biệt trên nhiều nhiễm sắc thể khác nhau. Hiện tượng này có lẽ là do sự tái cấu trúc ADN trong quá trình tiến hoá đã phá vỡ các cụm gen. Các họ gen có thể có cấu trúc đơn giản hoặc phức tạp. ở các họ gen đơn giản, các bản sao của gen giống hệt nhau. Ví dụ như họ gen mã hóa ARN ribosom 5S (rARN 5S). ở mỗi tế bào người, có khoảng 2000 cụm gen của gen này, phản ánh tế bào cần số lượng lớn sản phẩm của gen này (hình 2a). Trong khi đó, các họ gen phức tạp chứa các gen tương tự nhưng không giống hệt nhau. Ví dụ như họ gen globin ở người mã hóa cho cho các chuỗi polypeptit tương ứng với các loại globin α, β, ?, ε, và ζ (hình 2b) chỉ khác nhau vài axit amin. Các chuỗi polypeptit globin tương tác với nhau thành một phức hệ, và kết hợp với các phân tử hem để tạo ra hemoglobin (một loại protein vận chuyển oxy trong máu). Trình tự khởi đầu phiên mã (promoter) Sự biểu hiện của gen được điều khiển rất chặt chẽ. Không phải tất cả các gen có trong ADN của tế bào đều được biểu hiện đồng thời. Những gen khác nhau được hoạt hoá biểu hiện vào những thời điểm và ở những tế bào khác nhau. Tất cả các gen được biểu hiện trong một tế bào sẽ xác định đặc tính và chức năng của tế bào đó. Ví dụ, các gen biểu hiện trong tế bào cơ khác với các gen được biểu hiện trong tế bào máu. Sự biểu hiện của gen được điều khiển bắt đầu từ một đoạn trình tự ADN đứng trước (nằm ngược dòng về phía đầu 5’) so với đoạn trình tự mã hóa được gọi là trình tự khởi đầu phiên 3/52 mã (promoter, còn gọi là trình tự khởi động). Đoạn trình tự khởi động chứa trình tự đặc hiệu được ARN polymerase và các protein đặc biệt gọi là các yếu tố phiên mã nhận biết để gắn vào trong quá trình phiên mã của gen. Mức độ biểu hiện của gen trong tế bào được xác định bằng mức độ gắn kết (ái lực) của ARN polymerase và các yếu tố phiên mã với promoter. Exon và Intron ở các sinh vật bậc cao (sinh vật nhân chuẩn), thông tin di truyền mã hoá trên các NST thường bị phân cắt thành nhiều đoạn trình tự ADN cách biệt được gọi là các exon. Các exon bị ngăn cách bởi những trình tự không mang thông tin có ích được gọi là các intron (hình 3). Số lượng các intron trong một gen biến động lớn, có thẻ từ 0 đến trên 50 phân đoạn. Độ dài của các intron và exon cũng rất biến động, nhưng các intron thường dài hơn và chiếm phần lớn trình tự của gen. Trước khi thông tin trong gen được sử dụng để tổng hợp phân tử protein tương ứng, thì các intron phải được cắt bỏ khỏi phân tử ARN nhờ quá trình được gọi là quá trình cắt bỏ (quá trình hoàn thiện phân tử mARN). Trong quá trình đó, các exon được giữ lại và nối lại với nhau thành một trình tự mã hoá liên tục. Cấu trúc của gen. Việc xác định các intron trong trình tự một gen có thể thực hiện được nhờ các intron điển hình có trình tự bắt đầu là 5’-GU và kết thúc là AG-3’. Tuy vậy, thực tế ngoài những dấu hiệu này, việc cắt bỏ các intron còn cần các trình tự khác ở vùng nối giữa intron và exon (xem thêm mục III.1). Gen giả (pseudogene) Có một số gen giống với các gen khác nhưng trình tự bazơ của chúng có những sai sót làm cho chúng không có khả năng chứa những thông tin sinh học hữu ích. Những gen đó được gọi là những gen giả và những sai sót hoặc đột biến trong trình tự ADN của chúng xuất hiện trong quá trình tiến hoá làm thông tin bị lẫn lộn đến mức không còn điều khiển quá trình sinh tổng hợp protein bình thường được nữa. Những gen giả là dấu vết của quá trình tiến hoá. Trải qua tiến hoá, những sự biến đổi ban đầu các bazơ gây mất thông tin được lặp đi lặp lại đến mức thậm trí trình tự bazơ của các gen giả khác hẳn với trình tự gen gốc ban đầu. Ví dụ như các gen globin giả trong các cụm gen globin. 4/52 Mã di truyền Khung đọc Ngoài việc quy định điểm bắt đầu quá trình tổng hợp protein, bộ ba mã khởi đầu (AUG) còn xác định khung đọc của trình tự ARN. Có thể có ba bộ ba cho bất kỳ một trình tự bazơ nào, phụ thuộc vào bazơ nào được chọn làm bazơ bắt đầu của codon. Thực tế trong quá trình tổng hợp protein, thường chỉ có một khung đọc được sử dụng. Còn hai khung đọc kia thường chứa một số bộ ba kết thúc ngăn cản chúng được sử dụng để tổng hợp trực tiếp nên phân tử protein (hình 4). Mỗi trình tự ADN có thể đọc theo ba khung đọc khác nhau, phụ thuộc vào bazơ nào được chọn làm bazơ khởi đầu. Trên mỗi phân đoạn ADN mạch kép về lý thuyết có thể có tối đa sáu khung đọc mở (ORF) khác nhau. Đoạn trình tự nằm giữa một bộ ba khởi đầu và một bộ ba kết thúc tương ứng cùng khung đọc được gọi là khung đọc mở (ORF = openreading frame). Đặc điểm này được dùng để xác định các trình tự ADN mã hoá protein trong các dự án giải mã hệ gen. Tính vạn năng của mã di truyền Ban đầu, người ta tin rằng mã di truyền là vạn năng. Nghĩa là ở mọi sinh vật, các codon giống nhau đều quy định những axit amin như nhau. Tuy vậy, thực tế cho thấy có một số trường hợp ngoại lệ. Ví dụ, ở hệ gen ty thể có sự khác biệt về bộ ba khởi đầu và bộ ba kết thúc. Cụ thể, AUG bình thường là bộ ba kết thúc, thì ở ty thể nó lại mã hoá cho tryptophan; AGA và AGG bình thường quy định arginin, ở ty thể lại có vai trò là các bộ ba kết thúc; AUA bình thường mã hóa cho isoleucin thì ở ty thể lại xác định methionin. Người ta cho rằng những thay đổi này có thể tồn tại được là nhờ ty thể là một hệ thống kín. Ngoài hệ gen ty thể, một số trường hợp ngoại lệ khác cũng được tìm thấy ở một số sinh vật đơn bào. Ví dụ ở một số động vật nguyên sinh, các bộ ba UAA và UAG bình thường là các bộ ba kết thúc thì lại mã hoá cho axit glutamic. 5/52 Sự hoàn thiện marn ở eukaryote Cắt bỏ các intron Quá trình này xảy ra trong nhân nhằm cắt bỏ các trình tự intron không mã hóa khỏi phân tử tiền-mARN để hình thành nên phân tử mARN hoàn chỉnh chỉ chứa các trình tự mã hoá liên tục tương ứng với các exon. Sau đó, phân tử mARN hoàn chỉnh được chuyển ra tế bào chất để làm khuôn tổng hợp protein. Quá trình cắt bỏ intron phụ thuộc vào trình tự tín hiệu ở các đoạn nối giữa các intron và exon. Các intron điển hình được giới hạn bởi đầu 5’-GT và 3’-AG. Đoạn trình tự tín hiệu đầy đủ ở đầu 5’ gặp ở phần lớn các gen là: 5’-AGGTAAGT-3’ và ở đầu 3’ là 5’- YYYYYYNCAG-3’ (Y = pyrimidin, N = nucleotit bất kỳ). Việc cắt bỏ các intron được thực hiện bởi một phức hệ gọi là spliceosom, gồm phân tử tiền-mARN liên kết với các hạt ribonucleoprotein nhân kích thước nhỏ snRNP (smallnuclearribonucleoproteinparticle, được đọc tắt là snớp). snRNP được tạo thành tự sự liên kết giữa snARN và protein. Có 5 loại snARN phổ biến được kí hiệu là U1, U2, U4, U5 và U6. Mỗi loại liên kết với một số phân tử protein để hình thành nên snRNP. Trừ U4 và U6 thường tìm thấy trong cùng một snRNP, còn các loại khác tìm thấy trong các snRNP riêng biệt. Quá trình cắt intron trải qua một số bước như sau (hình 5 và 6): - U1 snRNP gắn vào vị trí cắt đầu 5’ của intron. Việc gắn này dựa trên nguyên tắc bổ trợ của U1 snARN có trong snRNP với trình tự ở đoạn nối với exon ở gần đầu 5’ của intron. - U2 snRNP gắn vào một trình tự gọi là điểm phân nhánh nằm ngược dòng so với đoạn nối với exon về phía đầu 3’ của intron. Điểm phân nhánh là vị trí đặc thù của các intron, tại đó chứa một adenyl là vị trí gắn vào của đầu 5’ tự do của intron trong quá trình cắt bỏ intron. - Phức hệ U4/U6 snRNP tương tác với U5 snRNP rồi gắn vào các phức hệ U1 và U2 snRNP làm hai đầu 5’ và 3’ của intron tiến lại gần nhau, tạo thành cấu trúc thòng lọng. - U4 snRNP tách ra khỏi phức hệ, lúc này spliceosome chuyển thành dạng có hoạt tính cắt (exonuclease). - snRNP cắt intron ở đầu 5’ tạo ra một đầu 5’ tự do. Đầu này sẽ liên kết với nucleotit A tại điểm phân nhánh vào vị trí nhóm 2’-OH (liên kết phosphodieste 5’-2’). Nhóm 3’-OH của adênyl này vẫn liên kết bình thường với nucleotit khác trong chuỗi. 6/52 - Intron được cắt ở phía đầu 5’ (intron vẫn ở dạng thòng lọng) và các exon liền kề ở hai đầu 5’ và 3’ của intron liên kết với nhau. Lúc này phức hệ snRNP rời khỏi phân tử ARN. Và quá trình cắt intron như vậy được lặp đi lặp lại. Quá trình cắt bỏ intron của phân tử mARN tiền thân ở sinh vật nhân chuẩn. 7/52 Sự hình thành phức hệ cắt intron (spliceosom). Quá trình cắt intron như trên được tìm thấy ở các gen được phiên mã nhờ ARN polymerase II. Ngoài cơ chế trên đây, một số loại phân tử ARN có thể tự cắt bỏ intron. Quá trình cắt bỏ intron này không phụ thuộc vào protein và được gọi là các intron nhóm I. Cơ chế tự cắt của các intron nhóm I được tìm thấy ở các gen rARN, một số gen mã hóa protein trong ti thể và một số gen mã hóa mARN và tARN ở thực khuẩn thể. Một ví dụ về quá trình tự cắt của intron nhóm I (ở Tetrachynema) được mô tả như sau: - Phân tử tiền-mARN được cắt ở vị trí nối với exon ở phía đầu 5’ và một nucleoit G gắn vào vị chí cắt này. - Intron được cắt ở vị trí nối tại đầu 3’. - Hai exon liền kề được nối lại với nhau. - Phần intron được cắt ra đóng vòng tạo thành một phân tử ADN dạng vòng. Sản phẩm tạo ra là intron ở dạng mạch vòng còn phân tử ADN chứa các exon ở dạng mạch thẳng. Quá trình tự cắt của intron nhóm I do chính ARN tự xúc tác, và các ARN có hoạt tính như vậy được gọi là ribozym. Tuy vậy, hoạt tính tự xúc tác của ARN không nên coi là hoạt tính enzym. Bởi, không giống như enzym protein, các phân tử ARN không trở về dạng ban đầu sau khi phản ứng kết thúc. 8/52 [...]... di truyền đơn gen được truyền từ thế hệ bố, mẹ sang thế hệ con, cháu Có ba hình thức di truyền phổ biến: di truyền trội trên nhiễm sắc thể thường, di truyền lặn trên nhiễm sắc thể thường và di truyền liên kết nhiễm sắc thể X (Bảng 1) Trong trường hợp bệnh di truyền do alen trội nằm trên nhiễm sắc thể thường quy định, việc truyền một alen gây bệnh từ bố hoặc mẹ sang con là đủ để cá thể con biểu hiện bệnh... gen và sự thay đổi bất thường của nhiễm sắc thể Các rối loạn có bản chất di truyền và có thể chia làm 3 nhóm chính: Các sai hỏng đơn gen Các sai hỏng đơn gen còn được gọi là các rối loạn di truyền Mendel (Mendelian disorders), các rối loạn đơn gen (monogenic disorders), hay các rối loạn đơn locut (single locus disorders) Đây là một nhóm các dạng bệnh lý gây ra do sự có mặt của một gen đột biến trong cơ... tương tác của nhiều gen với nhau, hoặc giữa các gen với các yếu tố môi trường 11/52 Trong khoảng 20 năm qua, nhờ sự phát triển của công nghệ ADN tái tổ hợp, đã có nhiều phát hiện mới mang tính bước ngoặt liên quan đến các bệnh lý do rối loạn đơn gen gây ra Thông tin được nêu trong phần dưới đây liên quan đến một số rối loạn bệnh lý như vậy Hình thức di truyền Các rối loạn di truyền đơn gen được truyền. .. thường Sự di truyền của một alen đột biến duy nhất (a) đều dẫn đến sự biểu hiện của bệnh (b) Alen lặn trên NST thường Các cá thể bị bệnh phải mang hai alen đột biến (aa) Các cá thể dị hợp tử (Aa) là các thể mang (c) Alen liên kết NST X, đối với các thể mang là cái, 50% số cá thể con giới đực bị bệnh, và 50% số cá thể con giới cái là thể mang Một số bệnh lý di truyền đơn gen Một số bệnh lý di truyền đơn... đến sự biểu hiện của bệnh trong các thế hệ sau Cơ chế dẫn đến hiện tượng lặp lại nhiều lần của các trình tự nucleotit và nguyên lý gây bệnh cho đến nay chưa được biệt rõ Sự tăng lên số lượng các trình tự lặp lại tìm thấy liên quan đến một số bệnh di truyền bao gồm bệnh múa giật Hungtington 17/52 Về một số bệnh di truyền Trao đổi chéo trong nguyên phân có thể tạo ra thể khảm về di truyền và một số bệnh... phổ biến để dánh dấu ADN) Trong các nghiên cứu di truyền học phân tử hiện nay, có nhiều cách để xác định các phân đoạn ADN và ARN đặc hiệu dựa trên các phương pháp lai ở đây, chúng ta chỉ đề cập đến hai phương pháp được dùng phổ biến: Xác định các phân đoạn ADN và ARN bằng điện di và mẫu dò 27/52 Phương pháp sử dụng mẫu dò kết hợp với điện di là một phương pháp cơ bản có thể giúp xác định mức độ phổ... đầu 3’ của phân tử tiền-mARN Khoảng 11 - 20 bazơ tiếp theo có trình tự là YA (Y = pyrimidin), rồi tiếp đến là đoạn trình tự giàu GU nằm xuôi dòng Có nhiều protein đặc hiệu có khả năng nhận biết và gắn vào đoạn trình tự tín hiệu tạo thành một phức hệ cắt mARN ở vị trí khoảng 20 nucleotit phía sau của trình tự 5’-AAUAAA-3’ Sau đó, enzym poly(A) polymerase sẽ bổ sung thêm các adenin vào đầu 3’ của mARN... một đặc tính quan trọng của quá trình giảm phân Phức hệ trao đổi chéo “xác định” vị trí tái tổ hợp đồng thời giữ cho các NST tương đồng gắn kết với nhau, cho phép chúng thành từng cặp tiến về mặt phẳng xích đạo tại kỳ giữa của giảm phân I, rồi sau đó phân ly về hai cực đối di n của tế bào Ngoài ra, TĐC trong giảm phân là một cơ chế góp phần làm tăng tính đa dạng của các dạng của các loại giao tử Vì... động phân chia của tế bào Một đột biến trong alen RB+ có thể dẫn đến làm hỏng chức năng của alen kiểu dại và được ký hiệu là RB- Nừu một tế bào mất đi cả hai bản sao của RB+, thì nó mất đi khả năng điều hòa hoạt động phân chia tế bào bình thường và gây nên sự hình thành khối u Ví lý do này, alen kiểu dại RB+ có được xem là một gen ức chế sự hình thành khối u Những cá thể có bẩm chất di truyền có nguy... bậc 2 và 3 của phân tử ARN có ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của chúng trên trường điện di Để hạn chế điều này, thông thường người ta phải xử lý ARN với một số hóa chất ngăn cản sự hình thành các liên kết cục bộ trong phân tử ARN, chẳng hạn như glyoxal Hợp chất này liên kết với nhóm -NH2 trong các bazơ nitơ và ngăn cản sự kết cặp của các nucleotit Các phân tử ARN được xử lý glyoxal không hình thành được . Kiến thức di truyền học bổ sung Biên tập bởi: PGS. TS. Phạm Thành Hổ Kiến thức di truyền học bổ sung Biên tập bởi: PGS. TS. Phạm Thành Hổ Các tác giả: PGS. TS. Phạm Thành Hổ Phiên bản. như vậy. Hình thức di truyền Các rối loạn di truyền đơn gen được truyền từ thế hệ bố, mẹ sang thế hệ con, cháu. Có ba hình thức di truyền phổ biến: di truyền trội trên nhiễm sắc thể thường, di truyền lặn. đầy đủ. 10/52 Về bệnh di truyền Các dạng bệnh di truyền Có một nhóm đa dạng các bệnh lý và rối loạn gây ra do các đột biến gen và sự thay đổi bất thường của nhiễm sắc thể. Các rối loạn có bản chất di truyền