Di truyền phân tử ( phần 20 ) Cơ chế gây đột biến điểm ppsx

Di truyền phân tử ( phần 20 )
Cơ chế gây đột biến điểm
Khi kiểm tra dãy đột biến được gây tạo bới các tác nhân đột biến khác
nhau cho thấy mỗi tác nhân đột biến được đặc trưng bởi một đặc tính đột
biến khác nhau hay "preference" về cả một dạng đột biến nhất định và
một điểm đột biến nhất định, được gọi là điểm dễ xảy ra đột biến
(mutational hot spots). Đặc tính đột biến như thế được chú ý lần đầu tiên
ở locus rII của bacteriophage T4.

Tác nhân đột biến hoạt động ít nhất qua ba cơ chế khác nhau: chúng có
thể làm thay thế một base trong DNA; làm biến đổi một base gây kết cặp
nhầm với một base khác; làm sai hỏng một base, dẫn đến không thể kết
cặp với bất kỳ base nào trong điều kiện bình thường.
Đột biến thay thế base: một vài hợp chất hóa học tương tự
nitrogen base bình thường của DNA, đôi khi chúng có thể gắn vào DNA
thay cho base bình thường. Những chất như thế được gọi là các chất
tương đương với base (base analogs). Các chất tương đương này kết cặp
không như sự kết cặp của các base bình thường. Vì vậy chúng có thể gây
ra đột biến do gắn vào một nucleotide không đúng trong quá trình sao
chép.
Để hiểu hoạt động của các chất tương đương base, trước hết cần phải xem
xét khuynh hướng tự nhiên của các base đối với sự hình thành các dạng
khác nhau. Mỗi base trong phân tử DNA có thể xuất hiện ở một trong số
nhiều dạng được gọi là tautomers, chúng là các đồng phân khác nhau ở vị
trí nguyên tử và những liên kết giữa các nguyên tử. Dạng keto của mỗi
base thường có trong DNA, trong khi dạng imino và enol của base là
hiếm. Tautomer imino hoặc enol có thể kết cặp sai với base tạo một kết
cặp nhầm (mispair). Khả năng kết cặp nhầm như thế gây ra đột
biến trong quá trình sao chép được chú ý đầu tiên bởi Watson và Crick
khi các tác giả này nghiên cứu công thức về mô hình cấu trúc DNA.
Sự kết cặp nhầm có thể sinh ra ngẫu nhiên, nhưng cũng có thể sinh ra khi

base bị ion hóa. Tác nhân gây đột biến 5-Bromouracil (5-BrU) là chất
tương đương với thymine, có brome ở vị trí carbon số 5 thay cho nhóm -
CH
3
của thymine. Hoạt tính của nó dựa trên quá tình inolization và
ionization.
Ở dạng keto, 5-BrU kết cặp với adenin như trường hợp thymine. Tuy
nhiên, sự có mặt của nguyên tử bromine làm thay đổi một cách có ý nghĩa
sự phân bố electron ở vòng base. Vì vậy 5-BrU có thể chuyển
sang dạng enol và dạng ion, và nó có thể kết cặp với guanine như
trường hợp cytosine tạo ra cặp 5-BrU-G. Trong lần nhân đôi tiếp theo G
kết cặp với C, tạo cặp G-C thay cho cặp A-T. Kết quả gây ra đột biến
đồng hoán. Tương tự 5-BrU cũng có thể gây ra đột biến đồng hoán A-T
thay cho cặp G-C.

Chứng minh một vài kết cặp nhầm có thể xảy ra do kết quả của sự thay
đổi 1 tautomer thành 1 tautomer khác
Một hóa chất gây đột biến khác là 2-amino-purine (2-AP), là hóa chất
tương đương adenine, có thể kết cặp với thymine. Khi bị proton hóa, 2-
AP có thể kết cặp nhầm với cytosine, có thể gây ra thế hệ sau đột biến
đồng hoán G-C thay cho A-T do kết cặp nhầm với cytosine trong lần sao
chép tiếp theo.
Thay thế base (base alteration)

Sự kết cặp nhầm chuyên biệt do đột biến cảm ứng alkyl hoá
Một vài tác nhân đột biến không gắn vào DNA, mà lại làm biến
đổi base gây ra sự kết cặp sai. Tác nhân alkyl được sử dụng phổ biến như
là tác nhân đột biến, chẳng hạn như ethylmethanesulfonate (EMS) và
nitrosoguanidine (NG) gây đột biến theo cách này.
Những tác nhân như thế sẽ thêm nhóm alkyl (nhóm ethyl trong trường

hợp EMS và nhóm methyl trong trường hợp NG) ở nhiều vị trí trên
cả 4 base. Tuy nhiên, đột biến hầu như chỉ xảy ra khi nhóm alkyl được
thêm vào ở oxy số 6 của guanine tạo ra O-6-alkylguanine. Sự alkyl hóa
này dẫn đến sự kết cặp nhầm với thymine . Kết quả sinh ra đột biến
đồng hoán G-C->A-T trong lần sao chép tiếp theo.
Tác nhân xen vào giữa (intercalating agents) là nhóm tác nhân
quan trong khác gây biến đổi DNA. Nhóm của các hợp chất này
bao gồm proflavin, acridin cam và một nhóm các hợp chất hóa
học khác. Các tác nhân này là nhóm các phân tử bắt chước các cặp base
và có thể xen vào giữa các nitrogen base ở lõi chuỗi xoắn kép DNA. Ở vị
trí xen vào này chúng gây sự thêm vào hoặc mất đi một cặp nucleotide.
Sai hỏng base: Một số lớn tác nhân đột biến gây sai hỏng một
hoặc nhiều base. Vì vậy không thể kết cặp với base đặc trưng. Kết quả
làm cản trở sự sao chép vì DNA polymerase không thể tiếp tục quá trình
tổng hợp DNA qua những base sai hỏng. Ở E.coliquá trình này xảy ra đòi
hỏi hoạt tính của hệ thống SOS. Hệ thống này được kích thích như là một
phản ứng khẩn cấp ngăn cản sự chết tế bào khi DNA bị sai hỏng nặng.

* Cơ chế của đột biến ngẫu nhiên
Đột biến ngẫu nhiên xảy ra do nhiều nguyên nhân: gồm sai hỏng trong
quá trình sao chép DNA, các tổn thương ngẫu nhiên, sự chen vào của yếu
tố di động. Đột biến ngẫu nhiên hiếm nên khó xác định cơ chế cơ bản.
Tuy nhiên, một vài hệ thống chọn lọc cho phép thu được đột biến ngẫu
nhiên và phân tích ở mức độ phân tử. Từ bản chất của những thay đổi
trình tự có thể suy ra quá trình dẫn đến đột biến ngẫu nhiên.
Những sai hỏng ngẫu nhiên (spontaneous lesions) đến DNA có thể sinh ra
đột biến. Hai tổn thương ngẫu nhiên thường xuất hiện nhất: depurination
và deamination, trong đó depurination phổ biến hơn.
Depurination do tác dụng của aflatoxin, làm mất một base purine.
Ngoài ra, quá trình mất purine cũng xảy ra một cách tự nhiên. Một tế bào

động vật mất ngẫu nhiên khoảng 10.000 purine của DNA trong một thế
hệ tế bào khoảng 20 giờ ở 37oC. Nếu tổn thương này được giữ lại, dẫn
đến sai hỏng di truyền đáng kể vì trong quá trình sao chép, vị trí mất
purine không thể định rõ được loại base nào. Trong những điều kiện nhất
định một base có thể chèn vào tạo ra đột biến.
Deamination của cytosine tạo ra uracil. Uracil sẽ kết cặp với
adenin trong quá trình sao chép, kết quả tạo ra đột biến đồng
hoán G-C® A-T. Deamination 5-methylcytosine tạo ra thymine .
Quá trình sao chép tạo ra đột biến đồng hoán chuyển C thành T.
Ngoài 2 quá trình gây sai hỏng như trên, sự oxy hóa tạo ra các base bị sai
hỏng là dạng tổn thương thứ ba Dạng oxygen hoạt động như gốc
superoxid (O2 ), hydrogen peroxide (H2O2) và gốc hydroxyl (.OH) được
tạo ra do sản phẩm của quá trình chuyển hóa (aerobic metabolism). Các
dạng này có thể gây tổn thương oxy hóa đến DNA, kết quả tạo ra đột
biến.


Deamination của Cytosine (a) và 5-methylcytosine
Các sai hỏng trong sao chép DNA cũng là nguồn đột biến khác.
Thay thế base: sai hỏng trong sao chép DNA có thể xảy ra khi có một
cặp nucleotide ghép không chính xác (như A-C) tạo ra trong quá trình
tổng hợp DNA dẫn đến sự thay thế một base.
Đột biến thêm vào và mất base: Một loại sai hỏng sao chép khác dẫn đến
thêm vào hoặc mất đị một hoặc một số cặp base. Trong trường hợp số
base thêm vào hoặc mất đi không chia hết cho 3, sẽ tạo ra đột
biến dịch khung trong vùng mã hóa protein.