Gene, quá trình truyền đạt thông tin di truyền và hệ gene SVIP

I. GENE

1. Khái niệm

Gene là đoạn trình tự nucleotide trên một mạch của DNA, chứa các thông tin quy định một sản phẩm nhất định (chuỗi polypeptide hoặc RNA).

Mỗi gene gồm hai mạch polynucleotide nhưng chỉ có một mạch mang thông tin di truyền (mạch khuôn) và được sử dụng để làm khuôn tổng hợp nên mRNA. Mạch còn lại là mạch mã hóa.

2. Cấu trúc

Cấu trúc chung của một gene gồm vùng điều hoà, vùng mã hoá và vùng kết thúc.

- Vùng điều hòa: Nằm ở đầu 3', có trình tự promoter (nơi các enzyme liên kết để tiến hành phiên mã) và có vùng liên kết với các protein điều hòa hoạt động của gene.

- Vùng mã hóa: Chứa thông tin quy định trình tự các amino acid trong chuỗi polypeptide hoặc trình tự RNA.

- Vùng kết thúc: Nằm ở đầu 5', mang tín hiệu kết thúc phiên mã.

Cấu trúc chung của một gene mã hóa cho protein

Ở sinh vật nhân sơ:  

- Vùng mã hóa bắt đầu bằng bộ ba mở đầu, tiếp là các bộ ba quy định các amino acid và kết thúc bằng bộ ba kết thúc.

- Các gene thường tồn tại thành nhóm với các vùng mã hóa nằm liền kề nhau có chung vùng điều hòa và vùng kết thúc.

Cấu trúc gene điển hình của sinh vật nhân sơ

Ở sinh vật nhân thực:

- Phần lớn các gene có vùng mã hóa được chia thành các đoạn được dịch mã (exon) xen kẽ với các đoạn không được dịch mã (intron).

- Mỗi gene thường có vùng điều hòa, vùng mã hóa và vùng kết thúc riêng.

Cấu trúc gene điển hình của sinh vật nhân thực

​3. Phân loại

II. HỆ GENE

1. Khái niệm hệ gene

Hệ gene là tập hợp tất cả vật chất di truyền (DNA) trong tế bào của một sinh vật.

Hệ gene của sinh vật được biết đến nhờ việc giải trình tự toàn bộ các phân tử DNA của tế bào, qua đó tìm ra được cấu trúc và chức năng của các gene.

2. Một số thành tựu và ứng dụng giải trình tự hệ gene người

Giải trình tự hệ gene cho biết cấu trúc, số lượng, sự phân bố và chức năng của các gene.

a. Thành tựu nghiên cứu hệ gene người

Giải trình tự nucleotide của hệ gene người (năm 2004 - độ chính xác 99,999%):

- Gồm hơn 3,2 tỉ cặp nucleotide trên 23 cặp NST.

- Tổng số gene mã hóa protein: Gần 21 300 gene.

- Số nucleotide trong các exon ở toàn bộ gene quy định protein và mã hóa rRNA, tRNA: Khoảng 1,5% lượng nucleotide.

- Số nucleotide của các vùng điều hòa của tất cả các gene: Khoảng 5% hệ gene.

- Số nucleotide trong các intron: Khoảng 20% hệ gene.

- Trung bình mỗi gene: Dài khoảng 27 000 cặp nucleotide và có 10 exon.

b. Một số ứng dụng giải trình tự hệ gene người

- Ứng dụng trong y học: Phát hiện gene bệnh.

Ví dụ: Giải trình tự hệ gene → Biết được loại gene ung thư nào → Lựa chọn thuốc đặc trị ức chế sản phẩm của gene đó (thuốc hướng đích).

- Ứng dụng trong ngành pháp y: Tìm thủ phạm, danh tính nạn nhân trong các vụ tai nạn hoặc xác định mối quan hệ họ hàng.

- Ứng dụng trong nghiên cứu tiến hóa: So sánh trình tự nucleotide trong hệ gene của nhiều loài sinh vật → Cho biết mối quan hệ tiến hóa giữa các loài. Cấu trúc hệ gene càng giống nhau → Càng có quan hệ họ hàng gần gũi.

Ví dụ: So sánh hệ gene người và các loài linh trưởng → Tinh tinh có quan hệ họ hàng gần gũi nhất với loài người.

III. QUÁ TRÌNH TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN DI TRUYỀN TỪ GENE TỚI PROTEIN

1. Quá trình phiên mã

Phiên mã là quá trình tổng hợp RNA trong tế bào dựa trên khuôn DNA.

Diễn biến:

- Enzyme RNA polymerase bám vào vùng khởi động của gene.

- Enzyme RNA polymerase di chuyển trên mạch khuôn (có chiều 3’ → 5’) của gene để tổng hợp RNA theo chiều 5’ → 3’. 

- Enzyme RNA polymerase tách hai mạch DNA, các nucleotide tự do được gắn với các nucleotide trên mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung (A - U, T - A, G - C và C - G) và tạo ra RNA.

Các giai đoạn phiên mã

Enzyme RNA polymerase thực hiện phiên mã

Ở sinh vật nhân thực: Có nhiều loại RNA polymerase; sau phiên mã tạo ra tiền mRNA và được xử lý (gắn mũ đầu 5’; cắt bỏ intron, nối các exon; tổng hợp đuôi poly A đầu 3’). → Tạo ra mRNA trưởng thành.

2. Một số loại RNA - sản phẩm của quá trình phiên mã

RNA có cấu trúc đa phân với đơn phân là 4 nucleotide: A, U, G và C. Có ba loại RNA với các chức năng khác nhau cùng tham gia tổng hợp protein:

- mRNA: Mang thông tin di truyền.

- tRNA: Vận chuyển amino acid.

- rRNA: Cấu tạo nên ribosome.

a. mRNA - RNA thông tin

- Có kích thước phụ thuộc độ dài gene mã hóa.

- Chiếm 4% tổng lượng RNA.

- Là trung gian truyền thông tin từ gene đến protein.

- Trình tự mRNA → Quy định trình tự chuỗi polypeptide → Quy định cấu trúc và chức năng protein.

b. tRNA - RNA vận chuyển

- Dài khoảng 74 – 95 nucleotide.

- Có những đoạn trình tự nucleotide bắt cặp bổ sung với nhau.

- Mỗi tRNA chứa một bộ ba đối mã (anticodon) và trình tự đầu 3’ đặc thù liên kết với một loại amino acid nhất định.

- Có chức năng vận chuyển các amino acid tới ribosome khi dịch mã.

c. rRNA - RNA ribosome

- Chiếm khoảng 80% tổng lượng RNA.

- Có kích thước lớn.

- Liên kết với các protein tạo thành tiểu phần lớn và tiểu phần nhỏ của ribosome - bào quan thực hiện chức năng dịch mã.

​3. Phiên mã ngược

Phiên mã ngược là quá trình tổng hợp DNA bổ sung (cDNA) dựa trên khuôn RNA bởi enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase).

- Phiên mã ngược cần cho sự nhân lên của một số virus (HIV, HBV) để tạo DNA, sau đó hợp nhất DNA này vào hệ gene tế bào chủ.

- Ở vi khuẩn, động vật và thực vật, phiên mã ngược xảy ra nhờ retrotransposon - yếu tố di truyền vận động. Retrotransposon phiên mã ngược các RNA tạo ra cDNA và chèn vào các vị trí trên DNA → Tăng kích thước DNA, tạo nên các trình tự DNA lặp lại trong tế bào.

Sơ đồ tóm tắt phiên mã ngược

​4. Mã di truyền và quá trình dịch mã

a. Mã di truyền

Mã di truyền là trình tự nucleotide được mã hóa ở dạng mã bộ ba (codon) trên mRNA xác định trình tự amino acid trong một chuỗi polypeptide. Mã di truyền có tính đặc hiệu, tính thoái hóa và tính phổ biến.

Các đặc điểm của mã di truyền:

- Là mã bộ ba (ba nucleotide liền nhau trên mRNA theo chiều 5’ → 3’ là một mã), mã được đọc kế tiếp, không gối nhau.

- Gồm 61 bộ ba mã hóa và 3 bộ ba kết thúc.

+ Bộ ba mở đầu dịch mã: AUG → Mã hóa methionine (sinh vật nhân thực) hoặc formyl methionine (sinh vật nhân sơ).

+ 3 bộ ba kết thúc dịch mã: UAA, UAG, UGA → Không mã hóa cho amino acid nào.

- Tính đặc hiệu: Mỗi bộ ba chỉ mã hóa cho một amino acid duy nhất, trừ 3 bộ ba kết thúc.

- Tính thoái hóa: Nhiều bộ ba khác nhau cùng mã hóa cho một amino acid.

- Tính phổ biến: Hầu hết sinh vật đều có chung mã di truyền (trừ một số trường hợp ngoại lệ).

Bảng mã di truyền

b. Quá trình dịch mã

Dịch mã là quá trình sinh tổng hợp protein: Thông tin di truyền trên trình tự nucleotide của mRNA → Được ribosome dịch thành trình tự các amino acid trong chuỗi polypeptide → Chuỗi polypeptide hoàn thiện cấu trúc để tạo nên protein.

Hai giai đoạn dịch mã: Hoạt hóa amino acid và tổng hợp chuỗi polypeptide.

- Hoạt hóa amino acid: Mỗi amino acid được liên kết vào đầu 3’ của tRNA có bộ ba đối mã tương ứng nhờ sự xúc tác đặc hiệu của enzyme aminoacyl tRNA synthetase.

- Quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide:

+ Bắt đầu sau khi ribosome bám vào trình tự nucleotide đặc thù phía đầu 5’ của mRNA.

+ Gồm 3 giai đoạn: Mở đầu, kéo dài và kết thúc.

- Diễn biến dịch mã ở sinh vật nhân sơ:

Tại một thời điểm, trên mRNA có thể có nhiều ribosome tham gia dịch mã, được gọi là polyribosome (polysome).

5. Mối quan hệ DNA - RNA - protein

Qua quá trình tái bản, phiên mã và dịch mã, thông tin di truyền được truyền đạt từ thế hệ tế bào này sang thế hệ tế bào khác, từ đó quy định các tính trạng của cơ thể sinh vật.

Trong hầu hết trường hợp, thông tin di truyền được truyền một chiều: DNA → mRNA → Protein.

Quá trình truyền đạt thông tin di truyền từ DNA tới protein

Trong trường hợp đặc biệt, thông tin từ RNA có thể được truyền ngược lại sang DNA qua quá trình phiên mã ngược.

Ví dụ: HIV có vật chất di truyền là RNA. Khi vào tế bào người, enzyme phiên mã ngược trong virus tổng hợp DNA từ RNA rồi tích hợp DNA đó vào NST của tế bào chủ.

Toàn bộ quá trình truyền tin từ DNA - RNA - protein đều dựa trên NTBS đặc hiệu: A - T/U; G - C.

Một số trường hợp thông tin được truyền ngược lại từ RNA sang DNA