CẤU TRÚC GENE của PROKARRYOTE

CẤU TRÚC GENE CỦA PROKARYOTE

VÀ EUKARYOTE


I. Khái quát về gene, bộ gene.


Gene: Gene là một đoạn của phân tử DNA mang thông tin mã hóa một chuỗi polypeptide hay một phân tử ARN. Bao gồm:

Gen cấu trúc: là gene mang thông tin mã hóa cho các sản phẩm tạo nên thành phần cấu trúc hay chức năng của tế bào.
 Gen điều hòa: là những gene tạo ra sản phẩm kiểm soát hoạt động của cac gene khác.


Cấu trúc của DNA gồm 2 mạch đơn song song được xoắn lại với nhau thành 1 chuỗi xoắn kép. Mỗi mạch đơn là 1 chuỗi nucleotid gồm 4 loại Nucleotid A,T,G và C sắp
xếp kế tiếp nhau, liên kết với nhau bằng liên kết phosphodieste. Hai mạch đơn nối với nhau nhờ các cầu nối hydro giữa các bazo nito theo nguyên tắc bổ sung A=T, GΞC.
Mỗi mạch đơn là 1 trình tự có định hướng, với đầu 5’ là gốc phosphat tự do và đầu 3’ là gốc hydroxyl tự do.


Genome (bộ gene): Là tập hợp chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền của một cơ thể sinh vật được mã hóa trong DNA (RNA).

Bộ gen gồm:
- DNA (RNA) nằm trong các gen.
- DNA (RNA) không nằm trong các gen (các trình tự lặp, các đoạn chưa rõ chức năng).
- Các gen trong nhân và gen trong các bào quan khác ngoài nhân như các gen của ti thể, lạp thể và gen trên plasmid…
Bộ gen mang toàn bộ thông tin di truyền đặc trưng của cá thể và của loài.


Locus : Các gene nằm trên nhiễm sắc thể ở trong nhân tế bào và xếp thành hàng trên nhiễm sắc thể gọi là locus.

Alen: Là những trạng thái khác nhau của cùng một gen.

ii. Cấu trúc gene của prokaryote.
Prokaryote: Sinh vật nhân sơ hay sinh vật tiền nhân hoặc sinh vật nhân nguyên thủy là nhóm sinh vật mà tế bào không có màng nhân.
Sinh vật prokaryote gồm hai nhóm:
- Vi khuẩn (Bacteria).
- Cổ khuẩn (Eubacteria hay
Archae/Archaeobacteria).
Prokaryote gồm các sinh vật chưa có nhân thực,
bao gồm các đại diện điển hình như vi khuẩn, vi
khuẩn lam, xạ khuẩn, một số loài nấm sợi...


1. Đặc điểm cấu trúc bộ gen.
Sinh vật prokaryote có bộ gen gồm:
- Một hoặc một vài phân tử DNA mạch kép dạng vòng, dạng sợi hoặc cả dạng vòng và dạng sợi.
- Bộ gen của sinh vật prokaryote chưa có cấu trúc nhiễm sắc thể điển hình, cấu trúc bộ gen đơn giản, kích thước bộ gen nhỏ, số lượng gen ít.
Bộ gen prokaryote có tỷ lệ DNA mang mã di truyền tương đối cao
- Trong tế bào vi khuẩn có tới 85 – 95% hàm lượng DNA trong tế bào mang mã di truyền (khác biệt với gen nhân của sinh vật eukaryote, tỷ lệ DNA mang
mã di truyền rất thấp).
Ví dụ: khi nghiên cứu hệ gen nhân ở E.coli, cho thấy tỷ lệ DNA mang mã di truyền rất cao, chỉ khoảng 11% DNA không mang mã.


2. Cấu trúc gene của prokaryote.
Tế bào sinh vật prokaryote có phần lớn DNA mang mã di truyền, nằm trong các gen. Một phần nhỏ DNA không mang mã di truyền nằm ở các đoạn DNA
lặp lại, các đoạn DNA (spacer DNA), hoặc một vài trình tự chưa rõ chức năng…
Trong tế bào sinh vật prokaryote có hai nhóm gen:
- Gen đơn
- Các gen nằm trong operon (các cistron)
Gen mã hóa protein của sinh vật prokaryote có cấu trúc tương đối đồng nhất, chủ yếu gồm các trình tự mang mã di truyền (khác với gen phân đoạn trong tế

bào sinh vật eukaryote gồm các đoạn exon xen kẽ với các đoạn intron).


2.1 Cấu trúc các gen đơn:
gen:

Nhóm gen đơn mang mã di truyền, mã hóa các chuỗi peptid và protein chiếm tỷ lệ khá cao trong tế bào sinh vật prokaryote. Mỗi gen đơn có cấu trúc 3 vùng
- Vùng điều khiển hay vùng 5’ promoter.
- Vùng ORF (open reading frame)
hay vùng mang mã di truyền
- Vùng kết thúc hay vùng 3’ terminator.

Vùng 5’ promoter:
- Vùng 5’ promoter chứa một số trình tự đặc hiệu (promoter, operator, enhancer, silencer…) có chức năng điều hòa hoạt động gen trong đó hai trình tự cực kì
quan trọng là promoter và operator.
- Promoter là trình tự nhận biết, vị trí tiếp cận với gen của RNA polymerase và các nhân tố phiên mã.
- Khác với sinh vật bậc cao, ở sinh vật prokaryote có 1 loại promoter với cấu trúc chung tương đối giống nhau trong gen mã hóa mRNA, rRNA và tRNA (ở sinh
vật eukaryote có 3 loại promoter khác nhau).


- Promoter ở phía trước nucleotid đầu tiên được phiên mã (nucleotid +1), trình tự nucleotid ở phía trước nucleotid +1 là các nucleotid mang dấu âm (-).
- Cấu trúc promoter gồm 2 phần: tâm promoter (core promoter) và phần mở rộng.
- Tâm promoter trong các gen của sinh vật prokaryote gồm 2 trình tự đặc trưng:
+ Trình tự TATAAT ở vị trí -10 (TATA box), trình tự TTGACAT ở vị trí -35 (gọi là CAAT box).
+ Hai trình tự đặc hiệu TATA box, CAAT box là vị trí nhận biết và bám của RNA polymerase trong quá trình phiên mã.

+ Hai trình tự này cực kỳ quan trọng vì khi gen bị đột biến hoặc bị thay đổi nhiều ở các trình tự đặc hiệu trong vùng -10 và -35 (tức là thay đổi 1Nu hoặc vài Nu) thì sẽ làm mất
khả năng nhận biết và bám của RNA polymerase với mRNA trong quá trình phiên mã. Có thể gây phiên mã không bình thường hoặc gây bất hoạt gen.

- Operator là một trình tự Nucleotid đặc hiệu trong vùng 5’ promoter, là vị trí bám của các protein đặc hiệu, tham gia quá trình điều hòa hoạt động biểu hiện
gen, có thể gây hoạt hóa hoặc ức chế hoạt động của gen.
- Enhancer và silencer là các trình tự Nu nằm trong vùng mở rộng của promoter, có thể nằm ở vùng ORF hoặc nằm ở các vị trí xa gen. trình tự enhancer tham
gia điều hòa hoạt động gen, có thể làm tăng mức độ phiên mã của gen lên. Trình tự silencer là vị trí gắn các protein điều hòa, làm giảm cường độ phiên mã
hoặc gây ngừng hoạt động của gen.


Vùng ORF:
- Ở sinh vật prokaryote bao gồm các trình
tự nucleotid mang mã di truyền, mã hóa các
chuỗi polypeptid hoặc các loại RNA khác.
- Vùng ORF được tính từ nucleotid đầu tiên
được phiên mã (nucleotid này có kí hiệu là +1) đến nucleotid đầu tiên của vùng 3’

terminator.

- Ở các gen khác nhau, nucleotid +1 có thể là các nucleotid A, T, G hoặc C.
Tùy từng loại gen và chức năng của gen, vùng ORF được phiên mã tạo thành mRNA hoặc các loại RNA khác: tRNA, rRNA, small
RNA…(tùy theo cấu trúc của gen). Các mRNA có thể được dịch mã tạo nên các chuỗi polypeptid hoặc protein.


Vùng 3’ terminator:
- Gồm các trình tự nucleotid đặc hiệu là các tín hiệu kết thúc (vị trí gắn bám của các protein đặc hiệu), trình tự kết thúc và
một số trình tự lặp ngắn chưa rõ chức năng.
- Trình tự kết thúc để phân biệt gen này với gen khác.
2.2 Cấu trúc các Operon.
Operon là cấu trúc đặc trưng trong bộ gen
của nhiều loại vi khuẩn. Operon gồm các gen
cùng hướng trao đổi chất có chung một vùng
5’ promoter và cùng vùng 3’ terminator, mỗi

gen trong operon mã hóa một chuỗi một chuỗi
polypeptid khác nhau, được gọi là các cistron
(một operon có thể có hai hay nhiều cistron).
Các operon là cấu trúc đặc trưng trong bộ gen của vi khuẩn, giúp vi khuẩn thích ứng nhanh với điều kiện môi trường sống
thay đổi.


iii. Cấu trúc gene của eukaryote
Eukaryote: Sinh vật nhân chuẩn, còn gọi là sinh vật nhân thực (sinh vật nhân
điển hình) là một sinh vật gồm các tế bào phức tạp, trong đó vật liệu di truyền được
sắp đặt trong nhân có màng bao bọc. Sinh vật nhân chuẩn gồm có động vật, thực vật
và nấm, hầu hết chúng là sinh vật đa bào.
Eukaryote bao gồm nhiều nhóm sinh vật rất
đa dạng, từ nấm men đến các loại sinh vật ở
bậc cao trong thang tiến hóa của sinh giới:
thực vật có hoa, động vật có vú và con người.
Eukaryote gồm các sinh vật có tế bào đã phân hóa
điển hình, có màng nhân phân biệt nhân và tế bào
chất.


1. Đặc điểm bộ gene của eukaryote.
Bộ gen của sinh vật Eukaryote gồm hệ gen nhân và hệ gen ngoài nhân, vật chất di truyền là các phân tử DNA mạch kép. DNA của sinh vật Eukaryote có tỷ lệ A+T/C+G thay
đổi theo, tùy theo mức độ tiến hóa của loài. Trong tế bào nhân chứa hàm lượng DNA rất lớn, gồm nhiều phân tử DNA khác nhau. Mỗi phân tử DNA kết hợp với histon (protein
kiềm) tạo nên các nhiễm sắc thể. Số lượng nhiễm sắc thể đặc trưng riêng của mỗi loài sinh vật bậc cao. Ví dụ: nấm men có nhiễm sắc thể lưỡng bội 2n=16, người 2n=46…
Nhiễm sắc thể của sinh vật eukaryote cấu trúc từ các
chuỗi polynucleosom cuộn xoắn. Mỗi nucleosom gồm
các histon + nonhiston (để giữ) + phân tử DNA cuộn
xoắn vòng quanh. Các nucleosom liên kết với nhau
nhờ histon H1 tạo nên các chuỗi polynucleosom,

chuỗi polynucleosom cuộn gấp khúc, tạo nên các
nhiễm sắc thể.


Các loài sinh vật eukaryote khác nhau có tỷ lệ DNA trong các
gen mã hóa protein trong các tế bào rất khác nhau. Loài sinh
vật càng ở bậc cao trong thang tiến hóa, có bộ gen với tỷ lệ
DNA mã hóa protein càng thấp. Ví dụ, ở nấm men
saccharomyces cerevisiae trong mỗi tế bào có khoảng 70%
hàm lượng DNA trong các gen mã hóa protein; ở người, trong
mỗi tế bào chỉ khoảng 1,5-2% hàm lượng DNA mã hóa protein.


2. Cấu trúc gene của eukaryote.

Cấu trúc gen mang mã di truyền của sinh vật eukaryote có 3 vùng tương tự như cấu trúc gen ở sinh vật prokaryote: vùng 5’ promoter, vùng ORF và vùng 3’
terminator.
Vùng 5’ promoter:
- Vùng 5’ promoter có các trình tự đặc hiệu: promoter, operater, enhancer,silencer…và vùng mở rộng gồm các trình tự nucleotid đặc hiệu khác. Trong đó có 2
trình tự đặc biệt quan trọng là promoter và operater.
- Promoter là trình tự nucleotid đặc hiệu, là vị trí bám của các enzym phiên mã RNA polymerase.
- Oprerater là vị trí bám của các protein điều hòa phiên mã.


- Sinh vật eukaryote có 3 loại promoter cho 3 loại enzym phiên mã RNA polymerase khác nhau. (Tức là gen mang mã di truyền của sinh vật eukaryote chia
làm 3 nhóm chính, mỗi nhóm gen có loại promoter khác nhau và mỗi promoter có cấu trúc thích hợp với một loại RNA polymerase khác nhau.
+ Promoter nhóm I là promoter của các gen mã hóa rRNA 18S, rRNA 28S và rRNA 5,8S. Promoter nhóm I có 2 trình tự nucleotid đặc trưng trình tự
nucleotid trong tâm promoter (core promoter) nằm ở vị trí -40 đến +20 và trình tự UCE (upsteam control element) ở vị trí -156 đến -107. Là vị trí tiếp xúc của
enzym polymerase I.
+ Promoter nhóm II là promoter của các

gen mã hóa protein và một số gen mã hóa các
loại RNA (small RNA U1, U2, U3…). Promoter
nhóm II có tâm promoter với trình tự nucleotid
đặc hiệu TATA box ở vị trí -25, trình tự CAAT
-box ở vị trí -80, GC box ở vị trí -100. Là vị trí tiếp xúc của enzym polymerase II).


+ Promoter nhóm III là promoter của các gen mã hóa các loại tRNA, rRNA 5S và một số phân tử RNA có kích thước nhỏ (small RNA như , U 6…). Vị trí đặc
trưng đang tiếp tục được nghiên cứu và là vị trí tiếp xúc của enzym RNA polymerase III.
Vùng ORF:
- Ở sinh vật eukaryote phần lớn các gen mã hóa
protein là gen phân đoạn, trừ một số gen mã hóa
histon và gen sốc nhiệt không chứa intron.
- Vùng ORF của các gen mã hóa protein ở sinh
vật eukaryote có cấu trúc xen kẽ các exon (đoạn
DNA mang mã di truyền) xen kẽ với các intron
(đoạn DNA không mang mã di truyền), nên được
gọi là gen phân đoạn.
- Ở các loài sinh vật ở bậc cao trong hệ thống tiến hóa, các gen mã hóa protein có hàm lượng DNA trong intron chiếm tỷ lệ lớn.
- Số lượng intron trong các gen mang mã di truyền, hàm lượng DNA của các intron trong gen khác nhau tùy từng gen. Kích thước một intron có thể từ vài chục
bp đến hàng nghìn cặp bp tùy từng gen, tùy theo các loài sinh vật khác nhau.


Vùng 3’ terminator:
- Vùng 3’ terminator của các gen ở sinh vật prokaryote gồm:
- Các trình tự tín hiệu kết thúc (vị trí gắn bám của các protein đặc hiệu)
- Trình tự gắn đuôi polyadenin (poly A)
- Trình tự kết thúc phân biệt gen này với gen khác và một số trình tự lặp ngắn chưa rõ chức năng.
- Vùng 3’ terminator không mang mã di truyền, nhưng là cấu trúc không thể thiếu được của gen.

iV. VÍ DỤ VỀ CẤU TRÚC GEN MỘT SỐ LOẠI PROKARYOTE VÀ EUKARYOTE.
1. Cấu trúc bộ gene của một số prokaryote.
VD1: Vi khuẩn Escherichia Coli K12
- Là 1 phân tử DNA xoắn kép dài 1,6mm tạo thành 40-50 vòng siêu xoắn, mỗi vòng kích thước khoảng 100kb.
- Được giải mã hoàn thiện năm 1977.
- Trong bộ gene E.Coli:
+ 89% hàm lượng DNA mang mã di truyền, gồm 4258 gene mã hóa Protein, 122 gen mã hóa các dạng RNA, và các gen mã hóa các trình tự điều hòa hoạt động của gen,
các gen nhảy…Các gene mã hóa protein trong bộ gen của vi khuẩn E.coli trung bình 317 acid amin/ 1 chuỗi polipeptid.
+ Phần không mang mã di truyền trong bộ gen trong bộ gen E.Coli chiếmkhoảng 11%, bao gồm các đoạn DNA intergenic và 77 trình tự lặp lại. Các đoạn intergenic có
kích thước trung bình là 130bp, đoạn có kích thước lớn nhất là đoạn lặp các DNA không mang mã, khoảng 1730bp.
- Bộ gen vi khuẩn E.coli K12 có khoảng 630-700 Operon, có 1632 gene chưa rõ chức năng, chiểm khoảng 38,6% bộ gen.


VD 2: Vi khuẩn Methanococcus Jannaschii.
- Viện nghiên cứu bộ gene giải trình tự năm 1996, là vi khuẩn tự dưỡng đầu tiên được giải trình tự.
- Chỉ gồm một phân tử DNA xoắn kép dạng vòng, kích thước lớn (1666976 bp) và hai phân tử DNA dạng sợi có kích thước 58407 bp và 16550 bp.
- Bộ gene gồm 1743 gen mang mã di truyền. Trong đó:
+ 1682 gen nằm trên DNA dạng vòng.
+ Phân tử DNA dạng sợi có kích thước lớn có 44 gene.
+ DNA có kích thước nhỏ có 12 gene.
- Các gene mã hóa protein thường tập trung.


2. Cấu trúc gen của một số Eukaryote.

VD1: Nấm men.
- Có kích thước là 135000kp. Tập hợp thành 16 NST
(kích thước khác nhau).
+ NST số IV có kích thước lớn nhất (1352 kb).

+ NST số I có kích thước nhỏ nhất(230kb).
- Gồm 5885 gen mã hóa protein (coding gene), gần 140 gen mã hóa RNA ribosomal ( rRNA), 40 gen mã hóa snRNA (small nuclear RNA) và 275 mã hóa RNA
vận chuyển( tRNA).
- Bộ gen nấm men có mật độ gen mã hóa protein(coding gene) cao hơn rất nhiều so với các đại diện Eukaryote khác (Caenorhabditis elegans, Drosophila Melanogaster,
người…).
- Trong bộ gen nấm men, số lượng gen có intron chiếm tỉ lệ rất thấp (khoảng 231 gen có intron, chiếm 4% tổng số gen). Trong bộ gen nấm men intron thường có kích thước
nhỏ, các trình tự DNA lặp lại chiếm tỉ lệ ít hơn rất nhiều so với các sinhvật Eukaryote khác.
- Trong tổng số 5885 gen mã hóa protein của tế bào, nấm men đã biết chính xác 3408 loại protein,trong đó hơn 1000 loại protein giống như sinh vật bậc cao khác. Ở nấm men,
nhiều gen có cấu trúc tương đồng với các gen của sinh vật Prokaryote.


VD2: Bộ gen cây mù tạc ( Mustard- Arabidopsis Thaliana)
- Thuộc ngành thực vật có hoa, kích thước bộ gen 125mb, gồm 25498 gen.
- Bộ gen cây mù tạc được giải trình tự năm 2000.
- Cây mù tạc có 5 cặp NST.
- Bộ gen gồm các gen có kích thước nhỏ, 1 gen có
kích thước trung bình 4,6kb. Các gen có cấu trúc
exon xen kẽ intron, kích thước trung bình 1 exon
gồm khoảng 250bp, kích thước trung bình một
intron 170bp.
- Hàm lượng DNA ti thể của cây chiếm gần 25% tổng lượng DNA trong tế bào (ở tế bào động vật, hệ gen ti thể chiếm khoảng 5% bộ gen).
- Trong bộ gen cây mù tạc DNA lặp lại.
=> Như vậy sinh vật càng có mức độ tiến hóa cao thì sự phân hóa bộ gen càng phức tạp, tỉ lệ DNA lặp lại trong bộ gen càng lớn và tỉ lệ DNA mã hóa protein trong bộ gen càng
giảm.