Sinh học phân tử - CHƯƠNG IV.doc

CHNG IV
TNH N NH CA DNA
Để đảm nhận chức năng mang và truyền thông tin di truyên một cách chính xác
và ổn định từ tế bào này sang tế bào khác, từ thế hệ này sang thế hệ khác nhng đồng
thời phải có sự biến đổi để tiến hóa và thích nghi thì DNA cần phải có một số đặc tính
nhất định đó là: tái bản, sửa sai và đột biến.
Trong chu trỡnh sinh trởng và phát triển, t bo ch tiến hành phõn chia sau khi
DNA c nhõn ụi, để ổn định lợng DNA trong mọi tế bào. Quỏ trỡnh ny gi l sự
sao chộp DNA, kt qu t 1 phõn t DNA ban u sau mt ln tỏi bn s to thnh 2
phõn t DNA con ging ht nhau v ging ht vi phõn t ban đầu.
Tuy nhiờn trong quỏ trỡnh tỏi bn cng cú th xy ra nhng sai sút. m bo
cho việc lu tr v truyn t thụng di truyn mt cỏch trung thnh t t bo ny sang t
bo khỏc thỡ t bo phi t trang b cho mỡnh mt h thng bo v v sa cha cỏc sai
lm trong quỏ trỡnh sao chộp gp phi.
Mc dự vy ớt nhiu cng cú quỏ trỡnh bin i xy ra to c s cho tin húa ca
sinh gii. Bin i ny do t bin gen, do gen nhy hay do tỏi t hp di truyn trờn
phõn t DNA. Chng IV và V chỳng ta s ln lt cp n cỏc vn trờn.

I. Quá trình sao chộp DNA
1. Xẩy ra prokaryote
a. Nguyờn tc bỏn bo th
S sao chép DNA c th c hi n theo nguyên lý bỏn bo ton
(semiconservative) do Watson và Crick đề xuất (1953) dựa trên cơ sở tính đặc thù liên
kết hydro giữa các bazơ bổ sung của 2 mạch. Hãy tởng tợng s i DNA kép giống nh
một cái khoá dây xéc măng tuya, 2 dây tách r i nhau từ một đầu, mỗi dây l mt
m ch n c dựng làm khuụn t ng h p thờm m ch n m i trên cơ sở nguyên
lí ghép cặp bổ sung giữa các bazơ, k t qu t o ra 2 phân t DNA trong đó m i phân
t có 1 m ch n c và 1 m ch n m i.
Chng minh cho iu ny l thớ nghim ca 2 nhà khoa học trẻ Matthew
Meselson v Franklin Stahl tin hnh vo nm 1958. H ó nuụi vi khun E.coli trong
mụi trng ch cú ngun N nng ỏnh du phúng x N

15
. Các N
15
đợc nhập vào các
bazơ nitơ của nucleotide, khi tỏi bn vi khun s phi sử dụng để tng hp si DNA,
qua mt s th h tớnh theo thi gian nuụi s to ra ton b DNA cú cha N
15
ny. Sau
ú nu a vi khun vo mụi trng cha N
14
nh, thỡ vi khun s phi ly ngun nit
nhẹ tng hp, qua ln tỏi bn th 2 s cú 1 na s si n (ban u) cũn si n kia
mang nit nh. Quay li tõm trong ống gradient t trng khỏc nhau chứa cht cesium
27
chloride (CsCl) sẽ phân tách DNA nặng (H) và nhẹ (L), kết quả sÏ thu ®îc các vạch trên
ống tỷ trọng, chứng tỏ quá trình tái bản theo phương thức bán bảo thủ (hình 1. 4 và 2.4).
Hình 1.4. Sơ đồ sử dụng
phương pháp li tâm các
DNAs tái bản được đánh dấu
N
15
trong nền dung dịch CsCl
tạo tỷ trọng tăng dần nhằm
chứng minh quá trình tổng
hợp DNA theo nguyên tắc
bán bảo thủ
Hình 2.4. Sơ đồ chứng
minh cơ chÕ tổng hợp
DNA E.coli theo nguyên
tắc bán bảo toàn. Thế hệ

đầu các bazơ đánh dấu
của DNA E.coli chứa toàn
bộ N
15
, sau đó E.coli đó
được nuôi trong môi
trường chứa các nu có N
14
bình thường, theo thế hệ
DNA được tổng hợp sẽ
nhẹ dần nhờ sử dụng các
bazơ chứa N
14
, các bazơ
này sẽ thay thế dần N
15
làm DNA nhẹ dần đi.
b. Quá trình sao chép khởi đầu bằng sự tháo xoắn
Trong tù nhiªn có 3 mô hình cÊu tróc phân tử DNA tån t¹i, dạng 1: siêu xoắn,
dạng 2: xoắn (vòng) và dạng 3: thẳng ở sinh vật nhân thật bậc cao . DNA vòng, ở sinh
vật tiền nhân, chúng có thể ở trạng thái xoắn và siêu xoắn, khi tái bản thường bắt đầu từ
28
vic t ti mt im ca 1 trong 2 mch n DNA. Cũn dng thng thỡ cng bt u
ct t 1 im nhng t c hai mch n v cú th t nhiu v trớ khỏc nhau
trờn mt nhim sc th. Vị trí đứt khởi đầu tái bản thờng nằm ở những vùng DNA có
chứa nhiều trình tự AT, dài từ 100 đến 200 bp. Tip n l quỏ trỡnh thỏo xon do
nhiu enzyme tham gia cú tờn gi l topoisomerase, enzyme ny cú 2 loi l:
topoisomerase I thỏo xon dng DNA siờu xon, chỳng gn vo DNA v ct 1 trong 2
si, sau khi to c si DNA thỏo xon thỡ enzyme ny ni ch t li, in hỡnh ca
enzyme ny l protein ca E.coli.

Topoisomerase II ct c 2 mch ca phõn t DNA, thớ d nh enzyme gyrase ca
E.coli thuc loi ny. Sau khi thỏo xon to ra DNA thng thỡ cỏc enzyme ny li cú
nhim v t ni cỏc v trớ va ct li. Kết quả của quá trình tháo xoắn đã tạo lên chạc
tái bản, sẵn sàng cho quá trình tổng hợp sợi đơn mới. S chc 3 sao chộp DNA (hình
3.4).
Hỡnh 3.4. S quỏ trỡnh tỏi bn DNA theo Okazaki (1968)
29
c. Quỏ trỡnh sao chộp l mt c ch sinh húa phc tp cú s tham gia bi nhiu
nhõn t
nhim sc th vũng ca vi khun, quỏ trỡnh sao chộp bt u t mt im sau
ú lan ra theo 2 hng n khi ng vo nhau im ni i din, to thnh 2 nhim
sc th vũng xon. Quỏ trỡnh sao chộp ũi hi s tham gia ca nhiu protein khỏc nhau.
E.coli cn ớt nht 2 tỏ sn phm gen khỏc nhau (bảng 1.4).
sinh vt nhõn tht do kớch thc si DNA quỏ ln v có nhiu si nờn quỏ
trỡnh sao chộp khụng ch t 1 im m bt u t nhiu im. Thớ d ngi cú t
20.000 n 30.000 im, õy gi l n v sao chộp. n v sao chộp l vựng DNA
c sao chộp t 1 im khi u c gi l replicon, chiu di của một replicon
ngi t 100 n 200 kb. Mi nhim sc th ca 1 vi khun l 1 replicon. Mi nhim
sc th cú nhiu replicon v tỏi bn t im khi u cng theo 2 hng tỏi bn n 2
on DNA cui.
Hai mch n ca phõn t DNA c tỏch ri nhau nh nhng enzyme gi l
helicase hay cũn gi l deroulase, E.coli cú 2 helicase. Enzym ny phỏ v liờn kt
hydro gia cỏc baz trờn 2 si n b sung, giỳp chỳng xon kộp vo nhau. Cú nhiu
loi helicase cựng ng thi hot ng, mt s gn trờn mch theo hng 3-5 nh (cỏc
protein ca gen Rep), mt s khỏc gn trờn mch theo hng 5-3 nh helicase II v III.
Cỏc mch n sau ú tỏch ri nhau mt cỏch n nh l nh cỏc protein SSB (single
strand binding proteins, SSBPs). Nhng protein ny gn lờn khp cỏc ni ca mch n
ang c kộo di lm 2 mch n khụng kt hp li vi nhau. Nh vy m tc sao
chộp tng lờn hng 100 ln so vi ngoi c th khi khụng cú SSB tr giỳp.
C 2 mch đơn u cú th dựng c lm khuụn tng hp lờn si DNA mi

tuỳ theo vị trí của promoter. Nếu promoter đặt ở đầu 5 của sợi DNA thì tng hp s
theo hng t mch n u 3 nguyờn bn (leading strand) s tin hnh tng hp liờn
tc, còn mch nguyờn bn kia t u 5 s tng hp t on theo tng on Okazaki.

30

d. Sao chép bắt đầu từ việc tổng hợp mồi (primer) RNA
Sợi đơn DNA mới được tổng hợp bắt đầu từ đoạn RNA mồi, việc tổng hợp RNA
mồi do enzym có tên là primase tiến hành. Måi RNA lµ mét chuçi RNA ng¾n chøa tõ 8
- 12 nucleotide. Để enzyme này hoạt động được cần phải hình thành được một phức
hợp giữa enzym primase với ít nhất là 6 protein khác nhau. Phức hợp này gọi là
primosome. Ngoài men primase, primosome còn chứa những protein tiền tạo mồi đặt
tên là protein i, n, n’ và n’’ cộng thêm sản phẩm của những gen dna B và dna C (bảng
1.4).
31
Bảng 1.4. Các protein và gen liên quan đến tái bản DNA ở E.coli
Primosome tin hnh phn ng sinh mi u tiờn cho si tin (leading) v tng
hp mi lp li tng hp nhng on Okazaki cho mch lựi. Tuy nhiờn chc nng
ca mi protein trong primosome vn cha rừ.
Hỡnh 4.4. Thnh phn v cu trỳc ca enzyme DNA polymerase III
Tham gia tng hp DNA vi khun cú 2 enzyme DNA polymerase l DNA
polymerase I v III. Enzym tng hp kộo di si mi trong quỏ trỡnh sao chộp nhim
sc th E.coli l enzym DNA polymerase III.
DNA polymerase I ch cha mt chui polypeptide trong khi ú DNA
polymerase III (hình 4.4) l mt holoenzym phc cha 7 polypeptide khỏc nhau
(,, ,2 , và 2 ), ton b u cú vai trũ giúp cho quỏ trỡnh tỏi bn DNA c chớnh
xỏc, với sai sót rất thấp chỉ bằng 10
-10
, tức cứ 10 tỷ nu nhập vào chuỗi thì chỉ sai có 1
nu. Điều này là do cả DNA pol I và III đều có chức năng đọc sửa 3 5 exonuclease

(proofreading). Hot tớnh tng hp v phn ró theo hng 5-3, c 2 c tớnh ny u
cú polypeptide ca DNA polymerase III. Hot tớnh c sa do polypeptide m
nhn. Cũn chc nng cỏc tiu n v khỏc vn cha rừ.
e. S tng hp hai mch n mi xy ra liờn tc trờn mch b sung vi si leading
v giỏn on trờn si lagging
- Enzyme DNA polymerase III tng hp mch b sung t u 3OH t do ca mi
mi RNA.
- Mch khuụn c s dng n õu cỏc protein SSB c gii phúng ra n ú.
32