- Chương 12.Đột biến gene, tái tổ hợp và các yếu tố di truyền di độngMục tiêu của chương Giới thiệu các kiểu đột biến gen, cơ chế phát sinh và hậu quả của chúng. - Cơ chế sữachữa các đột biến đã làm giảm tỷ lệ đột biến, duy trì tính ổn định của vật liệu di truyền.Ngoài đột biến gene, yếu tố di truyền vận động cũng là nhân tố làm tăng tần số đột biếnSố tiết: 3Nội dungI. - Đột biến gene Đột biến gene là những biến đổi xảy ra bên trong cấu trúc gene. - Mỗi đột biến genedẫn đến sự thay đổi trình tự nucleotide tạo ra các allele khác nhau. - Đột biến gene có thểxảy ra do biến đổi của trình tự nucleotide trong gene. - Đột biến gene không phát hiệnđược khi quan sát tế bào học. - Trong tự nhiên, tất cả các gene đều có đột biến được gọi là đột biến tự nhiên hayngẫu phát (spontaneous mutation). - Các đột biến tự nhiên thường xuất hiện rất ít.1. - Các kiểu đột biến gene Đột biến gene hay đột biến điểm: là các biến đổi rất nhỏ trên một đoạn DNA, thườngliên quan đến một cặp base đơn của DNA hoặc một số ít cặp base kề nhau. - Đột biến điểmlàm thay đổi gene kiểu dại (wild-type gene. - Thực tế đột biến điểm hầu như làm giảmhoặc làm mất chức năng của gene hơn là làm tăng cường chức năng của gene. - Về nguồn gốc, đột biến điểm được phân ra làm đột biến ngẫu nhiên (spontaneous) vàđột biến cảm ứng (induced). - Đột biến cảm ứng: là dạng đột biến xuất hiện với tần số đột biến tăng lên khi xử lýcó mục đích bằng tác nhân đột biến hoặc tác nhân môi trường đã được biết. - Đột biếnngẫu nhiên là đột biến xuất hiện khi không có sự xử lý của tác nhân đột biến. - Đột biếnngẫu nhiên được tính là tỉ lệ cơ sở của đột biến và được dùng để ước chừng nguồn biến dịdi truyền tự nhiên trong quần thể. - Tần số đột biến ngẫu nhiên thấp nằm trong khoảng vì vậy đột biến cảm ứng là nguồn đột biến quan trọng cho phân tích di truyền. - Tác nhân đột biến được sử dụng phổ biến là nguồn chiếu xạ năng lượng cao (high-energy radiation) hoặc các hóa chất đặc biệt. - Các dạng đột biến điểm: có hai dạng đột biến điểm chính trong phân tử DNA. - Đột biến thay thế cặp base (base substitution. - Đột biến thêm bớt cặp base (base insertion - base delection) Các đột biến này có thể phát sinh do ảnh hưởng của môi trường như ảnh hưởng củacác tác nhân gây đột biến.1.1. - Đột biến thay thế cặp base Kiểu đột biến đơn giản nhất là thay thế một base, trong đó một cặp nucleotide tronggene được thay thế bằng một cặp nucleotide khác. - Sự thay thế này tạo ra sự cặp base G-T. - Tương tự, đột biến thay thế A bằng T trên một sợi, tạo ra sự kết cặp tạm thời T-T.Kết quả sao chép tạo ra T-A trên một phân tử DNA con và A-T trên phân tử DNA conkia. - Trong trường hợp hợp này, cặp base T-A là đột biến và cặp A-T không đột biến. - Nếusợi gốc DNA không đột biến có trình tự 5'-GAC-3', trên sợi đột biến có trình tự 5'-GTC-3' và sợi kia không đột biến có trình tự 5'-GAC-3'. - Đột biến thay thế cặp base được chia làm hai loại. - Đột biến đồng hoán (transition mutations): Nếu một đột biến mà bazơ pyrimidineđược thay thế bằng một pyrimidine và một purine thay bằng một purine. - Đột biến đồng hoán có thể là: T → C hoặc C → T (Pyrimidine → pyrimidine) A → G hoặc G → A (purine → purine) Đột biến đảo hoán (Transversion): Đột biến làm thay một pyrimidine thành mộtpurine hay một purine được thay thế bằng một pyrimidine. - Các đột biến đảo hoán: T → A, T → G, C → A hoặc C → G (Pyrimidine → purine) A → T, A → C. - G → T hoặc G → C (Purine → pyrimidine) Như vậy có thể có 4 thay thế kiểu đột biến đồng hoán và có đến 8 thay thế kiểu độtbiến đảo hoán. - Tuy nhiên trong thực tế, đột biến thay thế base có xuhướng nghiêng về đột biến đồng hoán, cho nên trong số các đột biến thay thế base tự phátthì tỷ lệ xảy ra đột biến là: 2 đồng hoán : 1 đảo hoán1.2. - Đột biến thêm hoặc bớt base (base-pair addition/deletion), còn gọi là indel mutation(insertion-deletion). - Trường hợp đơn giản nhất của đột biến này là thêm hoặc mất mộtcặp base đơn. - Đôi khi đột biến làm thêm hoặc mất đồng thời nhiều cặp base. - Hậu quả của đột biến điểm đến cấu trúc và sự biểu hiện của gene Đột biến điểm xuất hiện trong vùng mã hóa chuỗi polypeptide của gene (apolypetide-coding part of a gene), chẳng hạn đột biến thay thế base đơn có thể gây nhiềuhậu quả, nhưng tất cả đều có tác động lên mã di truyền theo 2 hướng: làm thoái hóa mã ditruyền hoặc xuất hiện mã kết thúc quá trình dịch mã. - Có các dạng: Đột biến đồng nghĩa (synonymous mutations): đột biến thay đổi một codon mã hóaacid amine thành codon mới mã hóa cho cùng acid amin đó. - Đột biến đồng nghĩa cũng cóthể xem là đột biến im lặng (silent mutations) Đột biến nhầm nghĩa (missense mutations), đôi khi còn gọi là đột biến không đồngnghĩa (nonsynonymous mutations): codon mã hóa cho một acid amin này bị thay đổithành codon mã hóa cho một acid amin khác. - Đột biến vô nghĩa (nonsense mutations): codon mã hóa cho một acid amin bị thayđổi thành codon kết thúc dịch mã (translation termination/stop codon). - Bảng 12.1 Đột biến điểm ở mức độ phân tử Kiểu đột biến Kết quả và ví dụ • Ở mức độ DNA Purine được thay thế bằng một purine khác, Transition pyrimidine được thay thế bằng một pyrimidine khác: A.T → G.C, G.C → A.T, C.G → T.A, T.A → C.G Transversion Purrin được thay thế bằng một pyrimidine hoặc một pyrimidine được thay thế bằng một purine: A.T→ C.G, A.T→ T.A, G.C→T.A, G.C→C.G T.A→G.C, T.A → A.T, C.G→ A.T, C.G→G.C Insertion-deletion Thêm vào hoặc mất đi một hoặc một số cặp base của DNA (thêm/mất base được gạch dưới) AAGACTCCT → AAGAGCTCCT AAGACTCCT → AAACTCCT • Ở mức độ protein Codon đặc biệt mã hoá cho cùng một acid amin: Synonymous AGG → CGG mutation Arg Arg Missense mutation Codon tạo thành mã hoá cho amino acid khác Loại bảo thủ Mã hoá cho acid amin có cùng bản chất hoá học: AAA → AGA Lys Arg (kiềm) (kiềm) Loại không bảo thủ Mã hoá cho amino acid khác về bản chất hoá học: UUU → UCU Phenylalanin Serine kỵ nước Phân cực Nonsense mutation Codon kết thúc chuỗi: CAG → UAG Gln Stop Frameshift mutation Thêm vào một cặp base: AAG ACT CCT → AAG AGC TCC T. - Mức độ ảnh hưởng của đột biến nhầm nghĩa và vô nghĩa lên chuỗi polypeptide khácnhau tùy trường hợp. - Nếu đột biến nhầm nghĩa thay thế một acid amin này bằng một acid amin khác tươngtự về mặt hóa học, được xem là đột biến thay thế bảo thủ (conservative substitution). - Đột biến vô nghĩa sẽ dẫn đến sự kết thúc dịch mã sớm. - Nếu đột biến vô nghĩa xảy ra càng ở gần đầu 3' củakhung đọc mã, kết quả ít ảnh hưởng đến protein. - Tuy nhiên nhiều đột biến vô nghĩa ởvùng này vẫn tạo ra các sản phẩm hoàn toàn bị mất hoạt tính. - Hình 12.1 Hậu quả của đột biến điểm trong gene. - Codon 1-4 nằm trong vùng mã hóa của gene Giống với đột biến vô nghĩa, đột biến thêm bớt base gây hậu quả trên trình tựpolypetide kể từ điểm bị đột biến (Hình 12.1). - Mất hoặc thêm base sẽ làm thay đổi khung đọctrong quá trình dịch mã từ điểm bị đột biến cho đến kết thúc theo khung mới. - Vì vậy loạiđột biến này được gọi là đột biến dịch khung (frameshift mutations). - Đột biến này tạo ratrình tự acid amin kể từ điểm bị đột biến cho đến kết thúc khác với trình tự acid amingốc. - Đột biến dịch khung gây ra sự mất hoàn toán cấu trúc và chức năng của protein bìnhthường. - Trường hợp đột biến xảy ra ở trình tự điều hòa và các trình tự không mã hóa khác(Hình 12.1). - Nhìn chung hậu quả chức năngcủa bất kì đột biến điểm nào ở vùng như thế đều phụ thuộc vào việc làm gián đoạn (hoặctạo ra) một điểm bám. - Đột biến làm gián đoạn ở những điểm đó có khả năng làm thay đổiphần biểu hiện của gene dựa vào sự thay đổi số lượng sản phẩm được biểu hiện ở mộtthời điểm nhất định hoặc ở một mô nhất định. - Ngược lại, đột biến ở một vài điểm bám có thểhoàn toàn phá hủy một giai đoạn càn cho sự biểu hiện bình thường của gene, như điểmbám của mRNA polymerase hoặc là nhân tố splicing. - Cần phân biệt giữa những thay đổi xảy ra của một đột biến gene đó là sự thay đổitrình tự DNA của gene với sự thay đổi ở mức độ kiểu hình. - Nhiều đột biến điểm trongtriình tự không mã hóa làm ít thay đổi hoặc không thay đổi trên kiểu hình như đột biếngiữa điểm bám DNA cho protein điều hòa hoặc thay đổi những điểm khác trong gene làmthay đổi chức năng của chúng.2. - Cơ chế gây đột biến điểm Khi kiểm tra dãy đột biến được gây tạo bới các tác nhân đột biến khác nhau cho thấymỗi tác nhân đột biến được đặc trưng bởi một đặc tính đột biến khác nhau hay"preference" về cả một dạng đột biến nhất định và một điểm đột biến nhất định, được gọilà điểm dễ xảy ra đột biến (mutational hot spots). - Đặc tính đột biến như thế được chú ýlần đầu tiên ở locus rII của bacteriophage T4. - Tác nhân đột biến hoạt động ít nhất qua ba cơ chế khác nhau: chúng có thể làm thaythế một base trong DNA. - Đột biến thay thế base: một vài hợp chất hóa học tương tự nitrogen base bình thườngcủa DNA, đôi khi chúng có thể gắn vào DNA thay cho base bình thường. - Vì vậy chúng có thể gây rađột biến do gắn vào một nucleotide không đúng trong quá trình sao chép. - Tautomer imino hoặc enol có thể kết cặp sai với base tạomột kết cặp nhầm (mispair). - Khả năng kết cặp nhầm như thế gây ra đột biến trong quátrình sao chép được chú ý đầu tiên bởi Watson và Crick khi các tác giả này nghiên cứucông thức về mô hình cấu trúc DNA. - Tác nhân gây đột biến 5-Bromouracil (5-BrU) là chất tương đương với thymine, cóbrome ở vị trí carbon số 5 thay cho nhóm -CH 3 của thymine. - Tương tự 5-BrU cũng có thể gây ra đột biến đồng hoán A-T thay cho cặpG-C. - Hình 12.2 Chứng minh một vài kết cặp nhầm có thể xảy ra do kết quả của sự thay đổi1 tautomer thành 1 tautomer khác Một hóa chất gây đột biến khác là 2-amino-purine (2-AP), là hóa chất tương đươngadenine, có thể kết cặp với thymine. - Khi bị proton hóa, 2-AP có thể kết cặp nhầm vớicytosine, có thể gây ra thế hệ sau đột biến đồng hoán G-C thay cho A-T do kết cặp nhầmvới cytosine trong lần sao chép tiếp theo. - Thay thế base (base alteration) Hình 12.3 Sự kết cặp nhầm chuyên biệt do đột biến cảm ứng alkyl hoá Một vài tác nhân đột biến không gắn vào DNA, mà lại làm biến đổi base gây ra sựkết cặp sai. - Tác nhân alkyl được sử dụng phổ biến như là tác nhân đột biến, chẳng hạnnhư ethylmethanesulfonate (EMS) và nitrosoguanidine (NG) gây đột biến theo cách này. - Tuy nhiên, đột biến hầunhư chỉ xảy ra khi nhóm alkyl được thêm vào ở oxy số 6 của guanine tạo ra O-6-alkylguanine. - Kếtquả sinh ra đột biến đồng hoán G-C→A-T trong lần sao chép tiếp theo. - Sai hỏng base: Một số lớn tác nhân đột biến gây sai hỏng một hoặc nhiều base. - Cơ chế của đột biến ngẫu nhiên Đột biến ngẫu nhiên xảy ra do nhiều nguyên nhân: gồm sai hỏng trong quá trình saochép DNA, các tổn thương ngẫu nhiên, sự chen vào của yếu tố di động. - Đột biến ngẫunhiên hiếm nên khó xác định cơ chế cơ bản. - Tuy nhiên, một vài hệ thống chọn lọc chophép thu được đột biến ngẫu nhiên và phân tích ở mức độ phân tử. - Từ bản chất củanhững thay đổi trình tự có thể suy ra quá trình dẫn đến đột biến ngẫu nhiên. - Những sai hỏng ngẫu nhiên (spontaneous lesions) đến DNA có thể sinh ra đột biến.Hai tổn thương ngẫu nhiên thường xuất hiện nhất: depurination và deamination, trong đódepurination phổ biến hơn. - Trong những điều kiện nhất định mộtbase có thể chèn vào tạo ra đột biến. - Uracil sẽ kết cặp với adenin trong quá trìnhsao chép, kết quả tạo ra đột biến đồng hoán G-C→ A-T. - Quá trình sao chép tạo ra đột biến đồng hoán chuyển C thànhT. - Các dạng này có thể gây tổn thương oxy hóa đến DNA, kếtquả tạo ra đột biến. - Hình 12.4 Deamination của Cytosine (a) và 5-methylcytosine Các sai hỏng trong sao chép DNA cũng là nguồn đột biến khác. - Thay thế base: sai hỏng trong sao chép DNA có thể xảy ra khi có một cặp nucleotideghép không chính xác (như A-C) tạo ra trong quá trình tổng hợp DNA dẫn đến sự thaythế một base. - Đột biến thêm vào và mất base: Một loại sai hỏng sao chép khác dẫn đến thêm vàohoặc mất đị một hoặc một số cặp base. - Trong trường hợp số base thêm vào hoặc mất đikhông chia hết cho 3, sẽ tạo ra đột biến dịch khung trong vùng mã hóa protein.II. - Sai hỏng của hệthống sửa sai này dẫn đến tỷ lệ đột biến cao.1.1. - Có thể xảy ra theo nhiềucách. - Uracil tạo thành do đột biến mất nhóm amin ngẫu nhiênở cytosine, dẫn đến đột biến đồng hoán thay C bằng T. - Sửa sai đứt mạch kép (repair of double-strand break) Khi cả 2 sợi của chỗi xoắn kép bị đứt ở cùng một vị trí, được gọi là đột biến đứtmạch đôi, có thể gây ra sai hình nhiễm sắc thể, làm chết tế bào hoặc tạo ra trạng thái tiếnung thư. - Nếu sửa sai không kịp,tế bào phải chấp nhận hoặc bị đột biến hoặc bị chết.III
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt