Bài Gỉang Sinh học phân tử

Bài 8.
SINH HỌC PHÂN TỬ


MỤC TIÊU










1. Trình bày được khái niệm, đặc điểm của bộ gen người
và ý nghĩa của việc nghiên cứu bộ gen người
2. Trình bày được sự điều hòa biểu hiện của gen ở sinh
vật Eukaryote
3. Liệt kê được một số kỹ thuật sinh học phân tử ứng
dụng trong y học
4. Trình bày được khái niệm, cơ chế gây đột biến gen và
một số bệnh phân tử hay gặp ở người
5. Trình bày được nguyên tắc điều trị và cách dự phòng
bệnh di truyền ở người


1. Bộ gen người và các kỹ thuật sinh
học phân tử ứng dụng trong y học
1.1. Bộ gen người và ý nghĩa việc nghiên
cứu bộ gen người

Bộ gen (genome) chỉ toàn bộ các đơn vị di truyền chứa
trong một bộ đơn bội (n) NST của loài. Mỗi giao tử bình thường
chứa một bộ gen, mỗi tế bào soma chứa hai bộ gen.
Bộ gen của người là tập hợp tất cả các gen trên chuỗi
ADN của 24 NST của người (22 NST thường và NST X, Y)
cộng thêm các gen trên ADN ty thể. Trong một tế bào sinh
dưỡng bình thường, gen trong nhân chỉ có hai bản sao nhưng
gen trong ty thể có hàng ngàn bản ứng với hàng ngàn ty thể
trong tế bào.


1.1. Bộ gen người và ý nghĩa việc
nghiên cứu bộ gen người
Dự án bộ gen người (HGP) gồm ba mục tiêu chính là:
 Dựng bản đồ di truyền
 Dựng bản đồ hình thể
 Giải mã chính xác 3 tỷ cặp base trong bộ gen người
Lợi ích tiềm năng của dự án bộ gen người:
 - Giải thích được nguyên nhân, cơ chế của các tính trạng bình
thường hoặc bệnh lý để có những chẩn đoán, điều trị chính
xác và hiệu quả hơn.
 - Tách dòng được các gen cần nghiên cứu, sửa chữa gen phục
vụ điều trị bệnh (gene therapy).
 - Sản xuất các sản phẩm từ gen (ARN, protein) phục vụ đời
sống, chẩn đoán và điều trị bệnh.


1.2. Đặc điểm bộ gen của người
Gồm những trình tự mã hóa (exon) xen kẽ với các trình tự không
mã hóa (intron).

- Các trình tự duy nhất: Là các gen mã hoá cho các protein, các
trình tự này đặc trưng cho từng gen, chiếm khoảng 10% bộ
gen, các gen này chỉ mã hóa ra một loại protein.
 - Các trình tự lặp lại nhiều lần: Chiếm 10 - 15% bộ gen của
động vật có vú. Đó là những trình tự không mã hoá, thường
tập trung ở vùng chuyên biệt trên nhiễm sắc thể như vùng tâm
động hay ở đầu mút các nhiễm sắc thể.
 - Các trình tự số lần lặp lại trung bình: Chiếm khoảng 25 40% bộ gen người. Các trình tự ADN này phân tán trong toàn
bộ gen. Chúng có thể là những trình tự không mã hoá nhưng
chúng cũng có thể có chức năng sao mã, chúng là gen của các
rARN, tARN và một số gen khác nữa.


1.2. Đặc điểm bộ gen của người
Ngoài ba trình tự nêu trên, trong bộ gen người cũng như bộ gen
của các Eukaryote còn có các gen đặc biệt khác:
 - Các gen nhảy (transposon): Đó là những đoạn ADN có khả
năng tích hợp vào bất cứ đâu của bộ gen, lúc đầu chúng được
thấy ở vi khuẩn, nay thì chúng được thấy ở cả động vật và
thực vật bậc cao.
 - Gen gối nhau (overlapping genes): Trong ADN của virus và
của tế bào sinh vật bậc cao người ta phát hiện thấy những gen
gối nhau có nghĩa là hai gen hoặc hơn hai gen có chung một
phần chuỗi ADN. Các gen này do cách cấu trúc khác nhau nên
tạo ra các ARN tiền thân khác nhau rồi tổng hợp ra các ARN
thông tin tương ứng khác nhau nên tổng hợp ra những protein
khác nhau.


1.3. Điều hòa sự biểu hiện của gen ở

sinh vật Eukaryote
1.3.1. Nguyên lý chung
Không phải tất cả các gen đều có biểu hiện liên tục.
Các bước điều khiển hoạt động gen bao gồm:
 - Cấu trúc lại ADN, trong đó những thay đổi biểu hiện gen phụ
thuộc vào vị trí trình tự ADN trong genome.
 - Điều hòa phiên mã trong tổng hợp bản phiên mã ARN bằng
sự điều khiển, sự mở đầu và sự kết thúc
 - Quá trình chế biến ARN hoặc điều hòa qua quá trình cắt-nối
trên ARN (ARN splicing)
 - Điều hòa dịch mã quá trình tổng hợp chuỗi polypeptid
 - Sự bền vững của mRNA


1.3. Điều hòa sự biểu hiện của gen ở
sinh vật Eukaryote
1.3.2. Cơ chế và biểu hiện gen của sinh vật Eukaryote
Có nhiều cơ chế hoạt động và biểu hiện gen khác nhau:
1. Điều hòa và biểu hiện bằng thay đổi cấu trúc NST hay cấu
trúc phân tử ADN
2. Điều hòa ở mức độ phiên mã
3. Cắt bỏ intron, nối exon (Splicing)
4. mARN gắn với một số protein đặc hiệu xuyên qua lỗ màng
nhân ra bào tương
5. Huỷ các mARN không được dùng để dịch mã
6. Dịch mã, tổng hợp protein
7. Biến đổi protein
8. Điều hòa bằng cơ chế phân hủy protein

1.4. Một số kỹ thuật sinh học phân tử
ứng dụng trong y học
1.4.1. Kỹ thuật tách chiết và điện di ADN
Phương pháp tách chiết ADN gồm 3 bước chính:


- Bước 1: Phá vỡ màng tế bào và màng nhân



- Bước 2: Loại bỏ các thành phần không mong muốn trong
mẫu (protein, lipit, polysaccarit...)



- Bước 3: Kết tủa acid nucleic, Cặn acid nucleic thu được bằng
ly tâm sau đó hòa trong nước khử ion hoặc dung dịch đệm để
bảo quản.


1.4. Một số kỹ thuật sinh học phân tử
ứng dụng trong y học
1.4.2. Kỹ thuật tách chiết ARN
Phương pháp tách chiết ARN toàn phần cũng bao gồm các bước
cơ bản như tách chiết ADN:

- Giải phóng ADN và ARN ra khỏi màng tế bào


- Tách loại bỏ protein và các thành phần không mong
muốn khác

- Tủa axit nucleic

Bước tiếp theo: dịch chiết chứa axit nucleic được ủ với
ADNase để phân hủy ADN, sau đó hòa tan dịch chiết chứa
ARN trong nước, tủa bằng ethanol để thu được ARN toàn
phần. Đối với mARN có thể được tách riêng do có chứa đuôi
polyA nên có thể dùng sắc ký ái lực trên cột oligo T- cellulose.


1.4.3. Kỹ thuật PCR
 PCR (Polymerase Chain Reaction) - Phản ứng chuỗi trùng
hợp là một kỹ thuật phổ biến trong sinh học phân tử nhằm nhân
bản (tạo ra nhiều bản sao) một đoạn ADN trong ống nghiệm
mô phỏng bộ máy sinh tổng hợp ADN của tế bào sống.
 Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu sinh
học và y học phục vụ nhiều mục đích khác nhau, như phát hiện
các bệnh di truyền, nhận dạng vân tay ADN, chuẩn đoán những
bệnh nhiễm trùng, tách dòng gen và xác định huyết thống.
 Một quy trình PCR gồm 20 đến 30 chu kỳ. Mỗi chu kỳ gồm 3
bước:
Bước 1- Biến tính: Thời gian này kéo dài từ 1-2 phút.
Bước 2 – Gắn mồi: Thời gian cho quá trình này từ 1-2 phút.
Bước 3 – Kéo dài: Thời gian của bước này phụ thuộc vào cả ADN
polymerase và chiều dài mảnh ADN cần khuếch đại. Tốc độ
tổng hợp ADN vào khoảng 1000 cặp base/ 1 phút.

1.4. Một số kỹ thuật sinh học phân tử
ứng dụng trong y học
1.4.4. Các phương pháp xác định trình tự ADN
1.4.5. Kỹ thuật lai axit nucleic
1.4.6. Hiện tượng đa hình chiều dài của các đoạn ADN do enzym
cắt giới hạn tạo nên (Restriction Fragment Length
Polymorphism - RFLP)
1.4.7. Chip ADN


2. Đột biến gen và bệnh học phân tử
2.1. Khái niệm đột biến gen
Đột biến được chia làm hai loại:
 - Đột biến chất lượng: Hình thành một protein lạ
có cấu trúc bất thường.
 - Đột biến số lượng: Protein có cấu trúc bình
thường nhưng sinh ra quá nhiều hoặc quá ít so với
nhu cầu của cơ thể.


2.2. Cơ chế đột biến gen
2.2.1. Cơ chế gây đột biến chất lượng
 Đột biến thay thế cặp nucleotide
Gồm: Đột biến đồng hoán và Đột biến dị hoán
Hậu quả: Đột biến điểm xuất hiện trong vùng mã hóa chuỗi
polipeptit của gen có thể gây nhiều hậu quả, nhưng tất cả đều
có tác động lên mã di truyền theo 2 hướng: làm thoái hóa mã di
truyền hoặc xuất hiện mã kết thúc. Có các dạng sau:
Đột biến đồng nghĩa: đột biến thay đổi một bộ ba mã hóa axit

amin thành codon mới mã hóa cho cùng axit amin đó.
Đột biến nhầm nghĩa: bộ ba mã hóa cho một axit amin này bị thay
đổi thành bộ ba mã hóa cho một axit amin khác.
Đột biến vô nghĩa: bộ ba mã hóa cho một axit amin bị thay đổi
thành bộ ba kết thúc.


2.2. Cơ chế đột biến gen
2.2.1. Cơ chế gây đột biến chất lượng
 Đột biến thêm - mất cặp nucleotide
Đơn giản nhất là thêm hoặc mất một cặp nucleotide. Đôi
khi đột biến làm thêm hoặc mất đồng thời nhiều cặp
nucleotide.
Đột biến mất hoặc thêm sẽ làm thay đổi khung đọc trong
quá trình dịch mã từ điểm bị đột biến cho đến kết thúc theo
khung mới. Vì vậy loại đột biến này được gọi là đột biến dịch
khung. Đột biến này tạo ra trình tự axit amin kể từ điểm bị đột
biến cho đến kết thúc khác với trình tự axit amin gốc.
Đột biến cấu trúc gây ra sự mất hoàn toàn cấu trúc và
chức năng của protein bình thường.


2.2. Cơ chế đột biến gen
2.2.2. Cơ chế gây đột biến số lượng
 Đột biến gen điều chỉnh
Nếu gen điều chỉnh bị mất đoạn hoặc đột biến theo các
kiểu như trên đã trình bày, thì nó không sản xuất được chất
kìm hãm hoặc sản xuất được nhưng biến đổi cấu trúc nên mất
khả năng tương tác với vị trí vận hành hoặc không kết hợp
được với chất cùng kìm hãm để hoạt động. Do đó vị trí vận

hành không bị kìm hãm, nó kích thích các gen cấu trúc hoạt
động liên tục sản xuất quá nhiều sản phẩm.
 Đột biến vị trí vận hành
Đột biến giảm hoặc mất khả năng kích thích sự hoạt động
của các gen cấu trúc do đó cả operon kém hoạt động hoặc
không hoạt động, sản phẩm không tạo ra.
Đột biến làm giảm hoặc mất khả năng kết hợp với chất
kìm hãm nên nó không được kìm hãm và operon sản xuất quá
nhiều sản phẩm.


2.3. Một số bệnh học phân tử thường gặp
2.3.1. Đột biến phân tử protein không phải là men (Nhóm bệnh về
máu)
 Tính di truyền của Hb được quyết định bởi hai loại gen: gen cấu
trúc và gen điều chỉnh, chúng di truyền theo quy luật Mendel.

Gen cấu trúc: Quy định cấu trúc bậc 1, 2, 3 và 4 của các
chuỗi polypeptid trong phân tử Hb. Trên đôi nhiễm sắc thể thứ
11 có những gen mã hoá sự tổng hợp globin của chuỗi β và γ .
Trên đôi nhiễm sắc thể thứ 16 có những gen mã hoá sự tổng hợp
globin của chuỗi α.
 Gen điều chỉnh: Quy định sự tổng hợp các chuỗi polypeptid α,
β, δ, γ . Đột biến các gen này sẽ dẫn đến sự thiếu hụt hoặc không
tổng hợp được các chuỗi polypeptid. Đó là nguyên nhân của các
bệnh về huyết sắc tố, có tên chung là Thalassemia.


2.3. Một số bệnh học phân tử thường gặp
2.3.1. Đột biến phân tử protein không phải là men

Bệnh của hemoglobin do bất thường chất lượng chuỗi globin
● Bệnh Hemoglobin S
Bệnh hemoglobin S do đột biến ở vị trí acid amin thứ sáu
của chuỗi β là axit glutamic bị thay thế bởi valin.
GAA hoặc GAG (sau khi phiên mã) nên nó mã hoá acid
amin glutamic. Nếu A bị thay thế bởi U, đơn vị mã bị biến đổi
thành GUA hoặc GUG, nó mã hoá thành acid amin valin.
Bệnh hemoglobin S di truyền theo quy luật di truyền alen
lặn trên NST thường
Chẩn đoán bệnh HbS dựa vào triệu chứng lâm sàng, xem
xét hình thái hồng cầu.




2.3. Một số bệnh học phân tử thường gặp
2.3.1. Đột biến phân tử protein không phải là men
Bệnh của hemoglobin do bất thường chất lượng chuỗi globin
● Bệnh hemoglobin C
 Bệnh hemoglobin C do một đột biến gen dạng thay thế cặp
nucleotid xảy ra trong gen kiểm soát tổng hợp chuỗi β làm cho
mã thứ sáu là GAG được đổi thành AGG, kết quả làm glutamic
bị biến đổi thành lyzin.
 Quy luật di truyền: Bệnh HbC di truyền theo kiểu di truyền alen
lặn trên NST thường. Người bệnh đồng hợp tử lặn (cc) bị thiếu
máu tan huyết nhẹ, lách to, trong máu có nhiều hồng cầu hình
bia và một ít hồng cầu nhỏ. Người dị hợp tử (Cc), hồng cầu có
lẫn hai loại hemoglobin A và C.
 Chẩn đoán xác định bệnh HbC dựa trên phân tích điện di Hb.

2.3. Một số bệnh học phân tử thường gặp
2.3.1. Đột biến phân tử protein không phải là men
Bệnh của hemoglobin do bất thường chất lượng chuỗi globin
● Bệnh hemoglobin E
 Hemoglobin E được hình thành do đột biến thay thế acid amin
thứ 26 của chuỗi β là acid glutamic được thay bởi lysin. Bình
thường đơn vị mã ở đó là GAA hoặc GAG, nó mã hoá acid
glutamic khi bị đột biến chuyển thành AAG mã hoá lysin. Hai
kiểu đột biến có thể gây ra: Nếu đơn vị mã là GAA bị đảo ngược
thành AAG thì sẽ mã hoá lysin. Nếu đơn vị mã là GAG, có G bị
thay thế bởi A, đơn vị mã sẽ biến đổi thành AAG cũng sẽ mã hoá
lysin.
 Quy luật di truyền: di truyền alen lặn trên NST thường.
 Các thể bệnh: Bệnh hemoglobin E cũng gây nên chứng thiếu
máu nhưng nhẹ hơn bệnh hemoglobin S.