ĐẠI HỌC ĐA NĂNG

GIÁO TRÌNH

DI TRUYỀN HỌC

ĐA NĂNG 2009

MỤC LỤC

Chương 1. Bản chất của vật chất di truyền............................................ 1I. DNA là vật chất di truyền...................................................................11. Các chứng minh gián tiếp .................................................................12. Thí nghiệm biến nạp DNA ( Transformation)................................... 23. Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn........................................ 4II. Thành phần và cấu tạo hóa học của acid nucleic.............................. 51. DNA................................................................................................... 71.1. Cấu tạo hóa học của DNA.............................................................. 71.2. DNA cuộn lại trong tế bào .......................................................... 112. RNA .................................................................................................142.1. RNA riboxom (ribosomal RNA-rRNA)....................................... 142.2. RNA vận chuyển (Transfer RNA - tRNA)................................... 152.3. RNA thông tin (messenger RNA – mRNA)................................. 172.4. Ribozym và self-splicing.............................................................. 18III Các tính chất của DNA................................................................... 201. Biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation)........................ 202. Lai acid nucleic............................................................................... 22IV. Những cấu trúc chứa DNA trong tế bào........................................ 23

1. Những đoạn DNA chứa thông tin di truyền.....................................232. Virus chứa DNA và virus chứa RNA............................................... 243. Nhiễm sắc thể chính và plasmid của vi khuẩn.................................254. Nhiễm sắc thể Eukaryota.................................................................254.1 Các trình tự lặp lại và đơn độc.......................................................254.2 Nhiễm sắc thể của Eukaryota.........................................................274.3 Trình tự CEN................................................................................. 294.4. Trình tự Tel................................................................................... 29Câu hỏi ôn tập .................................................................................... 30Tài liệu tham khảo .............................................................................. 30Chương 2. Sao chép DNA................................................................... 31I. Sự bền vững của DNA với thời gian và qua nhiều thế hệ................ 311. DNA bị biến đổi ngay cả không sao chép .......................................312. Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ................................................................................................... 323. Các hệ thống bảo vệ DNA............................................................... 334. Sửa sai do phục quang hồi.............................................................. 345. Hệ thống SOS.................................................................................. 35II. Cơ chế phân tử của sao chép DNA ................................................ 361. Nguyên tắc chung............................................................................ 362. Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA................................................373. Thí nghiệm chứng minh có sự tự nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo tồn........................................................................................................ 37

4. Diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli.............................384.1. Giai đoạn khởi sự (initiation)........................................................384.2. Giai đoạn nối dài (elongation)...................................................... 39III. Sao chép DNA trong tế bào........................................................... 401. Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote............................................. 402. Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào Eukaryote.................................... 41Câu hỏi ôn tập .................................................................................... 42Tài liệu tham khảo .............................................................................. 42Chương 3. Cơ sở tế bào học của tính di truyền....................................44I. Các cấu trúc tế bào và khả năng tự tái sinh...................................... 441. Các cấu trúc có khả năng tự tái sinh...............................................442. Nhiễm sắc thể.................................................................................. 452.1. Hình thái NST............................................................................... 452.2. Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ:.......................................................... 472.3. Chất nhiễm sắc..............................................................................473. Các nhiễm sắc thể đặc biệt..............................................................48II. Chu trình tế bào và phân bào ở Eukaryote...................................... 511. Chu trình tế bào...............................................................................512. Nguyên phân (Mitosis) ....................................................................523. Giảm phân (meiosis)........................................................................53III. Các kiểu sinh sản........................................................................... 59

1.Sinh sản vô tính................................................................................ 592. Sinh sản hữu tính............................................................................. 593. Các hình thức sinh sản đặc biệt.......................................................614. Chu trình sống hay vòng đời........................................................... 63Câu hỏi ôn tập .................................................................................... 64Tài liệu tham khảo .............................................................................. 64Chương 4. Các quy luật di truyền của Mendel.................................... 66I. Phương pháp thí nghiệm của Mendel...............................................661. Tính trạng hay dấu hiệu (character)............................................... 662. Cách tiến hành thí nghiệm:............................................................. 68II. Lai một tính trạng-Quy luật giao tử thuần khiết..............................691.Thí nghiệm........................................................................................ 692. Giải thích của Mendel..................................................................... 703.Tính trội không hoàn toàn và sự di truyền tương đương..................704. Cơ sở tế bào học.............................................................................. 705. Thí nghiệm chứng minh trực tiếp sự phân ly ở mức giao tử .......... 726. Quy luật thứ nhất (quy luật giao tử thuần khiết.............................. 72III. Lai hai tính và nhiều tính............................................................... 731. Lai hai tính - Quy luật phân ly độc lập và tổ hợp tự do.................. 732. Lai với nhiều cặp tính trạng........................................................... 733. Một số tính trạng Mendel ở người...................................................75

4. Các quy luật chung của tính di truyền.............................................77Câu hỏi ôn tập .................................................................................... 77Tài liệu tham khảo .............................................................................. 78Chương 5. Tương tac gen.................................................................... 79I. Sự tương tác gen giữa các gen alen................................................. 791. Hiện tượng gây chết........................................................................ 792. Sự tương tác giữa các alen của cùng một gen.................................82II. Sự tương tác giữa các gen không alen.............................................831. Tương tác át chế.............................................................................. 833. Tương tác đa gen.............................................................................884. Tính đa hiệu của gen....................................................................... 89III. Những phức tạp trong biểu hiện cuả gen....................................... 891. Gen biến đổi (Modifier gene).......................................................... 892. Các tính trạng bị giới hạn bởi giới tính.......................................... 903. Các tính trạng có sự biểu hiện phụ thuộc vào giới tính.................. 90IV Độ thấm (penetrance) và độ biểu hiện (expression)....................... 911. Độ thấm (độ thâm nhập)..................................................................912. Độ hiện hay độ biểu hiện ................................................................92V. Tác động của môi trường................................................................ 931. Tác động của môi trường bên ngoài............................................... 932. Tác động của môi trường bên trong................................................94

Câu hỏi ôn tập .................................................................................... 95Tài liệu tham khảo .............................................................................. 95Chương 6. Học thuyết di truyền nhiễm sắc thể....................................96I. Sự xác định giới tính và sự di truyền liên kết với giới tính.............. 961. Tỉ lệ phân li giới tính....................................................................... 962. Các gen liên kết với giới tính...........................................................983. Các tính trạng liên kết với giới tính trong di truyền học người... 1014. Gen nam giới và gen nữ giới ở người............................................1014.1. Gen xác định nam giới................................................................ 1014.2. Gen xác định nữ giới...................................................................1025. NST X bất hoạt ở người................................................................. 1026. Hiện tượng không chia ly của NST................................................1047. Xác định giới tính do số bội thể.....................................................1068. Xác định giới tính do điều kiện môi trường ..................................106II. Sự di truyền liên kết...................................................................... 1071. Hiện tượng liên kết........................................................................ 1072. Liên kết hoàn toàn......................................................................... 1083. Hiện tượng di truyền liên kết không hoàn toàn............................. 1084. Các nhóm liên kết(Genelinkage)................................................... 109III. Hiện tượng tái tổ hợp................................................................... 1091. Tái tổ hợp và trao đổi chéo........................................................... 109

2. Cở sở tế bào học của trao đổi chéo...............................................1113. Trao đổi chéo ở trong giai đoạn 4 sợi...........................................1124. Trao đổi chéo nhiều lần.................................................................1145. Nhiễu (Interference) và trùng hợp (Coincidence) ........................ 114IV. Xác định vị trí gen và bản đồ di truyền....................................... 1151.Xác định vi trí gen.......................................................................... 1152. Bản đồ di truyền của NST và bản đồ di truyền tế bào...................116V. NST người và bản đồ NST người................................................ 1191. NST người......................................................................................1192. Kỹ thuật lai tế bào soma................................................................120Câu hỏi ôn tập .................................................................................. 122Tài liệu tham khảo ............................................................................ 122Chương 7. Di truyền học Vi khuân................................................... 123I. Ưu thế và các đặc điểm của đối tượng vi sinh vật .........................1231. Thời gian thế hệ ngắn, tốc độ sinh sản nhanh...............................1232. Có sự tăng vọt số lượng cá thể...................................................... 1233. Có cấu tạo bộ máy di truyền đơn giản.......................................... 1244. Dễ nghiên cứu bằng các kỹ thuật vật lý và hóa học...................... 124II. Đặc điểm của di truyền vi sinh vật................................................124III. Sinh học của vi khuẩn.................................................................. 1251. Cấu tạo tế bào và sinh sản............................................................ 125

2. Đặc điểm nuôi cấy......................................................................... 127IV. Biến nạp ( Transformation)......................................................... 1271. Hiện tượng và điều kiện.................................................................1272. Cơ chế biến nạp.............................................................................1282.1. Xâm nhập của DNA....................................................................1282.2. Bắt cặp........................................................................................ 1302.3. Sao chép...................................................................................... 130V. Tải nạp (Transduction)..................................................................1301. Phage là nhân tố chuyển gen.........................................................1302. cơ chế.............................................................................................1313. Phân biệt các dạng tải nạp............................................................132VI. Giao nạp (Conjugation)............................................................... 1331. Chứng minh có lai ở vi khuẩn....................................................... 1342. Sự phân hóa giới tính ở vi khuẩn...................................................1353. Các nhân tố F' và tính nạp (Sexduction)....................................... 1374. Cơ chế tái tổ hợp .......................................................................... 137VII. Cơ sở di truyền tính kháng thuốc của các vi khuẩn gây bệnh ở người.................................................................................................. 139Câu hỏi và Bài tập..............................................................................140Tài liệu Tham khảo............................................................................140Chương 8. Di truyền học Virus......................................................... 142I. Di truyền học thể thực khuẩn (Bacteriophage hay phage)............. 142

1. Sự hình thành vết tan và các thể đột biến phage...........................1422. Tái tổ hợp di truyền trong một chu kỳ sinh tan (Lytic cycle)........ 1442.1. Chu trình tan (Lytic cycle)..........................................................1443. Sự sắp xếp của các gene trong nhiễm sắc thể phage.................... 1464. Lập bản đồ cấu trúc tinh vi vùng rII của phage T4.......................1475. Tính tiềm tan (Lysogeny) và phage λ............................................ 151II. Đặc tính của các virus................................................................... 1531. Tính đa dạng về cấu trúc và thành phần di truyền....................... 1532. Tính đặc thù về vật chủ (Host specificity).....................................154III. Tái bản của các virus................................................................... 1541. Các virus của vi khuẩn..................................................................1572. Các virus thực vật......................................................................... 1573. Các virus động vật........................................................................ 1584. Virus gây ung thư, HIV/ AIDS.......................................................160Câu hỏi và Bài tập............................................................................. 163Tài liệu Tham khảo............................................................................ 163Chương 9. Di truyền học Vi nấm và Vi tảo.......................................165I. Đại cương về nghiên cứu di truyền ở một số vi tảo thông dụng.... 165II. Phân tích di truyền ở vi nấm......................................................... 1661. Tính không dung hợp (incompatibility) ở vi nấm..........................1662. Phân tích bộ bốn và lập bản đồ ở vi nấm......................................167

3. Phân tích di truyền trong chu trình cận hữu tính (tái tổ hợp trong nguyên phân)..................................................................................... 1713.1. Sự đơn bội hoá (Haploidisation).................................................1723.2. Tái tổ hợp trong nguyên phân (Mitotic recombination)............. 172III. Nấm men như là E. coli của các tế bào eukaryote.......................1731. Các nhiễm sắc thể nấm men nhân tạo (YAC)................................1732. Những hiểu biết mới về tổ chức của các nhiễm sắc thể của nấm men

175...................................................................................................3. Những hiểu biết mới về tái bản và phiên mã của bộ gen nấm men.....

1764. Những hiểu biết mới về ADN ty thể của nấm men........................ 177Câu hỏi và Bài tập..............................................................................178Tài liệu Tham khảo............................................................................179Chương 10. Di truyền Tế bào chất ....................................................180I. Sự di truyền tế bào chất.................................................................. 1801. Sự di truyền của các gene lạp thể.................................................1802. Sự di truyền của các gene ty thể.................................................... 1832.1. Đặc điểm di truyền của các gene ty thể...................................... 1832.2. Hiện tượng bất dục bào chất đực................................................ 1863. Hiệu quả của dòng mẹ lên chiều xoắn vỏ ốc................................. 188II. Lập bản đồ ở lạp thể và ty thể....................................................... 1901. Lập bản đồ gene của DNA lạp thể.................................................1902. Lập bản đồ gene của DNA ty thể...................................................192III. Di truyền học phân tử các bào quan ............................................193

1. Các bộ gene lạp thể (cpDNA)........................................................1932. Các bộ gene ty thể (mtDNA)..........................................................195Câu hỏi và Bài tập..............................................................................195Tài liệu Tham khảo............................................................................195Chương 11. Sự điều hòa biểu hiện của gene..................................... 197I. Các nguyên lý điều hòa và mức độ kiểm soát phiên mã................ 197II. Điều hòa hoạt động gene ở prokaryote......................................... 1991. Cấu trúc của operon......................................................................2002. Điều hòa dương tính operon lactose............................................. 2023. Điều hòa âm tính operon tryptophan............................................ 2044. Phiên mã dở (Attenuation)............................................................ 205III. Điều hòa biểu hiện gene ở eukaryote.......................................... 2081. Sự biến đổi DNA............................................................................2092. Các promoter................................................................................ 2093. Những trình tự tăng cường phiên mã (Enhancer).........................2104. Trình tự bất hoạt gene (gene silencing)........................................ 2115. Promoter chọn lọc (alternative promoter)....................................2116. Splicing chọn lọc........................................................................... 212Câu hỏi và Bài tập............................................................................. 213Tài liệu tham khảo............................................................................. 213Chương 12. Đột biến gene, tái tổ hợp và các yếu tố di truyền di động

215

I. Đột biến gene..................................................................................2151. Các kiểu đột biến gene.................................................................. 2151.1. Đột biến thay thế cặp base.......................................................... 2161.2. Đột biến thêm hoặc bớt base ......................................................2172. Cơ chế gây đột biến điểm.............................................................. 221II. Sửa chữa và bảo vệ DNA.............................................................. 2251. Cơ chế sửa sai sinh học.................................................................2251.1. Quang phục hoạt (photoreactivation) .........................................2251.2. Sửa sai bằng làm mất nhóm alkyl (dealkylation)........................226III. Các yếu tố di truyền vận động (Transposable genetic elements).2301. Các yếu tố di truyền vận động ở prokaryote................................. 2301.1. Gene nhảy của prokaryote.......................................................... 2311.2. Cơ chế của sự chuyển vị............................................................. 2322. Các yếu tố di truyền vận động ở eukaryote................................... 2332.1. Các retrotransposon.................................................................... 2332.2. DNA transposon..........................................................................235Câu hỏi và Bài tập..............................................................................237Tài liệu Tham khảo............................................................................ 238Chương 13. Đôt biên nhiêm săc thê...................................................239I. Đôt biên câu truc nhiêm săc thê......................................................2391. Biến đổi cấu trúc trên một NST:....................................................240

1.1. Sự phát sinh các đột biến cấu trúc trên NST...............................2401.2. Mất đoạn..................................................................................... 2401.3. Lặp đoạn (tăng đoạn - Duplication)............................................ 2421.4. Đảo đoạn (Inversion).................................................................. 2421.5. Chuyển đoạn (Translocation)......................................................246II. Đột biến số lượng NST................................................................. 2481. Đa bội nguyên................................................................................2482. Đa bội thể lai................................................................................. 2503. Đa bội lệch hay đa nhiễm..............................................................251III. Đột biến gây tạo hay cảm ứng..................................................... 2551. Tác động gây đột biến của bức xạ ion hóa....................................2551.1. Bức xạ ion hóa............................................................................ 2551.2. Ảnh hưởng của liều lượng (dose) và cường độ bức xạ (radiation intensity)............................................................................................ 2552. Tác động của tia tử ngoại..............................................................2553. Các tác nhân gây đột biến hóa chất.............................................. 256Câu hỏi và Bài tập............................................................................. 256Tài liệu tham khảo............................................................................. 257

Bài giảng điện tửMôn: Di truyền học (45 tiết)

Trương Thị Bích PhượngKhoa Sinh học, Trường đại học Khoa học, Đại học Huế

Chương 1

Bản chất của vật chất di truyền

Mục tiêu của chươngGiới thiệu bản chất của vật chất di truyền là DNA, thành phần, cấu

trúc của phân tử DNA, dạng DNA khác nhau trong tế bào.

Số tiết: 6

Nội dungI. DNA là vật chất di truyền

Năm 1968, Frederich Miescher (Thụy Điển) phát hiện ra trong nhân tế bào bạch cầu một chất không phải là protein và gọi là nuclein. Về sau thấy chất này có tính acid nên gọi là acid nucleic. Acid nucleic có 2 loại là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic (RNA).

Năm 1914, R. Feulgen (nhà hóa học người Đức) tìm ra phương pháp nhuộm màu đặc hiệu đối với DNA. Sau đó các nghiên cứu cho thấy DNA của nhân giới hạn trong NST. Nhiều sự kiện cho gián tiếp cho thấy DNA là chất di truyền. Mãi đến năm 1944 vai trò mang thông tin di truyền của DNA mới được chứng minh và đến năm 1952 mới được công nhận.

1. Các chứng minh gián tiếp Nhiều số liệu cho thấy có mối quan hệ giữa DNA và chất di truyền

- DNA có trong tế bào của tất cả các vi sinh vật, thực vật, động vật chỉ giới hạn ở trong nhân và là thành phần chủ yếu của nhiễm sắc thể. Đó là một cấu trúc mang nhiều gen xếp theo đường thẳng.

1

- Tất cả các tế bào dinh dưỡng của bất kỳ một loại sinh vật nào đều chứa một lượng DNA rất ổn định, không phụ thuộc vào sự phân hóa chức năng hoặc trạng thái trao đổi chất. Ngược lại, số lượng RNA lại biến đổi tùy theo trạng thái sinh lý của tế bào.

- Số lượng DNA tăng theo số lượng bội thể của tế bào. Ở tế bào sinh dục đơn bội (n) số lượng DNA là 1, thì tế bào dinh dưỡng lưỡng bội (2n) có số lượng DNA gấp đôi.

- Tia tử ngoại (UV) có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bước sóng 260nm. Đây chính là bước sóng DNA hấp thu tia tử ngoại nhiều nhất.

Tuy nhiên trong các số liệu trên, thành phần cấu tạo của NST ngoài DNA còn có các protein. Do đó cần có các chứng minh trực tiếp mới khẳng định vai trò vật chất di truyền của DNA.

2. Thí nghiệm biến nạp DNA (Transformation)Hiện tượng biến nạp do Griffith phát hiện vào năm 1928 ở vi khuẩn

Diplococcus pneumoniae (gây sưng phổi ở động vật có vú). Vi khuẩn này có hai dạng:

- Dạng S (gây bệnh): có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, ngăn cản bạch cầu phá vỡ tế bào. Dạng này tạo khuẩn lạc láng trên môi trường agar.

- Dạng R (không gây bệnh) không có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, tạo khuẩn lạc nhăn.Thí nghiệm được tiến hành như sau:

a. Tiêm vi khuẩn dạng S sống gây bệnh cho chuột, sau một thời gian nhiễm bệnh, chuột chết

b. Tiêm vi khuẩn dạng R sống không gây bệnh cho chuột, chuột sống

c. Tiêm vi khuẩn dạng S bị đun chết cho chuột, chuột chếtd. Tiêm hỗn hợp vi khuẩn dạng S bị đun chết trộn với vi khuẩn R

sống cho chuột, chuột chết. Trong xác chuột chết có vi khuẩn S và R.

2

Hình 1.1 Thí nghiệm biến nạp ở chuột

Hiện tượng trên cho thấy vi khuẩn S không thể tự sống lại được sau khi bị đun chết, nhưng các tế bào chết này đã truyền tính gây bệnh cho tế bào R. Hiện tượng này gọi là biến nạp.

Đến 1944, ba nhà khoa học T. Avery, Mc Leod, Mc Carty đã tiến hành thí nghiệm xác định rõ tác nhân gây biến nạp. Nếu tế bào S bị xử lý bởi protease hoặc RNAase. thì hoạt tính biến nạp vẫn còn, cứng tỏ RNA và protein không phải là tác nhân gây bệnh. Nhưng nếu tế bào chết S bị xử lý bằng DNAase thì hoạt tính biến nạp không còn nữa, chứng tỏ DNA là nhân tố biến nạp. Kết quả thí nghiệm được tóm tắc như sau:

DNA của S + tế bào R sống chuột chết (có S, R )

3

Kết luận: hiện tượng biến nạp là một chứng minh sinh hóa xác nhận rằng DNA mang tín hiệu di truyền. Nhưng vai trò của DNA vẫn chưa được công nhận vì cho rằng trong các thí nghiệm vẫn còn một ít protein.

Hình 1.2 Vật chất di truyền của phage là DNA

3. Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩnNăm 1952, A. Hershey và M. Chase đã tiến hành thí nghiệm với

bacteriophage T2 xâm nhập vi khuẩn E.coli. Phage T2 cấu tạo gồm vỏ protein bên ngoài và ruột DNA bên trong.

Thí nghiệm này nhằm xác định xem phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào tế bào vi khuẩn: chỉ DNA, chỉ protein hay cả hai.

Vì DNA chứa nhiều phosphor, không có lưu huỳnh; còn protein chứa lưu huỳnh nhưng không chứa phosphor nên có thể phân biệt giữa DNA và protein nhờ đồng vị phóng xạ. Phage được nuôi trên vi khuẩn mọc trên môi trường chứa các đồng vị phóng xạ P32 và S35. S35 xâm nhập vào protein và P32 xâm nhập vào DNA của phage

4

Thí nghiệm: phage T2 nhiễm phóng xạ được tách ra và đem nhiễm vào các vi khuẩn không nhiễm phóng xạ, chúng sẽ gắn lên mặt ngoài của tế bào vi khuẩn. Cho phage nhiễm trong một khoảng thời gian đủ để bám vào vách tế bào vi khuẩn và bơm chất nào đó vào tế bào vi khuẩn. Dung dịch được lắc mạnh và ly tâm để tách rời tế bào vi khuẩn khỏi phần phage bám bên ngoài vách tế bào. Phân tích phần trong tế bào vi khuẩn thấy chứa nhiều P32 (70%) và rất ít S35, phần bên ngoài tế bào vi khuẩn chứa nhiều S35 và rất ít P32. Thế hệ mới của phage chứa khoảng 30% P32 ban đầu

Thí nghiệm này đã được chứng minh trực tiếp rằng DNA của phage T2 đã xâm nhập vào tế bào vi khuẩn và sinh sản để tạo ra thế hệ phage mới mang tính di truyền có khả năng đến nhiễm vào các vi khuẩn khác.

Hinh 1.3 Sư xâm nhâp DNA cua virus vao vi khuân

II. Thành phần và cấu tạo hóa học của acid nucleicDNA và RNA là những hợp chất cao phân tử. Các đơn phân là các

nucleotide. Mỗi nucleotide gồm ba thành phần

- H3PO4

5

- Đường desoxyribose (DNA ), ribose ( RNA)- Nitrogenous base

DNA RNA+ Purin Adenin (A) Adenin (A)

Guanin (G) Guanin (G)+ Pyrimidin Cytosin (C) Cytosin (C)

Timin (T) Uracin (U)(a)

(b) (c)

Hình 1.4 Thành phần đường và base của nucleotide

(a) Base purin va pyrimidin

(b) Đương ribose va deoxyribose

(c) Sư khac nhau giưa Thymine va Uracil

Trong nucleotide, base purin sẽ gắn với C1 của đường ỏ N9. Nếu là pyrimidin thì sẽ gắn với C1 của đường ở N3. C5 của đường gắn với nhóm phosphate.

6

Trong mạch, 2 nucleotide nối với nhau nhờ mối liên kết giữa nhóm 3’-OH của đường với nhóm -OH của H3PO4, cùng nhau mất đi một phân tử nước.

Nếu phân tử chỉ gồm đường và nitrogenous base gọi là nucleoside.

1. DNA1.1. Cấu tạo hóa học của DNA

Hình 1.5 Sự bắt cặp bổ sung của các base của hai mạch đơn

Trên cơ sở các nghiên cứu của mình, Chargaff (1951) đã đưa ra kết luận:

+ Số lượng A = T, G = C

7

+ Tỉ số A +T đặc trưng cho mỗi loài sinh vật. G + X

Các base căn bản của acid nucleic bắt cặp bổ sungCũng trong thời gian này, Wilkins và Franklin (người Anh) nghiên

cứu, phân tích tán xạ bằng tia rơnghen, kết luận:+ Các purin và pyrimidin có cấu trúc phẳng, mặt phẳng của chúng

được xếp vuông góc với trục dài của mạch polynucleotide cái này xếp chồng lên cái kia, khoảng cách trung tâm giữa hai mặt phẳng kề nhau là 3,4Ao

+ Mạch polynucleotide xoắn thành lò xo quanh trục giữa, mỗi bước xoắn là 34Ao (ứng với 10 nu)

+ Việc so sánh nồng độ DNA đo được với các số liệu tính toán trên cơ sở sắp không gian của các nguyên tử cho thấy DNA có nhiều hơn một mạch polynucleotide.

Năm 1951, J. Watson và F. Crick: tổng hợp các số liệu phân tích hóa học và tán xạ của tia X, để xây dựng nên mô hình cấu trúc phân tử DNA. Theo mô hình này, phân tử DNA có những đặc trưng chủ yếu trong cấu trúc không gian như sau:

Hình 1.6. Mối liên kết hydro giữa A-T và G-C

8

1. Phân tử DNA gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn song song ngược chiều quanh một trục chung.

2. Các gốc base quay vào phía trong của vòng xoắn, còn các gốc H3PO4, pentose quay ra ngoài tạo phần mặt của hình trụ. Các mặt phẳng của phân tử đường nằm về phía phải của các base. Còn các base thì xếp trên những mặt phẳng song song với nhau và thẳng góc với trục phân tử. Khoảng cách giữa các cặp base là 3,4 Ao. Chúng lệch nhau một góc 360 nên cứ 10 gốc (10 nucleotide) tạo nên một vòng quay.

Hình 1.7 Chuỗi xoắn kép DNA

3. Chiều cao của mỗi vòng xoắn là 34 Ao, gồm 10 bậc thang do 10 cặp base tạo nên. Đường kính của vòng xoắn là 20 Ao.

9

4. Hai chuỗi polynucleotide gắn với nhau qua liên kết hydro được hình thành giữa các cặp base đứng đối diện nhau theo nguyên tắc bổ sung cặp đôi nghiêm ngặt: A luôn luôn liên kết với T bằng 2 mối liên kết hydro, G liên kết với X bằng 3 mối liên kết hydro. Do đó trong phân tử DNA tổng số base loại pirimidin luôn bằng tổng số các base loại purin (quy luật Chargaff).

+ Khoảng cách giữa hai mạch polynucleotide luôn xác định, không thay đổi. Khoảng cách này bằng kích thước của một base loại purin cộng với kích thước của một base loại pirimidin.

+ A luôn luôn đi với T là vì giữa 2 base này chỉ có khả năng hình thành nên hai liên kết hydrro ở các vị trí N6 - O6 và N1 - N1.G luôn luôn đi với X vì giữa 2 base này có thể tạo ra 3 liên kết hydro ở các vị trí N6 - O6, N1 -N1 và N2 - O2.

Vì vậy mà A chỉ liên kết với T và G chỉ liên kết với C.5. Tính chất bổ sung giữa các cặp base dẫn đến tính chất bổ sung

giữa hai chuỗi polynucleotide của DNA. Do đó biết thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi này sẽ suy ra thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi kia. Đặc điểm quan trọng nhất của mô hình là đối song song (antiparallel). Để các bazơ tương ứng đối diện nhau, hai mạch cần phải bố trí: đầu của sợi này đối diện với đuôi của sợi kia. Mô hình Watson-Crick ra đời từ năm 1953 và trong vòng 25 năm tiếp theo nó được công nhận và sử dụng rộng rãi.

Mãi đến những năm 70, nhờ dùng các phân tích chính xác nhiều dạng DNA đã được phát hiện, dạng thường gặp là dạng B theo mô hình của Watson-Crick, đây là cấu trúc phổ biến cho hầu hết sinh vật. Mỗi dạng DNA là một dòng họ các phân tử có kích thước dao động quanh các trị số trung bình

Hai chỉ số được dùng để đánh giá DNA- Chỉ số h: là chiều cao giữa hai nu kề nhau.- Chỉ số n: số nucleotide của một vòng xoắnNgoài DNA dạng B, còn nhiều dạng xoắn phải khác (A, C, D ...)

chúng phân biệt với DNA dạng B về khoảng cách giữa các base cũng như độ nghiêng của chúng so với trục và sự phân bố trên chuỗi kép.

10

Gần đây, người ta còn phát hiện ra một dạng DNA có bộ khung zigzag và đóng xoắn theo chiều trái, gọi là DNA xoắn trái hay DNA Z, trên mỗi vòng xoắn có tới 12 cặp base. Giải thích sự tồn tại của DNA Z có nhiều quan niệm khác nhau: Theo Watson, chỉ trong những điều kiện đặc biệt, như nồng độ muối cao thì các vùng chứa trình tự ...GCGCGC... chuyển sang cấu hình Z, ngược lại ở nồng độ muối thấp chúng quay trở lại dạng B. Điều đó chứng tỏ DNA Z có thể đóng vai trò giảm sức căng cục bộ trong phân tử DNA siêu xoắn hoặc có thể tương tác đặc thù với các protein điều hòa. Tuy nhiên A. Rich cho rằng DNA Z xảy ra trong tự nhiên mà bằng chứng là có mặt trong ruồi giấm bình thường. Có thể là vùng DNA Z nằm xen kẻ với vùng DNA B và chúng có thể xoay hình dáng thành dạng B khi xảy ra các biến đổi hóa học nào đó làm cho DNA Z trở nên không ổn định. Rich còn gợi ý rằng những gen nằm ở các vùng bị xoay như thế thì có thể tháo xoắn sau đó và bắt đầu phiên mã. Nhờ vậy mà protein có thể được tổng hợp. Mặc dù đây mới chỉ là giả thiết song khám phá này đã cung cấp một công cụ tiềm năng cho nghiên cứu về hoạt động của các gen và DNA.Việc phát hiện các dạng DNA cho thấy DNA trong tế bào không đơn điệu. tùy trạng thái sinh lý mà DNA ở dạng này hoặc dạng khác.

Hình 1.8 DNA dạng xoắn kép Za. Mô hình dạng B của Watson-Crick, là dạng xoắn phải với trục đềub. Mô hình dạng Z, là dạng xoắn trái với trục không đều

1.2. DNA cuộn lại trong tế bào Hầu hết trong cơ thể sinh vật, DNA có chiều dài dài hơn rất nhiều

lần so với chiều dài của tế bào.

11

Ví dụ: phage T2 có chiều dài tế bào khoảng 0,16 µm, trong khi chiêu dài ADN của chúng khoảng 50 µm.

Hình 1.9 Các dạng thẳng, vòng tròn và xiêu xoắn của DNA

Do đó DNA ở trong tế bào phải cuộn xoắn. Sự cuộn xoắn này rất tinh vi vì trong quá trình tồn tại, các gen phải hoạt động, như vậy nó phải là một chất có hoạt tính thường xuyênNgười ta thấy DNA có thể ở 3 dạng cấu trúc:

- Dạng siêu xoắn: mạch kép vặn xoắn lại thành hình số 8. Đây là dang tự nhiên ở vi khuẩn.

12

- Dạng vòng tròn: sợi DNA căng tròn có được do DNA siêu xoắn bị cắt đứt 1 trong hai mạch kép.

- Dạng thẳng: khi DNA bị cắt đứt cả hai mạch.Mô hình về bộ gen của E .coli

Ở E. coli, chiều dài DNA được rút ngắn đáng kể, sự cuộn lại được thực hiện nhờ vào các RNA nối. Khi các RNA nối bị cắt thì các DNA bung dài ra, thuận lợi cho sự sao chép DNA. Nếu mạch DNA bị cắt, DNA được tháo xoắn, căng ra thuận lợi cho sự tổng hợp protein.

Hình 1.10 Mô hình cấu trúc nhiễm sắc thể (bộ gen) của E. coli

(Theo Pettijohn và Hecht, 1974)

13

Hình 1.11 Sự tháo xoắn DNA trong tế bào vi khuẩn

2. RNA Ở các sinh vật như: thực khuẩn thể, virus của động vật, virus của

thực vật... thì vật liệu di truyền là RNA. Ở các sinh vật bậc cao có RNA là bản sao mã của DNA.

RNA có cấu tạo từ các đơn phân là các ribonucleotide. Giống với nucleotide, mỗi ribonucleotide gồm ba thành phần: đường ribose, H3PO4, bazơnitric (T được thay bằng U). Trong tế bào có ba loại RNA:

2.1. RNA riboxom (ribosomal RNA-rRNA)rRNA cùng với protein cấu tạo nên ribosome. rRNA chiếm tỷ lệ cao

trong tế bào có thể đến 75% của tổng RNA. Ở các ribosome khác nhau có các rRNA khác nhau, chúng được đặc trưng bởi hằng số lắng S:

- Eukaryote : ribosome có hệ số lắng khi ly tâm là 80S, gồm hai đơn vị:

+ Đơn vị lớn ( 60S) có rRNA 28S; 5,8S; 5S+ Đơn vị nhỏ (40S) có rRNA 18S- Prokaryote và lục lạp, ty thể có hệ số lắng khi ly tâm là 70S, gồm 2

đơn vị:+ Đơn vị lớn (50S): có loại rRNA 23S; 5S+ Đơn vị nhỏ (30S): có rRNA 16S

14

RNA ribosom có cấu trúc bậc I (mạch thẳng) và cấu trúc bậc hai. Trong ribosome, các rRNA tồn tại ở dạng cấu trúc bậc hai. RNA ribosom có cấu tạo là một sợi xoắn có nhiều vùng liên kết đôi theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với U, G liên kết với X và có khi G liên kết với U. Trong tế bào rRNA chiếm tỷ lệ cao có thể lên đến 75-80% tổng số RNA

Hình 1.12 rRNA cấu tạo nên ribosom

2.2. RNA vận chuyển (Transfer RNA - tRNA)Mỗi tRNA gắn với một phân tử amino acid, mang đến ribosome để

tham gia tổng hợp protein. Mỗi tRNA đặc hiệu cho một loại amino acid. Có hơn 20 loại tRNA khác nhau tương ứng với hơn 20 loại amino acid. Trong thực tế, người ta thấy số lượng tRNA lớn hơn rất nhiều so với số lượng amino acid vì một amino acid có nhiều bộ ba mã hóa. Đồng thời cùng một bộ ba mã hóa, vẫn có thể có nhiều tRNA do hiện tượng biến đổi của các nucleotide trong tRNA tạo nên các loại tRNA mới và trong quá trình tổng hợp tRNA, sau khi hình thành chuỗi polynucleotide còn chịu sự tác động của các yếu tố của môi trường nội và ngoại bào làm các nucleotide bị biến đổi, tạo ra các tRNA mới.

Các tRNA cùng tham gia vận chuyển một acid amin là các izoaceptor. Số lượng izoaceptor thay đổi tùy acid amin.

15

Cấu trúc bậc I của tRNA: tRNA vận chuyển có phân tử lượng nhỏ: 25.000-30.000, gồm 75-90 nucleotide, có hằng số lắng 4S. Trong thành phần cấu trúc của tRNA có khoảng 10% các nucleotide hiếm với khoảng 30 loại khác nhau. Mọi cấu trúc của tRNA đều có 2 đầu 5' và 3' giống nhau: đầu 5' luôn chứa G với gốc P tự do, còn đầu 3' luôn có 3 nucleotide là CCA 3'-OH. Nhóm 3'-OH của A có thể liên kết với acid amin để tạo phức hợp tRNA-aminoacyl.

Chuỗi polynucleotide cuộn lại có những đoạn tạo mạch xoắn kép, hình thành cấu trúc bậc hai của tRNA.

Hình 1.13 Cấu trúc của tRNA

Enzyme aminoacyl tRNA synthetase gắn amino acid với tRNA tương ứng. Mỗi enzyme đặc hiệu cho một loại amino acid riêng biệt và xúc tác phản ứng gắn với tRNA của nó nhờ năng lượng ATP tạo ra aminoacyl tRNA. Phức hợp aminoacyl tRNA đến ribosome gắn với mRNA bằng nhờ các bộ ba đối mã (anticodon) trên tRNA bắt cặp bổ sung với các bộ ba mã hóa (codon) trên mRNA.

16

Các tRNA có một số đặc tính cấu trúc chung: chiều dài khoảng 73-93 nucleotide, cấu trúc gồm một mach cuộn lại như hình lá chẻ ba nhờ bắt cặp bên trong phân tử. Đầu mút 3’ có trình tự kết thúc là CCA, amino acid luôn gắn vào đầu này. Đầu 5 chứa gốc phosphate của G.

Mỗi tRNA có có 4-5 vùng với chức năng khác nhau:- Vòng DHU: có chứa nucleotide dihydrouridin, vùng này có chức

năng nhận biết aminoacyl tRNA synthetase- Vòng anticodon: đọc mã trên mRNA theo nguyên tắc kết cặp

anticodon – codon.- Vòng phụ: có thể không có ở một số RNA.- Vòng TφC: có chứa nucleotide pseudouridin, vùng này có chức

năng nhận biết ribosom để vào đúng vị trí tiếp nhận aminoacyl tRNA (vị trí A)

- Đấu 3’ –CCA: vị trí gắn với acid amin.tRNA chiểm khoảng 15% tổng số RNA của tế bào

2.3. RNA thông tin (messenger RNA – mRNA) RNA thông tin làm nhiệm vụ truyền đạt thông tin di truyền từ DNA

đến protein. mRNA chiểm khoảng 5% tổng số RNA tế bào.Cấu trúc của mRNA:

5’ m7GxpYp AUG UAG 3’

vùng 5’ vùng vùng 3’

không mã hóa mã hóa không mã hóaX, Y có thể là A hoặc G

DNA polymerase khởi sự phiên mã ở đoạn nằm ngay trước vùng mã hóa được gọi là đoạn 5’ không mã hóa (5’-non coding). Do đó mRNA có đoạn đầu mang các tín hiệu cho ribosome nhận biết để gắn vào dịch mã. Ở đuôi 3’ sau dấu kết thúc có đoạn 3’ không mã hóa là nới gắn poly-A.

Các mRNA của prokaryote có nữa thời gian (half life) tồn tại ngắn trung bình 2 phút. Các mRNA của Eukaryote có nữa thời gian tồn tại khoảng 30 phút - 24 giờ.

17

Hình 1.14 mRNA ở Prokaryote

Hình 1.15 mRNA ở eukaryote

2.4. Ribozym và self- splicingVào 1981, phát minh về vai trò xúc tác của một số phân tử RNA đã

làm đảo lộn quan điểm về chất này.Các phân tử rRNA của các loài nguyên sinh động vật, lúc đầu được

tổng hợp với một số lượng lớn tiền chất, từ số các rRNA này sẽ có một được tạo ra bằng cách tự cắt nối (self - splicing). Quá trình cắt nối này có thể xảy ra ở in vitro trong sự vắng mặt của protein. Điều đó cho thấy rằng các trình tự intron tự nó có hoạt tính xúc tác tương tự enzyme. Phản ứng self-splicing trong đó trình tự intron tự xúc tác quá trình tự cắt rời khỏi phân tử rRNA ở loài Tetrahymena qua 2 bước:

+ phản ứng được bắt đầu khi nucleotide G gắn vào trình tự intron, đồng thời cắt mạch RNA.

18

5’

Vò trí gaén Rb

Maõ khôûi ñaàu AUG

Vuøng khoâng maõ hoùa

3’

P1

UAA maõ keát thuùc

P2

UAA maõ keát thuùc

P3

UAA maõ keát thuùc

Maõ khôûi ñaàu AUG Maõ khôûi ñaàu AUG

Vò trí gaén Rb Vò trí gaén Rb

P P PG5’

5’ CAPVò trí gaén Rb

Vuøng khoâng maõ hoùa

AUG

Maõ keát thuùc UAA

Vuøng khoâng maõ hoùa

A-A-A--3’

+ Đầu 3’ của RNA mới vừa được tạo ra gắn vào đầu bên kia của intron hoàn thành phản ứng nối liền

Hình 1.16 Hoạt động cắt intron và nối exon trên mRNA

Trình tự intron dài 400 nucleotide đã được tổng hợp trong ống nghiệm và nó cuộn lại tạo phức hợp bề mặt có hoạt tính tương tự enzyme trong các phản ứng với các RNA khác. Mặc dù splicing phần lớn không được thực hiện tự động như ở Tetrahymena nhưng hiện tượng này cũng được phát hiện ở những sinh vật khác, cả ở nấm và vi khuẩn.

Các RNA có khả năng tự xúc tác được gọi là ribozyme. Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm hiểu cơ chế và nguồn gốc sự sống.

19

Hình 1.17 Phản ứng self-splicing của RNA

III Các tính chất của DNA1. Biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation)

Hai mạch đơn của phân tử AND gắn với nhau nhờ các liên kết hydro.Khi đun nóng DNA từ từ, vượt quá nhiệt độ sinh lý (khoảng 80-95oC), các liên kết hydro giữa 2 mạch bị đứt và chúng tách rời nhau. Trước tiên các mối liên kết A-T, khi nhiệt độ > 90oC các liên kết G -C bị đứt. Đó là hiện tượng biến tính của DNA.

Nhiệt độ mà ở đó 2 mạch DNA tách rời nhau được gọi là điểm chảy melting poin) của DNA: Tm. Nhiệt độ này đặc trưng cho mỗi loại DNA, phụ

20

thuộc vào số lượng các liên kết hydro. DNA có tỷ lệ G-C cao sẽ có điểm chảy cao. DNA có 60% G-C thì điểm chảy là 95oC.

Hình 1.18 Sự biến tính và hồi tính của DNA

Ngoài nhiệt độ, người ta còn dùng chất formanide (NH2 -CH = 0) làm biến chất DNA ở 40oC

Các DNA bị biến chất được hạ nhiệt độ từ từ, ở 60o -700C các nucleotide sẽ gắn lại với nhau để tạo nên DNA mạch kép. Hiện tượng này gọi là hồi tính.

21

Có thể biết được DNA bị biến tính hoặc chưa nhờ vào sự gia tăng hấp thụ tia cực tím khi bị biến tính và sự giảm hấp thu tia cực tím khi hồi tính. Giá trị mật độ quang tăng lên khi phân tử mạch đôi chuyển thành mạch đơn, điều này xảy ra do “hiệu ứng siêu sắc” (hyperchromic effect), hoặc dựa vào sự thay đổi độ lắng tụ trong ống nghiệm khi ly tâm.

2. Lai acid nucleicSử dụng đặc tính biến tính rồi hồi tính có thể tiến hành lai DNA với

DNA, DNA với RNA, RNA với RNA.Nguyên tắc: lấy DNA A làm biến tính thành mạch đơn, trộn với

DNA B cũng bị biến tính thành mạch đơn. Dung dịch được hạ nhiệt độ từ từ để xảy ra hồi tính. Đây là kiểu lai lỏng hay lai trong dung dịch. Quá trình hồi tính xảy ra, sợi A kết với A, B kết với B, đồng thời có sợi A kết với B tạo thành phân tử lai. Muốn lai được với nhau, giữa 2 loại DNA phải có những đoạn có trình tự bổ sung nhau. Có thể dùng đồng vị phóng xạ đánh dấu để phát hiện đoạn lai.

Hiện nay còn sử dụng phương pháp lai trên pha rắn, được sử dụng rộng nhất:

+ Phương pháp Southern blot, dùng cho DNA+ Phương pháp Northern blot dùng cho RNA+ Phương pháp dot (điểm) và slot (khe) blot dùng cho RNA và DNA- Lai tại chỗ (in situ hybridization) là kiểu lai phân tử trong đó trình

tự acid nucleic cần tìm (trình tự đích) nằm ngay trong tế bào hay trong mô. Lai tai chỗ cho phép nghiên cứu NST, khuẩn lạc hay mô tế bào mà không cần tách chiết chúng.

Dùng phương pháp lai DNA:+ Có thể xác định mối quan hệ họ hàng giữa các loài. DNA người và

DNA chuột chỉ lai được 25%.+ Có thể tiến hành lai mRNA với DNA để xác định vị trí gen trên

DNA tạo ra mRNA tương ứng.Phương pháp lai acid nucleic giúp hiểu chi tiết hơn về bộ gen, nó là

cơ sở của phương pháp chẩn đoán mới dùng acid nucleic đang đuợc sử dụng rộng rãi.

22

Hình 1.19 Phát hiện các DNA lai với mẫu dò

IV. Những cấu trúc chứa DNA trong tế bào1. Những đoạn DNA chứa thông tin di truyền

Đại phân tử DNA là do polynucleotide tạo thành, được chia làm nhiều đoạn. Mỗi đoạn là một đơn vị chức năng, gọi là gen

Gen được định nghĩa trong di truyền học:+ Mendel là người đầu tiên nêu lên khái niệm “nhân tố di truyền”+ J. Morgan cụ thể hóa khái niệm về gen: gen nằm trên nhiễm sắc

thể chiếm một locus nhất định. Gen là đơn vị chức năng xác định một tính trạng.

+ Sau khi học thuyết trung tâm ra đời: gen là đoạn DNA trên nhiễm sắc thể không những mã hóa cho các loại protein mà cả các loại RNA.

+ Cuối những năm 70, sau khi phát hiện ra gen gián đoạn: gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptid nó bao gồm cả vùng trước và sau vùng mã hóa cho protein và cả những đoạn không mã hóa xen giữa các đoạn mã hóa.

Hiện nay có thể định nghiã tổng quát như sau: gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền chiếm một locus nhất định trên NST 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 RNA được sử dụng trực tiếp cho

23

tổng hợp các enzym, các protein cấu trúc hay các mạch polypeptid để gắn lại tạo ra các protein có hoạt tính sinh học.

Toàn bộ những gen khác nhau của cơ thể, gọi là Idiotype. Ở Eukaryote nó bao gồm các gen trên nhiễm sắc thể (chromotype) và các gen ngoài nhân (plasmotype). Ở prokaryote, nó bao gồm bộ gen và plasmid.

2. Virus chứa DNA và virus chứa RNAVirus gây bệnh đốm thuốc lá (mosaic tobacco virus - MTV) là virus

chứa RNA sợi đơn. Nó là một hạt hình que dài 300 nm, có đường kính 18 nm. Bên ngoài có một vỏ chứa 2130 phân tử và một vòng xoắn RNA ở bên trong. Chiều cao vòng xoắn: 23Ao, khối lượng phân tử = 2.106 đvC.

Hình 1.20 Virus khảm thuốc lá

a. Ảnh virus khảm thuốc lá chụp bằng

kính hiển vi điện tử ở

độ phóng đại 37.428X

b. RNA điều khiển sự hình thành

tính trạng vỏ của virus

Một số virus chứa DNA sợi đôi như các thực khuẩn thể T2, T4, T6

chứa DNA mạch đôi thẳng, dài. Có chứa 2.105 đôi nucleotide, khối lượng

24

phân tử: 130.10 đvC. Khi lực thẩm thấu của môi trường thay đổi đột ngột, phân tử DNA này thoát ra khỏi vỏ protein, người ta chụp ảnh được ảnh DNA của tjực khuẩn thể T2 với chiều dài 0,05 mm (50µm), phân tử này xếp gọn ở phần đầu của thực khuẩn thể. Tất cả thực khuẩn thể T số chẵn chứa DNA với mạch polynucleotide giống nhau, nên khi trộn lẫn các DNA mạch đơn đã bị biến tính của chúng với nhau thì các mạch đơn này có thể tạo thành phân tử lai. Phân tử DNA của T3, T7 không thể hình thành phân tử DNA lai với DNA của T số chẵn. Còn virus ΦX174 có chứa DNA sợi đơn gồm 5400 nucleotide với khoảng 9 gen.

3. Nhiễm sắc thể chính và plasmid của vi khuẩnDNA của vi khuẩn làm thành thể nhân, tiếp xúc trực tiếp với tế bào

chất, không có màng nhân làm giới hạn. DNA của thể nhân là DNA mạch vòng, xoắn kép Ví dụ: DNA E.coli có đường kính 350 µm, gồm 4.106 đôi nucleotide và chứa khoảng 500 gen xếp nối tiếp nhau thành chuỗi dài chi phối tất cả các hoạt động chức năng của sự sống.

Plasmid cũng là phân tử DNA mạch kép, dạng vòng ở bên cạnh thể nhân. Khối lượng phân tử trung bình khoảng 1% DNA của thể nhân.

Các plasmid có thể gắn tạm thời hoặc vĩnh viễn ở trên NST chính của vi khuẩn. Có thể tham gia sự tự nhân đôi và tham gia tiếp hợp khác như là một phần của NST chính.

4. Nhiễm sắc thể Eukaryota.4.1 Các trình tự lặp lại và đơn độc

DNA được cắt thành từng đoạn nhỏ, cho biến tính, sau đó hồi tinh thì các đoạn có trình tự bổ sung dễ tái tổ hợp với nhau hơn các đoạn khác. Nhờ vậy có thể nhận biết được các trình tự lặp lại. Dựa vào đó phân DNA thành ba loại:

+ DNA đơn độc (tái hợp rất chậm)+ DNA lặp lại trung bình (tái hợp nhanh vừa)+ DNA lặp lại cao (tái hợp rất nhanh)

25

Mặc dù DNA mang thông tin mã hóa cho các protein nhưng trong thực tế chỉ có khoảng 10% trong số 3 tỷ cặp nucleotide trong genome của người thực sự làm chức năng này. Căn cứ vào đặc điểm cấu trúc và phân, chia DNA thành các loại sau:

- DNA đơn độc (Single copy DNA)Đây là loại phổ biến nhất, chiếm khoảng 75% genome. Các đoạn

DNA này chỉ thấy 1 lần (hoặc vài lần) trong genome. Một phần nhỏ của DNA loại này là các gen mã hóa cho protein. Hẫu hết các DNA đơn độc là các intron hoặc là các đoạn nằm xen giữa các gen.

- DNA lặp lại (repetitive DNA)Chiểm 25% còn lại của genome, đây là các đoạn DNA được lặp đi

lặp lại hàng ngàn lần trong genome. DNA lặp lại gồm 2 loại:+ DNA vệ tinh (satellite DNA): loại DNA tập trung ở 1 số vùng nhất

định trên NST, ở đó chúng xếp đuôi nhau, cái này tiếp cái kia. Loại này chiếm 10% bộ gen.

+ DNA lặp lại rãi rác: loại DNA này chiếm khoảng 15% genome, gồm 2 loại:

Các yếu tố rãi rác có kích thước ngắn SINEs (short interspersed repetitive elements): kích thước từ 90-500 bp. Trong nhóm này có loại DNA lặp lại tên Alu với kích thước khoảng 300 bp, mang đoạn DNA có thể bị enzyme hạn chế Alu I cắt (đây là enzyme có nguồn gốc từ vi khuẩn Arthrobacter luteus). Đoạn lặp Alu là 1 họ bao gồm các đoạn DNA có độ giống nhau cao, phân bố rãi rác khắp hệ gen với khoảng 300.000 bản sao, chiếm khoảng 2-3% toàn bộ DNA của người, chúng được xem như là các yếu tố vận động. Ở 2 đầu mỗi đoạn Alu có các đoạn lặp cùng chiều ngắn khoảng 7-10 bp. Bên trong đoạn Alu có các đoạn lặp dài khoảng 40 bp. Điểm đặc biệt của các đoạn lặp DNA này là có thể tạo ra bản sao của mình và có thể cài vào các phần khác của bộ gen. Hiện tượng này đôi khi có thể làm gián đoạn một gen mã hóa cho protein nào đó và gây ra tình trạng bệnh lý di truyền.

Vai trò của các trình tự Alu đến nay chưa rõ. Một điều đáng kinh ngạc là có sự tương đồng (homologus) từ 80-100% giữa phần 3' của Alu với đầu mút 5' và 3' của RNA 7SL, là phần tương tác với các tín hiệu peptid trước khi vận chuyển ra tế bào chất. Việc xác định trình tự nucleotide của

26

Alu cho thấy có ít nhất 6 nhóm phụ và tất cả đều bắt nguồn từ DNA mã hóa cho RNA 7SL.

Các yếu tố rãi rác có kích thước dài LINEs (long interspersed repetitive elements): bao gồm các họ LINE 1 (hay Kpn 1) và THE 1. Các trình tự LINE có chiều dài khoảng 6000-7000 bp với gần 5.000 bản sao nguyên vẹn và 100.000 bản sao từng phần rãi rác khắp bộ gen người. Chúng là những trình tự lặp lại không mã hóa dài nhất và thường ở vùng giàu AT. Các bản phiên mã trình tự LINE gắn với protein tạo thành phức hợp ribonucleoprotein. Ở một dòng tế bào người bị ung thư (teratocarcinome), người ta quan sát thấy có các ribonucleoprotein này. Sự xen đoạn LINE vào các vị trí khác nhau có thể gây hậu quả nhất định, như trong một trường hợp bệnh máu không đông A (hemophilia).

4.2. Nhiễm sắc thể của EukaryotaNhiễm sắc thể chứa một phân tử DNA thẳng, mạch kép. NST

Eukaryote gồm DNA và protein, trong số đó histon là protein cốt lõi trong việc cuộn lại và điều hòa hoạt tính của DNA.

Sự hình thành NST kỳ giữa từ chuỗi xoắn kép DNA qua hệ thống các bậc cấu trúc sau:

+ Nucleosome là đơn vị cấu trúc của NST được tạo nên do sợi DNA dài quấn quanh các protein histon thành sợi 11nm. Đơn vị này là phức hợp gồm 146 cặp nucleotide của DNA quấn quanh 8 phân tử histon: 2H2A, 2H2B, 2H3 ,2H4. Các nucleosome kề nhau được nối qua một phân tử histon trung gian H1.

+ Sợi chromatin dày 30nm: các nucleosome xếp sít nhau tạo thành phức hợp nucleoprotein.

+ Vùng xếp cuộn dày 300 nm do sợi chromatin sau nhiều lần xoắn uốn khúc tạo nên.

+ Chất dị nhiễm sắc 700 nm+ Kỳ giữa 1400nm.

27

Hình 1.21 DNA quấn quanh bởi protein histon

28

Hình 1.22 Phức hợp nucleoprotein cuộn lại thành NST

4.3. Trình tự CEN: trình tự lặp lại cao CEN là của các tâm động.

4.4. Trình tự TEL: thuộc các telomer (đầu mút của NST) với nhiều vai trò khác nhau: bảo vệ đầu mút NST khỏi bị cắt bởi nuclease, giữ chiều dài của NST khi sao chép, gắn với màng nhân và kìm hãm sự biểu hiện của các gen ở đầu mút. Các trình tự TEL có tính bảo tồn cao trong tiến hóa. Chúng có số lần lặp lại cao, giàu A và C.

29

Câu hỏi ôn tập 1. Nêu chứng minh gián tiếp cho thấy DNA là vật chất di truyền.2. Trình bày thí nghiệm biến nạp qua đó chứng minh DNA là vật chất di truyền.3, Các đặc điểm của mô hình cấu trúc của Watson và Crick (1953).4. Mô tả các dạng tồn tại của DNA trong tế bào.5. Mô hình vầ cấu trúc bộ gene của E. coli.6. Cấu trúc và chức năng các loại RNA trong tế bào Eukaryote.7. DNA và RNA khác nhau ở những cấu phần nào8. Hãy nêu các tính chất của phân tử DNA.9. Các trình tự lặp lại ở DNA Eukaryote10. Trình bày các mức độ kết cuộn của DNA để hình thành nhiễm sắc thể.

Tài liệu tham khảo Trịnh Văn Bảo, Phan Thị Hoan, Trần Thị Thanh Hương, Trần Thị

liên, Trần Đức Phấn, Phạm Đức Phùng, Nguyễn Văn Rực, Nguyễn Thị Trang. 2002. Các nguyên lý sinh học. NXB Y học Hà Nội.

Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục.Nguyễn Bá Lộc (2004). Acid nucleic và sinh tổng hợp protein. Trung

tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế.Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo

Dục.Hoàng Trọng Phán (1995). Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo

Từ xa, Đại học Huế.Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin,

William M. Gelbart, David T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman Publishers.

Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers. Toronto, Canada.

Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Inc., New York.

30

Chương 2

Sao chép DNA

Mục tiêu của chương Giới thiệu về sao chép DNA, nguyên tắc của sao chép và các nhân tố

tham gia vào quá trình sao chép DNA, các hệ thống sửa sai DNA nhằm duy trì tính chính xác của thông tin di truyền qua các thế hệ.

Số tiết: 3

Nội dung I. Sự bền vững của DNA với thời gian và qua nhiều thế hệ1. DNA bị biến đổi ngay cả không sao chép

Hình 2.1 Sự mất amin của các base (desamination)

DNA là những phân tử rất dài, nhưng mảnh (đường kính: 20 Ao), lại thường xuyên chịu tác động môi trường bên trong và bên ngoài tế bào nên dễ có những đứt gãy, biến đổi ngay cả khi không có sao chép.

31

Người ta tính ra rằng DNA của tế bào người mỗi ngày mất 5000 purin do quá trình mất purin (depurination): dưới tác dụng của nhiệt liên kết N-glycosil bị thủy phân.

Quá trình biến đổi làm mất amin (desamination): biến cytosin thành uracin. Mỗi ngày tế bào người có khoảng 100 biến đổi như vậy.

Con người cũng thường xuyên chịu tác động của tia tử ngoại làm tạo ra các dimer thymine.

Hình 2.2 Sự hình thành dimer thymine dưới tác dụng của tia tử ngoại

2. Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ

Dùng các nucleotid và các enzyme DNA polymerse để tổng hợp DNA in vitro. Sai sót trong trường hợp này là 10-5. Như vậy sao chép trong ống nghiệm có mức chính xác cao, nhưng đối chiếu lên các sinh vật thì mức sai sót này hãy còn quá lớn.

32

Bằng cách đánh giá tần số các đột biến mới xuất hiện trong quần thể lớn và theo dõi biến đổi enzyme nào đó trong nuôi cấy mô tế bào, người ta tính được rằng trong cơ thể sinh vật sai sót trong khi sao chép in vivo là 1.10-9.

Đánh giá tốc độ biến đổi trong tiến hóa cũng khẳng định mức chính xác rất cao trong sao chép in vitro.

3. Các hệ thống bảo vệ DNATrong tế bào có một loạt hệ thống để bảo vệ DNA:- Các sinh vật tiền nhân và nhân thực đều chứa các enzyme có nhiệm

vụ methyl hóa ở những điểm nhất định. Các enzyme cắt hạn chế của mỗi dòng vi khuẩn không cắt DNA của chúng vì đã được methyl hóa ở những điểm cần thiết, còn DNA ngoại lai vì không được methyl hóa ở những điểm nhất định nên bị cắt.

Tế bào còn có các hệ thống sửa sai (repair system):+ Sửa sai bắng cách cắt bỏ rồi tổng hợp sợi mới

Các enzyme DNA polymerase I, II, III đều có hoạt tính polymerase hóa, còn có hoạt tính exonuclease theo hướng 5-3.

Hình 2.3 Sửa sai bằng cắt bỏ và tổng hợp lại đoạn bị hỏng

33

+ Sửa sai nhờ cơ chế tái tổ hợpNgay cả khi không có sao chép vẫn có hệ thống bảo vệ: do DNA có

hai mạch, khi sai hỏng trên một mạch, có thể dựa vào mạch còn lại để tổng hợp đoạn sai hỏng.

Một số enzyme đặc hiệu phát hiện sự bắt cặp sai, như trong trường hợp mất purin. Có khoảng 50 enzyme chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử DNA.

Hình 2.4. Sửa sai nhờ enzyme

4. Sửa sai do phục quang hồiDưới tác dụng của tia tử ngoại, làm các timin đứng gần nhau sẽ gắn

lại tạo thành dimertimin.Khi trở lại ánh sáng, ánh sáng sẽ kích thích một enzyme cắt bỏ

dimerthymin tạo timin bình thường. Hiện tượng ánh sáng kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin gọi là quang phục hồi.

34

5. Hệ thống SOSỞ tế bào vi khuẩn hoặc tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng do chiếu

tia UV, tia X hoặc do tác dụng của các hóa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp được khởi động, tăng cường sửa sai. Ở E.coli, hệ thống này có liên quan với 2 protein được mã hóa bởi gene LexA và RecA. Protein LexA là một chất ức chế, nó gắn vào hộp SOS, chồng lấp các promotor của các gene SOS, ngăn cản sự mã nhóm các gen của hệ thống SOS. Một vài sản phẩm của DNA bị tổn thương sẽ làm hoạt hóa protease recA. Protein recA bị hoạt hóa sẽ cắt bỏ protein lexA, cho phép các gen của hệ thống SOS phiên mã. Phẩn ứng của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhưng phức tạp. Nó bao gồm các quá trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi trong khởi sự sao chép, ức chế nuclease và kích thích phục hồi sao chép và chuyển sai hỏng thành sửa sai úp sấp (error-prone replication). Tế bào bây giờ sẽ xảy ra sự sao chép nhanh hơn bình thường.

+ Nếu sửa sai kịp, tế bào ổn định, sinh trưởng trở lại+ Nếu không sửa sai kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc chết hoặc bị

đột biến

Hình 2.5 Sửa chữa do quang phục hồi

35

II. Cơ chế phân tử của sao chép DNA 1. Nguyên tắc chung

- DNA sao chép theo khuôn.Ưu điểm: + Với phân tử lớn như vậy thì việc tổng hợp theo khuôn sẽ chính xác hơn

+ Tiết kiệm được ezyme + Đạt hiệu quả nhanh - Sao chép theo nguyên tắc bán bảo tồn (semi-conservative) phân tử

DNA mới được tổng hợp gồm một mạch cũ làm khuôn và một mạch mới tổng hợp

- Quá trình tổng hợp DNA xảy ra đòi hỏi phải có “ mỗi “ (primer)- Quá trình tổng hợp xảy ra theo chiều 5 - 3.

Hình 2.6 Sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn36

2. Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNAKornberg (1956) thực hiện phản ứng tổng hợp DNA in vitro. Trong

quá trình tổng hợp ông sử dụng DNA polymerase I, 4 loại desoxynucleotid triphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP), Mg2+ làm xúc tác. Ngoài ra còn có ít DNA làm khuôn mẫu.

3. Thí nghiệm chứng minh có sự tự nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo tồnMeselson, Stahl (1958) đã chứng minh kiểu sao chép bán bảo tồn.

Nuôi E.coli nhiều thế hệ trên môi trường có nguồn nitơ đồng vị nặng N15. Như vậy tất cả DNA của vi khuẩn đều mang đồng vị nặng N15 thay cho N14

bình thường. Sau đó tế bào được chuyển sang môi trường chỉ chứa N14 nhẹ, mẫu các tế bào được lấy ra theo những khoảng thời gian đều đặn và chiết tách DNA. Bằng phương pháp ly tâm trên thang nồng độ CsCl, các loại DNA nặng, nhẹ và lai được tách ra.

Hình 2.7 Thí nghiệm của Meselson và Stahl

37

Kết quả cho thấy DNA nặng ban đầu (thế hệ 0) chứa N15, sau một lần phân chia cho thế hệ I với DNA lai có tỷ trọng nằm giữa DNA nặng N15

và DNA nhẹ N14. Nói cách khác sau một lần sao chép phân tử DNA mới chứa một nữa mang N15 và một nữa N14. Ở thế hệ II một nữa số phân tử DNA là lai, nữa còn lại là DNA nhẹ N14. Thí nghiệm này khẳng định giả thuyết của Watson và Crick là đúng tức 2 mạch DNA mẹ tách ra, mỗi cái làm khuôn để tổng hợp nên mạch mới bổ sung.

4. Diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coliQuá trình sao chép DNA ở E.Coli diễn ra qua hai giai đoạn:

4.1. Giai đoạn khởi sự (initiation)

Hình 2.8 Sao chép DNA ở vi khuẩn E.coli

38

+ Mở xoắn:Ở E.coli quá trình bắt đầu khi một protein B đặc hiệu nhận biết điểm

khởi sự sao chép (replication orgine) ori và gắn vào trình tự base đặc biệt đó. Tiếp theo enzyme gyrase (một loại topoisomerase) cắt DNA làm tháo xoắn ở 2 phía của protein B. Trong khi 2 phân tử enzyme gyrase chuyển động ngược chiều nhau so với điểm ori thì 2 phân tử của enzyme helicase tham gia tách mạch tạo chẻ ba sao chép. Helicase sử dụng năng lượng ATP làm đứt các liên kết hydro giữa 2 base bắt cặp với nhau.

+ Các protein làm căng mạch SSB (single-strand binding protein) gắn vào các mạch đơn DNA làm chúng tách nhau, thẳng ra và ngăn không cho chập lại hoặc xoắn để việc sao chép được dễ dàng.

+ Tổng hợp mồi (primer) dặc trưng cho quá trình kéo dài chuỗi là DNA polymerase chỉ hoạt động khi đã có mồi, nên trước khi tổng hợp chuỗi thì phải có qua trình tổng hợp mồi. Mồi là một đoạn khoảng 9 -10 nu, có thể là DNA hoặc ARN.

4.2. Giai đoạn nối dài (elongation)Do tính chất đối song song nên khi tách ra thành 2 mạch đơn khuôn

thì một mạch có đầu 3’, mạch kia có đầu 5’ nên để đảm bảo hướng sao chép của DNA theo chiều 5’ -3’ thì sự polymer hóa dựa vào 2 mạch khuôn DNA diễn ra khác nhau.

Mạch khuôn có đầu 3’ được DNA polymerase III gắn vào và tổng hợp ngay mạch bổ sung 5’-3’ hướng vào chẻ ba sao chép. Mạch khuôn này được gọi là mạch khuôn trước, còn mạch mới được tổng hợp gọi là mạch trước (leading strand).

Ở mạch có đầu 5’ (mạch khuôn sau) việc tổng hợp phức tạp hơn và thực hiện từ chẻ ba sao chép hướng ra ngoài để đảm bảo đúng hướng 5’-3’. Khi mạch kép tách ra ở gần chẻ ba sao chép , enzyme primase gắn mồi (primer) ARN khoảng 10 nucleotid có trình tự bổ sung với mạch khuôn. DNA-polymerase III nối theo mồi ARN, theo hướng ngược với chẻ ba sao chép, tổng hợp các đoạn ngắn 1000-2000 nucleotid, gọi là các đoạn Okazaki (người phát hiện là Reiji Okazaki). DNA polymerase nối dài đoạn Okazaki đến khi gặp ARN mồi phía trước thì dừng lại, rồi lùi ra sau tiếp tục tổng hợp từ ARN mồi mới được tạo nên gần chẻ ba sao chép. Tiếp theo DNA-

39

polymerase I nhờ hoạt tính exonuclease 5’-3’ cắt bỏ mồi ARN, lắp các nucleotid của DNA vào chỗ trống và thực hiện polymer hóa hướng 5’-3’. Đoạn DNA ngắn 10 nucleotid này còn hở 2 đầu, chỗ hở được nối nhờ enzyme ligase của DNA mạch được tổng hợp từ chẻ ba sao chép hướng ra ngoài được tổng hợp chậm hơn nên gọi là mạch sau (lagging strand).

Quá trình sao chép DNA ở E.coli diễn ra với tốc độ rất nhanh, có thể đạt đến 50.000 nucleotid/phút.

III. Sao chép DNA trong tế bào1. Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote

Để theo dõi sao chép DNA đồng vị phóng xạ Thymidin (tiền chất đặc hiệu cho DNA) được sử dụng. Quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori (điểm xuất phát sao chép) và triển khai ra cả 2 phía. Khi DNA vòng tròn đang sao chép, quan sát thấy dạng DNA hình con mắt. Chẻ ba sao chép lan dần cuối cùng tạo ra 2 phân tử DNA lai: một mạch có mang dấu phóng xạ (thymidin-H3). Có trường hợp sao chép chỉ xảy ra về một phía.

E.coli chỉ có một điểm xuất phát sao chép ori nên cả phân tử DNA thành một đơn vị sao chép thống nhất được gọi là replicon. Bộ gen của sinh vật tiền nhân thường chỉ có một replicon.

Hình 2.9 Sao chép DNA từ một điểm về 2 phía và về một phía

40

2. Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào eukaryoteTế bào nhân thực có số lượng DNA lớn hơn nhiều so với tế bào tiền

nhân, tạo nên nhiều nhiễm sắc thể mà mỗi cái gồm một sợi DNA thẳng kết hợp với protein. Do đó sao chép DNA của tế bào nhân thực phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn (khoảng 50 nucleotid/giây).

Hình 2.10 Sao chép của nhiều replicon

41

Điểm khác căn bản là DNA của tế bào nhân thực có nhiều repliconVí dụ: Saccharomyces cerevisiae có tới 500 replicon, tức có 500 điểm xuất phát sao chép. Quá trình sao chép cũng bắt đầu từ ori rồi lan về 2 phía. 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 trước khi toàn bộ DNA được sao chép hoàn toàn.

Ở các eukaryote có 5 loại DNA polymerase được ký hiệu là pol α, pol β, pol γ, pol δ, pol ε. Các loại DNA polymerase này không đồng nhất về phân tử lượng và một số đặc tính hóa học. Pol γ phân bố trong ty thể và tham gia tái bản DNA ở ty thể, các DNA polymerase còn lại ở trong nhân. Trong nhân, DNA polymerase δ và DNA polymerase ε là 2 enzyme chính tham gia tổng hợp trên sợi khuôn dẫn đầu và sợi chậm. Pol β và tiểu đơn vị bé của pol δ có hoạt tính đọc sửa.

Câu hỏi ôn tập 1. Hãy trình bày thí nghiệm chứng minh sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn2. Sao chép DNA trên 2 mạch khuôn xảy ra như thế nào?3. Các cơ chế nào đã đảm bảo sự ổn định rất cao của thông tin di truyền4. Hãy nêu các nhân tố tham gia vào sao chép DNA.5. Trình bày diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli6. Mục đích của cơ chế sao chép từ một phân tử DNA cho ra nhiều bản sao

Tài liệu tham khảo Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục.Nguyễn Bá lộc (2004). Acid nucleic và sinh tổng hợp protein. Trung

tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế.Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo

Dục.Hoàng Trọng Phán (1995). Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo

Từ xa, Đại học Huế.

42

Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart, David T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman Publishers.

Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers. Toronto, Canada.

Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Inc., New York.

43

Chương 3

Cơ sở tế bào học của tính di truyền

Mục tiêu của chương Giới thiệu các cấu trúc trong tế bào có khả năng tự tái sinh, chu trình

tế bào, các hình thức phân bào, các phương thức sinh sản.

Số tiết: 3

Nội dung I. Các cấu trúc tế bào và khả năng tự tái sinh

Tế bào của những sinh vật ở mức tiến hóa thấp như vi khuẩn, vi khuẩn lam chưa có nhân hoàn chỉnh nên gọi là tế bào tiền nhân và những sinh vật này gọi là những sinh vật tiền nhân (Prokaryote).

Các tế bào có nhân hình thành rõ ràng được gọi là tế bào nhân thực, có ở các sinh vật nhân thực (Eukaryote). Sự khác nhau giữa tế bào Prokaryote và Eukaryote lớn hơn sự khác nhau giữa tế bào động vật và thực vật.

Các tế bào Prokaryote không có phần lớn các bào quan và màng nhân, có vùng tương tự nhân gọi là nucleoid. Ngoài ra bộ gen gồm DNA không kèm histon. Điểm nổi bậc để phân biệt tế bào Eukaryote là có nhân (nucleus) điển hình với màng nhân bao quanh. Bên trong tế bào có hệ thống màng phức tạp và các bào quan như lưới nội sinh chất, bộ golgi, lysosome, ty thể, lục lạp. Nhiễm sắc thể của Eukaryote thẳng, phức tạp được cấu tạo từ DNA và protein.

1. Các cấu trúc có khả năng tự tái sinhCác tế bào Prokaryote có vùng nhân chứa DNA được tái tạo và phân

đều về các tế bào con khi sinh sản. Các tế bào Eukaryote có nhiều bào quan nhưng chỉ có nhân, ty thể,

lục lạp có chứa DNA và nhờ khả năng tự tái sinh nên tham gia vào các cơ chế di truyền.

44

Nhân chứa thông tin di truyền giữ vai trò chủ yếu trong sinh sản, chiếm khoảng 10% thể tích và hầu như toàn bộ DNA của tế bào (95%). Nó được giới hạn bởi màng nhân do 2 lớp màng xếp đồng tâm, bên trong có 2 cấu trúc chủ yếu là hạch nhân (nucleolus) như một nhân nhỏ trong nhân và chất nhiễm sắc (chromatin) là dạng tháo xoắn của nhiễm sắc thể (chromosome). Sự phân chia đều NST về các tế bào con đảm bảo sự chia đều thông tin di truyền cho thế hệ sau.

2. Nhiễm sắc thể2.1. Hình thái NST

Hình 3.1. Nhiễm sắc thể với vùng tâm động

Khi nhuộm tế bào đang phân chia bằng một số màu base, có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi thường các cấu trúc hình que nhuộm màu đậm, nên được gọi là NST (chromosome). Mỗi NST có hình dạng đặc trưng, rõ nhất ở kỳ giữa của nguyên phân. Tâm động là điểm thắt eo chia NST thành 2 vai với chiều dài khác nhau, vai ngắn hơn là vai p và vai dài hơn là vai q. Dựa vào vị trí của tâm động có thể phân biệt hình thái các NST:

- Tâm giữa (metacentric): 2 vai bằng nhau- Tâm đầu (acrocentric): 2 vai không bằng nhau- Tâm mút (telocentric): tâm động nằm gần cuối

45

Ở các tế bào sinh dưỡng (soma), mỗi NST có một cặp giống nhau về hình thái, được gọi là các NST tương đồng (homologous). Bộ NST có cặp gọi là lưỡng bội và khi mỗi NST chỉ có một chiếc gọi là đơn bội.

Hình 3.2 Sơ đồ các kiểu nhiễm sắc thể ở kì giữa và kì sau

2.2. Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ:Tất cả các tế bào của một loài nói chung có số lượng NST đặc trưng

cho loài đó. Mỗi loại NST có hình dáng đặc trưng.Sự mô tả hình thái của NST gọi là kiểu nhân (Karyotype). Kiểu nhân có thể biểu hiện ở dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) khi các

NST được xếp theo thứ tự bắt đầu từ dài nhất đến ngắn nhất.

46