Cơ sở phân tử của tính di truyền

CHƯƠNG VII
CƠ SỞ PHÂN TỬ
CỦA TÍNH DI TRUYỀN
+ Dạng S III, gây bệnh, có vỏ bao tế bào (capsule) bằng polysaccharide cản trở bạch cầu phá vỡ tế bào, tạo đốm mọc trên môi trường agar láng

1. HIỆN TƯỢNG BIẾN NẠP Ở VI KHUẨN
- Hi?n tượng biến nạp được Grffith phát hiện ở vi khuẩn Diplococus pneumoniae (gọi là Streptococus pneumonie phế cầu khuẩn gây sưng phổi ơ động vật có vú). Vào năm 1928, vi khuẩn này có 2 dạng khác nhau:
I. DNA LÀ CHẤT DI TRUYỀN
+ Dạng R II, không gây bệnh, không có vỏ bao, tạo đốm m?c nhăn
Thí nghiệm cảm nhiễm được thực hiện bằng cách tiêm vi khuẩn vào chuột để xem hiệu quả gây bệnh của các ch?ng: Kết quả TN như sau :
+ Tiêm vi khuẩn S sống gây bệnh cho chuột - chuột chết
+ Tiêm vi khuẩn R sống không gây bệnh - chuột sống
+ Tiêm vi khuẩn S bị đun chết cho chuột - chuột sống
+ Hỗn hợp vi khuẩn S bị đun chết trộn với vi khuẩn R sống tiêm cho chuột - chuột chết
Hiện tượng trên cho thấy vi khuẩn S không thể tự sống lại được sau khi đun chết, nhưng các tế bào chết này đã truyền tính gây bệnh cho tế bào R. Hiện tượng này gọi là biến nạp.
Kết quả thí nghiệm có thể tóm tắt như sau :
DNA của S + các tết bào R sống - chuột - chết (có R+S)
Kết luận : Hiện tượng biến nạp là một chứng minh sinh hóa xác nhận rằng DNA mang tín hiệu di truyền
2. SỰ XÂM NHẬP CỦA DNA VIRUS VÀO VI KHUẨN
Thí nghiệm của A. Hershey và M. Chase (1952): Tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2 (virus của vi khuẩn được gọi là bacteriophage - thực khuẩn thể hay gọi tắt là phage) xâm nhập vào vi khuẩn Escherichia coli (E.coli). Khi phage T2 vào vi khuẩn, chúng gắn lên bề mặt bên ngoài, một phần chất nào đó xâm nhập vào vi khuẩn và sau 20 phút tế bào vi khuẩn bị tan phóng thích ra nhiều phage mới.
II. THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC HÓA HỌC CỦA DNA
1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC :
DNA (Deoxyricobnucleric acid) là một polimer (polynucleoticle) được trùng hợp bởi nhiều đơn phân (monomer) là các nucleotricle qua liên kết photphooticeste
Thành phần hóa học của DNA gồm:
+ Gốc Axit phosphoric
+ Đường 5 -desoxyribose
+ Các base nitric
Tất cả các sinh vật đều có chung một cấu trúc DNA, tính đặc trưng của DNA ở mỗi lòai biểu hiện ở trình tự sắp xếp các nucleotide và số lượng của chúng.
2. MÔ HÌNH CẤU TRÚC DNA CỦA WATSON-CRICK

Việc xác định cấu trúc không gian của DNA rất phức tạp. Vào năm 1950 hầu như chưa biết gì về sự sắp xếp không gian của các nguyên tử trong phân tử DNA cũng như bằng cách nào nó chứa thông tin di truyền và kiểm soát mọi họat động của tế bào). Bằng phương pháp sử dụng kỷ thuật phân tích dùng tán xa tia X đối với DNA người ta thu được những tính chất căn bản như sau:
- Các base purine và pirimidine có cấu trúc phẳng, mặt phẳng của chúng xếp vuông gốc với trục dài của mạch polynucleotide và chúng chồng cái này lên cái kia, khoảng cách trung tâm của hai mặt phẳng là 3, 4 Ao
- Mạch Polynucleotide không duỗi thẳng mà xoắn thành lò xo quanh trục giữa, mỗi bứơc xoắn của lò xo dài 34 Ao.
- DNA có nhiều hơn một mạch Polynucletide
- Năm 1953 bằng sự tổng hợp các số liệu phân tích hóa học và tán xạ tia X. J. Watson vàF.crick đã xây dựng thành công mô hình cấu trúc của phân tử DNA
- Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch Polynucleotride được gắn với nhau bằng các liên kết hidro (A=T, G =_ C)
- Một đặc điểm của mô hình là sự đối song (tức là 2 mạch poplynucleotide xếp ngược chiều nhau)

3. DNA VÀ NST

a. DNA trong tế bào :
- DNA hiện diện trong bộ máy di truyền của tất cả các lọai tế bào từ vi khuẩn đến người
- DNA trong tế bào thường ở dạng xoắn và cuộn lại rất chặt
- Giữa các sinh vật Prokaryotae và Eukaryotae có sự khác nhau đáng kể về thành phần cấu tạo và tổ chức của DNA trong tế bào.
b. NST của Eukaryotae:

- Các NST của Eukaryotae có tổ chức phức tạp gồm DNA và nhiều lọai protein gắn vào nhau. Trong đó protein histone giữ vai trò trong việc cuộn lại của DNA. Sợi DNA dài quấn quanh các protein histone tạo nên nucleosome (là đơn vị cấu trúc của NST)
- Cấu trúc của nucleosome: 1 đơn vị nucleosom là phức hợp gồm 140 cặp base của DNA quấn quanh 8 phân tử protein histone, các nucleomsome kề nhau được nối với nhau qua một protein histone trung gian.
- Các nucleosome xếp khít nhau tạo thành chromatin là phức hợp nucleoprotein. Sợi chromatin sau nhiều lần xoắn uốn khúc với những protein không histone tạo thành NST
4. CÁC LỌAI DNA :

Ngoài mô hình cấu trúc phân tử DNA của Watson-Crick (dạng B) còn có các dạng DNA như: A,C,Z., các dạng này phân biệt nhau ở các đặc điểm sau:
+ Đường kính của phân tử R
+ Độ nghiêng so với trục và khoảng cách giữa hai nucleotide kề nhau
+ Số cặp nucleotide trong một vòng xoắn.
III . SAO CHÉP DNA (DNA REPLICATION)
Ngay khi nêu ra mô hình, J. Watson, F.Crick đã cho rằng nếu hai mạch của phân tử DNA được tách ra do các liên kết hydro giữa các cặp base bị đứt, mỗi mạch sẽ đảm bảo khuân thông tin cần thiết cho việc tổng hợp mạch chặp mới tương tự và mạch cặp trứơc đo. Vì adenine phải bắt cặp với thymine, và guanine phải luôn luôn bắt cặp với cytosine nên trình tự các nucleotide trên một mạch sẽ xác định chính xác trình tự đặc hiệu các nucleotide trên mạch bổ sung của nó.
Như vậy: hai mạch cũ của phân tử DNA ban đầu được tách ra, mỗi cái làm khuôn để tổng hợp mạch mới. Kết quả một phần tử DNA ban đầu tạo ra hai phân tử con giống hệt nhau. Mỗi phân tử con đều mang một mạch cũ và một mạch mới. Kiểu sao chép hay tái bản này được gọi là bán bảo tồn (semiconservative)
Năm 1958, M.Meselson vaStahl đã nuôi E.coli nhiều thế hệ trên môi trừơng có nguồn nitơ đồng vị n?ng N 15. Thí nghiệm này khẳng định giả thuyết của Watson và Crick là đúng, tức hai mạch DNA mẹ tách ra, mỗi cái làm khuôn để tổng hợp nên mạch mới bổ sung.
2. QUÁ TRÌNH SAO CHÉP DNA:
Quá trình sao chép DNA phải trải qua các cơ chế chung như :
- Các liên kết hydro ổn định cấu trúc xoắn và gắn hai mạch với nhau phải bị phá vỡ và tách rời hai mạch;
- Phải có đọan mồi (primer) tức đọan DNA hay RNA mạch đơn ngắn bắt cặp với mạch đơn khuôn;
- Có đủ 4 lọai nucleoside triphosphate (ATP, GTP, TTP và CTP) và các nucleotide bổ sung bắt cặp với các nucleotide trên mạch khuôn;
- Mạch mới luôn đựơc tổng hợp theo hướng 5P - 3OH;
- Các nucleotide mới đựơc nối lại với nhau bằng liên kết cộng hóa trị để tạo mạch mới và tương tự
- Ở các prokaryotaee, lẫn Eukaryotaee, từng mạch riêng lẻ được sao chép chỉ theo một hướng: cá enzyme sao chép di chuyển dọc theo mạch mẹ từ đầu 3` đến 5` để tạo nên mạch mới bổ sung theo hướng 5` - 3`. Phân tử DNA gồm hai mạch đ?i song song, khi tách hai mạch ở một đầu để sao chép tạo ra chẻ ba sao chép (replication fork). Mạch mới đựơc tổng hợp theo hướng 5` - 3` nên trên một mạch khuôn quá trình tổng hợp sẽ hướng từ ngòai vào chẻ ba; còn ở mạch khuôn kia sẽ tổng hợp theo chiều từ chẻ ba hướng ra ngòai bằng cách tạo ra các đạon ngắn rồi nối lại với nhau.
- Sau đây là diễn biến sao chép ở NST vòng tròn của E.coli. gồm hai đọan khởi sự (initiation) và nối dài (elongation)
3. SAO CHÉP DNA TRONG TẾ BÀO

a. Sao chép của NST prokaryotae :
Để theo dõi sao chép DNA, đồng vị phóng xạ thymidine là tiền chất đặc hiệu cho DNA sử dụng. Quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori (từ chữ origin) gọi là điểm xuất phát và triển khai ra cả hai phía. Khi quan sát DNA vòng tròn đang sao chép, ta sẽ thấy dạng DNA hình "con mắt" (eye replication). Chẻ ba sao chép lan dần, cuối cùng tạo ra 2 phân tử DNA lai: một mạch có mang dấu phóng xạ T-H3 (thymidine H3). Có trường hợp sao chép chỉ xảy ra về một phía.
b. Sao chép NST ở tế bào nhân thực Eukaryotae
- Tế bào nhân thực có số lượng DNA lớn hơn nhiều so với tế bào tiền nhân tạo nên nhiều NST, mà mỗi cái gồm một sợi DNA thẳng có kết hợp với protein. Do dó sao chép DNA của tế bào nhân thực có phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn (khoảng 30 nucleotide/ giây)
- Điểm khác căn bản là DNA của tế bào nhân thực có nhiều replicon. Ví dụ: nấm men bánh mì Saccharonmyces cerevisiae) có tới 500 replicon tức có 500 điểm ori xuất phát sao chép. Quá trình sao chép cũng bắt đầu từ ori rồi lan về hai phía như mô tả trên. Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá trình sao chép, điểm ori nào đã sao chép qua một lần rồi thì không lặp lại trứơc khi toàn bộ DNA được sao chép hoàn toàn.
- Sai khi sao chép xong, tế bào có cơ chế phân chia DNA đều đặn về các tế bào con.
IV. CÁC CƠ CHẾ SỬA SAI VÀ BẢO VỆ DNA
Các nghiên cứu di truyền học đã dẫn đến tìm ra các cơ chế sửa sai và bảo vệ DNA duy trì sự ổn định cấu trúc của nó qua nhiều thế hệ.
1.CÁC BIẾN ĐỔI CÓ THỂ XẢY RA TRÊN PHÂN TỬ DNA
- Gãy hay đứt mạch
- Base nitric bị cắt mất làm cho base tương ứng không có cặp. Dưới tác dụng của nhiệt có thể xảy ra quá trình làm mất purine (depureination)do thủy phân liên kết N-glycosil
- Gắn nhóm mới vào base nitric bằng liên kế hóa trị làm thay đổi tính chất như trường hợp methyl hóa tức gán nhóm methyl (-CH3) vào base.
- Biến base nitric này thành các khác làm bắt cặp sai
- Các base nitric có thể tồn tại ở hai dạng ceto và nenol có thể dẫn đến bắt cặp sai.

2. SỬA SAI TRONG SAO CHÉP

Người ta đã dùng các nucleotide và DNA -polymerase để tổng hợp DNA in VITRO (trong ống nghiệm). Sai sót trong trường hợp này là 1.105 tức trong 100.000 nucleotide có một cái sai. Sai sót này cho thấy sao chép DNA trong ống nghiệm có mức chính xác cao, nhưng đối chiếu lên các sinh vật thì mức sai sót này hãy còn quá lớn. Ví dụ:
Ở E.coli DNA có 3.106 cặp base, vậy mỗi lần sao chép có 30 sai sót có thể dẫn đến nhiều đột biến. Trên thực tế, không có nhiều đột biến qua mỗi lần sao chép như vậy.
Mức chính xác cao của sao chép trong cơ thể sinh vật có được nhờ các cơ chế sửa sai:
+ Hướng sao chép bao giờ cũng từ đầu 5` -3`để việc sửa sai chính xác
+ Các DNA-polymerase I và III vừa polymer hóa, vừa có họat tính exonuclease 5` - 3` và 3` - 5`. Nếu trên đường di chuyển để polymer hóa họăp nucleotide lắp sai, DNA - polymerase sẽ lùi lại cắt bỏ theo hướng 3`-5` (họat tính exonuclease 3`-5`)
+ Chiến lược sửa sai trên NST về cơ bản giống nhau trong sao chép và khi bị đột biến: các enzyme nhận biết gắn vào các trình tự sai và cắt rời đọan sai, rồi dựa vào mạch đơn đúng làm khuôn để tổng hợp lại chỗ bị chắt cho đúng. Hàng loạt enzyme rà soát dọc các NST dò tìm các base có biến đổi hóa học, mỗi enzyme có chức năng chuyên biệt cho một lọai sai hỏng. Khỏang 5 enzyme khác đặc hiệu cho các liên kế cộng hóa trị sai giữa base với các chất hóa học khác hoặc giữa các base kề nhau trên một mạch . Một số enzyme đặc hiệu khác phát hiện sự bắt cặp sai, như trường hợp mất purine. Tổng cộng có khoảng 30 enzyme chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử DNA

3. CÁC HỆ THỐNG BẢO VỆ DNA

Các hệ thống sửa sai cũng là những hệ thống bảo vệ DNA có các kiểu:
+ Sửa sai bằng cách cắt bỏ chỗ sai rồi tổng hợp lại dựa theo mạch đúng
+ Sửa sai nhờ cơ chế tái tổ hợp và một số cơ chế khác
+ Trong những trường hợp đặc biệt khi bị tác động bời các tác nhân gây đột biến như phóng xạ, các sợi DNA bị tổn thương nhiều thì hệ thô�ng cấp (S.O.S system) được mở ra tăng cường sửa sai.
Các hệ thống sửa sai và bảo vệ DNA giúp hạn chế tối đa các sai hỏng xảy ra, nhưng đột biến không tránh khỏi.
V. DNA THỎA MÃN CÁC YÊU CẤU ĐỐI VỚI CHẤT DI TRUYỀN
1. CHỨA VÀ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN DI TRUYỀN :
- Phân tử DNA có chiều ngang giới hạn, nhưng chiều dài thì không hạn chế. Trình tự sắp xếp các nucleotide theo chiều dài có thể phản ánh nhưng thông tin nhất định. Tuy DNA chỉ có 4 lọai nucleotide nhưng số tổ hợp các lọai trình tự khác nhau bằng 4n (n là số nucleotide của đọan DNA) là một con số khổng lồ.
- Phân tử DNA là phân tử dài nhất trong tự nhên vì nó chứa thông tin xác định cấu trúc của phân tử protein
- Ngoài việ chứa thông tin theo chiều dài, khả năng này còn đươc mở rộng do các thay đổi cấu trúc, do gãy nối lại và lắp ghép giữa các đoạn DNA.
- Thông tin chứa trên DNA được sử dụng và hiện thực hóa nhờ các chất trung gian là ARN rồi dần đến tổng hợp các protein là những công cụ phân tử thực hiện chức năng của tế bào.

2. TỰ SAO CHÉP CHÍNH XÁC :

Mô hình Watson-Crick cũng thỏa mãn yêu cầu thứ hai của vật hất di truyền. Chuỗi soắn kép gồm hai mạch bắt cặp bổ sung A-T vàG-C, làm cho phân tử như có một bản âm và một bản dương. Mỗi bản có thể làm khuôn tạo ra bản kia để từ một phân tử ban đầu tạo hai phân tử con giống hệt.
3. CÓ KHẢ NĂNG BIẾN DỊ DI TRUYỀN : Trên phân tử DNA có thể xảy ra nhiều biến đổi. Các biến đổi có thể được di truyền. Ví dụ: Cặp A-T trên DNA được thay bằng G-C thì sự thay thế được di truyền cho các phân tử con

4. CÓ KHẢ NĂNG SỬA SAI :
Các nhà di truyền học còn phát hiện thêm một tính chất nữa của DNA là khả năng tự sửa sai. Do cấu trúc mạch kép, sai hỏng ở một mạch có thể bị cắt bỏ và dựa vào mạch nguyên vẹn làm khuôn để tổng hợp lại cho đúng.