bải giảng sinh hoc phân tử

Chương 1. MỞ ĐẦU
1.1. Lược sử NC sinh học phát triển
1.2. Đối tượng của môn sinh học phát triển
1.3. Nội dung môn sinh học phát triển
- Cơ sở của sự phát triển…
- NC sự phát triển của SV bậc thấp (virus, VK, Nấm đơn bào)
- NC sự phát triển của thực vật, động vật bậc cao.
1.4. Một số khái niệm
- Sinh trưởng…
- Phân hóa – phản phân hóa…
- Phát triển…
- Phát sinh cá thể…
- Quan hệ giữa sinh trưởng và phát triển…


Chương 2
CƠ SỞ CỦA SỰ PHÁT TRIỂN
2.1. Cơ sở phân tử của sự phát triển
2.1.1. Kích thước, tổ chức và tính phức tạp của bộ gen
+ Kích thước của bộ gen có mối quan hệ đến sự phức tạp của cơ thể
Thí dụ: E.coli bộ gen có 0,47. 108 cặp bazơ (bp-base pair); ruồi giấm có 2. 10 8
bp; người có 30. 108 bp.
+ Tổ chức gen của sinh vật nhân sơ (Prokaryota)
- ADN không liên kết với protein histon.
- Đa số các gen mã hóa các phân tử protein.
- Gen của Prokaryota không phân mảnh.
+ Tổ chức gen của sinh vật nhân chuẩn (Eukaryota)
- ADN liên kết với protein histon…
-Trong hệ gen có nhiều gen lặp…
- Đa số gen phân mảnh, chỉ có một số ít không phân mảnh.
- Ngoài gen trong nhân, chúng còn có gen ngoài nhân.

2.1. Cơ sở phân tử của sự phát triển
a. Sự biểu gen của sinh vật tiền nhân (Prokaryota)


a. Sự biểu gen của sinh vật tiền nhân (Prokaryota)


b. Sự biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn


b. Sự biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn
B1.

Điều tiết phiên mã

- Điều hòa đóng và tháo xoắn NST dựa vào bằng chứng về sự tháo xoắn
NST của các mô khác nhau v.v.
-Điều hòa ở mức cấu trúc gen: gen phân mảnh và không phân mảnh
- Sự điều hòa phiên mã còn phụ thuộc vào các enzim ARN- polymerase
định cư ở các vị trí khác nhau trong tế bào.
* ARN polymerase I định cư trong nhân con tổng hợp rARN.
* ARN polymerase II định cư trong cơ chất tổng hợp pre-mARN.
* ARN polymerase III định cư trong cơ chất tổng hợp tARN.


b. Sự biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn
B.2. Điều tiết sau phiên mã:
- Sau khi phiên mã từ các gen phân đoạn được tiền ARN (pre – ARN).

- Để mARN có thể tham gia quá trình dịch mã chúng cầm gắn thêm mũ metyl guanilat
vào đầu 5’. Đầu 3’ được gắn thêm đuôi poli A (gồm 100 – 200 gốc Adenilic). Đuôi
poli A cũng giúp cho mARN không bị phân giải và đi được qua màng nhân ra ngoài tế
bào chất.


b. Sự biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn
B.3. Điều tiết vận chuyển mARN qua màng
Để mARN có thể tham gia quá trình dịch mã chúng cầm gắn
thêm mũ metyl guanilat vào đầu 5’. Đầu 3’ được gắn thêm
đuôi poli A (gồm 100 – 200 gốc Adenilic). Đuôi poli A cũng
giúp cho mARN không bị phân giải và đi được qua màng nhân
ra ngoài tế bào chất.


b. Sự biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn
B.4.5.6. Điều tiết sự biểu hiện của gen ở mức trong và sau
dịch mã thể hiện:
- Thời gian tồn tại của mARN phụ thuộc vào mô, trạng thái
sinh lí của tế bào.
Thí dụ: Peter và Silverthorne (1995) khi nghiên cứu trên cây
đậu (Vicia faba) bị nhiễm nấm cho thấy mARN bị phân giải
nhanh, tế bào tổng hợp nhiều prolin ở vách tế bào.
- Điều tiết sự biểu hiện của gen sau dịch mã là protein sản
phẩm có thể trực tiếp tham gia chức năng sinh lí hay bị bất
hoạt


2.2. Cơ sở tế bào của sự phát triển
a. Chu kì tế bào

2.2. Cơ sở tế bào của sự phát triển
- Các loại tế bào khác nhau trong cơ thể và giai đoạn sinh trưởng, phát triển
khác nhau thường có chu kì khác nhau. Ở thực vật chỉ có mô phân sinh mới
có khả năng phân chia và có chu kì tế bào.
Thí dụ: Chu kì tế bào của một số sinh vật
+ Tế bào phôi của động vật có vú có chu kì 15 – 20 phút
+ Tế bào ở các mô của cơ thể trưởng thành có chu kì trung bình 10 – 12 giờ.
+ Tế bào vi khuẩn có chu kì trung bình từ 20 – 30 phút.
- Ở sinh vật nhân chuẩn, có điểm kiểm soát R. Các kết quả nghiên cứu cho
thấy chỉ có các tế bào qua điểm R mới tiếp tục phân chia, nếu không chúng
chuyển sang pha kéo dài và phân hóa.
- Protein Kinaza điều tiết chu kì tế bào, sự điều khiển dương (+) làm tăng
hoạt tính enzim Kinaza. Vì vậy, một số protein được phosphoril hóa giúp cho
tế bào bước vào nhân đôi NST và phân bào. Sự điều tiết âm (-) ngược lại khi
nhận các tín hiệu khác từ môi trường các kinaza bị ức chế, các protein không
được phosphoril hóa là ngừng chu kì tế bào, các tế bào chuyển sang pha kéo
dài và phân hóa.


Vai trò của kinase trong cơ chế điều khiển chu kì TB
* Vai trò của CdKs (cyclin dipendent kinases) :
+ CdKs : là một loại kinase có vai trò kiểm tra các khâu chuẩn bị cho nhân đôi bộ
NST ở pha S…
+ CdKs có khả năng phosphoril hóa để có hoạt tính hay bất hoạt nhờ tạo phức với
xyclin…
+ Ở pha G1 xyclin được tổng hợp gọi là xyclin G1, xyclin này tạo phức với CdKs
tạo G1/S Cdc hoạt hóa emzim tái bản ADN hình thành NST…
* Vai trò của MPF

+ MPF có vai trò kiểm soát giai đoạn G2/M có vai trò kiểm tra sự tái bản của
NST và những hư hại trong quá trình tái bản NST…
+ MPF là sự phối hợp của kinase- xyclin + xyclin…
+ MPF có vai trò loại bỏ nhóm phosphat của CdKs làm cho CdKs mất hoạt tính…
* Kiểm tra thoi (kiểm tra kì sau của M) nhờ phức APC/C (Anapha – promoting –
complex)
+ APC/C khởi động hình thành protein Securin có vai trò ức chế các protein khác
(thí dụ Separase) và có vai trò loại bỏ liên kết giữa các NST chị em giúp các NST
phân li trong phân bào…
+ APC/C còn có vai trò phân hủy proteosom bào quan chịu trách nhiệm phân giải
proten.


b. Sự phân hóa của TB động vật
+ Cơ thể động vật phát triển từ hợp tử trải qua một quá trình phân chia, phân hóa
hình thành nên các mô, cơ quan và toàn bộ cơ thể.
+ Sự phân hóa của các tế bào theo hướng chuyên hóa xảy ra rất sớm ngay từ giai
đoạn trứng và giai đoạn phôi.
+ Sự phân hóa của trứng trước thụ tinh: Các kết quả nghiên cứu trứng trước thụ
tinh cho thấy, tại các vùng khác nhau của trứng đó có sự khác nhau về gradien
nồng độ các chất. Và được chia làm được 3 vùng:
Sơ đồ minh họa sự phân bố
không đều của cấu trúc các
phôi bào trong quá trình
phân cắt trứng
- Đới động vật sau này phát
triển thành ngoại bì.
- Đới liền xám là nền móng
của phôi vị
- Đới sinh dưỡng sau này phát

triển thành nội bì.


b. Sự phân hóa của TB động vật
Thí nghiệm CM sự phân hóa của TB ĐV trong quá trình phát triển

Thí nghiệm 1:Sự phân hóa của tế bào phôi ếch Rana esculenta
- Nếu lấy nhân ở giai đoạn phôi nang đưa vào trứng của ếch loại bỏ
nhân thì trứng phát triển thành nòng nọc bình thường.
- Nếu lấy nhân ở giai đoạn phôi vị đưa và trứng ếch loại bỏ nhân thì
trứng không phát triển thành nòng nọc bình thường.
Với thí nghiệm này chứng tỏ tuy bộ gen trong nhân giống nhau,
nhưng vào mỗi giai đoạn phát triển của phôi hoạt động của bộ gen
đã có sự phân hóa khác nhau.


c. Sự phân hóa của TB thực vật

+ Vách tế bào thay đổi tùy thuộc vào chức năng trong các mô khác nhau
+ Hoạt động sinh lí của tế bào trong các mô khác nhau có sự khác nhau
Thí dụ: - Tế bào lông hút và tế bào biểu bì của rễ: tế bào lông hút có màng
mỏng, không bào lớn, áp suất thẩm thấu cao hơn so với tế bào biểu bì phù hợp
với chức năng bảo vệ.
- Tế bào nhu mô lá chứa nhiều lục lạp còn tế bào biểu bì không chứa lục
lạp v.v..


+ Cơ sở của sự phân hóa ở tế bào thực vật
- Do sự đa hình của protein và các enzim trong các cơ
quan của thực vật là khác nhau. Kết quả sự mở mã di

truyền của các mô và các tế bào là khác nhau.
- Do sự phân bào không đồng đều của các tế bào dẫn đến
sự phân hóa của các tế bào theo các hướng khác nhau.
- Do tương quan giữa các phytohocmon….


Thực nghiệm 1: Chứng minh sự phân hóa TB Thực vật

Thực nghiệm chỉ ra sự phân bào không đối xứng là cần cho sự phân hóa sinh sản
trong sự phát triển của hạt phấn (theo Eady và CS, 1995)


Thực nghiệm 2: Chứng minh sự phân hóa TB Thực vật

Ảnh hưởng của phytohoocmon đến sự phân hóa của chồi và rễ từ mô callus
Nếu tỷ lệ auxin/kinetin (3: 0,2) hình thành mô callus; nếu tỷ lệ auxin/kinetin
(3: 0,02) phát sinh rễ; nếu tỷ lệ auxin/kinetin (0,003/1) phát sinh chồi; nếu
không có auxin thì không hình thành mô callus.


2.4. Quá trình truyền tín hiệu trong sinh học phát triển
2.4.1. Những khái niệm cơ bản và định nghĩa
-Tín hiệu là các kích thích môi trường (bên ngoài và bên trong) gây nên cảm ứng
của tế bào thông qua các phân tử chất nhận….
- Các phân tử lượng bé thường tác động kiểu khuếch tán. Các phân tử lượng bé
có thể từ môi trường ngoại bào và nội bào.
Thí dụ: pheromon ở nấm men và côn trùng, cAMP ở Distyostelium, các
phytohoocmon và hoocmon động vật.
- Sự truyền tín hiệu vào tế bào qua 3 con đường
+ Một số tín hiệu có thể ngấm qua màng nguyên sinh (thí dụ: Steroit)

+ Phần lớn các tín hiệu là các phân tử ưa nước chúng thường tương tác với chất
nhận xuyên màng, làm cho chất nhận biến đổi cấu trúc. Kết quả chất nhận đi qua
màng.
+ Kích thích vật lý có thể tác động trực tiếp hay tương tác với chất nhận
Thí dụ: Ánh sáng kích thích G-protein liên kết với chất nhận Rodopsin và Opsin
của tế bào hình nón.
- Phối tử là sự kết hợp giữa tín hiệu với chất nhận bề mặt tế bào.


2.4. Quá trình truyền tín hiệu trong sinh học phát triển
2.4.2. Truyền tín hiệu và các chất nhận ở cơ thể Prokaryota

* Miền truyền tín hiệu của protein
cảm thụ có chứa Histidin (H) tại
đầu N còn miền nhận trả lời
protein điều tiết có chứa aspatat
(D).
* Protein miền truyền tự
phosphorill hóa giải phóng
phospho vô cơ (P), tiếp đến (P)
được chuyển cho aspatat của miền
nhận


2.4. Quá trình truyền tín hiệu trong sinh học phát triển
Vi khuẩn sử dụng hệ thống tín hiệu hai thành phần để phát hiện độ thẩm thấu
của môi trường
- Các lỗ lớn do các phân tử Pr OmpF tạo nên các lỗ
nhỏ do các phân tử Pr OmpC tạo lên.
- Protein cảm thụ EnvZ định cư trên màng trong,

protein này có miền tín hiệu đầu vào N ở vùng
ngoại biên và miền truyền C đầu cuối nằm trong tế
bào chất.
* Khi độ th.th của MT cao, protein cảm thụ EnvZ
tác động như kinaza tự phosphorill hóa Histidin,
enzim EnvZ đã phosphorill hóa lại phosphorill hóa
chất nhận điều tiết OmpR vốn có miền liên kết với
ADN. OmpR đã được phosphorill hóa gắn vào gen
khởi đầu tổng hợp protein lỗ OmpC.
* Khi nồng độ th.th của MT thấp EnvZ hoạt động
như Pr phosphatase loại P của OmpR làm cho sự
biểu hiện gen tổng hợp protein OmpC bị ức chế, gen
tổng hợp Pr OmpF được kích hoạt (theo Paskinson,
1993).


2.4. Quá trình truyền tín hiệu trong sinh học phát triển
2.4.2. Tín hiệu thứ hai
* Quan niệm về tín hiệu thứ hai
Tế bào nhận và trả lời hàng loạt các tín hiệu khác nhau của môi
trường, nhiều tín hiệu cảm ứng sự biểu hiện các nhóm gen đặc
trưng làm cho tế bào vượt qua điểm kiểm soát để tiếp tục phân
chia hay chuyển sang pha kéo dài và phân hóa hoặc bảo vệ tế bào.
Những tín hiệu đó sớm được hội tụ trên màng tế bào gọi là tín hiệu
nội bào, các tín hiệu này phải được biến đổi thành các tín hiệu hóa
sinh đơn giản trong tế bào chất giúp cho quá trình điều tiết tế bào.
Tất cả các phân tử liên quan đến quá trình đó gọi là tín hiệu thứ
hai.

2.4. Quá trình truyền tín hiệu trong sinh học phát triển
* Một số đại diện tín hiệu thứ hai phổ biến


2.4. Quá trình truyền tín hiệu trong sinh học phát triển
2.4.3. Sự truyền tín hiệu trong sinh vật có nhân chuẩn
Hai lớp tín hiệu xác định hai lớp chất nhận
-Hoocmon và vitamin được chia thành 2 nhóm: nhóm tan trong li
pit và tam trong nước.
-Hoocmon và vitamin tan trong mỡ thường liên kết với chất nhận
trong tế bào và nhân, các hoocmon và vitamin tan trong nước lại
liên kết với chất nhận trên bề mặt màng tế bào.
- Các steroit, tiroit và vitamin D dễ dàng đi qua màng nguyên sinh
chất và liên kết với protein nội bào, khi liên kết với phối tử chúng
được hoạt hóa, những protein này hoạt động như tác nhân phiên
mã. Các steroit thường định cư trong nhân và có miền liên kết với
ADN.


2.4. Quá trình truyền tín hiệu trong sinh học phát triển
2.4.3. Sự truyền tín hiệu trong sinh vật có nhân chuẩn

Sơ đồ hai kiểu chất nhận bảy cầu (theo Albert và CS, 1994)
A. Các miềm liên kết phối tử ngoại bào lớn đặc trưng của các chất nhận bảy cầu liên kết
protein. Chưa rõ miền nội bào tương tác với G – protein dị tam phân (G – protein gồm α, β,
γ dưới đơn vị)
B. Các miền ngoại bào nhỏ đặc trưng cho các chất nhận bảy cầu liên kết với các phối tử bé
như epinephrin. Một số chuỗi xoắn α bên trong chuỗi kép của màng thường tạo nên vị trí
liên kết phối tử