CHƯƠNG 3 GEN VÀ GENOME CỦA SINH VẬT

1

CHƯƠNG 3 GEN VÀ GENOME CỦA

SINH VẬT

2

I. Hệ gen (Genome)

1. Khái niệm: Genome (hệ gen):

chứa toàn bộ vật chất chứa TTDT trong cơ thể sinh vật được mã hóa trong AND (ở một số virut là ARN). Mỗi genome chứa tất cả thông tin cần thiết để xây dựng và duy trì cơ thể đó.

I. Hệ gen (Genome)2. Genome của vi khuẩn:

Kích thước nhỏ, ở dạng vòng khép kín.

Chỉ chứa các đoạn ADN không lặp lại.

Các gen trong genome phân bố sát nhau, ít bị gián đoạn bởi các đoạn ADN không chứa mã di truyền (intron). Các gen đều tồn tại đơn bản. Trên DNA có chứa các gen mã hóa cho một protein đặc thù

Một số chứa thêm dạng ADN khác – plasmid: kích thước bé hơn, dạng vòng, có khả năng tự nhân bản, thường chứa một số gen có tính đặc thù cao (gen kháng kháng sinh, gen chỉ thị màu…).


3. Genome của eukaryote:99% genome nằm trong nhân

TB. Phần còn lại nằm trong một số cơ quan tử (ty thể, lạp thể).


3. Genome của eukaryote: Genome nhân: Thường có kích thước lớn (12Mb đến

120.000Mb). Phân bố trên các NST dạng thẳng. Gồm các thành phần lặp lại và các thành phần không lặp lại.

Các loại ADN trong genome:– Các TT lặp lại nhiều lần: chiếm 10-

15% genome. Là những TT AND ngắn (10-200kb), ko mã hóa, tập trung ở những vùng chuyên biệt/NST (tâm động, đầu mút NST)

– Các TT lặp lại TB: 25-40%, là những đoạn AND có kt lớn hơn (100-1000kb). Không mã hóa hoặc mã hóa cho rARN, tARN, 5SARN

– Các TT duy nhất: là các gen mã hóa cho các Protein, có TT đặc trưng cho từng gen

I. Hệ gen (Genome)3. Genome của eukaryote:• Phần lớn các gen pbố trong

thành phần ADN không lặp lại. Các gen chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ so với toàn bộ genome (1-2% genome). Các gen thường phân bố xa nhau và trong gen chứa nhiều intron.

• Các gen có nhiều bản sao. Các bản sao của một gen được xếp vào một họ gen. Mỗi gen trong họ thường hoạt động ở một thời điểm nhất định trong quá trình phát triển cá thể hay trong mô riêng biệt.

7


3. Genome của eukaryote:

• Kích thước của genome (ở trạng thái đơn bội - C): đặc trưng cho loài, kích thước của genome không tỷ lệ với mức độ tiến hóa và tính phức tạp của cơ thể.

I. Hệ gen (Genome)3. Genome của eukaryote: Genome ty thể: dạng mạch

vòng kép, chứa các gen mã hóa cho rARN của ty thể và một số enzyme tgia vào chuỗi hô hấp. Ngoài ra, ty thể còn chứa các gen mã hóa tRNA, Rbsvà một số Pr liên quan đến quá trình phiên mã, dịch mã, và vận chuyển các Pr khác vào ty thể từ TBC.

Genome lục lạp: chứa DNA ở dạng kép, mạch vòng, chứa khoảng 200 gen. Các gen mã hoá cho các rARNvà tARN và các Pr cần cho hoạt động quang hợp.

Kích thước của genome

Số lượng gen trong genome

Loài Kích thước Genome (Mb =

10^bp)

(TT mã hóa Protein(%)

Số lượng gen

E. Coli 4.6 90 4.288

S. cerevisiae 12 70 5.885

C. elegans 97 25 19.099Drosophila 180 13 13.600

Human 3000 3 100.000

12

13

1. Khái niệm gen: • Gen là một đoạn ADN mã cho một sản

phẩm cần thiết đối với hoạt động sống của tế bào. Gen -> protein, rARN, tARN và các loại ARN khác tham gia kiểm soát hoạt động của genome

2. Cấu trúc gen:• Gồm hai vùng:

– Vùng AND điều khiển– Vùng mang mã di truyền

II. Gen

14

2. Cấu trúc của gen Vùng DNA điều khiển: nằm trước các đoạn gen mang mã, bắt đầu từ -1,

gồm các vị trí: Promoter: nhận biết và liên kết với enzim RNA polymerase. Promoter

thường nằm ngay trước vị trí +1 của gen (vị trí Nu đầu tiên được phiên mã sang ARN). Ở procaryota: nằm khoảng từ -35 -> -10, ở eucaryota từ -25 (-30) -> - 75(-90).

Vị trí hoạt hóa (A) hoặc vị trí ức chế (O): được nhận biết bởi các Pr điều khiển, chúng có thể liên kết với AND hoặc ARN pol làm tăng cường hoặc kìm hãm hoạt động của gen trong sao mã

15

2. Cấu trúc của gen (tiếp) Vùng DNA mang mã di truyền: Là đoạn AND được phiên mã sang

mRNA theo chiều 5’ 3’ trên sợi đang tổng hợp (bd từ +1). Gồm: Vùng 5’ và 3’ không dịch mã: liên quan tính bền vững của mRNA;

tham gia kiểm soát dịch mã.. +TT không dịch mã đầu 5’ (5’UTR): tính từ Nu phiên mã đầu tiên

đến bộ 3 Nu khởi đầu dịch mã (AUG hoặc GUG).+ TT không dịch mã đầu 3’ (3’ UTR): tính từ một trong 3 codon

dừng dịch mã đến hết trình tự kết thúc phiên mã Khung đọc mở:

• Phần DNA của gen mã hóa tạo chuỗi polypeptide• Bắt đầu bằng một codon khởi đầu (AUG hoặc GUG) và kết thúc

bằng một trong 3 mã kết thúc là UAA/UAG/UGA.• Mỗi bộ 3 Nu của khung đọc mở tương ứng với một codon mã hóa

cho một aa.• Đọc từ đầu 5’ -> 3’, đọc theo phân tử mRNA, đọc từng mã một, đọc

không chồng chéo và đọc cho đến tận mã kết thúc thì dừng lại.

Cấu trúc chung của một gen

18

So sánh Gen Prokaryote và EukaryoteProcaryota- Promoter có TT đặc trưng

TTGACA (-35) và TATAT (-10)- Trong gen ko có hoặc có ít intron- Các gen nằm gần nhau và chịu

sự điều khiển chung của một Promoter (operon)

- Phiên mã và dịch mã xảy ra đồng thời.

- mARN sau phiên mã là mARN trưởng thành.

- Không có tín hiệu nhận poly A và mRNA không có đầu 5’ mang mũ 7 methyl

Eucaryota - Promoter có TT đăc trưng - hộp

CAAT (- 75) và TATA (-25) - Các đoạn exon xen lẫn intron. - Các gen nằm xa nhau, giữa các

gen có các đoạn không mã hoá. Mỗi gen chịu sự đk của 1 Promoter

- Phiên mã và dịch mã không đồng thời: Phiên mã trong nhân, dịch mã ngoài tế bào chất .

- Chịu những biến đổi trước khi dịch mã (cắt intron và nối exon, các biến đổi tại đầu 5’ và đầu 3’)

- Các dấu hiệu gắn chuỗi poly A của mRNA có trình tự 5’- AAUAAA-3’. Vùng này nằm ở ngay trước đầu 3’nơi bắt đầu gắn polyA, dài từ 10 đến 30 nu, tiếp theo là vùng CA, rồi đến vùng giầu GU

Cấu trúc gen của Eukaryote


21


Cấu trúc gen của Vi khuẩn – Operon Lac

23 Cấu trúc gen của Vi khuẩn – Operon Lac

24

3. Chức năng của gen Chức năng của gen thể hiện ở 3 quá trình:

• Tái bản DNA. • Phiên mã tạo ra mRNA, hoặc rRNA hay tRNA. • Dịch mã hoặc sinh tổng hợp protein dựa trên

khuôn mRNA xuyên qua ribosome để lắp ráp các amino acid nhờ các tRNA vận chuyển đến.

III. DNA CÓ TRÌNH TỰ LẶP LẠI TRONG GENOME

1. DNA có trình tự lặp lại liền kề (ADN vệ tinh)

Là các đoạn DNA có chứa những trình tự DNA được lặp lại liền nhau hình thành nên các băng vệ tinh khi phân tích DNA của genome bằng phương pháp ly tâm chênh lệch tỷ trọng.

Đơn vị lặp lại của các DNA vệ tinh thay đổi từ vài (<5 bp) đến hàng trăm cặp bazơ (>200 bp). DNA vệ tinh thường tìm thấy ở tâm động hoặc vùng dị nhiễm sắc trên NST. Chúng thuộc nhóm các DNA có trình tự lặp lại cao.

Phương pháp ly tâm chênh lệc tỷ trọng

III. DNA CÓ TRÌNH TỰ LẶP LẠI TRONG GENOME

2. DNA tiểu vệ tinh (Minisatellite) và vi vệ tinh (microsatellite) DNA tiểu vệ tinh và DNA vi vệ tinh cũng được gọi là các DNA

vệ tinh dù chúng không xuất hiện các băng vệ tinh khi phân tích tỉ trọng DNA.

DNA tiểu vệ tinh: là các đoạn DNA có nhiều đơn vị lặp lại dưới 25 bp, có chiều dài khoảng 20 kb.

DNA vi vệ tinh (SSR): DNA có đơn vị lặp lại ngắn, thường là 4 bp hoặc ngắn hơn và có chiều dài thường nhỏ hơn 150 bp

-> Ứng dụng: dùng làm chỉ thị di truyền, phát hiện sự đa hình trong ADN giữa 2 cá thể, xây dựng bản đồ di truyền

Ví dụ: Motif 5’-TTAGGG-3’ được lặp lại hàng trăm lần ở đầu cuối của NST

người là một dạng DNA tiểu vệ tinh điển hình Ở lúa, các dạng SSR là (GA)n, (GT)n, (AT)n, (GGT)n.

3. Trình tự lặp lại phân bố rải rác trong genome

• Là những đoạn ADN có khả năng di động (yếu tố chuyển vị) giữa các vị trí khác nhau trong một hay nhiều genome.

• Phân loại: 2 nhóm– Nhóm các yếu tố di chuyển thông qua trung

gian ARN (RNA transposons – retroelement).– Nhóm các yếu tố di chuyển không qua trung

gian ARN (ADN transposons).

AND có TT lặp lại liền kề AND có TT lặp lại rải rác

3.1. Nhóm các yếu tố di chuyển thông qua trung gian RNA (RNA transposons).

Cơ chế: Retroposon -> ARN -> cADN -> bản sao ADN -> di chuyển (vào các vị trí khác nhau của genome - trên cùng 1 NST hoặc NST khác)

Enzyme tham gia: E phiên mã ngược (reverse transcriptase) (được mã hoá bởi gen nằm ngay trong đoạn retroposon).

Kết quả: có hai hoặc nhiều bản sao của retroposon ở các vị trí khác nhau trong genome

Gồm: Retrovirus, Retrotransposon, retroeleenzymet (LTRs), LINEs, SINEs

Retroposon

RNA

cDNA

Retroposon (cũ) Retroposon(mới)

Phiên mã

Phiên mã ngược

Tái tổ hợp

Sơ đồ tạo bản sao của Retroposon

Sơ đồ tạo bản sao của Retroposon

3.1. Nhóm các yếu tố di chuyển thông qua trung gian RNA:

Retrovirus Virus có genome là ARN. Khi xâm nhiễm vào TB ký chủ, ARN của virus

được sao chép thành ADN (nhờ enzyme phiên mã ngược - được mã hoá bởi gen của virus) -> bản sao DNA -> được tổ hợp vào genome của TB ký chủ -> cùng tái bản với NST ký chủ.

Các retrovirus nội sinh (ERVs): genome của retrovirus khi được tổ hợp vào NST của tế bào ký chủ (chủ yếu là động vật có xương sống), một số trong chúng vần còn hoạt tính -> có thể tổng hợp nên các virus nội sinh


Các yếu tố lặp lại tận cùng dài (LTRs) Là những vùng chứa vài trăm bp lặp lại, nằm ở

đầu các phân tử DNA của retrovirus. LTRs có thể có chức năng làm cơ sở để nhiều

gen của sinh vật nhân chuẩn biểu hiện, ví dụ có chức năng kích hoạt, khởi đầu và nhập poly A vào các mRNA.

Kích thước phân tử của các LTR từ dưới vài trăm đến 10 kb.


Các yếu tố khác không chứa LTRs (LINEs và SINEs): đặc trưng ở động vật có vú.

Các yếu tố chèn, xen dài (LINEs): Chứa gen mã hoá cho gag protein và enzyme polymerase (cn

giống enzyme phiên mã ngược) và gen mã hoá cho endonuclease env (thúc đẩy sự tổ hợp của các yếu tố chuyển vị ‘retro” vào gen).

Sự xen đoạn của LINE được lặp đi lặp lại bởi quá trình tái bản trực tiếp và gắn của DNA mục tiêu.

Các yếu tố chèn, xen ngắn (SINEs): Không có gen mã hoá tạo enzyme phiên mã ngược nhưng vẫn

có khả năng chuyển vị. SINE có độ lớn từ 100 đến 300 bp. SINE rất phổ biến ở động vật và thực vật

Là những đoạn ADN có khả năng di chuyển đôc lập giữa các vị trí khác nhau trong genome, không phải qua trung gian là ARN

• Cơ chế di chuyển: 2 cơ chế:– Sự di chuyển có tính tự tái bản (cơ chế sao y bản

chính): Phiên bản của các yếu tố chuyển vị được sao chép từ vị trí ban đầu và tái tổ hợp vào vị trí mới mục tiêu. Sau mỗi lần di chuyển thì số lượng bản sao được tăng lên.

– Sự di chuyển có tính bảo thủ (Cơ chế cắt-dán): các yếu tố chuyển vị có thể tách ra khỏi vị trí ban đầu và sau đó là tái tổ hợp lại ở một vị trí mới. Trong trường hợp này, số lượng của các transposon là không thay đổi.

3.2. Nhóm các yếu tố di chuyển không thông qua RNA (DNA transposons)

cơ chế cắt – dán

Cơ chế di chuyển của các yếu tố chuyển vị trong genome

3.3. Transposon của Vi khuẩna. Các trình tự IS (Insertion Sequences)

Là các transposon đơn giản nhất của vi khuẩn. Được phát hiện đầu tiên ở vi khuẩn E.coli do tác động ức chế của nó đến hoạt động của gen

Các trình tự IS không mã hóa cho protein (không giữ chức năng nào trong tế bào)

Cấu trúc: có kích thước nhỏ (1kb), gồm: – Một trình tự trung tâm: đặc trưng cho từng loại IS– Hai đầu mút: mang các trình tự lặp lại ngược chiều

ngắn (15-25bp).

Cấu trúc IS ở vi khuẩn

42

3.3. Transposon của Vi khuẩna. Các trình tự IS (Insertion Sequences)

+ Cơ chế chuyển vị của IS: tái bản + bảo thủ– Chúng chèn vào NST ở

những vị trí có tính ngẫu nhiên, gây ra đột biến thông qua hoạt động xáo trộn trình tự mã di truyền của một gen hay làm xáo trộn vùng điều hoà hoạt động của gen.

– Khi đoạn IS được ghép vào vị trí bất kỳ trên genome, đoạn DNA tại đây được nhân đôi ->tạo thành các trình tự lặp lại cùng chiều (9bp)

-> Dựa vào đoạn lặp lại cùng chiều và ngược chiều biết vị trí mà transposon đến hoặc đi.

43

3.3. Transposon của Vi khuẩn * Transposon “hỗn hợp”- Tn

Đoạn DNA có kích thước dài hơn IS. Phân bố trên plasmid. Có khả năng chèn vào bất kỳ vị trí nào trong genome Mang TTDT mã hóa cho Pr kháng kháng sinh. Cấu trúc Tn ở hai đầu thường được giới hạn bởi loại IS nào đó. Ví dụ: transposon Tn – 9:

2 gen: gen kháng cloramphenicol + gen mã cho Pr cần thiết cho sự di chuyển. Hai đầu của Tn – 9 được giới hạn bởi IS1 (TT nu sx theo cùng một chiều.

45

3.4. Transposon ở sinh vật Eukaryote (Cấu trúc Ac và Ds ở ngô)

• Ac:– Là yếu tố di động. – Độ dài 4563 bp, được giới

hạn hai đầu bởi hai IR có chiều dài 11 bp, trình tự ngược chiều nhau.

– Mã hoá cho một mRNA có độ dài 3.5 kb, có một đầu 5’ UTR 650 bazơ, và một khung đọc mở dịch mã tạo một protein có 807 amino acid, enzyme transposase, là enzyme xúc tác cho quá trình gắn xen của các transposon.

– Đoạn Ac có chứa 4 intron (a,b,c,d) và chia trình tự đó thành 5 exon.

46

3.4. Transposon ở sinh vật Eukaryote (Cấu trúc Ac và Ds ở ngô)

• Ds: – Là yếu tố nhảy có nguồn

gốc từ Ac bị đột biến mất đoạn, có trình tự hai đầu là IR giống hệt Ac.

– Ds thường tương đồng với Ac nhưng ngắn hơn, do đột biến mất đoạn.

– Ds không có đoạn ORF đầy đủ -> không tạo enzyme transposase -> không tự di chuyển, nhờ Ac cùng có mặt trong genome

Cấu trúc Ac và Ds ở ngô

* Vai trò của Transposon

• Khi di chuyển, các transposon gây ra việc sắp xếp, tổ chức lại genome của từng cá thể như tạo các đoạn ADN mới hoặc thay đổi chức năng hoạt động của các đoạn ADN ở vị trí chúng ghép vào hoặc tách ra. Khi tách ra chúng có thể mang theo các đoạn ADN phụ cận, gây sự mất đoạn tại vị trí cũ. Ngược lại khi ghép vào vị trí mới, chúng lại gây ra hiện tượng thêm đoạn hoặc chuyển đoạn ở vị trí mới.

• Sự trao đổi chéo giữa các transposon tương đồng ở hai vị trí khác nhau trên một hoặc hai nhiễm sắc thể cũng tạo ra những biến đổi tương tự.

• Đặc biệt sự thay đổi vị trí của các transposon còn có thể gây ảnh hưởng đến hoạt động của các gen phân bố xung quanh ngay khi chúng không làm thay đổi trật tự các nucleotit ở những gen này

4. TỔ CHỨC HỆ GENOME CỦA NGƯỜI• Kích thước: dài khoảng 3200Mb, 1/3 DNA trong đó có liên quan

đến gen. • Trong gen gồm vùng mã hóa và không mã hóa.• Vùng không mã hóa gồm: Pseudogene, các đoạn trong gen,

các intron và vùng leader. • Pseudogene (gen giả): giống với một gen đã biết ở locus khác

nhưng không có chức năng do đột biến thêm hoặc mất một cấu trúc làm mất khả năng phiên hoặc dịch mã gen.

• Phần lớn các DNA còn lại (chiếm 2/3) là trình tự DNA giữa các gen gồm trình tự lặp lại (420 Mb): liền kề và phân bố rải rác. Trong trình tự lặp lại liền kề lại bao gồm trình tự DNA satellite, microsatellite và minisatellite. Còn trình tự phân bố rải rác bao gồm các LTRs, SINE, LINE và DNA transposon.

4. TỔ CHỨC HỆ GENOME CỦA NGƯỜI• Trình tự linh tinh khác (miscellaneous) chiếm 25% gồm: SD

(Shine-Dalgano Sequence) là một phần hoặc tất cả trình tự vùng leader nằm trước codon khởi đầu AUG, trình tự này bổ sung với đầu 3 của 16S rRNA vì thế là vị trí bọc của ribosome. Vùng 16S rRNA này theo Shine và Dalgano (1974) có thể đóng vai trò ghép cặp bazơ trong việc kết thúc và khởi đầu quá trình tổng hợp protein của mRNA.

• SSR (Simple sequence repeats) trình tự lặp lại đơn giản nằm rải rắc trong genome.

• Số còn lại 17% DNA genome đến nay vẫn chưa rõ thuộc loại cấu trúc nào. Mô hình sau đây minh họa tỷ lệ % DNA giữa các thành phần trong hệ genome nhân của người đã được phát hiện.

CHƯƠNG 3 GEN VÀ GENOME CỦA SINH VẬT

Documents