Nguồn gốc, quá trình tiến hóa của DNA và hệ thống nhân đôi DNA (p-2) pps

Nguồn gốc, quá trình tiến
hóa của DNA và hệ thống
nhân đôi DNA (p-2)



Sự tiến hóa của các cơ chế đặc
thù liên quan đến sự nhân đôi
của DNA: Hai nghiên cứu điển
hình.

Sự hiểu biết thêm của chúng ta về
nguồn gốc và sự tiến hóa của DNA
và bộ máy nhân đôi DNA chắc
chắn sẽ thu được nhiều ích lợi từ
việc giải trình tự các hệ gene mới,
đặc biệt là từ protist và virus. Tuy
nhiên việc đào sâu hiểu biết của
chúng ta về "lô gic mang tính lịch
sử" ẩn trong nhiều mặt khác nhau
của chính quá trình nhân đôi cũng
rất quan trọng. Điều này đòi hỏi
nhiều số liệu thực nghiệm hơn trên
một số lượng các sinh vật lớn hơn
để có được những tri thức mới từ
sinh học phân tử so sánh. Chúng ta
sẽ kết thúc chương này bằng việc
thảo luận hai ví dụ minh họa cho
nhận định này:

Ví dụ thứ nhất nói đến các tập hợp
protein khác nhau thực hiện quá
trình tổng hợp và xử lý các đoạn
Okazaki ở Prokaryote và
Eukaryote. Ở Pro. DNA
polymerase III trực tiếp sử dụng
RNA primer được tổng hợp từ
DnaG (một đơn phân) để tạo ra một
đoạn Okazaki đầy đủ (1000 cặp
base). Một protein duy nhất, DNA
Polymerase I có thể vừa phân hủy
RNA primer bằng hoạt tính
exonuclease 5'->3' và lấp vào chỗ
trống bằng hoạt tính polymerase
của nó. Cơ chế tổng hợp và xử lý
các đoạn Okazaki ở Eu. dường như
phức tạp hơn và ít "hợp logic",
thậm chí không muốn nói là kỳ
quái. Đoạn RNA primer được tổng
hợp bởi Eu. primase trước hết được
kéo dài trong tế bào bằng DNA
polymerase α để tạo ra một primer
hỗn hợp RNA-DNA (khoảng 30
cặp base) và được tổng hợp thành
đoạn Okazaki đầy đủ (khoảng 100-
150 cặp base) bằng DNA
polymerase δ. Vai trò của DNA
polymerase α khá là khó hiểu vì
DNA polymerase δ có thể tổng hợp
đoạn Okazaki đầy đủ chỉ từ RNA

primer in vitro. Hơn nữa DNA
polymerase α không có hoạt tính
sửa Nu 3'->5' exonuclease cần thiết
cho việc copy DNA một cách chính
xác. Vì vậy quá trình xử lý đoạn
Okazaki ở Eu. đòi hỏi đoạn RNA
primer và cả đoạn DNA có khả
năng chứa lỗi do DNA polymerase
α tổng hợp phải bị loại bỏ. Quá
trình này liên quan đến hoạt động
kế tiếp nhau của ba protein: RPA,
Dna2 và FEN-1. DNA polymerase
δ trước tiên sẽ thế chỗ đoạn RNA
primer và đoạn DNA do DNA
polymerase α tổng hợp. Chuỗi
DNA đơn sau đó sẽ được bao bọc
bởi RPA, có chức năng vừa ức chế
quá trình thế chỗ của DNA
polymerase δ tiếp tục vừa kích
thích hoạt động của protein Dna2.
Chuỗi Nu bị thế chỗ sau đó có thể
bị cắt bởi hoạt tính endonuclease
của Dna2, chừa lại một đuôi chuỗi
đơn ngắn và cuối chúng chuỗi này
sẽ bị phân hủy bởi flap-
endonuclease FEN-1. (Hình 7)

Điều thú vị là RPA, Dna2 và FEN-
1 được bảo tồn ở Archaea mặc dù
thiếu vắng gene tương đồng DNA

polymerase α trong hệ gene của
archaea. Trong quan điểm truyền
thống của tiến hóa (từ pro. đơn giản
đến eu. phức tạp), hệ thống nhân
đôi của Eu. là một phiên bản cỉa
tiến của hệ thống của archaea. Ý
nghĩa của điều này là gì? Sự cải
tiến nào đã thu được từ việc có
thêm sự hiện diện của một DNA
polymerase không có khả năng sửa
lỗi trong hệ thống? Có hay không
khả năng là chính hệ thống nhân
đôi của archaea thực tế có nguồn
gốc từ Eu, và cơ chế xử lý đoạn
Okazaki ở Archaea là di tích của
một thời khi Pol α vẫn còn hiện
diện? Để trả lời câu hỏi này chúng
ta cần biết nhiều hơn về vai trò của
Pol α và các nhân tố hoạt động
khác ở bộ máy nhân đôi của Eu .và
Archaea. Nói chung hệ thống nhân
đôi DNA của Archaea không chỉ là
phiên bản đơn giản của hệ thống
Eu. (với ít các protein thực hiện
cũng chức năng đó) nhưng cũng là
một hệ thống hiệu quả hơn. Ví dụ
tốc độ polymer hóa ở Archaea và
Pro. là như nhau mặc dù kích thước
chuỗi Okazaki là như nhau ở
Archaea và Eu. (ngắn hơn nhiều so

với ở Pro.)



Hình 7: Tổng hợp đoạn Okazaki ở
ba lãnh giới và ở T4. Ở vi khuẩn và
ở T4 chuỗi Okazaki được tổng hợp
nhanh và có chiều dài lớn bởi một
DNA polymerase duy nhất, sử dụng
RNA primer. Ở Eu. đoạn Okazaki
được tổng hợp chậm và có chiều
dài ngắn lần lượt bởi primase 2
tiểu phần, một DNA pol. không có
khả năng đọc lỗi và một DNA Pol.
δ/ ε. RNA primer là đường gạch
đậm, mũi tên đậm ám chỉ đoạn
DNA được tổng hợp bởi Pol. alpha.
Các lỗi giả định quy cho Pol. α
được chỉ định bằng các dấu sao. Ở
Archaea, phân tích trên máy tính
gợi ý rằng một primase giống như
ở Eu. tổng hợp RNA primer và
chuỗi DNA được kéo dài bằng
DNA Pol thuộc họ B (hoặc họ D).
Các bằng chứng thực nghiệm nói
lên rằng tốc độ tổng hợp DNA ở
Archea khá nhanh trong khi chiều
dài đoạn Okazaki là như nhau ở
Archaea và Eukarya.

Câu chuyện thứ hai nói về cấu trúc
của protein đeo kẹp ở Pro. Chúng
ta đã thấy rằng, mặc dù protein kẹp
và protein đeo kẹp là các protein
tương đồng ở ba lãnh giới, chúng
tương tác với các protein nhân đôi
không tương đồng ở một phía ở Pro
nhưng lại ở phía khác ở
Archaea/Eukarya (đặc biệt là với
DNA polymerase ở các họ khác
nhau). Ở E. Coli protein tải kẹp
chứa các tiểu đơn vị gọi là t, γ, δ,
δ', đều là protein tương đồng với
protein RFC ở Archaea/Eukarya.
Cùng gene này (dnaX) mã hóa cho
tiểu đơn vị γ và t. Protein t (71
kDa) là một protein đầy đủ, trái lại
γ là một bản cắt ngắn (47 kDa) do
chuyển dịch khung dịch mã kèm
theo một mã kết thúc. Amino acid
đầu C của phần dài hơn (24 kDa) ở
t đã được thêm vào protein tải kẹp
trong quá trình tiến hóa của Pro vì
nó không có bản tương đồng ở
archaea/eu. RFC protein. Phần dài
hơn này cho phép protein tải kẹp
đôi nối tải kẹp với helicase (DnaB)
và hai Pol III. Lý do của điều này là
gì? Ta có thể biện luận rằng điều

này giúp tạo cấu trúc replisome của
Pro., hoặc nó bổ sung cho sự thiếu
vằng của một trong hai enzyme
tổng hợp DNA (PolC) có ở các vi
khuẩn khác (ví dụ Bacillus
subtilis). Mặt khác, trong giả thuyết
về sự thay thế các protein cổ tham
gia quá trình nhân đôi bởi DnaB và
Pol III, ta có thể hình dung phần
dài hơn ở đuôi C là một mẹo mà
các protein này tìm ra để buộc tải
kẹp phải tương tác với chúng thay
vì tương tác với các protein trong
hệ thống nhân đôi cổ (gần giống
như protein P của bacteriophage γ
buộc protein ức chế DnaA phải
tương tác với nó thay vì với DnaC).
Tuy nhiên tình huống này bị đối
chọi bởi sự phân bố có giới hạn của
phần dài hơn đầu C ở lãnh giới vi
khuẩn. Rõ ràng chúng ta muốn biết
nhiều hơn về các phức replisome
hiện diện ở vi khuẩn và để hiểu
chúng liên quan về mặt tiến hóa
như thế nào để tìm ra ý nghĩa của
một gene khó hiểu như gene dnaX.
(Hình 9)

Hình 9: Tương tác giữa các kẹp và
tải kẹp với các phần không tương
đồng của replisome ở
Archaea/Eukarya và ở E.coli. Ở
Eukarya và Archaea, RFC và
PCNA (protein tương tự tương ứng
của phức γ vi khuẩn và DnaN)
tương tác với helciase (MCM) và
Pol. thuộc họ B hoặc D. Ở E.coli
phức kép γ tương tác với heclicase
DnaB và 2 Pol III thông qua chuỗi
polypeptide kéo dài ở đầu C của
protein t, hai protein không phải là
những protein tương đồng với các
protein tương ứng về chức năng ở
Archea và Eukarya. Không phải tất
cả vi khuẩn đều có đoạn kéo dài ở
đầu C