Bài 11. Liên kết gen và hoán vị gen

GEN VÀ BỘ GEN
CỦA PROKARYOTE VÀ EUKARIOTE
KHÁI NIỆM VỀ BỘ GEN
Bộ gen là tập hợp toàn bộ vật chất di truyền trong tế bào và trong cơ thể sinh vật.
Bộ gen gồm:
- DNA (RNA) trong các gen.
DNA (RNA) không nằm trong các gen (trình tự lặp, các đoạn chưa rõ chức năng)
Các gen trong nhân và gen trong các bào quan khác ngoài nhân
CẤU TRÚC CỦA HỆ GEN
Tùy thuộc vào cấu trúc vật chất di truyền mà bộ gen của các loài sinh vật có thể đơn giản hoặc vô cùng phức tạp.
- Virus: RNA mạch đơn, RNA mạch kép.
DNA mạch đơn, DNA mạch kép.
Vi khuẩn: DNA trong nhân và các plasmid. Có dạng mạch kép, cấu trúc dạng sợi, vòng hoặc cả hai.
Sinh vật bậc cao: Bao gồm vật chất di truyền trong nhân (các NST) và ngoài nhân.
- Ti thể: Động vật
- Lạp thể: Thực vật
ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC BỘ GEN CỦA VIRUS
- Virus chưa có cấu tạo tế bào.
Bộ gen được cấu tạo từ: DNA, RNA trần, dạng vòng hoặc dạng sợi.
Cấu trúc bộ gen đơn giản.
Có dạng thẳng hoặc dạng vòng.
Kích thước nhỏ (trung bình 7 - 40kb).
Số lượng các gen rất ít (vài chục đến vài trăm gen).
Có vùng siêu biến đổi (hypervariable region), có khả năng thích ứng mạnh với môi trường.
Một số gen có mã gen trùm lên nhau hoặc 1 gen nằm ở nhiều vị trí cách biệt hoàn toàn.
ĐẶC ĐIỂM MỘT SỐ BỘ GEN VIRUS
+ Bộ gen là DNA mạch kép: Adenovirus, Herpesvirus, Hepatidis B virus, phage T…
+ Bộ gen là DNA mạch đơn: phage X174, phage M13.
+ Bộ gen là RNA mạch đơn: phổ biến nhất, là những loại virus gây ra nhiều bệnh cho người: paramyxovirus, rhadovirus, HIV…
+ Bộ gen là RNA mạch kép: ít gặp, chủ yếu ở những Reovirus
ĐẶC ĐIỂM TÁI BẢN CỦA VIRUS
Tùy theo loài và vật chất di truyền của virus mà chúng có kiểu tái bản bộ gen khác nhau.
Tái bản theo cơ chế bán bảo thủ ( kiểu Okazaki): Các virus có bộ gen DNA mạch kép.
Tái bản theo các dạng tái bản RF (Replicating Form): các virus có DNA mạch đơn.
Tái bản nhờ enzyme phiên mã ngược (thông qua cDNA): Virus có bộ gen là RNA
Cơ chế tái bản DNA của virus theo kiểu RF
+
SƠ ĐỒ CÁC NHÓM GEN TRONG BỘ GEN VIRUS
Bộ gen của virus không gây ung thư
Bộ gen của retrovirus gây ung thư
SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ GEN HIV
Viral RNA
tat
rev
vpu
env
LTR
LTR
gag
pol
gp 160
nef
55 gag
Pr 160 gag-pol
vpr
p17
p24
p7
p6
p10
RT, p66-p51
p32
gp 120
gp 41
LTR: trình tự lặp dài
gag: mã hoá các protein capsid
pol:mã hoá các enzym
env: mã hoá protein vỏ.
tat: điều chỉnh sự phiên mã tích cực
rev: điều hoà sự biểu hiện gen
vif: protein quy định tính lây nhiễm
vpu: tham gia giải phóng virus khỏi t/b
ĐẶC ĐIỂM BỘ GEN CỦA PROKARYOTE
Điển hình là các loài vi khuẩn.
Bộ gen cấu tạo từ DNA xoắn kép dạng vòng hoặc dạng sợi hoặc cùng tồn tại cả 2 dạng.
Bộ gen tương đối đồng nhất, phần lớn mang mã di truyền (Ở E.coli là 89%), ít trình tự lặp lại.
Bộ gen có thể chuyển hoá giữa các dạng vòng đơn, vòng xoắn hoặc siêu xoắn.
Có cấu trúc Operon giúp vi khuẩn thích ứng nhanh với môi trường, số lượng tuỳ thuộc vào từng loại vi khuẩn.
Có cả trình tự của bacteriophage.
Gen trong plasmid có vai trò quan trọng trong bộ gen virus.
Trong bộ gen có chứa các gen nhảy
ĐẶC ĐIỂM PLASMID CỦA VI KHUẨN
Kích thước của plasmid có thể dao động từ một cho tới vài trăm kilobyte (phổ biến 1-13 kbp) . Mỗi plasmid có chứa một trình tự tái bản như là một gốc tái bản AND. Không có vùng này thì chúng không thể tự nhân được trong tế bào chủ.
Số lượng plasmid trong mỗi tế bào từ một vài tới hàng nghìn tuỳ thuộc theo loài, loại plasmid và điều kiện môi trường (bình thường 15-12 plasmid dạng vòng/vi khuẩn).
Lượng AND plasmid trong một vi khuẩn ít khi vượt quá 0,1 đến 0,5% DNA tổng số.
CÁC DẠNG PLASMID CỦA VI KHUẨN
F plasmid: Mang các thông tin về giới tính của chúng và có thể được chuyển từ tế bào này sang tế bào khác thông qua quá trình tiếp hợp.
R plasmid: Mang đặc tính chống chịu với chất kháng sinh, có khả năng tăng lên trong điều kiện bất lợi giúp vi khuẩn chống chịu lại với môi trường gây hiện tượng nhờn thuốc kháng sinh.
Dergradative plasmid: Mang các gen đặc hiệu có khả năng sử dụng các chất trao đổi bất thường.
Cryp plasmid: Không mang gen mã hoá bất kỳ chức năng nào.
ĐẶC ĐIỂM CỦA GEN NHẢY
Gen nhảy có thể nằm trên DNA của bộ gen hoặc DNA trên plasmid.
Kích thước, tính chất đặc trưng riêng cho mỗi loài vi khuẩn.
Số lượng, kích thước gen nhảy đặc trưng riêng cho mỗi loài vi khuẩn. Có thể ứng dụng trình tự kích thước của đoạn xen IS trong chẩn đoán bệnh nhiễm khuẩn bằng PCR.
CẤU TRÚC BỘ GEN VI KHUẨN
Methannocicus jannaschii
Được Viện nghiên cứu Bộ gen TIGR giải trình tự từ năm 1996.
Đây là một vi khuẩn tự dưỡng.
Kích thước bộ gen gồm có:
- Một phân tử DNA xoắn kép dạng vòng kích thước 1.664.976pb.
- Hai phân tử dạng sợi kích thước 58.470bp (mang 44 gen) và 16.550bp (mang 12 gen).
Gồm 1.743 gen mang mã di truyền trong đó 1.682 gen nằm trên DNA dạng vòng.
Các gen mã hoá protein nằm chủ yếu trong các operon.
CẤU TRÚC OPERON CỦA PROKARYOTE
Vùng 5’
Vùng 3’
SƠ ĐỒ PHIÊN MÃ VÀ DỊCH MÃ Ở OPERON
Dịch mã
ĐẶC ĐIỂM BỘ GEN CỦA EUKARYOTE
Sinh vật Eukaryote có cấu tạo tế bào điển hình, có màng nhân.
Bộ gen gồm hệ gen nhân và hệ gen ngoài nhân.
Gen nhân có tạo từ các phân tử DNA xoắn kép cấu trúc phức tạp tạo nên các NST.
NST có cấu trúc, số lượng đặc trưng riêng cho mỗi loài sinh vật. (người 2n=46, gà 2n=78..)
Hình dạng, kích thước không liên quan đến mức độ tiến hoá của các loài sinh vật.
Gen nhân có tính di truyền tương đối chặt chẽ và ổn định.
DNA trong ty thể hoặc lạp thể có thể gấp nhiều lần DNA trong nhân.
ĐẶC ĐIỂM BỘ GEN CỦA EUKARYOTE (tiếp)
Có phần exon xen kẽ với phần intron
Phần mang mã di truyền chiếm một phần nhỏ trong bộ gen.
Có thể chia thành 3 nhóm:
- Nhóm lặp lại nhiều: Chiếm 15-20% bộ gen tập trung chủ yếu quanh tâm động (trình tự CEN) hoặc đầu mút (trình tự TEL) lặp lại từ 250 – 106 lần.
- Nhóm lặp lại ít: gồm các DNA trong họ gen globin, actin họ gen mã hóa rRNA, tRNA…lặp lại từ 10 – 250 lần.
- Nhóm không lặp lại: Là thành phần DNA trong các gen mã hóa protein, enzyme.
CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA NST
CẤU TRÚC CHUNG MỘT GEN MÃ HÓA DI TRUYỀN CỦA EUKARYOTE
Cấu trúc gồm 3 vùng chính.
- Vùng điều khiển (Vùng 5’): Có promotor, operator, enhancer… điều khiển hoạt động của gen
- Vùng mang mã di truyền (ORF): Bao gồm các đoạn intron và exon xen kẽ nhau
Vùng kết thúc (vùng 3’) tín hiệu kết thúc, đuôi A (polyA) và một số trình tự lặp chưa rõ chức năng
Ngoài ra chúng còn có các trình tự điều hòa, trình tự tăng cường, trình tu bất hoạt…
SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CÁC LOẠI PROMOTER
Có 3 loại promoter
Promoter nhóm I: của gen mã hóa các loại RNA riboxom (rRNA 18s, rRNA 28S, rRNA5, 8S) có 2 trình tự đặc trưng tâm (vị trí –40 đến +20) và trình tự UCE (-156 đến –107) trong vùng 5’ của UTR.
Promoter nhóm II: của các gen mã hóa protein và một số gen mã hóa các loại RNA kích thước nhỏ, có 4 thành phần: tâm, trình tự UP, khởi đầu và DE)
Promoter nhóm III: của các gen mã hóa các loại tRNA, rRNA 5S và một số phân tử RNA kích thước nhỏ. Trình tự các nhóm đặc trưng đang được nghiên cứu.
Vùng mang mã di truyền của sinh vật eurokaryote có cấu trúc phức tạp, phần lớn gen mã hóa gồm các đoạn mang mã (exon) xen kẽ với các đoạn không mang mã (intron)
Đến nay vai trò intron trong gen vẫn chưa được biết đầy đủ
Intron
SƠ ĐỒ CÁC TRÌNH TỰ ĐẶC HIỆU CỦA GEN MÃ HÓA PROTEIN
Tổ chức hệ gen của người
Strachan & Read,1996
Tổ chức hệ gen của người