Tài liệu Các yếu tố di truyền vận động doc

Các yếu tố di truyền vận động
(Transposable genetic elements)


1. Các yếu tố di truyền vận động ở vi
khuẩn
Trình tự đoạn xen (insertion sequence)
của vi khuẩn là một đoạn DNA của vi
khuẩn di chuyển từ một vị trí trên nhiễm
sắc thể đến vị trí mới trên cùng nhiễm
sắc thể hoặc trên nhiễm sắc thể khác. Khi
xen vào giữa gene, yếu tố IS làm gián
đoạn trình tự mã hóa và làm bất hoạt sự
biểu hiện của gene. Một số trường hợp,
có tín hiệu kết thúc phiên mã và dịch mã,
yếu tố IS làm cản trở sự biểu hiện ở sau
promoter trong cùng operon.
Bảng 1. Một vài trình tự xen vào và kích
thước của chúng
Trình
t
ự xen
vào
Số bản sao
trong E. coli
Chiều
dài
(bp)
Đoạn
lặp lại

đảo
ngược
(bp)
IS1 5-8 bản sao
trên nhiễm sắc
thể
768 18-23
IS2 5 bản sao trên
nhiễm sắc thể,

1 bản sao trên
plasmid
1327 32-41
IS3 5 bản sao trên 1400 32-38
nhiễm sắc thể,

2 bản sao trên
plasmid
IS4 1-2 bản sao
trên nhiễm sắc
thể,
1400 16-18
IS5 Chưa biết 1250 Ngắn
Yếu tố IS được tìm thấy đầu tiên ở
operon gal của E. coli, chia làm bốn
nhóm: IS1, IS2, IS3 và IS4. Chúng có thể
phân bố rãi rác trên nhiễm sắc thể chính
của vi khuẩn và trên các plasmid. Ví dụ
yếu tố IS1 có khoảng 5-8 bản sao trên
nhiễm sắc thể với chiều dài 768 bp.

Tất cả các yếu tố IS đều chứa đoạn DNA
mã hóa cho protein, được gọi là
transposase, là enzyme cần thiết cho sự
di chuyển của yếu tố IS từ một vị trí trên
nhiễm sắc thể đến vị trí khác. Đoạn gene
này nằm giữa 2 đoạn lặp lại đảo ngược
(inverted repeat - IR) ngắn. Ví dụ yếu tố
IS1 có khoảng 5-8 bản sao trên nhiễm
sắc thể với chiều dài 768 bp, đoạn lặp lại
đảo ngược có kích thước 18-23 bp, yếu
tố IS2 có 5 bản sao và các yếu tố IS khác.
Yếu tố IS là những vùng của các trình tự
xác định, chúng là những vị trí xảy ra
trao đổi chéo. Ví dụ: Sự tái tổ hợp của
plasmid và nhiễm sắc thể của E. coli tạo
ra những chủng Hfr xảy ra qua trao đổi
chéo đơn giữa yếu tố IS trên plasmid và
yếu tố IS trên nhiễm sắc thể.
1.1. Gene nhảy
Các yếu tố IS riêng lẻ không chỉ có khả
năng tự di chuyển mà khi hai yếu tố này
nằm đủ gần nhau thì chúng có thể vận
động như một đơn vị hoàn chỉnh và
mang theo các gene nằm giữa chúng. Cấu
trúc phức tạp này được gọi là transposon.
Có hai kiểu transposon ở vi khuẩn:



Hình : Đặc trưng về cấu trúc của

transposon hỗn hợp (composite
transposon) và transsposon đơn giản
(simple transposon)
Transposon hỗn hợp (composite
transposon) chứa nhiều gene nằm giữa 2
trình tự IS gần nhau, có hướng ngược
nhau tạo ra tình tự lặp lại đảo ngược
(inverted repeat - IR). Một trong 2 yếu tố
IS mã hóa cho transposase xúc tác cho sự
chuyển vị của cả transposon. Chẳng hạn
Tn10 là transposon hỗn hợp mang gene
mã hóa cho tính kháng kháng sinh
tetracyline. Gene này nằm giữa hai yếu tố
IS10 có hướng ngược nhau.
Transposon đơn giản (simple transposon)
ở giữa các trình tự IR, nhưng những trình
tự này ngắn (<50bp) và không mã hóa
cho transposase. Sự chuyển vị của chúng
không phải là kết quả của sự liên kết với
yếu tố IS. Các transposon đơn giản mã
hóa transposase riêng thêm vào để mang
các gene của vi khuẩn. Tn3 là một
transposon đơn giản .
Transposon hỗn hợp và transposon đơn
giản đều chứa các gene thêm vào liên
quan đến chức năng mới ở tế bào vi
khuẩn. Cả hai loại này thường được gọi
chung là transposon. Transposon dài hơn
yếu tố IS (thường chứa vài kb), chúng
chứa các gene mã hóa cho protein thêm

vào.
1.2. Cơ chế của sự chuyển vị
Đầu tiên, transposase cắt vết hình chữ chi
qua 5 cặp base (khác với sự cắt của
enzyme restriction endonuclease) ở vi trí
DNA mục tiêu (target site DNA) . Tiếp
theo là sự hội nhập của transposon qua
trung gian của transposase, transposon
xen vào giữa các đầu mút của chữ chi.
Đầu lồi ra của sợi đơn được sử dụng như
là khuôn để tổng hợp sợi bổ sung thứ hai.
Sự gắn vào tạo sự sao chép 5 cặp base,
được gọi là sự sao chép điểm mục tiêu
(target site duplication).

Hình : Sự nhân đôi đoạn trình tự DNA
ngắn ở điếm xen vào (insertion site)
Hầu hết các yếu tố di động của
prokaryote đều sử dụng một trong 2 cơ
chế chuyển vị: là sao chép (replicative)
và bảo thủ (conservative) hay không sao
chép. Trong con đường sao chép (như ở
Tn3), một bản sao mới của yếu tố di
động tạo ra khi chuyển vị, kết quả là một
bản sao ở vị trí mới và bản sao còn lại ở
vị trí cũ. Trong con đường bảo thủ (như ở
trường hợp Tn10) không có sự sao chép.
Thay vào đó, yếu tố được cắt ra từ nhiễm
sắc thể hoặc plasmid và được gắn vào vị
trí mới. Con đường này còn được gọi là

con đường "cắt và dán" (cut and paste)
2. Các yếu tố di truyền vận động ở virus
Retrovirus là virus RNA sợi đơn, sao
chép qua trung gian DNA sợi kép. RNA
được sao chép thành DNA nhờ enzyme
phiên mã ngược. DNA sợi kép được gắn
vào nhiễm sắc thể tế bào chủ, từ đó phiên
mã tạo RNA virus và tạo protein hình
thành hạt virus mới. Một vài retrovirus
như virus tạo khối u chuột (MMTV) và
virus sarcoma Rous (RSV) xâm nhiễm
kích thích tạo khối u ung thư. Khi gắn
vào nhiễm sắc thể, bản sao DNA sợi kép
của genome virus được gọi là provirus.
Phương thức phiên mã ngược của các
phần tử di động tương tự như của
retrovirus. Sự di chuyển qua trung gian
RNA nhờ reverse transcritase tạo cDNA
và sự xen đoạn cDNA vào vị trí mới
được gọi là retrotransposition.
Retrotransposition tạo bản sao của phần
tử ở vị trí mới, trong khi phân tử cho ban
đầu vẫn giữ nguyên cấu trúc không đổi.
Do vậy retrotransposition tạo nên một ít
đứt đoạn và các tái cấu trúc của bộ gene
tế bào chủ. Những biến đổi của bộ gene
liên quan với retrotransposition sẽ dẫn
đến việc làm ngừng hay hoạt hóa các
gene mà một số gene có thể gây ung thư.
3. Các yếu tố di truyền vận động ở vi

nấm
Gery Fink và cs. là những người đầu tiên
sử dụng nấm men để nghiên cứu điều hoà
hoạt tính gene ở eukaryote. Các tác giả
này đã phân lập được hàng ngàn đột biến
gene HIS4 mã hóa enzyme tham gia tổng
hợp histidine. Trong số hơn 1.500 đột
biến ngẫu nhiên HIS4 được tìm thấy có 2
đột biến có kiểu hình không bền vững.
Các đột biến không bền vững này có tần
số phục hồi lại dạng kiểu dại cao 1.000
lần hơn các đột biến HIS4 khác. Những
đột biến này cho đoạn DNA lớn xen vào
gene HIS4, sự xen vào này được thực
hiện do một trong các yếu tố là Ty của
nấm men. Có 35 bản sao của yếu tố xen
đoạn gọi là Ty1 ở genome của nấm men.
Việc tạo dòng những yếu tố này từ các
allele đột biến cho thấy xen đoạn này
không giống với yếu tố IS hoặc
transposon của vi khuẩn. Thay vào đó
chúng có đặc tính của retrovirus (virus
của động vật). Có sự giống nhau trong
cấu trúc và thành phần gene của
retrovirus và yếu tố Ty1 được phân lập từ
đột biến HIS4. Giống với retrovirus,
transposon của nấm men có lặp đoạn
cuối dài (long terminal repeat sequence)
LTRs, chứa hàng trăm cặp base, được gọi
là trình tự d nằm ở 2 phía đoạn mã hóa,

cả hai đều chứa gene gag và gene pol.
Retrovirus có ít nhất 3 gene mã hóa cho 3
protein trong quá trình sao chép: gene
gag mã hóa cho một protein có vai trò
làm biến tính RNA genome. Gene pol mã
hóa enzyme reverse transcriptase. Gene
env mã hóa cho protein vỏ. Yếu tố Ty chỉ
chứa gene gag và gene pol, không chứa
gene env

Hình : Sự chuyển vị nhờ
retrotransposition
Mô hình về sự chuyển vị nhờ
retrotransposon. Một bản phiên mã RNA
từ retrotransposon dưới tác dụng của
enzyme phiên mã ngược tạo thành DNA
nhờ enzyme reverse transcriptase được
mã hóa bởi retrotransposon. Bản sao
DNA được chèn vào vị trí mới trên bộ
gene.
Vào năm 1985, J. Bocke và G. Fink đã
chứng minh, yếu tố Ty1, giống với
retrovirus, thực hiện việc di chuyển qua
trung gian RNA. Chúng bắt đầu bằng
biến đổi yếu tố Ty1 của nấm men được
tạo dòng trên plasmid. Trước tiên ở một
đầu mút của yếu tố, có sự xen vào một
promoter được hoạt hóa nhờ thêm
galactose vào môi trường. Thứ hai, một
intron từ một gene khác của nấm men

được đưa vào vùng mã hóa của
transposon Ty. Sự thêm vào galactose
làm tăng tần số chuyển vị của yếu tố Ty
bị biến đổi. Điều này làm tăng số lượng
RNA, vì galactose kích thích phiên mã
RNA Ty bắt đầu từ promoter nhạy cảm
galactose.