Bài giảng Sinh học nâng cao

Chương 1.
Cơ chế biểu hiện gen trong thực vật
1. Khái niệm cơ bản
- Sự đa dạng vĩ đại và chức năng tuyệt vời của thực vật
- Q trình tích lũy đặc thù vị trí của những protein đặc thù phản ảnh q
trình điều hịa.
- Q trình tổng hợp, vận chuyển và tan dã các phân tử protein và RNA
được điều hòa rất nghiêm ngặt.
- Điều hòa theo cả 2 cơ chế là phản ứng tăng cường và ức chế
- Các yếu tố promoter, enhancer, silencer, các yếu tố phiên mã và các yếu
tố gây biến đổi nhiễm sắc đóng vai trò làm tăng cường hay ức chế phiên
mã gen.
- Cơ chế điều hịa gen có liên quan đến phản ứng với auxin
- Cắt nối thay thế nhau các tiền phiên mã có liên quan đến điều hịa biểu
hiện gen.
- Điều hịa thơng qua q trình dịch mã tạo protein và vận chuyển protein.
- Thiết kế promoter và các yếu tố phiên mã sử dụng trong công nghệ sinh
học nhằm điều hịa hoạt động của gen.
- Kiểu hình là kết quả tương tác giữa kiểu gen với các yếu tố môi trường
bên trong và ngồi cơ thể, trong đó kiểu gen đóng vai trị quyết định, mơi
trường đóng vai trị quan trọng.
- Sự thành công của cây trồng được đánh giá thông qua một số thông số:

1


+ Thông qua khả năng sinh sản, sinh ra được nhiều con cháu, hệ số nhân
cao.
+ Các con cháu lại có khả năng sống sót và tồn tại rồi phát triển tốt, tỷ lệ
sống sót cao.
+ Rồi các con cháu này lại tiếp tục tồn tại và sống sót cao và cứ như vậy.

- Khả năng thành công của thực vật địi hỏi khả năng thích ứng của sinh
vật đó với các điều kiện môi trường khác nhau và luôn thay đổi từ khi hạt
nẩy mầm đến khi cây có khả năng sinh sản tạo ra hạt mới và phát tán đi.
- Hầu hết các chức năng của thưc vật đều được thực hiện thông qua hoạt
động của các protein.
- Biểu hiện của gen được phản ảnh thông qua quá trình sinh ra những
protein đặc thù và sự điều khiển chúng thơng qua các khía cạnh là chúng
được sinh ra ở đâu, khi nào sinh ra và sinh ra được bao nhiêu.

2. Sự đa dạng vĩ đại và chức năng tuyệt vời của thực vật
- Cây Sequoiadendron giganticus trưởng thành có kích thước 2.5 x 1011 lớn
hơn hạt của nó.
- Một chồi măng có thể sinh trưởng tới 1 m/ 1 ngày.
- Khả năng thốt hơi nước, một cây ngơ trong chu kỳ sống có thể thốt hơi
nước hết 200 lít.
- Sinh sản bao gồm q trình ra hoa, kết hạt, hình thành quả và sự chín của
hạt.
- Đặc tính phẩn quang của cây bao gồm tính hướng và phản ứng quang chu
kỳ.
2


- Thực vật có khả năng chống lại sâu bệnh và sự xâm thực bởi các thực vật
khác.
- Thực vật có khả năng chống chịu lại các điều kiện vơ sinh bất thuận như
hạn, nhiệt độ quá thái và các điều kiện về đất.
- Hiện tượng cây Crocus nẩy chồi chui lên từ lớp tuyết sâu, cây nắp ấm
thuộc họ ly tiết ra các chất bay hơi nhằm hấp dẫn các loại ruồi nhặng đến
để ăn thịt, tiêu hóa cơn trùng để lấy phospho và đạm.
3. Cơ chế điều khiển biểu hiện gen

Dịng thơng tin di truyền từ gen (DNA) phiên mã tạo thành RNA dịch mã
thành Protein, các protein này sau đó biến đổi sau dịch mã để đi vào ty
thể, nạp thể, các cơ quan tử khác hay xuất ra ngồi tế bào. Tất cả các q
trình đó đều được điều khiển tăng cường, ức chế hay bị phân rã ở các
mức độ bao nhiêu, khi nào và ở đâu.
3.1. Nhiễm sắc chất và q trình điều hịa phiên mã
- DNA nằm trong nhiễm sắc thể, cấu trúc với protein histone tạo thành các
nucleosome (146 bp quấn quanh 8 phân tử protein histone) và solenoid.
Trình tự DNA nào nằm trong các cấu trúc này thường khó hoạt động và
khơng phiên mã.
- Thí nghiệm chứng minh rằng, những vùng genome nào sẵn sàng phiên
mã thường có đặc tính mẫn cảm với các enzyme deoxyribonuclease, các
enzyme này có tác dụng làm lỏng lẻo cấu trúc nhiễm sắc.
- Nếu acetyl protein histone tại vùng đi amino acid, có ảnh hưởng đến
q trính bám gắn của protein với DNA do đó DNA nhân được cởi nút đã
làm tăng cường quá trình phiên mã các vùng DNA lân cận.

3


- Phiên mã gen có liên quan mật thiết đến cấu trúc của gen, đặc biệt là ở
vùng promoter, hộp CAAT và TATA (-25 - -30), một số gen có thể trình
tự 5UTR và 3UTR hoặc intron thậm trí ở cả những vùng mã hóa cũng có
thể tham gia vào thành phần promoter.
Hình.

Sơ đồ gen eukaryote điển hình

- Hoạt động của enzyme RNA polymerase II chịu tác động tham gia bởi
nhiều yếu tố phiên mã TF đặc thù khác. Sơ đồ và các bước tác động theo

thứ tự DNA + TFIID, TFIIB, TFIIA, RNA Pol II, TRIIE và TFIIH.
Chương 16
KIỂM TRA DI TRUYỀN PHẢN ỨNG MIỄN DỊCH
- Khi một chất ngoại lai mang đặc tính kháng nguyên (antigen, thí dụ như protein vỏ
của virus) được đưa vào máu của động vật có vú chúng sẽ kích thích tạo cơ chế bảo
vệ hay phản ứng miễn dịch, kết quả sẽ tổng hợp nên một nhóm các protein cực quan
trọng được gọi là các kháng thể (antibody).
- Mỗi kháng thể có một kháng nguyên tương ứng đặc hiệu. Các kháng thể này sẽ bọc
đặc thù lấy kháng nguyên tương ứng sau đó tạo điều kiện thuận lợi để đưa chúng qua
máu ra khỏi cơ thể.
- Các nhà khoa học đã khám phá ra có một số trình tự DNA mã hóa một khối lượng
khổng lồ các kháng thể trong hệ thống miễn dịch ở động vật có vú. Các trình tự
DNA này được lắp ghép trong q trình phân hóa ở trong các tế bào sản sinh kháng
thể bằng cách xẩy ra các sự kiện sắp xếp lại genome (genome rearrangements).

1. Thành phần của hệ thống miễn dịch
- Tế bào bạch cầu của máu động vật đóng vai trị trung tâm trong phản ứng miễn dịch
của động vật có xương sống.
4


- Có ba loại tế bào bạch cầu khác nhau đảm nhiệm phản ứng miễn dịch đó là:
+ Tế bào lympho B (lymphocyte B) gọi tắt là tế bào B vì nó được sinh ra ở trong các tế
bào tủy sống của động vật có xương sống.
+ Tế bào lympho T (lymphocyte T) được gọi tắt là tế bào T vì nó được sinh ra từ tuyến
giáp trạng (thymus gland).
+ Tế bào đại thực bào (macrophage).
- Hình 16.1 mơ tả sơ đồ các thành
phần của hệ thống miễn dịch ở
động vật có xương sống.

- Kháng thể được tổng hợp bởi tế
bào B, khi được tiết ra ngoài tế
bào hoặc nằm trên bề mặt màng
tế bào B tùy theo một số điều
kiện nhất định.
- Trong quá trình phản ứng miễn
dịch thể dịch (humoral immune
response) thì các kháng thể được
sinh ra từ tế bào B sẽ ra ngoài tế
bào và bọc đặc thù lấy kháng
nguyên nằm tự do ở trong máu
và kết dính (agglutination) chúng
lại.
- Phức hợp giữa kháng thể với
kháng nguyên này sau đó được
đại thực bào nuốt vào bên trong
rồi bị phân rã (hình 16.1 trái)
- Tế bào T làm mơi trường trung
gian cho q trình phản ứng

5


miễn dịch của tế bào. Tế bào T tổng hợp nên chất tiếp nhận (protein thụ cảm) với
kháng nguyên, chất tiếp nhận nhận biết kháng nguyên nằm trên bề mặt màng tế bào
T có tác dụng kích hoạt q trình phân rã những tế bào nào có chứa các kháng
nguyên, như các tế bào bị nhiễm virut chẳng hạn như hình 16.1 (phải).
- Các tế bào T khác nhau có biểu hiện chức năng này hơi khác nhau.
- Tuy nhiên, nhìn chung q trình tấn cơng của tế bào T vào những tế bào mang kháng
nguyên yêu cầu có sự tham gia của cả chất (protein) tiếp nhận tế bào T đặc thù

(specific T cell receptor) với một hoặc một số chất (proteins) tiếp nhận kháng nguyên
tương hợp (histocompatibility antigen receptor).
- Cơ chế của mối tương tác giữa chất tiếp nhận tế bào T đặc thù với chất tiếp nhận
kháng nguyên tương hợp sẽ được mô tả ở các phần dưới đây.
2. Nguồn sinh kháng thể khổng lồ
-

Có sự đa dạng vơ tận các kháng thể có thể được tổng hợp nếu khi gặp các kháng
nguyên trong cơ thể động vật mà trước đó chúng có thể chưa từng gặp.

-

Làm thế nào một cơ thể động vật có thể tổng hợp được kháng thể nhất định để bọc
rất đặc thù đối với mỗi một kháng nguyên đặc thù mà trước kia nó chưa bao giờ
biết hoặc đối mặt với kháng nguyên đó.

-

Làm thế nào một cơ thể có đầy đủ các thơng tin di truyền để mã hóa cho các trình
tự amino acid của một đa dạng vơ tận của các kháng thể.

-

Chúng ta khơng thể biết được có bao nhiêu kháng thể mà đời một người hay một
con chuột có thể tạo ra, nhưng chúng ta biết chắc rằng con số này sẽ rất lớn, được
tính bằng hàng triệu.

-

Chắc chắn rằng không thể tất cả các gen trong một cơ thể con người có bộ genome

chứa 3,2 tỷ bp đều sinh ra kháng thể.

a/ Các giả giả thuyết về khả năng tạo ra tính đa dạng kháng thể
Hiện có 3 giả thuyết đưa ra giải thích hiện tượng này:

6


+ Thuyết dịng mầm (germ line) cho rằng có một gen dòng mầm tách biệt đối với mỗi
một kháng thể. Thuyết này đúng về khía cạnh tổng hợp protein nhưng lại phi lý vì
khơng có đủ DNA để đảm nhận chức năng này.
+ Thuyết đột biến Soma cho rằng chỉ có một hoặc một vài gen dịng mầm đặc thù
cho mỗi một lớp kháng thể chủ yếu và tính đa dạng được sinh ra bởi tần số cao của
đột biến soma. Là đột biến xảy ra trong các tế bào soma sản sinh ra kháng thể hoặc
xẩy ra ở trong các tế bào mầm sinh ra tế bào tạo kháng thể. Tuy nhiên, hiện chưa có
một phát hiện nào cho thấy có một tần suất đột biến cao chỉ xẩy ra ở trong những
gen nhất định và chỉ ở trong những loại tế bào nhất định. Tuy nhiên, bằng cơ chế
nào q trình đó xẩy ra và làm thế nào q trình đó được điều khiển thì vẫn khơng
rõ.
+ Thuyết gen nhỏ (minigene) cho rằng sự đa dạng của kháng thể là do sự thay đổi
của nhiều đoạn nhỏ của một vài gen tạo thành một vô số các tổ hợp có thể. Sự sắp
xếp lại có thể xẩy ra bằng các quá trình tái tổ hợp trong tế bào soma. Q trình này
địi hỏi cơ chế hồn tồn khác biệt trong việc sắp xếp lại các đoạn DNA trong
genome.
-

Hiện nay chúng ta biết rõ rằng thuyết gene nhỏ đã giải thích đúng về sự đa dạng
của các kháng thể quan sát thấy. Tuy nhiên, đột biến soma cũng đóng góp làm tăng
thêm sự đa dạng của các kháng thể. Hơn nữa, chúng ta biết rõ rằng có một đoạn ở
vùng bảo thủ của mỗi một chuỗi kháng thể được đặc thù bởi một gen hay một đoạn

gen, đoạn gen này có trong genome với chỉ một số ít copy. Bởi thế tất cả ba thuyết
nêu trên đều đúng ở một khía cạnh nào đó.

b/ Cấu trúc của kháng thể
- Kháng thể thuộc vào một lớp các protein là globulin miễn dịch (immunoglobulin),
mỗi kháng thể chứa 4 chuỗi polypeptide, hai chuỗi nặng giống nhau và hai chuỗi nhẹ

7


giống nhau, chúng gắn với nhau bằng liên kết lưu huỳnh (hình 16.2 thiếu).

- Chuỗi nhẹ dài 220 amino acid, chuỗi nặng dài khoảng 440 – 450 amino acid. Mỗi
chuỗi nặng và nhẹ đều có một vùng biến động nằm ở đầu tận cùng đầu chứa amin của
trình tự amino acid, trong vùng này thường xuyên thay đổi để kháng thể tạo ra có tính
đặc thù cao cho mỗi kháng nguyên khác nhau. Vùng bảo thủ nằm ở đầu carboxyl có
trình tự amino acid giống nhau trong tất cả các kháng thể thuộc cùng một lớp Ig nhất
định. Vùng này khơng có liên quan gì đến tính bọc đặc thù đối với kháng nguyên.
Vùng biến động của tất cả các chuỗi kháng thể đều dài khoảng 110 amino acid.
- Vùng protein mang chức năng đặc thù được gọi là trung tâm (domain), mỗi kháng
thể có hai vị trí trung tâm bọc kháng nguyên đặc thù. Mỗi trung tâm bọc kháng

8


nguyên đặc thù được hình thành ở vùng biến động, một ở chuỗi nặng và một ở chuỗi
nhẹ (hình 16.3).
- Vùng bảo thủ, của hai chuỗi nặng tương tác với nhau để hình thành nên một vị trí
trung tâm bọc kháng nguyên thứ ba gọi là effector (effector function domain), vị trí
này chịu trách nhiệm giúp kháng thể tương tác một cách chính xác với các thành phần

khác của hệ thống miễn dịch.
- Có 5 lớp kháng thể tồn tại là: IgM, IgD, IgG, IgE, và IgA, chúng được phân chia dựa
trên cơ sở cấu trúc vùng bảo thủ của chuỗi nặng hay cấu trúc của vùng chức năng
effector. Thí dụ kháng thể IgD luôn luôn được bám lên bề mặt màng các tế bào sinh ra
chúng, còn kháng thể IgG thì lại ln ln được tiết ra ngồi, đi vào máu đi vịng
quanh cơ thể.
-

Chuỗi nhẹ kháng thể có hai loại là kappa và lamda, chúng được xác định dựa trên
cơ sở cấu trúc vùng bảo thủ của chuỗi nhẹ.

-

Một số kháng thể có thể có tính đặc thù bọc kháng nguyên giống nhau, điều này là
do các vùng biến động của 4 chuỗi tạo nên, nhưng lại có chức năng miễn dịch khác
nhau, vì chức năng này được xác định là do vùng bảo thủ của chuỗi nặng quyết
định.

-

Bởi thế, khi chúng ta kiểm tra cấu trúc của các kháng thể chúng ta thấy tính đa
dạng của chúng thường nằm ở hầu hết vùng biến động của phân tử kháng thể. Nếu
các polypeptide này được tổng hợp từ các trình tự cặp Nu trên đường thẳng của các
gen, nếu một gen sinh ra một polypeptide, thì genome phải chứa một dãy khổng lồ
các gen có trình tự biến động cao tại đầu này cịn đầu kia phải có trình tự giống
nhau cần thiết.

-

Nhờ kỹ thuật tái tổ hợp DNA chúng ta có thể tách, xác định được trình tự của nhiều

đoạn DNA trên nhiễm sắc thể của chuột và người mã hóa tạo ra các chuỗi kháng
thể. Kết quả đã giải thích được cơ chế tạo ra sự đa dạng khổng lồ của các kháng
thể trong cơ thể chúng ta.

3. Sự đa dạng kháng thể là do sự sắp xếp lại Genome trong q trình phân hóa tế bào B

9


a. Khái niệm.
-

Rất đơn giản, thông tin di truyền mã hóa tạo các chuỗi kháng thể được tàng trữ
thành những mẩu và mảnh, các mẩu và mảnh này được nối lại với nhau thành
những trình tự thích hợp bằng cách sắp xếp lại genome xảy ra trong quá trình phát
triển của các tế bào sinh ra kháng thể gọi là tế bào B của cơ thể.

-

Mỗi tế bào B chỉ sinh ra được một dạng đơn của kháng thể do vậy tất cả các kháng
thể được sinh ra từ một tế bào B nhất định sẽ có cùng một tính đặc thù bọc kháng
nguyên .

-

Mỗi chuỗi kháng thể được tổng hợp trên cơ sở sử dụng thông tin di truyền được
tàng trữ trong một số những gen khác nhau của những đoạn gen. Một số nhà di
truyền gọi những trình tự DNA này là những gen, số khác lại thích gọi chúng là các
đoạn gen, gọi như vậy xem có vẻ đúng hơn.

b. Chuỗi nhẹ kappa (k)
- Việc tổng hợp chuỗi nhẹ K được kiểm tra bởi 3 đoạn gen khác nhau:
1/ Đoạn gen Vk mã hóa tạo ra 95 amino acid ở đầu amin của vùng biến động.
2/ Đoạn gen Jk (J có nghĩa là đoạn kết gắn) mã hóa cho phần cịn lại của vùng biến
động dài 13 amino acid, nằm cạnh vùng bảo thủ.
3/ Đoạn gen Ck mã hóa tạo ra vùng bảo thủ ở đầu tận cùng carboxyl.
- Đoạn gen thứ 4, đoạn L k mã hóa tạo ra đoạn chứa đầu kỵ nước đầu amin dài 17- 20
amino acid, đoạn này cần thiết giúp cho quá trình vận chuyển chuỗi kháng thể đi qua
màng tế bào. Trình tự này sẽ bị cắt đi sau khi kháng thể đi qua được màng tế bào. Vì
thế nó không phải là thành phần cuối cùng của kháng thể.
- Quá trình sắp xếp các đoạn gen chuỗi K xảy ra ở dòng các tế bào mầm, tuy nhiên
trong thực tế có thể xảy ra ở trong tất cả các tế bào khơng sản sinh ra kháng thể (hình
16.4).
- Ở chuột và người thì các đoạn gen tạo chuỗi K thường nằm trên cùng một nhiễm sắc
thể, ở người là nhiễm sắc thể số 2.

10


- Các đoạn gen sinh chuỗi Lamda cũng tương tự nằm trên cùng một nhiễm sắc thể và ở
người nằm trên nhiễm sắc thể số 22. Còn các đoạn gen quy định chuỗi nặng ở người
nằm trên nhiễm sắc thể 14.
- Có một số lượng khá lớn, khoảng 300 các đoạn gen V k , với mỗi chúng lại có một số
tương đương các đoạn gen Lk (hình 16.4 a).
-

Trong khi đó, chỉ có một đoạn gen Ck và 5 đoạn gen Jk trong đó có một đoạn gen ở
chuột là khơng có chức năng. Các đoạn gen J k được định vị nằm giữa các đoạn gen
Vk và Ck.

-

Trong các dòng tế bào mầm, 5 đoạn gen J k được tách dời khỏi đoạn Vk một trình tự
khơng phiên mã dài (chưa rõ dài bao nhiêu) và cách đoạn C k một đoạn không phiên
mã dài 2000 cặp Nu.

-

Trong quá trình phát triển của tế bào B, gen mã hóa chuỗi nhẹ K đặc thù, sau này
sẽ được biểu hiện trong tế bào đó, sẽ lắp ghép với một đoạn L k-Vk, một đoạn Jk và
một đoạn Ck đơn, thơng qua q trình tái tổ hợp soma (hình 16.4 a và b).

- Quá trình tái tổ hợp xảy ra làm kết gắn bất kỳ một trong khoảng 300 đoạn L k-Vk với
bất kỳ một trong số 5 đoạn J k, kèm theo việc cắt bỏ tất cả các DNA xen vào hình
16.4b.
-

Kết quả tạo ra một đoạn gen Vk, Jk trộn lẫn mã hóa cho tồn bộ vùng biến động của
chuỗi K.

-

Các trình tự khơng mã hóa bao gồm các đoạn nằm giữa gen J k với gen CK và các
đoạn giữa Jk kề cận Ck. Có thể có một đoạn không dịch mã nằm ở giữa đoạn V kJk trộn lẫn với đoạn Ck , đoạn này vẫn được duy trì trong tế bào B khi nó đã được
phân hóa (hình16.4 b).

-

Trình tự DNA (Lk-VkJk-noncoding-Ck) sẽ được phiên mã (hình 16.4c).

-

Cịn các trình tự khơng phiên mã khác sau khó sẽ bị cắt bỏ đi trong q trình thành
thục RNA (hình 16.4 c và d), giống như các trình tự khơng mã hóa hoặc intron
khác của bất kỳ gen nào trong sinh vật nhân chuẩn.

c/ Chuỗi nhẹ lamda
11


- Các gen quy định chuỗi nhẹ lamda cũng được lắp ghép từ những đoạn gen riêng biệt
và xảy ra trong quá trình phát triển của tế bào B.
- Sự khác nhau chủ yếu là mỗi đoạn gen quy định chuỗi J λ luôn đi cùng với đoạn gen
Cλ của riêng mình, do vậy quá trình sắp xếp lại genome địi hỏi có q trình tổng hợp
và kết nối giữa các đoạn Lλ- Vλ với các đoạn Jλ- Cλ.
- Ở chuột chỉ có 4 đoạn gen J λ- Cλ, trong khi đó ở người lại có tới 6 đoạn gen J λ - C λ,
vì thế chỉ có 5% kháng thể của chuột là thuộc dạng kháng thể λ, trong khi đó có tới
40% kháng thể của người là có chứa chuỗi nhẹ λ.`
d. Chuỗi nặng
-

Thông tin di truyền mã hóa các chuỗi nặng được tổ chức lại thành các đoạn gen L H– VH , JH và CH , có cấu trúc tương tự các gen mã hóa chuỗi nhẹ K nhưng chỉ khác
là có thêm một đoạn gen gọi là D để tạo ra sự đa dạng, đoạn gen này mã hóa tạo ra
từ 2-13 amino acid trong vùng biến động.

-

Vùng biến động của chuỗi nặng vì thế được mã hóa bởi 3 đoạn gen tách rời nhau,
sau đó chúng phải nối với nhau trong q trình phát triển của tế bào B. Hơn nữa
có từ 1- 4 đoạn gen CH đối với mỗi một lớp Ig.

- Ở chuột có tổng số 8 đoạn gen tạo C H , tất cả đều có chức năng và được sắp xếp trên
nhiễm sắc thể theo thứ tự C Hu, CHδ, CHγ3, CHγ1, CHγ2b, CHγ2a, và CHα (hình 16.5a).
Đoạn gen CHu, CHδ, CHe và CHα mã hóa các vùng bảo thủ các chuỗi nặng của lần lượt
các kháng thể IgM, IgD, IgE và IgA. Còn 4 đoạn gen C Hγ3, CHγ1, CHγ2b và CHγ2a mã
hóa cho các vùng ổn định chuỗi nặng của các kháng thể IgG.
-

Ở người có 9 - 10 đoạn gen CH có chức năng đó là: CHu, CHδ, CHγ1, CHγ2, CHγ3, CHγ4,
CHe1 và có thể cả CHe2, CHα1 và CHα2.

-

Cụm gen CH của người cũng chứa 2 gen khơng có chức năng thường được gọi là
Pseudogenes, chúng có cấu trúc rất giống nhau. Pseudogene là đoạn lặp lại một
phần của các gen cấu trúc, kết hợp với những thay đổi đủ lớn để trở nên khơng có
chức năng và thường là không được phiên mã. Pseudogene là hiện tượng thường
thấy ở sinh vật nhân chuẩn.

12


-

Ở dịng tế bào mầm của chuột có khoảng 300 đoạn gen L H-VH, khoảng từ 10-50
đoạn gen D, 4 đoạn gen J H và 8 đoạn gen CH , chúng được sắp xếp trên NST theo
thứ tự định trước (hình 16.5a).

-

Trong quá trình phát triển của tế bào B, từ một tế bào gốc (tế bào soma) phân bào
nguyên nhiễm, từ tế bào này xuất hiện các dạng khác của tế bào gốc hoặc xuất hiện
bằng cách phân chia tế bào và phân hóa.

- Tái tổ hợp soma đã gắn mỗi đoạn gen L H-VH với một đoạn gen D và một đoạn gen
JH, cắt bỏ 2 trình tự xen nằm giữa của DNA để hình thành nên một trình tự DNA
liên tục (VHDJH), trình tự này mã hóa vùng biến động của chuỗi nặng hồn chỉnh
(hình 16.5 a và b).
e, Quá trình chuyển lớp kháng thể
-

Tại thời điểm tổng hợp kháng thể, trong tế bào B đang phát triển bắt đầu thì tất cả
các đoạn gen CH vẫn còn và được tách ra từ đoạn gen L H-VHDJH mới được hình
thành bởi một trình tự khơng mã ngắn hình 16.5 b.

-

Lúc này tất cả các kháng thể được tổng hợp đều cùng có một chuỗi nặng IgM là
sản phẩm của gen CHμ.

-

Nếu có một kháng nguyên bị nhận biết và bị bọc với một kháng thể nằm trên bề
mặt của tế bào B đang phát triển, thì tế bào đó sẽ được kích thích để phân hóa
thành một tế bào B trưởng thành.

-

Trong q trình phân hóa một số tế bào B sẽ phân lớp từ tế bào sinh kháng thể lớp
IgM sang tế bào sinh ra các kháng thể khác lớp.

-

Hiện tượng chuyển lớp này thường liên quan đến quá trình tiếp tục sắp xếp lại
genome, trong q trình đó các đoạn gen CH nằm gần nhất với các đoạn gen LHVHDJH được gắn từ trước sẽ bị cắt bỏ đi (hình 16.5 c - e).

-

Lớp kháng thể nào được tạo ra sau khi chuyển lớp, sẽ được xác định bởi các đoạn
gen CH nào được mang vào vùng gần nhất với đoạn gen L H-VHDJH, như đã trình
bày ở hình 16.5c - e.

13


14


15


4.

Đa dạng kháng thể do quá trình cắt nối các phiên mã khác nhau tạo nên

-

Một kiểu khác của quá trình phân lớp kháng thể xảy ra trong quá trình phân hóa tế
bào B là cách cắt nối để thành thục RNA. Tế bào B chín nhất định có khả năng tạo
ra cả hai kháng thể IgM và IgD, hai kháng thể này chỉ khác nhau ở vùng chức năng

effector (nhận biết). cả hai đều có vùng bọc kháng nguyên giống nhau và được đặc
thù bởi sự kết gắn giữa đoạn gen trội VkJk hay VλJλ với VHDJH .

-

Ở những tế bào này trình tự tiền phiên mã được tổng hợp sẽ kéo dài qua cả hai
đoạn gen CHμ và CHδ. Trong quá trình thành thục, trình tự phiên mã V HDJH có thể
bị cắt bỏ đi, hoặc trình tự C Hμ và CHδ, cả hai đều được tổng hợp trong cùng một tế
bào.

-

Một sự đa dạng nữa xảy ra trong quá trình tổng hợp kháng thể là việc tạo ra một
trình tự có chức năng bài tiết và bám vào màng tế bào của một kháng thể nhất định.
Kháng thể đầu tiên xuất hiện trong tế bào B đang phát triển là các phần tử kháng
thể IgM bọc lên màng tế bào. Kết quả làm tế bào này chuyển thành có khả năng tạo
ra dạng bài tiết cho kháng thể IgM. Hai dạng kháng thể IgM trên chỉ khác nhau ở
phần đầu tận cùng C của chuỗi nặng. Chuỗi nặng của dạng bọc lên màng dài hơn
dạng bài tiết dài 21 amino acid. Chuỗi nặng của dạng bọc màng dài 41 amino acid
có tính kỵ nước nằm ở tại đầu tận cùng C, nơi này có thể là một trình tự chịu trách
nhiệm gắn bám lên bề mặt màng tế bào. Trình tự kỵ nước này nếu được thay thế
bằng một trình tự kỵ nước khác dài 20 amino acid sẽ tạo thành dạng bài tiết.

-

Trình tự mã hóa các exon của các đoạn gen C H bị ngắt qng bởi các trình tự khơng
mã hóa intron, giống như đối với nhiều gen của sinh vật nhân chuẩn, các đoạn gen
CH chứa từ 4- 6 exon và 3 - 5 intron hình 16.7. Trong các kháng thể bám trên
màng, vùng bảo thủ chuỗi nặng được sinh ra bằng cách cắt nối tất cả 6 exon với
nhau (hình16.7a và b). 2 exon cuối cùng mã hóa tạo ra phần đi kỵ nước của các

chuỗi nặng bám màng. Trong quá trình tổng hợp dạng bám màng, exon C H thứ 5 bị
cắt đi tại vị trí codon 20 tính từ đầu cuối của exon thứ 4 (hình 16.7 b) vì thế đã làm
16


thay đổi trình tự amino acid. Trong kháng thể bài tiết, có chứa vùng bảo thủ của
chuỗi nặng là sản phẩm của 4 exon đầu (hình 16.7c).
-

Việc sử dụng các đường hướng khác nhau trong quá trình phiên mã và thành thục
RNA để tổng hợp lên các dạng kháng thể bài tiết và bám màng đã được xẩy ra đối
với lớp kháng thể IgM. Bằng chứng gần đây chứng tỏ rằng đường hướng này cũng
xảy ra đối với cả các lớp kháng thể globulin khác.
5. Trình tự tín hiệu điều khiển quá trình sắp xếp lại các genome

-

Sự sắp xếp lại genome xảy ra trong quá trình phát triển của tế bào B được điều
khiển như thế nào? Yếu tố nào chịu trách nhiệm kiểm soát tái tổ hợp soma, cụ thể
là kiểm sốt q trình mà một đoạn gen V chỉ kết gắn với một đoạn gen J chứ
không kết gắn với đoạn gen V khác hay kết gắn trực tiếp với đoạn gen C.

-

Hiện người ta đã xác định được trình tự một số đoạn DNA trên nhiễm sắc thể
mang tụ tập những đọan gen V, D và J của chuột và người. Từ kết quả trình tự cặp
Nu cho thấy tồn tại một sơ trình tự tín hiệu giúp kết gắn đặc thù giữa V-J, V-D và
D-J. Nhiều trình tự tín hiệu tương tự cũng đã được phát hiện nằm gần tất cả các
đoạn gen V. Tương tự, tất cả các đoạn gen J cũng có những trình tự tín hiệu giống
nhau, nằm ở gần các trình tự mã hóa chúng. Tuy nhiên, các trình tự tín hiệu có

khác nhau từ vùng lân cận đến đoạn gen V. Trong khi đó đoạn gen D và C có trình
tự tín hiệu riêng nằm ở lân cận.

-

Trình tự tín hiệu kiểm sốt q trình gắn kết giữa V-J, V-D và D-J chứa 7 cặp Nu
(heptamer) và 9 cặp Nu (nonamer) được tách rời bởi những khoảng trống khác
nhau nhưng có chiều dài đặc thù, để gắn kết V k-Jk thì khoảng trống ở trình tự tín
hiệu Vk dài 12 cặp Nu, trong khi đó khoảng trống của trình tự tín hiệu J K dài 22 cặp
Nu.

-

Trình tự heptamer và nonamer nằm ngay sau phía bên phải như được vẽ ở hình
16.4 và 16.8. Trình tự gen VK bổ xung ngay trước trình tự gen JK (hình 16.4 và 16.8
bên trái). Các trình tự tín hiệu này có khả năng hình thành nên cấu hình thân
(stem) hoặc kẹp tóc (loop) như đã được mơ phỏng ở hình 16.8, nhờ vậy đã mang
đoạn gen JK và VK vào vị trí sẵn sàng kết gắn được với nhau. Hình như quá trình
17


kết gắn xảy ra chỉ khi một trình tự tín hiệu chứa một khoảng trống dài 12 Nu, cịn
trình tự tín hiệu kia chứa khoảng trống dài 22 Nu. Kết gắn được tăng cường khi có
mặt của một số protein đặc thù làm trung gian cho quá trình gắn kết. Rất nhiều
trình tự tín hiệu tương tự hình như cũng để kiểm sốt q trình kết gắn V H-D và DJH, trong khi đó có một vài sự khác nhau giữa các trình tự tín hiệu giúp chuyển lớp
kháng thể.

6. Đa dạng kháng thể là kết quả gắn kết vị trí khác nhau và đột biến soma
18

-

So sánh sự đa dạng về trình tự
amino acid tồn tại trong phân tử
kháng thể với trình tự amino
acid mong đợi từ trình tự đoạn
gen mã hóa kháng thể cho thấy
có sự đa dạng nhiều hơn về
trình tự amino acid của vùng VJ so với trình tự Nu các đoạn
gen sinh ra nó. Các nghiên cứu
sau này đã chứng tỏ rằng sự đa
dạng thêm này có thể được giải
thích là do sự biến động về vị
trí tái tổ hợp khi gắn nối giữa
V-J. Thí dụ nếu sử dụng vị trí
kết gắn khác nhau giữa đoạn
gen VH và JH ở chuột được trình
bày ở hình 16.9.

Trong quá

trình gắn kết giữa đoạn gen Vk41
với J5, thì tái tổ hợp có thể xảy
ra giữa 4 vị trí Nu nằm lân cận
tại vị trí cắt nối. Như đã trình
bày ở hình 16.9 d, cho thấy vị trí tái tổ hợp khác nhau đã tạo nên 4 trình tự Nu khác
nhau mã hóa 3 amino acid nhất định tại vị trí 96 của chuỗi nhẹ kappa ở chuột. Vì vị
trí amino acid 96 này xảy ra ở vùng trung tâm của chuỗi kháng thể nên nó có liên
quan đến q trình bọc kháng ngun.

- Sự kiện kết gắn V-J theo cách khác nhau đã góp phần đáng kể tạo ra sự đa dạng
phong phú về tính đặc thù của kháng thể của động vật có xương sống.
- Nhiều sự kiện kết gắn khác nhau tương tự cũng đã được phát hiện trong quá trình
tương tác kết gắn giữa VK-JK và VH-D-JH. Bởi thế việc sử dụng vị trí tái tổ hợp thay

19


thế trong q trình xảy ra kết gắn có liên quan đến việc nắp ghép các gen tạo kháng
thể thành thục cũng tạo nên sự đa dạng của kháng thể.
-

Mặc dù sự đa dạng của kháng thể được tạo ra là do: 1/ sự kết gắn khác nhau giữa
một gia đình lớn các đoạn gen V, D với J và 2/ do việc sử dụng vị trí tái tổ hợp khác
nhau trong phản ứng kết gắn gây ra. Còn một số nghiên cứu đáng quan tâm khác
chứng tỏ cịn có một số cơ chế nữa có liên quan đến việc tạo ra sự đa dạng các
kháng thể. Các cơ chế đưa ra trên cơ sở so sánh: 1/ Trình tự cặp Nu đoạn gen biểu
hiện với trình tự của nó ở dịng tế bào mầm, 2/ So sáng trình tự amino acid của
kháng thể thực với trình tự amino acid mong đợi từ trình tự các Nu của gen. Thí dụ
khi so sánh trình tự amino acid thực của các chuỗi λ1 của chuột khác nhau với trình
tự amino acid mong đợi (dựa trên trình tự cặp Nu của các đoạn gen λ1) của chuỗi
nhẹ λ1 cho thấy chúng có sự khác nhau rất rõ ở vùng biến động so với vị trí nối.
Kết quả tương tự cũng xẩy ra ở vùng biến động của các chuỗi nặng. Trong tất cả
các trường hợp, sự thay đổi là do kết quả của quá trình thay thế từng cặp Nu đơn
gây nên. Sự thay thế như vậy có thể chiếm từ 1-2% các cặp Nu của các đoạn gen
mã hóa vùng biến động của các kháng thể. Sự thay thế cặp nu này được thừa nhận
là do xảy ra một vài cơ chế gây đột biến soma, đột biến này chỉ xảy ra đối với
những trình tự DNA mã hóa vùng biến động của các chuỗi kháng thể. Bởi vì sự
thay đổi này thường xảy ra ở vùng biến động của các gen sinh kháng thể thường
xuyên hơn nên quá trình này được gọi là đột biến siêu soma. Cơ chế của đột biến

siêu soma xảy ra như thế nào hiện vẫn chưa rõ.

-

Đột biến siêu soma xẩy ra ở vùng gen kháng thể mã hóa ra vị trí bọc kháng ngun,
có thể rất có ý nghĩa đối với sinh vật. Nếu khơng có cơ chế tạo ra sự đa dạng
kháng thể này xảy ra thì phạm vi đặc thù của kháng thể có được sẽ cố định theo
trình tự hiện có trong genome tại thời điểm vừa sinh ra và quá trình tái tổ hợp được
tạo ra bởi mức độ khác nhau của các phản ứng kết gắn các đoạn gen.

- Các virut và ký sinh gây bệnh khác nhau có liên quan và tạo ra một cách ổn định các
biến dạng mới với những chất xác định kháng nguyên mới.

20


- Để có được sức tự vệ đầy đủ đối với sự thay đổi về thành phần kháng nguyên các
virut và thành phần khác nhau của mơt trường, thì hệ thống miễn dịch phải có khả
năng phản ứng nhanh với những thay đổi đó. Bằng cách nào đó tốt hơn để đảm bảo
bảo vệ được an toàn hơn là làm đảo lộn những gen sinh kháng thể với cơ chế riêng của
mình nhằm thích ứng nhanh chóng đối với các kháng ngun mới có thể liên quan đến
q trình siêu đột biến soma trong tương lai.
7. Có bao nhiêu tái tổ hợp được tạo ra
-

Chúng ta biết rằng phần lớn sự đa dạng kháng thể là do quá trình kết gắn khác nhau
giữa các đoạn gen sinh các chuỗi kháng thể gây nên. Thí dụ số lượng chuỗi nhẹ
kappa ở người có thể có là 300 đoạn gen V K x 5 đoạn gen Jk sẽ bằng 1500 đoạn gen
VKJK được hình thành. Vùng biến động của chuỗi nặng cịn tạo ra sự đa dạng cao
hơn nhờ các đoạn gen D của nó được nhân bội lên. Nếu giả sử có 300 đoạn gen V H,

25 đoạn đoạn gen D và 6 đoạn gen J H trong dòng tế bào mầm ở người, thì sẽ có
45000 vùng biến động của chuỗi nặng khác được sinh ra. Sử dụng cách ước đốn
này có thể sẽ có 67.500.000 các vị trí bọc kháng nguyên khác nhau có thể được
sinh ra nếu chỉ dùng chuỗi nhẹ Kappa. Các chuỗi nhẹ λ cũng tạo ra mức độ tương
tự nữa của đa dạng kháng thể.

-

Rõ ràng rằng việc trộn lẫn các đoạn gen sinh kháng thể này đã được tạo ra một số
lượng kháng thể khổng lồ đáp ứng với sự đa dạng của các kháng ngun. Hiện nay,
chúng ta cịn biết có một cơ chế tạo ra sự đa dạng kháng thể nữa xảy ra theo 2 cơ
chế:1/ Là đột biến soma và 2/ Khả năng biến động tại các vị trí xảy ra sự liên kết
gắn giữa V-J, V-D và D-J. Như vậy phạm vi biến động có thể của sự đa dạng về
kháng thể hình như khơng có giới hạn.

8. Điều hịa q trình phiên mã tăng cường tính đặc thù theo mô.
- Hiện người ta biết rằng các gen sinh kháng thể ở dịng tế bào mầm khơng được
phiên mã hoặc được phiên mã nhưng với cường độ rất thấp. Trong tế bào B sinh kháng
thể chỉ có 10 - 20% phân tử mRNA là của các gen sinh kháng thể. Sau đó thì điều gì
giúp chịu trách nhiệm để các phiên mã của các gen sinh kháng thể trải qua tái sắp xếp
và trở thành hoạt động. Trong trường hợp các gen sinh chuỗi nặng thì quá trình tái sắp

21


xếp đã đưa các promoter nằm ở đầu trên (uptream) của các đoạn gen L H- VH vào vùng
chịu ảnh hưởng của một yếu tố tăng cường mạnh nằm ở intron đoạn giữa gen J H và gen
CHμ (hình 16.10). Mỗi đoạn gen LH-VH chứa một promoter nằm ở vùng uptream của
gen. Tuy nhiên, trước khi xảy ra sắp xếp lại genome dẫn đến tổng hợp chuỗi nạng thì
yếu tố tăng cường này nằm xa promoter của L H-VH , điểm gần nhất cũng dài hơn

100.000 cặp Nu (hình 16.10 top).
- Thừa nhận rằng yếu tố tăng cường này không thể hoạt động phiên mã từ promoter
nằm xa như vậy được. Tuy nhiên, khi có q trình tái sắp xếp xảy ra trong q trình
phân hóa tế bào B (hình16.5) đã làm dịch chuyển promoter của đoạn gen L H-VH đến
vùng trong vòng ngắn hơn 2000 cặp Nu so với enhancer (hình 16.10 dưới). Lúc này
enhancer có thể hoạt hóa phiên mã bắt đầu từ promoter nằm ở uptream của đoạn gen
LH-VH. Enhancer có liên quan đến hoạt động tổng hợp chuỗi nặng và có tính đặc thù
theo mơ, nó hoạt động phiên mã chỉ trong tế bào lymphocyte và khơng có ảnh hưởng
trong các tế bào có nguồn gốc từ mơ khác. Vì rằng q trình hoạt hóa địi hỏi phải có
mặt của một yếu tố hoạt tính phiên mã, yếu tố phiên mã này chỉ được tổng hợp ở trong
các tế bào lymphocyte.

-

Một yếu tố tăng cường tương tự cũng đã được phát hiện ở intron nằm giữa tụ điểm
đoạn gen chuỗi nhẹ JK và trình tự mã hóa CK. Bởi thế, hình như q trình di
chuyển của promoter điều khiển gen sinh kháng thể đã vào được vùng ảnh hưởng
của yếu tố tăng cường đặc thù theo mơ, đây có thể là một cơ chế hoạt hóa chung
của các gen sinh kháng thể trong quá trình phân hóa tế bào B.

22


8. Chọn lọc dịng vơ tính
- Vấn đề đặt ra làm thế nào mà sinh vật có thể bắt đầu tổng hợp kháng thể đặc thù các
kháng nguyên mà trước kia nó chưa từng đối mặt. Điều này được giải thích theo
thuyết chọn lọc dịng vơ tính. Hãy nhớ rằng, tất cả kháng thể được sinh ra từ một tế
bào B đơn đều có tính đặc thù bọc kháng ngun giống nhau. Nhưng các tế bào khác
nhau trong quần thể tế bào B sẽ xảy ra quá trình sắp xếp lại genome khác nhau, dẫn
đến sẽ tạo ra các kháng thể có tính đặc thù khác nhau. Vì thế, quần thể tế bào B của

người hoặc chuột sẽ sinh ra rất nhiều loại khác thể.
- Thuyết chọn lọc vơ tính của chuột sẽ
sinh ra rất nhiều loại khác thể. Thuyết
chọn lọc vơ tính cho rằng việc bọc của
một kháng ngun ngoại đặc thù với một
kháng thể trên bề mặt một tế bào B đã
kích thích tế bào đó phân chia tạo ra một
số lượng lớn các tế bào B đặc biệt, gọi là
một dòng tế bào giống hệt nhau và vì thế
có một lượng lớn các kháng thể đặc biệt
có thể nhận biết được kháng nguyên
ngoại, hình 16.11.
9. Sự loại trừ alen
-

Đây là điểm cuối cùng về cơ chế điều
khiển di truyền quá trình tổng hợp
kháng thể.

Mỗi tế bào chỉ sinh ra

được một loại kháng thể, thì tại sao ở
tế bào động vật có vú lưỡng bội,
chúng mang hai bộ thơng tin di truyền
mã hóa cho mỗi một chuỗi kháng thể,
nhưng chỉ có một sự sắp xếp lại
gennome các chuỗi nhẹ mã hóa các

23

trình tự là có hiệu quả và một sự sắp xếp lại genome có hiệu quả đối với chuỗi
nặng mã hóa các trình tự xảy ra trong một tế bào B. Hiện tượng này được gọi là
hiện tượng loại trừ alen bởi vì do một trong các alen sẽ bị loại trừ ra khỏi quá trình
biểu hiện gen.
-

Vậy câu hỏi đặt ra là bằng cách nào và tại sao lại có hiện tượng này, hiện tại
chúng ta vẫn chưa rõ nguyên nhân. Nhưng rõ ràng rằng phải có một cách nào đó
có cơ chế đáp lại đã chặn q trình tái tổ hợp liên quan đến quá trình sắp xếp lại
các gen sinh kháng thể, khi sự sắp xếp này có hiệu quả xảy ra, thì các tế bào bắt
đầu tổng hợp một kháng thể chức năng. Cơ chế đơn giản nhất là liên quan đến sự
ức chế quá trình này bằng chính các kháng nguyên chín. Tuy nhiên, cần phải có
những nghiên cứu tiếp theo để xây dựng được cơ chế nhằm lý giải hiện tượng loại
trừ alen xảy ra.

10. Sự đa dạng về yếu tố thụ cảm tế bào T
-

Tế bào T làm môi trường trong phản ứng miễn dịch của tế bào (hình 16.1). Tế bào
T nhận biết kháng nguyên trên bề mặt tế bào và giết tế bào bào nào mang kháng
nguyên này.

-

Giống như kháng thể được tạo ta từ tế bào B, tế bào T có thể nhận biết và phá hủy
các tế bào mang nhiều loại kháng nguyên khác nhau. Bởi thế phản ứng của tế bào T
cũng biểu hiện một mức độ hiện tượng đặc thù.

-

Bằng cách nào tính đặc thù này được sinh ra? Câu trả lời là tế bào T đã sinh ra chất
thụ cảm bọc màng, chất này rất giống như kháng thể được tạo ra bởi tế bào B. Tuy
nhiên, sự đa dạng về tính đặc thù của chất thụ cảm tế bào T được tạo ra bằng cách
sắp xếp lại genome tương tự như tạo ra kháng thể. Bằng cách nào tế bào T tránh
được việc tương tác với các kháng nguyên tự do, để tránh quá trình nhân đôi chức
năng của tế bào B trong phản ứng miễn dịch?. Khi sản sinh, tế bào T phải nhận
biết đồng thời cả kháng nguyên xâm phạm trên bề mặt tế bào và một protein khác
khi dính lên bề mặt tế bào. Protein bề mặt tế bào thứ hai mà tế bào T phải nhận biết
là sản phẩm của một trong số rất nhiều gen trong phức hợp tương hợp chính trong
ghép mơ (MHC, major histocompatibility). Locus MHC mã hóa một nhóm phức

24


tạp các protein có mặt trong tất cả các tế bào của người hoặc chuột. Bởi thế, tế bào
T có khả năng nhận biết và phá hủy bất kỳ tế bào nào đang sản sinh ra một kháng
nguyên nhất định (protein vỏ một virut) của bất kỳ mô nào của cơ thể. Sự tương
tác chất thụ cảm tế bào T với 2 kiểu kháng nguyên trên bề mặt tế bào trên (kháng
nguyên xâm phạm và kháng nguyên ghép mô), được trình bầy ở hình 16.1.
-

Chất thụ cảm tế bào T bao gồm 2 chuỗi polypeptide α và β, mỗi chuỗi được mã hóa

bởi các đoạn gen L-V, D, J và C giống như các chuỗi kháng thể. Các chuỗi trên cũng
chứa những vùng biến động hình thành nên vị trí bọc kháng nguyên và vùng bảo thủ
để đính chất thụ cảm lên bề mặt tế bào (hình 16.12a).

25