Sự nhân đôi và sửa chữa của dna (dna replication and repair) - Ths. Nguyễn Kim Thạch

SỰ NHÂN ĐÔI VÀ SỬA CHỮA CỦA DNA (DNA REPLICATION AND REPAIR) ThS. Nguyễn Kim Thạch BM. Hóa Sinh – Sinh Học Phân Tử Trƣờng ĐH Y Khoa Phạm Ngọc Thạch E-mail: nguyenkimthach@pnt.edu.vn 1 SƠ ĐỒ TRUYỀN THÔNG TIN DI TRUYỀN DNA RNA PROTEIN DNA 1 2 3 1. NHÂN ĐÔI CỦA DNA (REPLICATION_DNA SYNTHESIS) 2. SAO MÃ (TRANSCRIPTION_RNA SYNTHESIS) 3. DỊCH MÃ (TRANSLATION_PROTEIN SYNTHESIS) CÁC BASE (PURINE VÀ PYRIMIDINE) [structure of deoxyadenosine] Nucleoside Nucleotide DANH PHÁP Purines adenine adenosine guanine guanosine hypoxanthine inosine Pyrimidines thymine thymidine cytosine cytidine +ribose uracil uridine Nucleoside Nucleotide Base +deoxyribose +phosphate • polynucleotide chain • 3’,5’-phosphodiester bond ii). Structure of the DNA double helixCấu trúc chuỗi polynucleotide của DNA 5’ 3’ A-T base pair G-C base pair Chargaff’s rule: The content of A equals the content of T, and the content of G equals the content of C in double-stranded DNA from any species Liên kết Hydro giữa các base Mạch đôi của DNA Rãnh chính Rãnh phụ 5’ 3’ 5’ 3’3’ 5’ “B” DNA DNA LÀ CỐT LÕI CỦA NST DNA LÀ CỐT LÕI CỦA NST Cấu trúc của chromatin 2 vòng DNA quấn quanh khối cầu histone 1kb : 55 nm Sợi 30 nm 1kb : 17 nm Beads on a string Lõi gồm 8 phân tử histone quấn quanh bởi DNA N-TERMINAL TAIL ACCESSIBLE CẤU TRÚC NUCLEOSOME Histone octamer = (H2A-H2B)2 + (H3/H4)2 VAI TRÒ CỦA HISTONE HISTONE SỬA LỖI SAO MÃ NHÂN ĐÔI DNA Acetyl hóa Methyl hóa Phosphoryl hóa Ubiquitin hóa ADP-ribosyl hóa Sự nén khối và tháo nén của chromosome trong vòng đời tế bào Telomeres và sự lão hóa Metaphase chromosome centromere telomeretelomere telomere structure young senescent Telomeres “caps” bảo vệ 2 đầu tận cùng của NST, là trình tự lập liên tiếp 5-8 bp giàu cặp GC. Bảo vệ NST Trƣớc quá trình tái sắp xếp và sát nhập của các NST. (TTAGGG)many (TTAGGG)few • hoạt tính telomerase (enzyme) hoạt động tùy theo chiều dài của telomere ở tế bào mầm • sự giảm hoạt tính của telomerase ở các tế bào soma khác nhau và sự cắt ngắn của NST ở mỗi vòng đời của tế bào. 12 kb G0 DNA nhân đôi và tổng hợp histone tăng trưởng và chuẩn bị phân chia tế bào. Tăng trưởng nhanh và chuẩn bị quá trình nhân đôi DNA. Các tế bào bão hòa Phân bào SỰ NHÂN ĐÔI NST VÀ DNA DIỄN RA Ở PHA S Sự nhân đôi của DNA và cấu trúc NST ở phase S của vòng đời TB. Sự nhân đôi sợi DNA (mỗi ~150 kb) Quả bóng nhân đôi 2 mạch con DNA được sinh ra Hình thành các quả bóng nhân đôi Sự nhân đôi đồng thời Sự nhân đôi DNA mạch gốc của NST 5’ 3’ 3’ 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 3’ 5’ 5’ 3’ SỰ NHÂN ĐÔI BẮT ĐẦU BẰNG VIỆC XÁC ĐỊNH ORI SSB DUY TRÌ SỰ TÁCH ĐÔI CỦA ĐOẠN DNA SỰ NHÂN ĐÔI DIỄN RA TẠI NGÃ BA NHÂN ĐÔI •PRIMASE •POLYMERASE •HELICASE PHỨC HỢP PROTEIN TẠI NGÃ BA NHÂN ĐÔI DNA POLYMERASE III SSB PROTEINS HELICASE PRIMASE DNA POLYMERASE I DNA LIGASE OKAZAKI FRAGMENT Topoisomerase giữ 2 mạch DNA tách rời trong quá trình tháo xoắn bởi helicase. SSB cố định 2 mạch đơn DNA trạng thái tách rời và giúp báo hiệu polymerase trượt nhân bản từ mạch khuôn. SỰ NHÂN ĐÔI DIỄN RA TẠI NGÃ BA NHÂN ĐÔI •PRIMASE •POLYMERASE •HELICASE DNA TEMPLATE RNA PRIMER GROWING DNA POLYMER ENTERING dTTP dNTP GẮN VÀO CHUỖI DNA ĐANG KÉO DÀI TẠI VỊ TRÍ 3’ Các thành phần tham gia quá trình nhân đôi của DNA dnaA gắn vào trình tự DNA mạch gốc Primasome dnaB helicase (tháo xoắn DNA của sợi gốc) dnaC gắn dnaB dnaG primase (tổng hợp RNA primer) DNA gyrase nhận biết đầu âm cuộn xoắn DNA tại ngã 3 nhân đôi Rep protein helicase (tháo xoắn DNA tạo ngã 3) SSB gắn vào sợi đơn DNA DNA pol III polymerase nhân đôi sơ cấp. DNA pol I loại bỏ primer và gắn liền các đoạn ngắn DNA DNA ligase gắn liền các đoạn ngắn DNA bằng lk 3’, 5’- phosphodiester Đặc điểm của các DNA polymerases DNA polymerases of E. coli_ pol I pol II pol III (core) Polymerization: 5’ to 3’ yes yes yes Vùng đọc sửa exonuclease: 3’ to 5’ yes yes yes Sửa sai exonuclease: 5’ to 3’ yes no no 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. • 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) SỰ NHÂN ĐÔI DNA CẦN RẤT NHIỀU ENZYME KHÁC NHAU SỰ NHÂN ĐÔI DNA DNA POLYMERASE PRIMASEHELICASE RIBONUCLEASE HDNA LIGASE TOPOISOMERASE CƠ CHẾ VƢỢT NUCLEOTIDE LỖI CỦA DNA POLYMERASE QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI DIỄN RA TẠI NHIỀU VỊ TRÍ & THEO 2 HƢỚNG TELOMERE LÀ ĐẦU MÚT CỦA NST CẤU TRÚC TELOMERE SỰ BẮT CẶP HOOGSTEEN CỦA DNA Gặp trên đoạn DNA giàu G ở promoter của gen và ở telomere. VẤN ĐỀ KHI NHÂN ĐÔI DNA TẠI TELOMERE THÁO XOẮN KHÓ KHIẾM KHUYẾT TRONG CƠ CHẾ NHÂN ĐÔI DNA HELICASE ĐẶC BIỆT TELOMERASE LỖI TRÊN DNA LUÔN ĐƢỢC KIỂM TRA CƠ CHẾ SỬA SAI • 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). Sửa chữa bắt cặp sai (hậu nhân đôi) (giảm sự nhân đôi DNA sai 1.000 lần) 5’ 3’ CH3 CH3 CH3 CH3 • mạch DNA gốc được methyl hóa ở adenine • đột biến trên mạch mới được nhận biết ở vị trí methyl hóa • các đột biết được sửa chữa bằng cơ chế cắt xén • sau khi sửa chữa, mạch nhân đôi mới tạo thành được methyl hóa Sửa chữa bằng sự cắt xén ATGCUGCATTGATAG TACGGCGTAACTATC thymine dimer AT AG TACGGCGTAACTATC ATGCCGCATTGATAG TACGGCGTAACTATC ATGCCGCATTGATAG TACGGCGTAACTATC excinuclease DNA polymerase b DNA ligase (~30 nucleotides) ATGCUGCATTGA TACGGCGTAACT ATGC GCATTGA TACGGCGTAACT AT GCATTGA TACGGCGTAACT Khử amin ATGCCGCATTGA TACGGCGTAACT ATGCCGCATTGA TACGGCGTAACT uracil DNA glycosylase repair nucleases DNA polymerase b DNA ligase Sửa chữa bằng cắt xén Base Sửa chữa bằng cắt xén Nucleotide Cytosine có thể sửa chữa bằng khử amin (Deamination) Ở các bệnh di truyền, hơn 30% các base đơn bị biến đổi xảy ra ở vị trí 5’-mCpG-3’ . 5-methylcytosine không thể sửa chữa bằng khử amin. cytosine uracil thymine5’-methyl- cytosine Hoạt động sửa chữa DNA Q u ãn g đ ờ i (s p an o f li fe ) 1 10 100 human elephant cow hamster rat mouse shrew Sự tương quan của hoạt động sửa chữa DNA ở tế bào sợi (fibroblast cells) từ các dòng tế bào đông vật có vú theo quãng đời Những nhƣợc điểm của hoạt động sửa chữa DNA Hầu hết các nguyên nhân gây ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể và các đột biến gen; 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 ánh. • 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 xƣơng bẩm sinh) • nguyên nhân do gen bao gồm cả do hoạt động sữa chữa DNA • nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X và ánh nắng mặt trời. • Bloom syndrome • 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 • 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 • nguyên nhân do đột biến gen bên trong DNA helicase • sự lão hóa non. Các câu hỏi trắc nghiệm lƣợng giá Câu 1: Base nitơ trong thành phần acid nucleic dẫn xuất từ nhân A. Purin, Pyridin B. Purin, Pyrol C. Pyrimidin, Purin D. Pyrimidin, Imidazol E. Pyridin, Indol Câu 2: Ở điều kiện sinh lý, DNA trong nhiễm sắc thể có các đặc điểm, trừ A. Có cấu trúc phụ thuộc các pha trong chu kỳ tế bào B. Có những chỗ xoắn cuộn chặt phân bố không đều C. Quấn quanh các phức hợp protein histone D. Khó tương tác với các phức hợp protein giữ nhiệm vụ sao mã E. Không thể phân biệt được với DNA trong ty thể Câu 3: Liên quan đến tổng hợp DNA, câu nào sau đây ĐÚNG A. DNA nhân đôi theo cơ chế bán bảo tồn B. Quá trình tổng hợp DNA xảy ra theo chiều 3’-5’ C. DNA polymerase giúp nhận biết điểm khởi đầu D. DNA gyrase giúp DNA mở xoắn dễ dàng E. Tất cả các câu trên đều đúng. Câu 4: Quá trình nhân đôi DNA bắt đầu bằng hiện tƣợng. A. Tạo đoạn mồi B. Tách chuỗi DNA đôi thành chuỗi đơn C. Tháo xoắn chuỗi DNA D. Nhận diện các vị trí Ori E. Các câu trên đều sai Câu 5: Trong quá trình nhân đôi DNA, ngã ba nhân đôi là nơi xảy ra các quá trình sau, trừ. A. Các protein SSB gắn kết với DNA B. Helicase tháo xoắn mạnh mẽ C. Primase tổng hợp đoạn mồi D. Polymerase gắn các nucleotide tự do vào đoạn DNA đang được tổng hợp E. Ligase liên tục nối các đoạn okazaki