Chuyên đề 4: Gen cấu trúc và gen lặp

Danh sách học viên1. Ngô Ngọc Trung2. Lê Huy Hoàng3. Nguyễn Khánh Hoàng Việt4. Nguyễn Thanh QuânĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊNTIỂU LUẬN MÔN SINH HỌC PHÂN TỬChuyên đề 4: Gen cấu trúc và gen lặpGiảng viên: TS. Võ Thị Thương Lan5. Nguyễn Việt Phương6. Trần Thị Hữu7. Nguyễn Văn Ba8. Nguyễn Thị Thanh Mai9. Nguyễn Thị HạnhPhần I. Gen cấu trúcĐịnh nghĩa	gen là một đoạn DNA mã hóa cho một sản phẩm cần thiết với hoạt động sống của tế bào. Trên nhiễm sắc thể, một gen thường có một vị trí xác định và liên kết với các vùng điều hòa phiên mã và các vùng chức năng khác để bảo đảm và điều khiển hoạt động của gen.	Thông thường, người ta nói đến gen hàm ý là gen cấu trúc. gen cấu trúc là đoạn DNA mang thông tin cần thiết mã hóa một chuỗi polypeptide. Trong đó, các polypeptide là thành phần cấu trúc tạo nên các protein. Đây là nhóm phân tử đóng vai trò quan trọng quy định kiểu hình của sinh vật.Khi một gen cấu trúc được kích hoạt, vùng mã hóa này sẽ tiến hành phiên mã (tạo thành dạng mRNA chứa thông tin của gen). RNA này sau đó sẽ hướng dẫn cho quá trình tổng hợp protein thông qua mã di truyền. Ngoài ra, các gen loại khác có thể mã hoá cho những RNA không tổng hợp protein, ví dụ tRNA vận chuyển các amino acid, rRNA là thành phần của ribosome hoặc các RNA điều khiển như miRNA, siRNA .v.v Ở các loài sinh vật nhân chuẩn (eukaryote), các gen cấu trúc còn chứa vùng không mã hóa (gọi là intron) nằm xen kẽ với các vùng mã hóa (gọi là exon). Sau khi phiên mã, những vùng intron này sẽ được loại bỏ trong một quá trình chế biến RNA thông tin (mRNA) gọi là splicing. Cấu trúc của gen:	- Vùng điều khiển: 	- Vùng mang mã di truyềnHình 2: Cấu trúc đặc trưng của một gen cấu trúc Khởi đầu sao chép khác nhau giữa Prokaryot và Eukaryot ADN cã trình tù lÆp l¹i trong hÖ gen  _ ADN cã trình tù lÆp l¹i liÒn kÒ  _ C¸c trình tù lÆp l¹i ®­îc ph©n bè rải r¸cADN cã trình tù lÆp l¹i liÒn kÒ (Tandemly repeated DNA) C¸c ADN cã trình tù lÆp l¹i liÒn kÒ hay cßn gäi lµ c¸c ADN vÖ tinh. Gäi lµ c¸c ADN vÖ tinh vì c¸c ®o¹n ADN nµy cã chøa những trình tù ADN ®­îc lÆp l¹i liÒn nhau hình thµnh nªn c¸c băng vÖ tinh khi ph©n tÝch ADN cña hÖ gen. Mét hÖ gen cã thÓ chøa nhiÒu lo¹i ADN vÖ tinh víi ®¬n vÞ lÆp l¹i kh¸c nhau. Ьn vÞ lÆp l¹i cña c¸c ADN vÖ tinh thay ®æi tõ vµi (200bp). ADN vÖ tinh th­êng tìm thÊy ë t©m ®éng hoÆc vïng dÞ nhiÔm s¾c trªn nhiÔm s¾c thÓ. Chóng thuéc nhãm c¸c ADN cã trình tù lÆp l¹i cao Minisatellite vµ microsatellite	Minisatellite vµ microsatellite còng ®­îc gäi lµ c¸c ADN vÖ tinh dï chóng kh«ng xuÊt hiÖn c¸c băng vÖ tinh khi ph©n tÝch tû trọng ADN. Minisatellite lµ c¸c ®o¹n ADN cã ®¬n vÞ lÆp l¹i d­íi 25 bp, cã chiÒu dµi khoảng 20 kb Microsatellite th­êng dïng ®Ó chØ ADN cã ®¬n vÞ lÆp l¹i ng¾n th­êng lµ 4 bp hoÆc ng¾n h¬n vµ cã chiÒu dµi th­êng nhá h¬n150bp. VÝ dô Motif 5’-TTAGGG-3’ ®­îc lÆp l¹i hµng trăm lÇn ë ®Çu cuèi cña nhiÔm s¾c thÓ ng­êi lµ mét d¹ng minisatellite ®iÓn hình. Microsatellite còn được gọi là các SSR. Ở cây lúa, các dạng SSR là (GA)n, (GT)n, (AT)n, (GGT)nADN lặp: microsatellites Đa hình Micrisatellites trong quần thểMinisatellites ở telomerC¸c trình tù lÆp l¹i ®­îc ph©n bè rải r¸c trong hÖ gen Cơ chế phổ biến nhất đối với những trình tự này đó là sự di chuyển vị trí (transposition). Chính các yếu tố di truyền có khả năng vận động (mobile genetic elements) giữa các vị trí khác nhau trong một hay nhiều hệ gen đã tạo ra các trình tự lặp lại phân bố rải rác trong hệ gen và góp phần làm đa dạng di truyền giữa các cá thể trong loài.	Cơ chế di chuyển	Dựa vào cơ chế di chuyển, các yếu tố có khả năng vận động (còn gọi là các yếu tố chuyển vị) có thể xếp thành hai nhóm:Nhóm các yếu tố di chuyển thông qua trung gian ARN (RNA transposons hay retroelements)Nhóm các yếu tố di chuyển không cần ARN (DNA transposons) ph©n lo¹i gene nh¶y (dna transposon vµ retrotransposon)(i) Nhóm các yếu tố di chuyển thông qua trung gian ARN (RNA transposons)RetrotransposonARNcADNRetrotransposonBản sao của RetrotransposonPhiên mãPhiên mã ngược Tái tổ hợp Hình. Retrotransposition Tổng hợp một bản sao ARN của yếu tố di chuyển (transposon) thông qua hoạt động phiên mã Tổng hợp ADN từ bản ARN được phiên mã. Quá trình này có sự tham gia của enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase). Bản sao ADN của transposon tổ hợp vào hệ gen. Chúng có thể được tổ hợp lại trong cùng một nhiễm sắc thể trên đó có mang đơn vị lặp lại nguyên thuỷ hoặc cũng có thể được chèn vào một nhiễm sắc thể khácCơ chế di chuyểnKết quả của quá trình trên là có hai bản sao của transposon ở các vị trí khác nhau trong hệ gen.Gồm các loại:	 +Retroviruslà các virus có hệ gen cấu trúc từ phân tử ARN. Khi xâm nhiễm vào tế bào chủ, hệ gen ARN của virus được sao chép thành ADN bởi enzyme phiên mã ngược reverse transcriptase được mã hoá bởi gen pol của virus và bản sao ADN tổ hợp vào hệ gen của tế bào chủ. Các virus mới có thể được tạo thành bằng việc sao chép đoạn ADN mới tổ hợp vào thành ARN và bọc gói bằng protein vỏ virus được mã hoá bởi gen env trong hệ gen của virus.LTRgagLTRenvpol~7 kb(a) RetrovirusTổ chức di truyền của retrovirus+ Các retrovirus nội sinh ( Endogenous retrovirus, ERVs) Là hệ gen của retrovirus khi được tổ hợp vào nhiễm sắc thể của tế bào vật chủ, chủ yếu là động vật có xương sống. Một số trong chúng vần còn hoạt tính, thậm chí ở một giai đoạn phát triển nào đó của tế bào, chúng có thể tổng hợp nên các virus nội sinh. Tuy nhiên điều này hầu như không xảy ra. Các trình tự này hầu như không còn hoạt động và được tìm thấy ở nhiều vị trí trong hệ gen. Trong hệ gen của người, những trình tự như vậy có khoảng 1000 bản sao. Phổ biến hơn là những phiên bản được rút ngắn của chúng hay gọi là các yếu tố giống retroviruss (retrovirus-like element ), được gọi tắt la RTVLs và có khoảng 20 000 bản trong hệ gen của người.	+ Retrotransposon:là các đoạn có trình tự tương tự như các ERV tuy nhiên chúng được tìm thấy chủ yếu trong các eukaryote không xương sống như là thực vật, nấm, động vật không xương sống...Các retrotransposon thường có số lượng bản sao lớn và tồn tại ở nhiều dạng khác nhau. Ví dụ ở Ngô, hầu hết các trình tự lặp lại phân bố rộng trong hệ gen là các retrotransposon và các yếu tố này chiếm đến gần một nửa hệ gen.Nhóm này được chia thành hai nhóm phụ đó là :·        nhóm Ty3/gypsy (Ty3 đặc trưng ở nấm men và gypsy đặc trưng ở ruồi giấm. Nhóm này cũng chứa một nhóm các gen giống như ERV·        nhóm Ty1/copia. Nhóm này thiếu gen env mã hoá protein vá cña retrovirus. Sù v¾ng mÆt cña env cã nghÜa lµ chóng kh«ng thể hình thµnh c¸c thÓ gièng virus. LTRgagLTRpol~7 kb(b)Ty1/copia retrotransposonCác yếu tố LTR (long terminal repeats) Ba yếu tố ở trên còn được gọi chung là các yếu tố LTR do có chứa các trình tự dài lặp lại ở hai đầu cuối vốn đóng vai trò quan trọng trong quá trính di chuyển vị trí của chúng. Kích thước phân tử của các LTR từ vài trăm đến 10 kb. Các yếu tố khác không chứa LTR được gọi là retroposon và chúng đặc trưng ở động vật có vú. Nhóm này bao gồm:RetroposonLINESSINESgag ?polpoly A~6 kb(c) LINEpoly A~0,3 kb(d) SINELINEs (long interspersed nuclear elements)Các yếu tố LINE có chứa gen mã hoá cho gag protein và enzyme polymerase có chức năng giống như enzyme phiên mã ngược, Gen mã hoá cho endonuclease env cũng được mã hoá bởi nguyên tố này và enzyme này có nhiệm vụ thúc đẩy sự tổ hợp của các yếu tố chuyển vị ‘retro” vào hệ gen. Sự xen đoạn của LINE được lặp đi lặp lại bởi quá trình tái bản trực tiếp và ngắn của ADN mục tiêu. Hình XX mô tả yếu tố LINE1 của người có chiều dài 6,1 kb và có 3.500 bản sao với độ dài nguyên vẹn. Với các trình tự được rút ngắn hơn thì có tới hàng trăm nghìn bản sao của LINE1 trong tế bào của người gag ?polpoly A~6 kb(c) LINESINEs (short interspersed nuclear elements)Các yếu tố này không có gen mã hoá cho enzyme phiên mã ngược nhưng vẫn có khả năng chuyển vị.Có thể chúngdi chuyển bằng cách “mượn” enzyme phiên mã ngược được tổng hợp bởi một retrotransposon khác. SINE có độ lớn từ 100 đến 300 bp.SINE rất phổ biến ở động vật ví dụ như chuỗi Alu ở người có mặt tới hàng triệu bản sao. Alu có thể có nguồn gốc từ các gen mã hoá cho 7SL ARN có vai trò điều khiển sự di chuyển của protein xung quanh tế bào. Yếu tố Alu có thể được tạo ra ban đầu bởi quá trình phiên mã ngược ngẫu nhiên của 7SL ARN sau đó ADN tạo ra tái tổ hợp vào hệ gen của người. Do ALu được phiên mã một cách chủ động nên thường xuất hiện một lượng lớn Alu ARN trong tê bào, tạo ra khả năng lớn để khuyếch đại yếu tố này. Trong thực vật SINE tương đối hiếm.(ii) Nhóm các yếu tố di chuyển không cần ARN (DNA transposons) Một số các yếu tố chuyển vị có khả năng di chuyển một cách trực tiếp hơn mà không cần qua trung gian ARN. Chúng di chuyển bằng cách cắt và tổ hợp trực tiếp các đoạn ADN. Có hai cơ chế giải thích cho sự chuyển vị của các yếu tố này, đó là: 	+Sự di chuyển có tính tự tái bản (replicative transposition): Phiên bản của các yếu tố chuyển vị được sao chép từ vị trí ban đầu và tái tổ hợp vào vị trí mục tiêu. Sau mỗi lần di chuyển thì số lượng bản sao được tăng lên. 	+ Sự di chuyển có tính bảo thủ (conservative transposition) 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.Vị trí nhậnVị trí nhậnVị trí choVị trí choVị trí nhậnVị trí choCơ chế tự tái bản, số lượng transposon tăng lên sau mỗi lần sao chépCơ chế bảo tồn, số lượng transposon không tăng lênHình XX. Cơ chế chuyển vị của các ADN transposonIS (insertion sequence) hay các trình tự xen đoạnCác IS là những đơn vị độc lập, chúng chỉ mã hoá cho một hoặc hai gen mã hoá cho enzyme transposase cần thiết cho sự chuyển vị của chúng. ở E. coli, người ta tìm thấy khoảng 20 yếu tố IS với các dạng khác nhau. Điển hình là yếu tố IS1, IS2 và IS10R. IS1 có chiều dài 786bp với 4-9 bản sao trên nhiễm sắc thể của E.coli. IS2 có từ 0-12 bản sao trên nhiễm sắc thể của E coli và một bản trên F plasmit. Nguyên tố IS10R được tìm thấy trên các R plasmit. Trong prokaryote, các IS có kích thước thay đổi từ 768 bp đến 5000 bp. và chiếm khoảng 0,3% hệ gen của prokaryote. Cơ chế chuyển vị của ISCác IS có thể chuyển vị theo cả cơ chế tái bản và bản thủ. Chúng chèn vào nhiễm sắc thể ở những vị trí có tính ngẫu nhiên, gây ra đột biến thống qua hoạt động xáo trộn trình tự mã di truyền của một gen hay làm xáo trộn vùng điều hoà hoạt động của gen. Những promotor nằm trong các IS có thể gây ảnh hưởng làm thay đổi sự thể hiện của gen kế cận. Khi chuyển vị theo cơ chế tái bản, sự tái bản chính xác của IS nguyên thuỷ là cần thiết. Enzyme transposase nhận biết các trình tự IR (inverted repeat) của IS để khởi động tiến trình chuyển vị. Tần xuất chuyển vị của mối IS là tư 10-5 – 10-7 trong mỗi thế hệ. (hìnhXX)ACAGTTCAGTGTCAÂGTCCTGAACTGTGACTACACATCGATAGCTAACAGTTCAGTGTCAÂGTCCTGAACTGTGACTACACAACAGTTCAGTGTCAÂGTCCTGAACTGTGACTACACATCGATAGCTATCGATAGCTATCGATAGCTA5’3’5’3’5’3’5’3’5’3’5’3’5’3’5’3’IRIRISADN nhiễm sắc thểvị trí mục tiêuchèn vàocắtcắtIRIRIS chèn vàoADN polymerase và ADN ligase sủă chữa khoảng trốngChuỗi nucleotit lặp lại trực tiếp (direact repeat) ở vị trí IS được chèn vàoSơ đồ quá trình tổ hợp của nguyên tố IS vào ADN nhiễm sắc thểVậy vai trò của ADN lặp lại là gì? Cho đến nay chưa có câu trả lời đầy đủ cho vấn đề này. Tuy nhiên có thể kể vài vai trò, chức năng của ADN lặp lại như sau:- Tham gia cấu trúc vùng hạch nhân (ARNr) và vùng đầu mút nhiễm sắc thể- Tham gia điều hòa hoạt động của gen- Ngăn cách các gen trên NST- ADN lặp lại có thể dùng như nguồn dự trũ vật liệu di truyền trong tiến hóa (gen nhảy, gen giả, các họ gen) Các gen lặp lại: Gen mã hóa ARN ribosom, ARN vận chuyển, Histon 1. Gen mã hóa ARN ribosomỞ người có khoảng 400 bản copy của gen ARN được lặp lại nằm trên vai ngắn vùng hạch nhân của 5 nhiễm sắc thể 13,14,15,21,22 (gọi là vùng NOR- Nucleolus organizer regions). Vùng NOR dài khoảng 3 Mb (megabases) chứa khoảng 80 bản copy của gen ARN , mỗi gen dài khoảng 43 kb.2. Gen mã cho protein histone: 	Protein histone tham gia liên kết với ADN để hình thành cấu trúc nucleosome. Có bốn loại histone khác nhau. Histone H2A, H2B, H3 và H4 tương tác với nhau tạo cấu trúc lõi. Lõi này được quấn quanh bởi đoạn ADN 146 bp tạo thành nucleosome. Histone H1 liên kết với ADN linker nằm giữa các nucleosome. ٭ Gen giả (Pseudogen) và họ gen Gen giả là những gen có trình tự nu giống với gen thật nhưng mất chức năng mã hóa ra protein hoặc chuỗi polypeptide không hoạt động. Chức năng của gen giả: Tạo ra siARN tham gia điều hòa hoạt động của gen, là một bản dự trữ của gen thật. Trong điều kiện nào đó gen giả sẽ được kích hoạt để hoạt động như gen thật Họ gen: Nhóm các gen có cấu trúc giống nhau, cung mã hóa ra phân tử protein có chức năng tương tự nhau. xin chân thành cảm ơn!Tổng hợp trình tự LINE và chèn vào trong AND