Bài giảng về Quá trình sao chép DNA môn Sinh học di truyền | Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh

10/15/2024
BÀI 1 PHẦN I: QUÁ TRÌNH SAO CHÉP DNA
Học phần: Sinh học - Di truyền
Giảng viên: ThS Nguyễn Thị Tươi– ThS Lê Thị Thu Huyền
Đối tượng: Y khoa Số tiết: 3 1 MỤC TIÊU
1. So sánh quá trình sao chép DNA ở Prokaryote và Eukaryote.
2. Trình bày cơ chế để bảo tồn sự nguyên vẹn của DNA qua
một lần phân chia của tế bào. 1 10/15/2024 1.1. NUCLEIC ACIDS 1.1. ACID NUCLEIC
- Cấu trúc bậc 1 của DNA gồm các
nucleotide liên kết với nhau bằng liên
kết phosphodiester: nhóm phosphate
liên kết 3′ carbon của 1 phân tử
đường với 5′ carbon của phân tử đường kế tiếp.
- Mỗi sợi DNA có đầu 5′ và 3′ (phân
cực). Nhóm phosphate ở đầu 5′,
nhóm hydroxyl ở đầu 3′.
Cấu trúc bậc 1 của DNA 2 10/15/2024 1.1. ACID NUCLEIC
- Cấu trúc bậc 2 của DNA gồm hai chuỗi polynucleotide quấn
quanh nhau (chuỗi xoắn kép).
- Hai chuỗi polynucleotide chạy
song song, ngược chiều nhau.
Cấu trúc bậc 2 của DNA
Cấu trúc hoá học của 4 base:
liên kết hydro liên kết các base trên 2 chuỗi.
- Cytosine–guanine bằng 3 liên kết
- Adenine–thymine bằng 2 liên kết → Cặp base bổ sung 3 10/15/2024 1.1. ACID NUCLEIC
- Hầu hết bộ gen của vi khuẩn
gồm 1 phân tử DNA dạng vòng.
DNA của vi khuẩn không được gắn vào protein histone.
- Các phân tử này có thể tồn tại
dưới dạng vòng tròn hoặc siêu
xoắn (xoắn xung quanh chính nó trong không gian 3 chiều).
- DNA ty thể cũng có dạng vòng.
DNA ở sinh vật nhân sơ (Supercoiling) 1.1. ACID NUCLEIC - Ở Sinh vật nhân thực, mỗi nhiễm sắc thể bao gồm một phân tử DNA
mạch thẳng, dài cùng với các protein đóng gói DNA thành cấu trúc gọn hơn. - Phức hợp DNA và
protein liên kết chặt chẽ gọi là chromatin.
DNA ở sinh vật nhân chuẩn 4 10/15/2024 1.1. ACID NUCLEIC
Biến tính và hồi tính của DNA  Ứng dụng:
lai acid nucleic acid trong dung dịch lỏng DNA với DNA, DNA với RNA, RNA với RNA 1.1 ACID NUCLEIC Biến tính:  Nhiệt độ
Nhiệt độ nóng chảy Tm: một nửa số base trong DNA mạch kép bị biến tính
 Nồng độ ion: Tm giảm khi nồng độ ion thấp
 Hóa chất: formamide hoặc urea  làm giảm Tm
 pH acid hoặc kiềm: biến tính DNA ở nhiệt độ thấp 5 10/15/2024 1.1. ACID NUCLEIC -
Ở hầu hết các sinh vật, DNA mang
thông tin di truyền. Tuy nhiên, một
số virus sử dụng RNA làm vật liệu di truyền. -
RNA là một polymer gồm các Thành phần và
nucleotide liên kết với nhau bằng cấu trúc của liên kết phosphodiester. RNA Cấu trúc bậc 1 của RNA 1.1. ACID NUCLEIC -
Các trình tự bổ sung ngắn trên
chuỗi RNA có thể bắt cặp tạo
thành cấu trúc thứ cấp. -
Cấu trúc thứ cấp của RNA
thường thấy trong rRNA và tRNA.
Cấu trúc bậc 2 và bậc 3 của RNA 6 10/15/2024 Phân loại RNA 1.1. ACID NUCLEIC Phân loại RNA 7 10/15/2024 1.2. Tái bản DNA Quy tắc cơ bản
Chuỗi kép DNA tháo xoắn tại vị trí khởi đầu.
Hai chuỗi DNA đơn được dùng làm khuôn để tổng hợp DNA.
DNA polymerase tổng hợp DNA theo hướng 5′→3′ bằng cách thêm
dNTPs vào đầu 3′, chúng cần đoạn mồi chứa nhóm 3′-OH có sẵn để bắt đầu.
Chuỗi mới được tổng hợp theo hướng 5′→3′.
Cả sinh vật nhân thực và nhân sơ có kiểu tái bản DNA 2 chiều.
Quá trình tái bản DNA là bán bảo tồn. 1.2. Tái bản DNA
Các thành phần tham gia tái bản DNA • DNA khuôn • Single-strand-binding • RNA mồi proteins (SSB) • DNA primase • • dATP, dGTP, dTTP, dCTP DNA Helicase • DNA polymerase: • DNA Ligase Prokaryote: I, II, III • Topoisomerase
Eukaryote: 𝜶, 𝜷, 𝜸,𝜹, 𝜺 • Telomerase 8 10/15/2024 1.2. Tái bản DNA  Topoisomerase
Khi chạc ba sao chép di chuyển dọc theo DNA sợi đôi, DNA ở phía
trước chạc ba sao chép bị xoắn quá mức  DNA topoisomerase giúp
giải áp lực xoắn và rối. 1.2. Tái bản DNA  Topoisomerase
- Topoisomerase I: cắt 1 mạch DNA, không cần ATP
- Topoisomerase II: cắt 2 mạch DNA, cần ATP 9 10/15/2024 1.2. Tái bản DNA  DNA polymerase 1.2. Tái bản DNA Các mô hình tái bản
- Tái bản kiểu theta xảy ra ở DNA dạng vòng. - Hai chuỗi nucleotide của
phân tử DNA vòng tháo xoắn, tạo bóng sao chép.
- DNA được tổng hợp trên cả 2
mạch và ở cả 2 chạc ba sao
chép, tạo 2 phân tử DNA dạng
Tái bản kiểu Theta vòng. 10 10/15/2024 1.2. Tái bản DNA Các mô hình tái bản
- Tái bản kiểu vòng xoay bắt
đầu bằng một điểm đứt ở một sợi DNA vòng.
- Đầu 5′ của sợi bị đứt bị dịch chuyển khỏi vòng tròn. - Không có bóng sao chép. Tái bản kiểu vòng xoay 1.2. Tái bản DNA Các mô hình tái bản
- Tái bản kiểu mạch thẳng gặp
trong các tế bào nhân chuẩn. - Có nhiều bóng sao chép.
Tái bản kiểu mạch thẳng ở sinh vật nhân chuẩn 11 10/15/2024
1.2.1. Tái bản DNA ở Prokaryote Khởi đầu
Các vị trí mà chuỗi xoắn DNA được mở đầu tiên gọi là điểm khởi đầu sao
chép. DNA giàu cặp base A-T thường thấy ở điểm khởi đầu sao chép.
Sinh vật nhân sơ có một điểm khởi đầu sao chép duy nhất.
DNA helicase tách 2 sợi của chuỗi xoắn kép
- Helicase phá vỡ các liên kết hydro giữa các cặp base.
- Hai sợi DNA gốc bắt đầu
tháo xoắn và hình thành 2 chạc ba sao chép. 12 10/15/2024
Gắn single-stranded binding protein (SSB) vào DNA
SSB gắn vào phần sợi đơn của mỗi sợi DNA, ngăn chúng
tái liên kết và bảo vệ chúng khỏi sự phân hủy bởi các nuclease.
1.2.1. Tái bản DNA ở Prokaryote Kéo dài
- DNA polymerase cần một nucleotide
có nhóm 3′-OH để thêm một nucleotide
mới. Chúng cần mồi chứa một nhóm 3′-
OH có sẵn để bắt đầu.
- Primase tổng hợp đoạn mồi RNA ngắn
(khoảng 10 nucleotide) theo hướng
5′→3′. DNA mạch gốc được sử dụng
làm khuôn cho quy trình này. 13 10/15/2024
1.2.1. Tái bản DNA ở Prokaryote Kéo dài
- “Mạch dẫn” được tổng
hợp liên tục chỉ từ một mồi.
- “Mạch chậm” được tổng
hợp không liên tục thành các đoạn ngắn Okazaki,
mỗi đoạn cần mồi mới.
Loại bỏ đoạn mồi RNA khỏi DNA
mới được tổng hợp
 DNA polymerase I loại bỏ và thay thế các đoạn mồi RNA.
 DNA ligase nối các đoạn Okazaki với
nhau thành phân tử DNA mạch đơn
 Topoisomerase kết thúc sao chép
nhờ phân giải các chuỗi nối DNA vòng tròn. 14 10/15/2024 1.2.1. Tái bản DNA ở Prokaryote
Hoạt động đọc sửa
Trong quá trình tổng hợp DNA, DNA polymerase có cơ chế
đọc sửa. Nếu một nucleotide
không chính xác được thêm
vào một chuỗi đang tổng hợp,
DNA polymerase sẽ cắt nó ra khỏi chuỗi (hoạt tính
exonuclease 3’ → 5’) và thay
thế nó bằng nucleotide chính
xác trước khi tiếp tục.
1.2.1. Tái bản DNA ở Editing by DNA polymerase Prokaryote
Hoạt động đọc sửa
DNA polymerase chứa vị trí
riêng cho tổng hợp DNA (Pol) và đọc sửa (Exo)
Khi polymerase thêm một nucleotide không chính xác, chuỗi DNA mới
được tổng hợp tạm thời tách khỏi mạch khuôn và đầu 3’ di chuyển vào
vị trí đọc sửa (Exo) để loại bỏ. 15 10/15/2024
1.2.1. Tái bản DNA ở Prokaryote
“Cấu trúc trượt” ở chạc ba sao chép
- “Cấu trúc trượt” (sliding clamp) là một phức hợp protein giữ DNA polymerase trên DNA trong quá trình sao chép, bao quanh DNA. - Protein nạp vòng (clamp loader) chạy bằng năng
lượng ATP thực hiện công
việc mở các kẹp và đặt chúng lên DNA.
1.2.2. Tái bản DNA ở Eukaryote
 Nhiều vị trí khởi đầu trên mỗi NST
 Xảy ra trong nhân trong pha S, các vị trí
khởi đầu khác nhau được hoạt hoá theo
thứ tự quy định cấu trúc của chất nhiễm sắc
 Cơ chế chặt chẽ để đảm bảo rằng quá
trình sao chép chỉ diễn ra một lần trong mỗi chu kỳ tế bào 16 10/15/2024
1.2.2. Tái bản DNA ở Eukaryote Khởi đầu
 Vị trí khởi đầu: chứa nhiều cặp base A–T
 Một phức hợp đa protein, phức
hợp nhận dạng vị trí khởi đầu
(ORC), liên kết với các vị trí khởi
đầu và tháo xoắn DNA ở vùng này.
1.2.2. Tái bản DNA ở Eukaryote
• Topoisomerase và RFA ngăn DNA cuộn xoắn
• Helicase MCM2-7 tháo xoắn một
đoạn DNA ngắn ở điểm khởi đầu sao chép  ngã ba sao chép
• DNA pol 𝜶 tương tác với RFA, RFC để tổng hợp RNA mồi
• DNA pol 𝜹 tổng hợp mạch chậm
• DNA pol ε tổng hợp mạch nhanh. 17 10/15/2024
1.2.2. Tái bản DNA ở Eukaryote
 Các loại DNA Polymerase ở sinh vật nhân chuẩn
1.2.2. Tái bản DNA ở Eukaryote
 Hình thành nucleosomes sau chạc ba sao chép
Tái bản nhiễm sắc thể không
chỉ gồm tái bản DNA mà còn
tổng hợp và lắp ráp các
protein mới vào DNA sau mỗi chạc ba sao chép 18 10/15/2024
1.2.2. Tái bản DNA ở Eukaryote
 Tái bản ở đầu mút NST -
Ở DNA mạch thẳng có nhiều vị trí khởi đầu,
sự kéo dài của DNA trong các bóng sao
chép liền kề cung cấp nhóm 3’-OH để thay thế mỗi đoạn mồi. -
Các đoạn mồi ở hai đầu nhiễm sắc thể
không thể thay thế được vì không có 3’-OH
liền kề để các nucleotide của DNA có thể gắn vào. -
Khi đoạn mồi ở cuối nhiễm sắc thể bị cắt bỏ
sẽ tạo ra một khoảng trống.
1.2.2. Tái bản DNA ở Eukaryote  Telomere
Telomere là các trình tự lặp lại ở đầu mút của
phân tử DNA mạch thẳng ở NST nhân thực, không mã hoá cho gen nào
 Bảo vệ gen ở đầu mút NST
Ở người: TTAGGG lặp lại 100-1000 lần. 19 10/15/2024
1.2.2. Tái bản DNA ở Eukaryote
 Telomerase: protein và RNA -
Telomerase là enzyme ở sinh vật
nhân thực, đảm bảo sự toàn vẹn của telomere ở DNA -
Telomerase có mặt ở tế bào phôi
sớm, tế bào gốc, tế bào mầm, tế bào ung thư 20