tai to hop.doc

CƠ CHẾ TÁI TỔ HỢP TƯƠNG ĐỒNG
Tái tổ hợp tương đồng (homologous recombination) là một loại tái tổ hợp di
truyền , trong đó trình tự nucleotide được trao đổi giữa hai phân tử tương tự hoặc giống hệt
nhau của DNA . Nó được sử dụng rộng rãi nhất ở các tế bào để sửa chữa chính xác các vị
trí gãy xảy ra trên cả hai sợi DNA, được gọi là phá vỡ sợi đôi. Tái tổ hợp tương đồng cũng
tạo ra sự kết hợp mới của các trình tự DNA trong quá trình giảm phân.
Mặc dù quá trình tái tổ hợp tương đồng xảy ra rất khác nhau giữa các sinh vật và các
loại tế bào khác nhau nhưng hầu hết các dạng đều liên quan đến các bước cơ bản giống
nhau. Sau khi phá vỡ sợi đôi, các phần của DNA xung quanh đầu 5' ở chỗ gãy được cắt đi
trong một quá trình được gọi là sự cắt bỏ . Bước tiếp theo là sự xâm lấn, đầu nhô
ra 3’OH của phân tử DNA bị phá vỡ sẽ "xâm nhập" vào một phân tử DNA tương tự hoặc
giống hệt nhau mà không bị phá vỡ. Sau đó, một hoặc hai cấu trúc hình chữ thập gọi là chỗ
nối Holliday kết nối hai phân tử DNA lại với nhau. Tùy thuộc vào cách cắt hai nút nối
bởi enzyme như thế nào, các loại hình tái tổ hợp tương đồng xảy ra trong phân bào giảm
nhiễm mà tạo ra sản phẩm là chéo hay không chéo. Sự tái tổ hợp tương đồng xảy ra trong
quá trình sửa chữa DNA có xu hướng dẫn đến sản phẩm không chéo, có hiệu lực khôi phục
lại các phân tử DNA bị hư hỏng như các sợi đôi trước khi bị phá vỡ. Sự tái tổ hợp tương
đồng xảy ra hầu hết ở mọi sinh vật, kể cả virus.
 Ở Eukaryote
Sự tái tổ hợp tương đồng là điều cần thiết để phân chia tế bào ở sinh vật nhân chuẩn
như thực vật, động vật, nấm và sinh vật nguyên sinh. Ở các tế bào phân chia thông
qua nguyên phân, tái tổ hợp tương đồng sữa chữa các vị trí gãy của sợi đôi DNA gây ra
bởi bức xạ ion hóa hoặc các hóa chất gây phá hủy DNA. Sự phá hủy này có thể gây ra sự
sắp xếp lại các nhiễm sắc thể trong tế bào soma, có thể dẫn đến ung thư.
Ngoài việc sửa chữa DNA, tái tổ hợp tương đồng cũng giúp tạo ra sự đa dạng di truyền khi
tế bào phân chia giảm phân để trở thành giao tử (tế bào tinh trùng hoặc tế bào trứng ở động
vật, phấn hoa hoặc noãn ở thực vật và bào tử trong nấm) . Điều này tạo điều kiện thuận lợi
cho trao đổi chéo nhiễm sắc thể , trong đó vùng DNA tương tự được trao đổi giữa các
đoạn nhiễm sắc thể tương đồng. Điều này tạo ra sự kết hợp mới có thể mang lại lợi ích cho
các gen và cho quá trình tiến hóa. Trao đổi chéo nhiễm sắc thể bắt đầu khi một protein gọi
là Spo11 tạo ra vùng phá vỡ sợi đôi DNA . Những vùng này nằm không ngẫu nhiên trên

các nhiễm sắc thể, mà thường là ở các vùng Promotor và ưu tiên ở những nơi giàu GC.
Những vùng phá vỡ sợi đôi này thường xảy ra tại các điểm nóng tái tổ hợp , các khu vực
trong nhiễm sắc thể có chiều dài khoảng 1000-2000 cặp base và có tỷ lệ cao của tái tổ
hợp. Sự vắng mặt của các điểm nóng tái tổ hợp giữa hai gen trên cùng một nhiễm sắc thể
thường có nghĩa rằng những thế hệ tương lai của gen đó sẽ được kế thừa theo tỷ lệ bằng
nhau. Điều này thể hiện mối liên kết giữa hai gen lớn hơn được dự kiến sẽ kết hợp độc lập
nhau trong giảm phân.
1
Hình 1. Tái tổ hợp tương đồng sửa chữa DNA trước khi tế bào bước vào nguyên
phân (giai đoạn M). Nó chỉ xảy ra trong và ngay sau khi sao chép DNA , trong giai đoạn S
và G
2
của chu kỳ tế bào .
Phá vỡ sợi đôi có thể được sửa chữa thông qua tái tổ hợp tương đồng hoặc không
tương đồng (NHEJ). NHEJ là một cơ chế sửa chữa DNA, không giống như quá trình tái tổ
hợp tương đồng, không đòi hỏi một trình tự tương đồng dài để dẫn đầu cho việc sửa chữa.
Dù là tái tổ hợp tương đồng hay không tương đồng thì đều được dùng để sửa chữa các sợi
đôi DNA bị phá vỡ và nó được tác động trong các pha của chu trình tế bào. Sự tái tổ hợp
tương đồng để sữa chữa DNA trước khi tế bào bước vào quá trình nguyên phân ( giai đoạn
M). Điều này xảy ra trong và ngay sau khi sao chép DNA hoàn tất, xảy ra trong pha S và
pha G
2
của chu kỳ tế bào, khi các nhiễm sắc tử chị em là dễ dàng xác định hơn. So với
nhiễm sắc thể tương đồng, thì nó là tương tự như nhiễm sắc thể khác, nhưng thường có
những allen khác, nhiễm sắc tử chị em là một hình mẫu lý tưởng cho quá trình tái tổ hợp
tương đồng, vì chúng là các bản sao giống hệt nhau của một nhiễm sắc thể nhất định. Trái
ngược với quá trình tái tổ hợp tương đồng, thì NHEJ là nổi bật trong pha G
1
của chu kỳ tế
bào, khi các tế bào đang phát triển, nhưng chưa sẵn sàng để phân chia. Nó xảy ra ít thường

xuyên hơn sau khi pha G
1
, nhưng duy trì ít nhất một số tác động trong suốt chu kỳ tế bào.
Các cơ chế điều chỉnh tái tổ hợp tương đồng và NHEJ trong suốt chu kỳ tế bào là khác
nhau giữa các loài.
Kinase phụ thuộc cyclin (CDKs), thay đổi hoạt động của các protein khác bằng cách
thêm nhóm phosphate ( phosphorylating ) vào chúng, đây là những điều chỉnh quan trọng
của quá trình tái tổ hợp tương đồng ở sinh vật nhân chuẩn. Khi quá trình sao chép DNA bắt
đầu trong nấm men vừa mới khởi động, cyclin phụ thuộc vào kinase Cdc28 bắt đầu tái tổ
hợp tương đồng bằng cách phosphoryl protein Sae2. Sau khi được kích hoạt bằng việc bổ
sung thêm một phosphate, Sae2 hoạt động như endonuclease thực hiện việc cắt các điểm
gần DNA sợi đôi bị phá vở. Điều này cho phép tao ra protein gồm ba phần được gọi là
2
phức hợp MRX liên kết với DNA, và bắt đầu một loạt các protein điều khiển phản ứng trao
đổi vật liệu giữa hai phân tử DNA với nhau.
Mô hình tái tổ hợp
Để giải thích cho việc tái tổ hợp tương đồng sữa chữa vị trí gãy của DNA sợi đôi, có
hai mô hình chính được đưa ra là con đường DSBR (đôi khi được gọi là mô hình chỗ nối
Holliday) và con đường tổng hợp phụ thuộc vào sợi ủ (the synthesis-dependent
strand annealing - SDSA). Hai con đường này có cơ chế tương tự trong những bước đầu
tiên. Sau xảy ra sự phá vỡ sợi đôi, phức hợp MRX (ở người) liên kết với DNA ở hai bên
của chỗ gãy. Tiếp theo là quá trình cắt bỏ, trong đó phần DNA xung quanh đầu kết thúc 5
'được cắt giảm theo hai bước riêng biệt. Trong bước đầu tiên của quá trình cắt bỏ, phức hợp
MRX kết hợp với protein Sae2. Hai protein này sau đó cắt trở lại đầu kết thúc 5’ ở hai bên
vị trí gãy để tạo ra đầu 3’ của sợi đơn DNA.Trong bước thứ hai, đoạn 5'→ 3' được cắt tiếp
tục nhờ enzyme Sgs1 helicase và Exo1 và Dna2 nuclease. Do là một helicase , Sgs1 tiến
hành tháo xoắn DNA sợi đôi, trong khi Exo1 và Dna2 nuclease hoạt động cho phép cắt
DNA sợi đơn được sản xuất bởi Sgs1.
3
Hình 2. Các con đường DSBR và SDSA giống nhau trong những bước đầu tiên và sau đó

phân ra. Con đường DSBR thường dẫn đến trao đổi chéo nhiễm sắc thể (dưới cùng bên
trái), trong khi SDSA luôn luôn cho sản phẩm không trao đổi chéo (dưới cùng bên phải).
Protein RPA có ái lực cao đối với DNA sợi đơn, sau đó gắn vào đầu 3’. Với sự giúp đỡ của
nhiều protein khác trong quá trình trung gian, Rad51protein (và Dmc1 , trong giảm phân)
sau đó tạo thành một đoạn của acid nucleic và protein trên chuỗi đơn của DNA được phủ
RPA. Đoạn Nucleoprotein này sau đó bắt đầu tìm kiếm các trình tự DNA tương đồng ở đầu
3’. Sau khi tìm thấy một trình tự, đoạn nucleoprotein sợi đơn di chuyển vào (xâm nhập)
DNA nhận sợi đôi tương tự hoặc giống hệt nhau trong một quá trình được gọi là sự xâm
lược .Trong các tế bào phân chia thông qua nguyên phân, DNA sợi đôi nhận thường là một
4
nhiễm sắc tử chị em, giống hệt với phân tử DNA bị phá vỡ và cung cấp một khuôn mẫu để
sửa chữa. Tuy nhiên, trong giảm phân, DNA có xu hướng nhận từ một nhiễm sắc thể tương
đồng tương tự nhưng không nhất thiết phải giống hệt nhau. Một vòng thòng lọng (D-loop)
được hình thành trong quá trình xâm lấn giữa sợi có đầu 3’ nhô ra và nhiễm sắc thể tương
đồng. Sau khi xâm lấn, một DNA polymerase tiến vào cuối đầu 3’ của sợi xâm lấn và tổng
hợp DNA mới. Điều này thay đổi D-loop thành một cấu trúc hình chữ thập được biết đến
như là chỗ nối Holliday. Sau đó, quá trình tổng hợp DNA xảy ra nhiều hơn trên các sợi
xâm lấn và khôi phục lại sợi trên nhiễm sắc thể tương đồng.
Con đường DSBR
Sau giai đoạn cắt bỏ, xâm lấn, và tổng hợp DNA, các con đường DSBR và SDSA
trở nên khác biệt nhau. Con đường DSBR độc đáo ở chỗ vị trí đầu 3’ thứ hai (không tham
gia trong cuộc xâm lấn) cũng tạo thành một chỗ nối Holliday với nhiễm sắc thể tương
đồng. Các nút giao Holliday đôi này sau đó được chuyển đổi thành các sản phẩm tái tổ hợp
bởi enzyme nicking, một loại enzyme endonuclease cắt hạn chế chỉ cắt một sợi DNA. Con
đường DSBR thường dẫn đến kết quả là trao đổi chéo, đôi khi cũng có thể dẫn đến sản
phẩm không trao đổi chéo.
Kết quả trao đổi chéo nhiễm sắc thể phụ thuộc vào việc xác định làm cách nào mà
chỗ nối Holliday đôi được cắt ra, hoặc nó được "giải quyết" như thế nào trong con đường
DSBR. Trao đổi chéo nhiễm sắc thể sẽ xảy ra nếu một chỗ nối Holliday được cắt trên sợi
chéo và chỗ nối Holliday kia được cắt trên sợi không chéo. Ngoài ra, nếu hai chỗ nối

Holliday được cắt trên các sợi chéo thì sẽ tạo ra sản phẩm nhiễm sắc thể không chéo.
Con đường SDSA
Sự tái tổ hợp tương đồng thông qua con đường SDSA xảy ra trong quá trình phân
chia nguyên phân và tạo ra các sản phẩm không chéo. Trong mô hình này, đầu 3’ của sợi
xâm lấn được mở rộng dọc theo sợi đôi DNA nhận bằng enzyme DNA polymerase, và
được giải phóng như là chỗ nối Holliday giữa các phân tử DNA cho và nhận trong một quá
trình được gọi là tách nhánh. Đầu 3’ của chuỗi xâm lấn mới được tổng hợp sau đó có thể di
chuyển đến đầu 3’ của nhiễm sắc thể bị hư hỏng thông qua bắt cặp bổ sung và con đường
SDSA kết thúc với resealing, còn được gọi là sự thắt .
Con đường SSA
Hình 3. Tái tổ hợp thông qua con đường SSA xảy ra giữa hai yếu tố lặp lại (màu tím) trên
cùng một sợi đôi DNA
Bước 1: Phá vỡ chuỗi đơn
Bước 2: Cắt bỏ từ đầu 5’ đến 3’
Bước 3: Tìm kiếm đoạn tương đồng và xâm lấn bằng đầu 3’
5