Chương 4.Docx

chương 4: GEN, BỘ GEN VÀ ADN
Thuật ngữ bộ gen đề cập đến tổng số thông tin di truyền mà bất kỳ sinh vật hoặc dạng
sống nào sở hữu, cho dù đó là tế bào sống hay virus. Số lượng gen trong bộ gen có thể
dao động từ một số ít ở một số loại virus nhất định đến hàng nghìn gen ở các sinh vật
bậc cao phức tạp. Khơng có gì ngạc nhiên khi các sinh vật ký sinh dựa vào người
khác để cung cấp những thứ thiết yếu cho cuộc sống thường có bộ gen tương đối nhỏ
hơn so với các sinh vật sống tự do tương ứng. Các gen thường được mang trên các
phân tử DNA được gọi là nhiễm sắc thể. Số lượng, cấu trúc và sự sắp xếp của nhiễm
sắc thể khác nhau đáng kể giữa các dạng sống khác nhau.

1. Tổng quan về tổ chức bộ gen
Các bộ gen khác nhau về kích thước và cấu trúc tùy theo từng sinh vật và phần này
giới thiệu mơ hình cơ bản của virus, sinh vật nhân sơ, bào quan và sinh vật nhân
chuẩn. Lĩnh vực genomics đã có những tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây.
Đặc biệt, nhiều bộ gen đã được giải trình tự hồn chỉnh và so sánh với nhau. Nghiên
cứu về tổ chức ba chiều của bộ gen và sự sắp xếp của nhiễm sắc thể trong nhân sinh
vật nhân chuẩn hoặc tế bào vi khuẩn vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển
với những đột phá thú vị về mối liên hệ của sự sắp xếp đó với sự biểu hiện và tương
tác của gen.
Vi khuẩn thường có một nhiễm sắc thể trịn đơn, trong khi sinh vật nhân chuẩn có
nhiều nhiễm sắc thể tuyến tính. Vì các nhiễm sắc thể dài hơn các tế bào chứa chúng
nên chúng bị nén bởi nhiều cơ chế khác nhau để vừa với khơng gian có sẵn. Ngồi các
gen, nhiễm sắc thể còn bao gồm nhiều đoạn DNA khác. Một số phân khúc này có tính
chất quy định; những người khác dường như khơng có chức năng rõ ràng. Đặc biệt ở
các sinh vật bậc cao có nhiều trình tự lặp lại, trong những trường hợp cực đoan, có thể
chiếm một phần chính của DNA. Ngồi ra, các gen “phụ” có thể được mang trên các
phân tử DNA nhỏ hơn được gọi là plasmid (xem Chương 23: Plasmid). Điều này đặc
biệt phổ biến ở vi khuẩn, mặc dù cũng được tìm thấy ở các sinh vật bậc cao. Cuối
cùng, một số virus có bộ gen bao gồm các phân tử RNA chứ không phải DNA (xem
Chương 24: Virus, Viroid và Prion).
Trên hết, DNA thường được xem là vật mang thông tin di truyền. Trước khi tiếp

tục chủ đề này, chúng ta nên thừa nhận rằng thiên nhiên có tính sáng tạo đáng chú ý
và DNA có thể đóng nhiều vai trò sinh học khác nhau.
(xem Hộp 4.01).
1.1. Tổ chức bộ gen của virus và Prokaryote
Khoảng 1000 loài vi khuẩn khác nhau đã được giải trình tự tồn bộ bộ gen của
chúng. Hầu hết các vi khuẩn sống tự do có từ 1000 đến 5000 gen, mặc dù có những
trường hợp ngoại lệ. (xem Bảng 4.01). Vi khuẩn thường mang tất cả các gen của
chúng trên một nhiễm sắc thể hình trịn, mặc dù một số lồi vi khuẩn có hai hoặc
nhiều nhiễm sắc thể khác nhau. Một số vi khuẩn, chẳng hạn như Borrelia burgdorferi,
vi khuẩn gây bệnh Lyme, thậm chí cịn chứa nhiễm sắc thể tuyến tính. Bộ gen của vi
khuẩn chứa đầy các gen có khoảng cách rất nhỏ giữa chúng. Ngồi ra, nhiều gen được
nhóm lại dựa trên chức năng, do đó, một gen khởi động duy nhất sẽ kiểm soát sự biểu
hiện của nhiều gen. Cấu trúc này được gọi là operon.


Bộ gen của hầu hết các loại virus thậm chí còn nhỏ gọn hơn cả vi khuẩn. Bộ gen
virus nhỏ nhất chỉ chứa ba hoặc bốn gen. Virus có thể tồn tại với rất ít gen vì chúng
dựa vào tế bào chủ để thực hiện hầu hết các chức năng của mình. Bộ gen virus chỉ cần
thiết để đánh lừa vật chủ tạo ra nhiều bộ gen virus hơn và tạo ra lớp vỏ virus (xem
Bảng 4.01). Mặc dù vậy, những virus lớn nhất được biết đến có hơn 2000 gen, hầu hết
chức năng chưa được biết đến (xem Chương 24: Virus, Viroid và Prions)
1.2. Một số vi khuẩn đa bội
Bộ gen của Prokaryote, bao gồm cả Vi khuẩn và Archaea, thường bao gồm một bản
sao của một nhiễm sắc thể. Điều này trái ngược với sinh vật nhân chuẩn rằng
thường có hai bản sao của nhiều nhiễm sắc thể (tức là chúng lưỡng bội). Một số sinh
vật nhân chuẩn, đặc biệt là thực vật bậc cao có thể có nhiều hơn hai bản sao của mỗi
nhiễm sắc thể (tức là chúng là thể đa bội). Tuy nhiên, một số lượng nhỏ nhưng đáng
kể vi khuẩn cũng đa bội và sở hữu nhiều bản sao của nhiễm sắc thể đơn.
Tất cả các thành viên của Euryarchaeota, một bộ phận chính của Archaea, đều là
thể đa bội. Nhóm này bao gồm cả các lồi ưa mặn cực độ (ví dụ, Halobacteria và

Haloferax) và các lồi ưa nhiệt cao (ví dụ, Pyrococcus). Vi khuẩn ưa nhiệt Thermus
thermophilus cũng là loài đa bội, cũng như họ hàng gần của nó là Deinococcus
radiodurans, có khả năng kháng bức xạ cực kỳ tốt. Khoảng bốn đến năm bản sao của
bộ gen là điển hình, nhưng con số chính xác thay đổi tùy theo điều kiện tăng trưởng.
Điều hợp nhất giữa các vi sinh vật này là chúng chủ yếu sống trong điều kiện khắc
nghiệt các điều kiện như hút ẩm hoặc mức độ phóng xạ cao có thể gây tổn hại cho
DNA của chúng. Nhiều sinh vật trong số này có thể sửa chữa các bộ gen bị phân
mảnh một cách hiệu quả. Việc sửa chữa bộ gen được hỗ trợ rất nhiều bằng cách có
nhiều bản sao của bộ gen. Các vùng nguyên vẹn của một bản sao bộ gen có thể được
sử dụng làm khuôn mẫu để sửa chữa các bản sao khác. Nó cũng đã đã được đề xuất
rằng thể đa bội có thể hoạt động như một cơ chế lưu trữ phốt phát trong các sinh vật
không hoạt động trong thời gian dài bất thường.



Sự tồn tại của các tế bào vi khuẩn khổng lồ cung cấp một lý do hồn tồn khác cho
tình trạng đa bội. Các tế bào của vi khuẩn khổng lồ Epulopiscium chứa hàng chục
nghìn bản sao bộ gen của nó – một kỷ lục ở các sinh vật nhân sơ. Epulopiscium là một
loài cộng sinh trong ruột của cá phẫu thuật và có các tế bào hình trục chính dài có thể
đạt tới 0,6 mm hoặc hơn. Epulopiscium lớn hơn hàng triệu lần so với một loại vi
khuẩn điển hình như Escherichia coli (về khối lượng tế bào). Điều kỳ lạ nhất là
Epulopiscium sinh sản bằng cách sinh sản và tạo ra tới hàng chục con cháu bên trong
tế bào mẹ. Chúng được giải phóng khi tế bào mẹ chết và vỡ ra. Quá trình này cho thấy
một số điểm tương đồng với sự hình thành bào tử ở vi khuẩn có liên quan (nhưng có
kích thước bình thường).
1.3. Tổ chức bộ gen của các bào quan và cộng sinh
Các bào quan của tế bào nhân chuẩn, ty thể và lục lạp, chứa bộ gen riêng của
chúng, thường là các phân tử DNA tròn nhỏ như ở sinh vật nhân sơ. Những bộ gen
hình trịn này rất nhỏ gọn và có vẻ giống với bộ gen của sinh vật nhân sơ về tổ chức
và phương thức sao chép, mặc dù nhỏ hơn nhiều. Một điểm khác biệt lớn là các bào

quan này thường chứa nhiều bản sao bộ gen của chúng. Những bộ gen này chứa các
gen hô hấp (ty thể), quang hợp (lục lạp) và cấu tạo nên ribosome của chính chúng (cả
hai bào quan). Những gen này dường như giống với gen của sinh vật nhân sơ hơn là
gen của nhân sinh vật nhân chuẩn. Bởi vì bộ gen của bào quan không chứa đủ gen để
bào quan có thể tự tồn tại, các bào quan dựa vào nhiều protein được mã hóa bởi gen
hạt nhân để cung cấp đầy đủ các thành phần cần thiết cho chức năng của chúng.
Cả số lượng DNA lẫn số lượng gen được tìm thấy trong một cơ quan đều khơng
liên quan đến sự phức tạp của sinh vật chủ của nó. Ở người, bộ gen của ty thể mã hóa
37 gen trên 16.569 cặp DNA cơ bản, trong khi ở nấm men ty thể có 87.779 cặp DNA
cơ bản và 43 gen.


Vì bộ gen của các cơ quan và các gen mà chúng mã hóa rất giống với bộ gen của vi
khuẩn nên lý thuyết phổ biến là các cơ quan này phát sinh nhờ sự cộng sinh. Lý
thuyết cộng sinh đề xuất rằng tế bào nhân chuẩn phức tạp phát sinh bởi một loạt các
sự kiện cộng sinh trong đó các sinh vật thuộc các dòng dõi khác nhau hợp nhất. Theo
thời gian, các sinh vật cộng sinh mất khả năng tự sinh tồn và trở nên chuyên biệt để
cung cấp các chức năng cụ thể cho máy chủ. Các bào quan của sinh vật bậc cao là tàn
tích của vi khuẩn cổ đại (Hình 4.02). Các gen nhân của tế bào nhân chuẩn đơi khi
được coi là có nguồn gốc từ “urkaryote”. Urkaryote là tổ tiên giả định đã cung cấp
thơng tin di truyền được tìm thấy trong nhân sinh vật nhân chuẩn ngày nay. Mối liên
quan giữa số lượng gen và kích thước bộ gen bào quan, vật cộng sinh và vi khuẩn
được thể hiện trong hình 4.03.
Theo lý thuyết cộng sinh, ty thể có nguồn gốc từ vi khuẩn đã bị tổ tiên của tế bào
nhân chuẩn hiện đại giữ lại từ lâu. Những vi khuẩn này nhận được nơi trú ẩn và chất
dinh dưỡng, và đổi lại, chúng cống hiến hết mình để tạo ra năng lượng bằng q trình
hơ hấp. Trong nhiều thiên niên kỷ sau khi bị bắt, những vi khuẩn này trở nên chuyên
biệt hóa trong phạm vi hẹp để sản xuất năng lượng, mất khả năng tự tồn tại và tiến
hóa thành ty thể. Thuật ngữ nội cộng sinh đôi khi được sử dụng để chỉ những mối liên

hệ cộng sinh trong đó một đối tác ở bên trong đối tác về mặt vật lý (endo là từ tiếng
Hy Lạp có nghĩa là bên trong), như trong trường hợp hiện tại.
Vi khuẩn cộng sinh Carsonella ruddii là một ví dụ hiện đại về sinh vật cộng sinh
như vậy (xem Hộp 4.02). Vi khuẩn này đã mất rất nhiều gen nên nó có thể đang tiến
hóa thành một bào quan. Carsonella và các vi khuẩn cộng sinh khác được tìm thấy
trong tế bào của một số lồi cơn trùng. Trong trường hợp này, các sinh vật cộng sinh
có chuyên môn tổng hợp các chất thiết yếu axit amin và vitamin (thay vì tạo ra năng
lượng)
nội cộng sinh: Hình thức cộng sinh trong đó một sinh vật sống bên trong sinh vật
khác.
cộng sinh: Sự kết hợp giữa hai sinh vật sống tương tác với nhau.
Lý thuyết cộng sinh: Lý thuyết cho rằng các bào quan của tế bào nhân chuẩn có
nguồn gốc từ sinh vật nhân sơ cộng sinh.
urkaryote: Tổ tiên giả thuyết đã cung cấp thông tin di truyền của nhân nhân chuẩn.

Một số sinh vật nhân chuẩn đơn bào nguyên thủy, chẳng hạn như Entamoeba và
Giardia, thiếu khả năng hơ hấp và thay vào đó sống bằng q trình lên men. Người ta
từng tin rằng họ thiếu ty thể và đã phân nhánh từ sinh vật nhân chuẩn tổ tiên trước khi
nó bắt được vi khuẩn tạo ra ty thể. Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng
Entamoeba và Giardia giữ lại các bào quan nhỏ cịn sót lại (“ty thể”) tương ứng với ty
thể. Mặc dù khả năng hơ hấp đã bị mất hồn tồn nhưng các bào quan cịn sót lại vẫn
tập hợp các cụm lưu huỳnh sắt có trong một số protein thiết yếu. Do đó, tổ tiên của
những sinh vật này ban đầu có ty thể, nhưng chúng bị thối hóa và mất vai trị hơ hấp
trong q trình tiến hóa.
Tế bào thực vật chứa lục lạp thực hiện quá trình quang hợp với các sắc tố thu ánh
sáng như diệp lục. rRNA từ lục lạp phù hợp với rRNA từ vi khuẩn quang hợp tốt hơn
rRNA từ nhân tế bào thực vật. Vì vậy, nhựa chloro có lẽ có nguồn gốc từ vi khuẩn
quang hợp bị tổ tiên của thực vật ngày nay giữ lại. Một số thực vật đã mất khả năng
quang hợp nhưng vẫn chứa lục lạp khiếm khuyết. Thuật ngữ plastid dùng để chỉ tất cả

các bào quan tương đương về mặt di truyền với lục lạp, dù có chức năng hay khơng.
Vì nấm khơng chứa chất diệp lục, sắc tố hấp thụ ánh sáng xanh của thực vật, nên
người ta từng cho rằng nấm là thực vật thối hóa đã mất đi chất diệp lục trong q
trình tiến hóa. Tuy nhiên, nấm khơng chứa dấu vết của bộ gen plastid và phân tích


rRNA ngụ ý rằng nấm tổ tiên không bao giờ quang hợp mà tách ra khỏi tổ tiên của
thực vật xanh trước khi bắt được lục lạp. Nếu có thì trình tự rRNA ngụ ý rằng nấm có
quan hệ gần gũi với động vật hơn thực vật.

2. Bộ gen của sinh vật nhân chuẩn
2.1. Cấu trúc chung của bộ gen sinh vật nhân chuẩn
Không giống như các bộ gen được sắp xếp hợp lý và nhỏ gọn thấy ở vi khuẩn, bào
quan và vi rút, bộ gen nhân của sinh vật nhân chuẩn rất lớn. Ở người có hơn 6 tỷ base
plastid: Bất kỳ bào quan nào có gen tương đương với lục lạp, dù có chức năng
quang hợp hay không.