QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI DNA, SAO MÃ RNA VÀ Ý NGHĨA CỦA NÓ

nhathuocngocanh.com – Bài viết QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI DNA, SAO MÃ RNA VÀ Ý NGHĨA CỦA NÓ

Ý NGHĨA CỦA NHÂN ĐÔI DNA VÀ SAO MÃ RNA:

• Thông tin di truyền của mỗi loài sinh vật được mã hóa thành trình tự riêng biệt trong chuỗi DNA tế bào, các trình tự này sẽ được truyền lại qua các thế hệ thông qua quá trình nhân đôi của chuỗi DNA (replication).
• Trình tự của DNA sẽ được sao mã thành RNA (transcription) trước khi giải mã thành trình tự của các loại Pr (translation); trong quá trình này, chuỗi DNA có thể thay đổi cấu trúc dưới dạng bắt chéo, tái tổ hợp, đổi và đảo vị trí trong quá trình giảm phân => Giúp cho thế hệ sau có những tính trạng mới, làm tăng tính đa dạng và đảm bảo cho quá trình thích nghi của mỗi loài đối với môi trường xung quanh.
• Tuy nhiên, việc thay đổi cấu trúc DNA trong quá trình sao mã cũng có thể dẫn đến những đột biến => Thay đổi cấu trúc và bất hoạt các Pr chức năng, gây tính trạng bất lợi cho cơ thể sinh vật với môi trường xung quanh.
• Ngoài ra, 1 số’ tác nhân bên ngoài như virus (HPV, Epstein-Barr virus,…) và chất hóa học công nghiệp, các loại thuốc thí nghiệm (elthyum bromide, benzen, haxan,…) cũng ảnh hưởng tới quá trình sao chép trình tự DNA và dẫn đến các đột biến bất lợi các cá thể đời sau.

Kết luận:

Nếu hiểu rõ các cơ chế nhân đôi DNA, sao mã RNA sẽ giúp hiểu rõ quá trình phát sinh đột biến, là nguyên nhân của nhiều bệnh lý di truyền như dị tật bẩm sinh, các bệnh tự miễn, ung thư có yếu tố di truyền.

Ngoài ra, dựa trên cơ chế hoạt động của DNA và RNA, y khoa kỹ thuật cao được ứng dụng vào việc điều trị ung thư hoặc giảm nhẹ triệu chứng của các bệnh di truyền trong y học hiện đại ở các nước có nền khoa học tiến bộ; khả năng của y khoa kỹ thuật cao trong tương lai sẽ dựa trên đặc điểm cấu DNA của từng bệnh nhân để mang lại hiệu quả điều trị cao nhất.

QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI DNA Ở NHÓM SINH VẬT NHÂN SƠ (PROKARYOTE) VÀ SINH VẬT NHÂN THỰC (EUKARYOTE)

– Việc nhân đôi của chuỗi DNA ở cả sinh vật nhân sơ và nhân thực cần những yếu tố quan trọng sau đây:

• Các nguyên liệu cơ bản: 4 loại deoxynucleoside 5′- triphosphate gồm dATP, dGTP, dCTP, dTTP, Mg2+, Zn²⁺ và tetrahydrofolate (THF) cofactor; để tạo ra các nguyên liệu này cần có sự tham gia của các enzyme ribonucleotide reductase, kinase, thymidylate synthase, dihydrofolate reductase.
• 1 khuôn mẫu DNA cần cho việc lắp ráp chuỗi đối xứng theo quy luật Waston-Crick.
• Các DNA polymerase đặc hiệu và đoạn mồi (primer) sẽ khởi động quá trình sao chép chuỗi DNA, bắt đầu từ việc tháo xoắn và bắt cặp đối xứng với khuôn mẫu DNA, quá trình này thường bắt đầu theo chiều 5′  3′ của chuỗi DNA.
• Các DNA polymerase (a p Y 5 £) có vai trò quan trọng trong việc khởi động quá trình nhân đôi và sửa chữa chuỗi DNA: + Các DNA polymerase a, 5 (nhân), Y (ty thể) tháo xoắn và tổng hợp chuỗi DNA.
• Các DNA polymerase p và £ có khả năng kiểm tra và sửa chữa các nucleotide bị sao chép sai, nhằm giảm các đột biến trên trình tự chuỗi DNA trong tự nhiên.

Nhắc lai các cấu trúc của DNA trong cơ thể sinh vật: Được tóm gọn trong hình dưới đây:

Quá trình nhân đôi DNA ở sinh vật nhân sơ

• Đa số VK và 1 số tế bào có nhân bậc thấp mang chuỗi DNA ở dạng vòng, đây là hình thái sơ khai đầu tiên của quá trình nhân đôi vật chất di truyền trong tự nhiên.
• Từ những thập niên 50, các nhà khoa học phát hiện ra phương thức sao chép chuỗi DNA vòng ở nhóm sinh vật nhân sơ, quá trình này gồm 3 bước như sau:

Đơn giản hóa cấu trúc DNA

• Cấu trúc xoắn kép của chuỗi DNA trong tự nhiên có khả năng vừa xoắn và cuộn lại với nhau nhiều lần, tạo nên cấu trúc phức tạp được gọi là supercoil, cấu trúc này sẽ cản trở quá Thông tin di truyền của mỗi loài sinh vật được mã hóa thành trình tự riêng biệt trong chuỗi DNA tế bào, các trình tự này sẽ được truyền lại qua các thế hệ thông qua quá trình nhân đôi của chuỗi DNA (replication).
• Chính vì vậy, 2 enzyme chuyên biệt là topoisomerase I hoặc topoisomerase II (DNA gyrase ở VK) có sử dụng ATP, sẽ tháo các cấu trúc cuộn phức tạp của chuỗi DNA thành cấu trúc xoắn kép đơn giản hơn, điều này tạo điều kiện cho các Pr và enzyme khác nhận diện vùng Ori để bắt đầu quá trình sao chép DNA

Ứng dung: Các thuốc kháng sinh như novobiocin (khóa vùng ATP), nalidixic acid và ciprofloxacin (ngăn gắn kết với DNA) dùng để điều trị bệnh do Bacillus anthracis ở nhiễm trùng tiểu; camptothecin ức chế topoisomerase I => thuốc chống khối u bằng cách cố định enzyme với DNA.

Nhận diện vùng Origin (OriC)

• Đặc điểm chính của vùng này là 1 đoạn DNA giàu liên kết A=T xấp xỉ 13 cặp nucleotide.
• Trình tự của DNA sẽ được sao mã thành RNA (transcription) trước khi giải mã thành trình tự của các loại Pr (translation); trong quá trình này, chuỗi DNA có thể thay đổi cấu trúc dưới dạng bắt chéo, tái tổ hợp, đổi và đảo vị trí trong quá trình giảm phân => Giúp cho thế hệ sau có những tính trạng mới, làm tăng tính đa dạng và đảm bảo cho quá trình thích nghi của mỗi loài đối với môi trường xung quanh.
• Tuy nhiên, việc thay đổi cấu trúc DNA trong quá trình sao mã cũng có thể dẫn đến những đột biến => Thay đổi cấu trúc và bất hoạt các Pr chức năng, gây tính trạng bất lợi cho cơ thể sinh vật với môi trường xung quanh.
• Ngoài ra, 1 số’ tác nhân bên ngoài như virus (HPV, Epstein-Barr virus,…) và chất hóa học công nghiệp, các loại thuốc thí nghiệm (elthyum bromide, benzen, haxan,…) cũng ảnh hưởng tới quá trình sao chép trình tự DNA và dẫn đến các đột biến bất lợi các cá thể đời sau.
• Vùng Ori thu hút và gắn kết với 1 số Pr đặc hiệu là DnaA Pr, Pr này bám vào toàn bộ vùng Ori và mở đường cho DnaB helicase và DnaC Pr kết dính vào chuỗi xoắn kép DNA; lúc này DnaB helicase thay thế DnaA Pr (đây là nhóm enzyme đầu tiên tham gia quá trình tháo xoắn và tách đôi chuỗi DNA ban đầu thành 2 sợi đơn).
• Nhờ vào 1 số acid amin đặc hiệu trong vùng nhận biết DNA, helicase gắn vào rãnh nhỏ của chuỗi xoắn kép DNA và phân cắt các liên kết hydro giữa 2 mạch đơn bằng phản ứng hóa học.
• NL cung cấp cho quá trình là 2 phân tử ATP và sản phẩm tạo thành là 2 ADP và 2 phân tử phospho tự do (Pi); lúc này tại vị trí tháo xoắn, chuỗi DNA kép sẽ tạo thành 3 nhánh, gồm nhánh chính là DNA kép và 2 nhánh DNA sợi đơn; 2 sợi đơn này sẽ được duỗi thẳng và giữ ổn định riêng biệt bởi Pr SSB (single stranded-binding Prs).

Đoạn mồi RNA bắt đầu quá trình tổng hợp chuỗi DNA con từ khuôn DNA mẫu

Để DNA có thể bắt đầu sao chép được thì cần có 1 đoạn nhỏ nucleotide gắn với DNA mẫu theo quy luật Waston- Crick; đoạn mồi (khoảng 10 nucleotide) này có bản chất là RNA (RNA primer hoặc DnaG), được tổng hợp bởi enzyme primase.

Mỗi đoạn mồi sẽ liên kết với 2 mạch đơn DNA theo 2 chiều khác nhau (3′-5′ và 5′-3′), các đoạn mồi sẽ bị cắt khi quá trình sao chép kết thúc.

Quá trình sao tổng hợp chuỗi DNA mới chỉ tiến hành theo hướng 5′-3′ bởi enzyme DNA polymerase III => Có 2 hình thức tổng hợp DNA con từ 2 sợi đơn DNA khuôn mẫu, cụ thể như sau:

+ DNA polymerase III kết hợp DnaB helicase tạo thành phức hợp (clamp­loading complex), phức hợp này kích hoạt quá trình thủy phân ATP, cung cấp NL cho việc tách DnaA Pr ở vùng OriC, tạo điều kiện tổng hợp 2 sợi DNA con.

+ Ở chuỗi 5′-3′ (leading strand), 1 đoạn RNA primer gắn kết vào chuỗi DNA ở đầu 3′, tổng hợp chuỗi DNA con (chiều 5′-3′) liên tục đến vị trí kết thúc của DNA.

+ Ngược lại, ở chuỗi 3′-5′ (lagging strand), phức hợp DNA polymerase III – DnaB helicase – RNA primase tổng hợp các đoạn nhỏ DNA con (chiều 5′-3′) được gọi là các đoạn Okazaki (xấp xỉ 1000 nucleotide); những đoạn này sẽ được nối với nhau bằng DNA ligase để hình thành cầu nối phosphodieste giữa nhóm hydroxyl của đầu 3′ đoạn DNA phía trước với nhóm phospho đầu 5′ của đoạn DNA phía sau.

+ NL cung cấp cho quá trình này là NAD⁺.

Cuối giai đoạn nhân đôi, mỗi chuỗi DNA con sẽ liên kết với DNA mẫu, tạo thành chuỗi xoắn kép và được DNA ligase kết nối 2 đầu 5′ và 3′ để hình thành 2 DNA xoắn kép dạng vòng đặc trưng của nhóm sinh vật nhân sơ.

Việc sao chép DNA thường sẽ hình thành cùng 1 lúc trên 1 vòng DNA khuôn mẫu ban đầu tại các vị trí OriC rải rác trên chuỗi DNA, hiện tượng này giúp quá trình sao chép chuỗi DNA vòng diễn ra nhanh hơn.

Quá trình sao chép DNA kết thúc khi 2 nhánh DNA đơn của 2 quá trình sao chép gặp nhau hoặc gặp nhau tại vị trí kết thúc (Ter sites khoảng 23 cặp base).

Có 6 vị trí trên DNA vòng gồm TerC, TerB, TerF ngăn chặn việc di chuyển theo chiều kim đồng đồng hồ, TerA, TerD, TerE ngăn việc di chuyển theo chiều ngược lại (ngược chiều kim đồng hồ); bên cạnh đó, cả 6 vị trí này có sự hiện diện của các Tus Pr đặc hiệu, khóa sự di chuyển của DnaB helicase.

Sản phẩm cuối cùng của quá trình sao chép là 2 vòng xoắn kép DNA hoàn chỉnh, gồm 1 mạch khuôn mẫu và 1 mạch con, tuy nhiên ở giai đoạn này, 2 vòng DNA này sẽ lồng ghép vào nhau và chưa tách ra hoàn toàn => Topoisomerase IV và crossover resolvase sẽ tách hoàn toàn 2 vòng DNA, kết thúc quá trình sao chép DNA vòng.

Quá trình nhân đôi DNA ở sinh vật nhân thực

– Quá trình nhân đôi DNA ở sinh vật nhân thực tương đối giống sinh vật nhân sơ về cách thức tiến hành, tuy nhiên quá trình nhân đôi sẽ phức tạp hơn bởi sự tham gia của nhiều hệ thống enzyme khác.

– Hệ thống các enzyme này nhằm đảm bảo quá trình sao chép được chính xác và hạn chế tối đa các đột biến trong bộ NST lớn ở nhóm sinh vật nhân thực, đặc biệt là ở người với hơn 6 tỉ cặp base (base pair, bp).

– Bên cạnh đó, do cấu trúc 23 bộ NST của người nằm ở dạng sợi xoắn vòng quanh các phức hợp histon, nên đòi hỏi phải có sự kiểm soát chặt chẽ trong quá trình sao mã để tránh các đột biến trong quá trình sao chép.

– Khả năng tránh đột biến trên bộ NST người là < 1 bp/109-10¹⁰ bp, nhờ hệ thống enzyme kiểm soát quá trình nhân đôi DNA và kiểm soát lỗi trước và sau quá trình này.

– Khác với vùng OriC của E.coli, các vùng OriC ở sinh vật nhân thực có sự đa dạng ở vùng giàu liên kết A=T và hình thành các đơn vị sao nhân đôi (replicon), tại các vùng này đóng vai trò quan trọng trong việc lắp ráp phức hợp định hướng nhân đôi (origin of replication complexes – ORCs), làm tiền đề cho quá trình sao mã ở tế’ bào sinh vật nhân thực.

– Quá trình sao mã gồm 3 bước sau:

Hình thành phức hợp định hướng sao mã

Phức hợp này gồm 6 đơn vị đồng nhất của nhóm Pr DnaA kết hợp thành 1 vòng, đây là cấu trúc đầu tiên mở đường cho quá trình sao mã bắt đầu ở sinh vật nhân thực.

Phức hợp định hướng sao mã kết hợp với các yếu tố kiểm soát (licensing factors)

Quá trình này nhằm đảm bảo toàn bộ quá trình nhân đôi chỉ tiến hành 1 lần cho mỗi vị trí nhân đôi trên mỗi sợi NST.

Các yếu tố kiểm soát gồm Cdc6 và Cdt1 kết hợp thành 1 phức hợp có cấu trúc và chức năng tương tự helicase ở VK (Mcm2-7), phức hợp này bắt đầu tách chuỗi DNA xoắn kép thành 2 sợi đơn, đồng thời các Pr nhân đôi A (Replication Pr A – RPA) có vai trò giữ ổn định 2 sợi DNA này.

1 số Pr chuyên biệt bắt đầu tổng hợp chuỗi DNA con

• Đầu tiên, các sợi DNA đơn gắn với primase để tổng hợp RNA primer làm khuôn mẫu cho DNA polymerase a, enzyme này tổng hợp khoảng 20 nucleotide (iDNA) và bị thay thế bằng yếu tố’ nhân đôi C (Replication factor C).
• Sau đó, yếu tố’ nhân đôi C sẽ kết nố’i với kháng nguyên tăng trưởng ở nhân tế bào (proliferating cell nuclear antigen – PCNA) và DNA polymerase 5 để tổng hợp chuỗi DNA đối xứng với chuỗi DNA khuôn mẫu.
• Phức hợp bộ ba (yếu tố’ nhân đôi C – PCNA – DNA polymerase 5) sẽ bao phủ DNA khuôn mẫu và tổng hợp DNA mới, đối với khuôn mẫu chiều 5′-3′ (lagging strand), các đoạn Okazaki sẽ loại bỏ RNA primer bởi exonuclease (MF1) và thay thế bằng 1 đoạn DNA ngắn tương ứng bởi DNA polymerase 5 và DNA ligase.
• Quá trình sao mã này sẽ kết kết thúc tại đầu tận cùng của sợi NST có chứa cấu trúc telomere.

Các thành phần tham gia vào quá trình sao mã ở sinh vật nhân thực

Được tóm tắt thông qua bảng dưới đây:

Các thành phẩn tham gia quá trình nhân đôi cùa DNA

dnaA Primasome	gắn vào trinh tự DNA mạch gốc
dnaB	helicase (tháo xoẩn DNA cùa sợi gốc)
dnaC	gẩn dnaB
dnaG	pnmase (tồng hợp RNA primer)
DNA gyrase	nhận biết dầu âm cuộn xoản DNA tại ngã 3 nhàn dôi
Rep protein	helicase (tháo xoẩn DNA tạo ngă 3)
SSB	gẩn vào sợi đơn DNA
DNApol III	polymerase nhân đôi sơ cấp.
DNA pol 1	loại bó primer vả gắn liền các đoạn ngăn DNA
DNA ligase	gắn liền các đoạn ngẳn DNA bang Ik 3’, 5’-phosphodiester

Đặc điểm của các DNA polymerase

• DNA polymerase III là enzyme chính thực hiện nhân đôi.
• DNA polymerase I giữ vai trò nhân đôi gắn các đoạn ngắn và cắt xén các primer trên mạch chậm và sửa sai, được dùng để tạo DNA tái tổ hợp.

Điểm chung của DNA polymerase:

• Tất cả DNA polymerases cần primer với đầu 3′ có nhóm OH tự do
• Tất cả DNA polymerases xúc tác gắn trực tiếp theo chiều theo chiều 5′ to 3′.
• 1 số DNA polymerases có khả năng xúc tác vùng đọc sửa 3′ đến 5′ (proofreading).

Ý nghĩa, câu trúc và chức năng telomere

• Khác với NST của sinh vật nhân sơ là dạng vòng, NST của tế’ bào sinh vật nhân thực và con người là chuỗi xoắn kép => Cấu trúc telomere báo hiệu để dừng quá trình nhân đôi chuỗi DNA; ngoài ra, cấu trúc telomere còn giúp bảo vệ chiều dài của NST không bị ngắn lại sau mỗi lần nhân đôi NST bởi enzyme exonuclease khi loại bỏ RNA primer.
• Cấu trúc telomere được hình thành bởi vùng giàu guanine ở các tế bào sinh vật nhân thực, đặc biệt là ở người (AGGGTT), được lặp lại nhiều lần và thành 1 sợi đơn lẻ ở đuôi NST.
• Qua mỗi lần sao mã, cấu trúc này bị ngắn đi do exonuclease phân cắt ở giai đoạn cuối, viêc mất cấu trúc telomere có thể làm mất ổn định cấu trúc của sợi NST và yếu tố’ nguy cơ cho quá trình lão hóa của các tế bào sinh vật nhân thực và cơ thể ĐV.
• Để tránh tình trạng trên, đuôi telomere thường được khôi phục sau mỗi lần sao mã, nhờ vào enzyme telomerase (1 dạng của reverse transcriptase, được phát hiện bởi các nghiên cứu của Elizabeth Blackburn và Carol Greider) => Telomere và telomerase có vai trò tiềm tàng trong việc duy trì sự phát triển của tế bào sinh vật nhân thực.
• Ngoài ra, telomerase biểu hiện cao trong quá trình bất tử của các tế bào ung thư (immortal cancers), enzyme này có tiềm năng trong nghiên cứu trong liệu pháp chống ung thư và lão hóa trên thế giới.

Sự bắt cặp Hoogsteen của DNA: Thường gặp trên đoạn DNA giàu G ở promoter của gen và ở telomere.

Các phương thức bảo vệ trình tự chuỗi DNA của tế bào sinh vật nhân thực

• Trong quá trình tiến hóa, các tế bào sinh vật nhân thực đã phát triển nhiều phương thức khác nhau để sửa chữa các sai sót xảy ra trong quá trình nhân đôi của chuỗi DNA.
• Các phương thức này kiểm soát trong và sau quá trình nhân đôi, nhằm đảm bảo cấu trúc chuỗi DNA con giố’ng với DNA khuôn mẫu.
• Tham gia vào quá trình này gồm nhiều loại enzyme khác nhau như DNA polymerase III (sinh vật nhân sơ), DNA polymerase p và £ (sinh vật nhân thực) nhận diện các nucleotide sai thông qua việc so sánh cặp nucleotide với các khuôn mẫu trong cấu trúc enzyme này.

Các nguyên nhân gây sao mã sai

• Các chất hóa học có tính oxy hóa-khử, chất hữu cơ, tia UV và tia phóng xạ là các tác nhân mạnh ảnh hưởng đến hình thái và chức năng của các nucleotide tham gia tổng hợp chuỗi DNA.

Các chất có tính oxy hóa-khử manh: Tác động đến cấu trúc hóa học của nucleotide, làm thay đổi gốc liên kết hóa trị hoặc liên kết hydro giữa các purine và pyrimidine.

• VD: 8-oxoguanine là sản phẩm của quá trình oxy hóa guanine, làm cho base bắt cặp với adenine thay vì cytosine; hay VD khác của phản ứng oxy hóa-khử trên purine là quá trình khử nhóm amin của adenine tạo thành hypoxanthine, chất này có khả năng bắt cytosine hơn là thymidine.

1 số hợp chất hữu cơ trong tự nhiên:

• Đặc điểm chung của các chất này là có trung tâm ái lực điện tử cao, dưới tác dụng của 1 số enzyme hình thành các dẫn xuất có ái lực cao hoặc gắn thêm các nhánh hóa học hữu cơ có khả năng liên kết tương tác hoặc thay thế purine và pyrimidine.
• VD: Aflatoxin B1 có trung tâm ái lực điện tử cao, chất này là sản phẩm chuyển hóa của nấm mốc hình thành trên đậu phông; khi xâm nhập tế bào, aflatoxin gắn kết guanosine được xúc tác bởi cytochrome P450 sẽ tạo dẫn xuất gây đột biến, thay thế cặp G-C bằng T-A.
• 1 số hoạt chất trong cây thuốc cổ truyền cũng có thể gây ra liên kết chéo bên trong chuỗi DNA (như psoralem), các liên kết chéo này làm thay đổi cấu trúc xoắn kép truyền thống của DNA và ngăn cản quá trình tách rời giữa 2 chuỗi đơn trong quá trình sao chép mã.

Tia UV và các yếu tố’ phóng xa:

• Cung cấp NL cao lên các liên kết hóa trị, đặc biệt là pyrimidine, gây mất ổn định chuỗi DNA => Việc sao chép mã và giải mã bị ngưng lại hoặc gây đứt gãy chuỗi DNA.
• Đây là tiền đề cho sự rối loạn phân chia và tổng hợp chuỗi DNA, hậu quả cuối cùng có thể là hiện tượng tế bào chết theo chương trình (apoptosis) hoặc quá trình hình thành các tế bào tăng sinh bất thường trong cơ thể.

Quá trình sửa chữa DNA

• Nhằm bảo toàn cấu trúc DNA trong tế bào.
• Việc chỉnh sửa các lỗi đột biến có nhiều phương cách khác nhau, nhiều yếu tố tác đông lên quá trình này vẫn chưa được hiểu rõ và đang được nghiên cứu.
• Các nghiên cứu được tiến hành trên cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực, đặc biệt là coli và các giống giun tròn như hình mẫu của quá trình sửa chữa DNA.
• Quá trình sửa chữa DNA gồm 3 bước chính:
• Nhận diện các vị trí đột biến.
• Loại bỏ vị trí đột biến.
• Lắp các nucletide theo đúng trình tự khuôn mẫu nguyên thủy.

Ý nghĩa và cơ chế’ chung

Ý nghĩa: Sửa chữa bắt cặp sai ở hậu nhân đôi có thể làm giảm sự nhân đôi DNA sai đi 1000 lần.

Cơ chế chung:

• Đột biến xảy ra trong quá trình nhân đôi DNA và có thể được sửa chữa đồng thời bởi cơ chế đọc sửa của DNA polymerase.
• Đột biến không được sửa chữa theo cơ chế đọc sửa, sự bắt cặp sai được sửa chữa bằng cơ chế cắt xén.
• Đột biến phát sinh bất cứ thời điểm nào cũng được sửa chữa bằng cơ chế cắt xén (cắt xén base hoặc nucleotide).

Các bước sửa chữa chính:

• Mạch DNA gốc được methyl hóa ở adenine.
• Đột biến trên mạch mới được nhận biết ở vị trí methyl hóa.
• Các đột biến được sửa chữa bằng cơ chế cắt xén.
• Sau khi sửa chữa, mạch nhân đôi mới tạo thành được methyl hóa.

Các yếu tố và phương pháp sửa sai DNA

Nhóm gia đình DNA polymerase:

• Là yếu tố quan trọng giám sát các lỗi sai trong quá trình nhân đôi DNA.
• Tiểu đơn vị £ trong DNA polymerase III kiểm soát các base kết nố’i sai, enzyme này sẽ làm chậm quá trình sao chép để tạo điều kiện cho exonuclease của DNA polymerase thay thế bằng nucleotide base đối xứng.
• Sau khi loại bỏ vị trí mã sai, quá trình sao mã bắt đầu tiếp tục với các base kế tiếp.

Phương thức nhãn dang điểm sai (mismatch repair):

• Đây là 1 hệ thố’ng sửa sai gồm 1 phức hợp 3 Pr liên kết với nhau MutS, MutL và MutH.
• Khi phát hiện 1 base liên kết sai, MutS rà soát và đánh dấu vị trí mã sai bằng phản ứng methyl hóa, trong khi đó MutL tiếp theo làm cầu nố’i với endonuclease I (MutH) cắt đứt vị trí đoạn mã sai và thay thế bằng đoạn mã đúng nhờ DNA polymerase III.

Sửa chữa trực tiếp sử dung ánh sáng (direct repair):

– Quá trình này có sự tham gia của DNA photolyase (1 enzyme được hoạt hóa bởi ánh sáng), N5, N¹⁰

– Khi phát hiện vùng nhân đôi chứa base sai, enzyme bám vào vị trí đó và sử dụng NL từ ánh sáng, kích thích quá trình cắt bỏ vị trí base sai trên và thay thế nucleotide đối xứng bằng DNA polymerase III.

Sửa chữa đánh dấu bỏ 1 base (base excision repair):

• Enzyme AlkA khi phát hiện điểm sai trên DNA sẽ bám vào và loại bỏ base sai bằng cách phân cắt liên kết đường phân, quá trình này loại bỏ purine hay pyrimidine với nhóm deoxyribose của phân tử nucleotide tại vị trí mã sai trên mạch DNA, gọi là vị trí AP (AP site).
• 1 enzyme AP endonuclease nhận biết chỗ khiếm khuyết này và dẫn đường cho enzyme deoxyribose phosphodiesterase loại bỏ nhánh nối phospho còn lại của nucleotide sai; sau đó, DNA polymerase I và DNA ligase sẽ tham gia gắn nucleotide đúng vào vị trí khiếm khuyết, dựa trên mạch đối xứng.
• 1 enzyme có phương thức tương tự AlkA là uracil DNA glycosidase, enzyme này tham gia loại bỏ uracil trong liên kết G-U trên mạch DNA.

Sửa chữa loai bỏ 1 đoan nucleotide (nucleotide excision repair):

• UvrABC endonuclease là enzyme đầu tiên nhận biết vùng mã sai và loại bỏ 1 đoạn DNA có chứa mã sai khoảng 12 nucleotide bởi enzyme exonuclease.
• DNA polymerase sau đó sẽ lắp lại khoảng trố’ng này dựa trên mạch DNA đối xứng, cuố’i cùng 12 nucleotide tổng hợp mới sẽ kết hợp với phần còn lại của mạch ban đầu bằng DNA ligase.

Kết nối chuỗi xoắn kép (non-homologous end joining – NHEJ):

• Phương thức này nhằm kết nố’i sự đứt gãy của chuỗi xoắn kép DNA đang ở trạng thái là 2 chuỗi đơn.
• 2 sợi này được giữ cố’ định bằng loại Pr Ku70 và Ku80; sau đó dưới sự hỗ trợ của 1 số’ Pr chuyên biệt, 2 sợi đơn này được kết nối lại bằng DNA ligase.

Sự tương quan của hoạt động sửa chữa DNA ở tế’ bào sợi (fibroblast cells) từ các dòng tế bào ĐV có vú theo quãng đời

Quãng đời ĐV có vú và hoạt động sửa chữa DNA ở tế bào sợi của ĐV có vú đó có tương quan tuyến tính với nhau, được biểu diễn ở sơ đồ sau:

Những nhược điểm dẫn đến bệnh lý của hoạt động sửa chữa DNA

Hầu hết các nguyên nhân gây ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể và các đột biến gen rất dễ dẫn đến ung thư, các thể ung thư máu (leukemias).

Xeroderma pigmentosum (Khô sắc tố da):

• Nguyên nhân do đột biến gene bao gồm sửa chữa cắt xén nucleotide (nucleotide excision repair)
• Nguy cơ ung thư da và các thể khác của nó (melanoma) tăng trên 1000 lần khi tiếp xúc với tia UV và ánh nắng mặt trời.

Ataxia telangiectasia (Hội chứng giãn mạch):

• Nguyên nhân do DNA bị tổn thương.
• Nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X, có liên quan đến tăng nguy cơ gây ung thư vú.

Fanconi anemia (suy tủy xương bẩm sinh):

• Nguyên nhân do gen, bao gồm cả do hoạt động sửa chữa DNA.
• Nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X và ánh nắng mặt trờ

Bloom syndrome (Hội chứng Bloom):

• Nguyên nhân do đột biến gen bên trong DNA helicase.
• Nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X.
• Nhạy cảm khi tiếp xúc ánh nắng mặt trời.

Cockayne syndrome (Hội chứng Cockayne):

• Nguyên nhân do ảnh hưởng của quá trình sao mã và sửa chữa DNA.
• Nhạy cảm khi tiếp xúc ánh nắng mặt trời.

Werner’s syndrome (Hôi chứng Werner): Nguyên nhân do đột biến gen bên trong DNA helicase, dẫn đến sự lão hóa non.

QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP RNA Ở NHÓM SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN THỰC

• Quá trình này là bước trung gian trong quá trình giải mã DNA thành các Pr chức năng tham gia vào quá trình chuyển hóa của cơ thể sinh vật, có sự khác biệt rõ ràng giữa nhóm sinh vật nhân sơ và nhóm sinh vật nhân thực.
• Ở sinh vật nhân thực, DNA có chứa các đoạn intron và exon, nên các RNA ban đầu sẽ trải qua quá trình phân cắt và chọn lọc nhờ các enzyme chuyên biệt và cả 1 số RNA có khả năng tự phân cắt RNA khác, quá trình này được gọi là quá trình hiệu chỉnh RNA (RNA editing).
• Mặc dù cùng 1 đoạn RNA ban đầu, nhưng việc hiệu chỉnh này có thể tạo ra các trật tự cuố’i cùng của RNA khác nhau ở các tế bào khác nhau và trong các giai đoạn phát triển khác nhau trong cùng 1 cơ thể sống.
• Quá trình tổng hợp RNA có 4 bước:

Gắn kết vào khuôn mẫu (Template binding):

Phức hợp RNA polymerase sẽ được đính vào mạch DNA khuôn mẫu (mạch không mã hóa) để bắt đầu quá trình tổng hợp RNA.

Khởi động (Initiation):

• RNA polymerase xác định vị trí của promoter ở sợi DNA đơn đã tháo xoắn, đây là 1 enzyme được cấu tạo bởi 5 loại đơn vị a, p, P’, w, ơ (ở coli).
• Ở sinh vật nhân thực, phức hợp này có 12 đơn vị, tại trung tâm enzyme có chứa 2 phân tử Mg có chức năng giữ cấu trúc của enzyme tương tác với các chuỗi DNA và xúc tác phân cắt nhóm phospho trong quá trình tổng hợp.

Tổng hợp kéo dài (Elongation):

Các ribonucleotide triphosphate đối xứng với DNA sẽ được RNA polymerase xúc tác để kéo dài sợi RNA, thông qua cầu nố’i phosphodiester và giải phóng pyrophospho (Pi).

Kết thúc (Termination):

• Khi gặp cấu trúc kết thúc trên DNA, quá trình sao mã kết thúc và 1 phân tử RNA ban đầu được hình thành.
• Trong suố’t quá trình tổng hợp RNA, RNA polymerase chịu sự chi phối của các Pr hoạt hóa hoặc ức chế, làm tăng tóc độ hoặc dừng quá trình tạo RNA.
• Sau khi tổng hợp, có nhiều loại RNA hình thành với các vai trò khác nhau

Quá trình tổng hợp RNA ở sinh vật nhân sơ

Theo quy ước, bộ ba mã đầu tiên của chuỗi RNA là +1 thì các bộ ba kế tiếp là +2 và đứng phía trước là -1, DNA khuôn mẫu sẽ là chuỗi không mã hóa – antisense (chuỗi mã hóa gene đích – sense (+)) và tổng hợp theo chiều 5′-3′.

Sinh vật nhân sơ có 2 vùng promoter đặc trung với cấu trúc TATAAT (Pribnow box) ở vị trí -10 và TTGACA ở vị trí -35.

Khởi đầu, RNA polymerase gắn kết với chuỗi DNA, tháo xoắn xấp xỉ 17 cặp base, quá trình tổng hợp RNA không cần primer nên cấu trúc ở trên RNA polymerase sẽ đóng vai trò nhận diện promoter trên DNA.

Nucleotide đầu tiên thường là 1 purine, ở bộ ba đầu tiên.

Theo quy luật Waston-Crick, RNA polymerase nhận ribonucleotide triphosphate gắn đối xứng với mạch khuôn mẫu bằng liên kết hydro; lúc này vùng xúc tác của enzyme, với sự hỗ trợ của Mg²⁺, sẽ gắn ribonucleotide vi trí -OH đầu 3′ với gốc phospho của ribonucleotide kế tiếp, tạo thành cầu nối phosphodiester và giải phóng pyrophospho (Pi).

Bên cạnh đó, RNA polymerase còn chịu sự chi phối của 1 số coenzyme như Flavin mononucleotide (FMN) và hệ thống các RNA khác (trừ mRNA) nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi chất trong tế bào.

Dấu hiệu kết thúc của việc sao mã là vùng giàu liên kết A-T, tiếp tới là G-C; sự trật tự này sẽ hình thành bắt cặp đối xứng, tạo hình dạng cái neo tàu (kẹp tóc) trên RNA (base paired hairpin) bởi liên kết G-C, chính cấu trúc này làm RNA polymerase dừng việc sao mã.

Ngoài ra, trật tự nhiều U trên RNA sẽ hình thành liên kết yếu với DNA khuôn mẫu, tạo điều kiện cho RNA tách khỏi DNA.

Bên cạnh đó, quá trình kết thúc sao mã còn được thực hiện bởi Pr rho (p) – 1 phân tử nhóm helicase – thủy phân ARP tạo động năng cho sự phân tách RNA khỏi RNA polymerase, quá trình này phụ thuộc vào cấu trúc của RNA hơn là trật tự của DNA khuôn mẫu.

Sau khi tổng hợp hiệu chỉnh (trừ mRNA), rRNA và tRNA sẽ trải qua 3 quá trình hiệu chỉnh để trở thành các RNA chức năng:

Phương thức 1: RNA ban đầu bị cắt và định hình lại để hình thành bởi 1 số’ enzyme đặc hiệu như ribonucleotide và ribonucleotide III (RNase III).

Phương thức 2: RNA mới tổng hợp sẽ được gắn 1 đoạn nucleotide CCA vào tất cả tRNA ở đầu 3′.

Phương thức 3: Thay đổi cấu trúc hóa học của base và ribose của rRNA.

Sau quá trình hiệu chỉnh này, các RNA ban đầu trở thành RNA chức năng, với các hình dạng và vùng tương tác đặc thù cho quá trình chuyển hóa đa dạng của tế bào.

Kiến thức dược lý:

• Rifampicin và actinomycin ức chế quá trình tổng hợp RNA ở VK.
• Các kháng sinh ức chế hình thành các cầu nối phosphodiester của chuỗi RNA, thông qua việc khóa RNA polymerase của sinh vật nhân sơ lên DNA khuôn mẫu.
• Ngược lại, actinomycin D bám lên chuỗi DNA với độ chuyên biệt cao nên ức chế việc bám RNA polymerase ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực.

Quá trình tổng hợp RNA ở sinh vật nhân thực

Quá trình này có sự điều hòa phức tạp hơn ở sinh vật nhân sơ, với 4 loại RNA chính là mRNA (có 105 loại với độ bền thay đổi, chiếm 5%), rRNA (gồm 4 đơn vị 28S, 18S, 5.8S, 5S, rất bền và chiếm 80%), tRNA (gồm 60 loại, rất bền và chiếm 15%) và snRNA (gồm 30 loại, rất bền và chiếm 1%), ngoài ra còn 1 lượng nhỏ siRNA và miRNA.

Việc tổng hợp RNA bị chi phối bởi nhiều quá trình điều hòa khác nhau, phù hợp với sự biệt hóa các nhóm tế bào hoặc giữa các mô với nhau; sự biệt hóa bị ảnh hưởng bởi 3 nhóm yếu tố’: màng nhân, trình tự DNA và hiệu chỉnh RNA.

Các RNA polymerase (I-hạch nhân, II và IlI-nhân) là yếu tố đầu tiên tham gia vào quá trình tổng hợp RNA, thông qua việc nhận diện promoter đặc thù (upstream promoter element

UPE hoặc downstream core promoter element

DPE) và vị trí bắt đầu (ribosomal initiator element – rInr) tùy từng loại RNA polymerase.

Ngoài ra, quá trình sao mã còn chịu sự chi phối của đoạn gen cộng hưởng (enhancer genes) cách vị trí mở đầu vài kbp, làm tăng quá trình tổng hợp các đoạn gen mã hóa Pr đặc biệt.

Sinh vật nhân thực có 2 vùng promoter đặc trưng, với cấu trúc TATAAA (TATA box hoặc Hogness box) ở vị trí -25 và GG_CAATC (CAAT box) ở vị trí -75.

Bước đầu, TATA-box-binding Pr (TBP) gắn vào TATA box, các Pr transcription factor II (TFII) D, A, B, F hình thành nền cho RNA polymerase II.

TFII E và H bám vào vùng promoter, phức hợp này bắt đầu tổng hợp RNA sau quá phospho hóa ở TFII H.

Khi quá trình này xảy ra, RNA polymerase II tổng hợp RNA và các phức hợp TF II rời khỏi chuỗi DNA, trừ yếu tố F.

Phương thức tổng hợp RNA ở sinh vật nhân thực tương tự sinh vật nhân sơ, nhưng có sự phân chia từng đoạn gen mã hóa khác nhau giữa 3 loại RNA polymerase:

+ RNA polymerase I tổng hợp rRNA nhờ Pr đặc biệt (small nucleotide ribonucleoPr).

+ RNA polymerase II tổng hợp mRNA.

+ RNA polymerase III tổng hợp tRNA có đính thêm đoạn ACC.

rRNA và tRNA sau đó sẽ được hiệu chỉnh bởi các microRNAs và các phosphatase, nuclease.

1 phân tử mRNA hình thành sẽ có 3 thành phần là cấu trúc mũ (cap) ở đầu 5′ để bảo vệ RNA, vùng mã hóa Pr (gồm các đoạn intron và exon) và đuôi polyA (polyA tail) ở đầu 3′.

Các RNA này tiếp tục trải qua quá trình loại bỏ intron bởi endonuclease và quá trình methyl hóa các đoạn exon để trở thành RNA trưởng thành (RNA mature).

Các đoạn RNA trưởng thành có sự thay đổi trật tự các exon, thông qua quá trình hiệu chỉnh RNA nhờ các microRNA; quá trình chỉnh sửa RNA (RNA editing) phục vụ cho quá trình trao đổi chất ở mỗi cơ quan trong thời kỳ phát triển.

Xem thêm: TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG SINH HỌC TRONG CƠ THỂ