Các cơ chế sửa sai ADN

1. Quang phục hoạt (Photoreactivation)

 Quang phục hoạt (photoreactivation) hay sửa sai nhờ ánh sáng (light repair). Sau khi xử lý tia tử ngoại gây đột biến, nếu đưa ra ánh sáng thì phần lớn sai hỏng được phục hồi nhờ enzyme photolyase. Enzyme này gắn vào photodimer cắt nó thành các monomer dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời có bước sóng 320-370 nm. Sau  đó phục hồi các base ban  đầu (hình 4.5).

2. Sửa chữa bằng cắt bỏ (excision repair)

Phần lớn các cơ chế sửa sai khác thực hiện theo lối cắt bỏ (excistion repair) không cần ánh sáng nhờ các nuclease, sau  đó thay vào các base đúng. Có thể xảy ra theo nhiều cách:

+ Cắt các base (base excision repair) Sự cắt bỏ các base sai hỏng nhờ các enzyme DNA glycosylase. Các enzyme này nhận biết các base bị biến đổi và các điểm mất purine hay mất pyrimidine và thủy giải liên kết N-glycosilic nối base với đường. Rồi enzyme AP endonuclease cắt liên kết đường và phosphate gần base bị biến  đổi. Sau  đó enzyme thứ ba,deoxyribophosphodiesterase loại bỏ từng nucleotide kế tiếp nhau ở đoạn bị hỏng. Sau  đó, DNA polymerase lấp  đầy khoảng trống với các nucleotide bổ sung với sợi khuôn còn lại. Enzyme DNA ligase sẽ gắn các khe hở giữa 2 đầu 3'-5' (hình 4.6).

Trong tế bào tồn tại một số DNA glycosylase. Chẳng hạn, enzyme uracil-DNA glycosylase cắt uracil khỏi DNA. Uracil tạo thành do đột biến mất nhóm amin ngẫu nhiên ở cytosine, dẫn đến đột biến đồng hoán thay C bằng T. Enzyme này phát hiện ra uracil trên DNA như là một bất thường, chúng sẽ cắt bỏ và sửa sai.

+ Cắt các nucleotide: Sự cắt bỏ vùng có nhiều pyrimidine dimer được thực hiện nhờ enzyme exonuclease (enzyme rạch mạch hay enzyme tạo khấc trên DNA) như phức hợp 3 enzyme được mã hóa bới gene uvr ABC của  E. coli. Phức hợp này cắt  đoạn 12 nucleotide trên một mạch: 8 nucleotide từ một đầu bị sai hỏng và 4 nucleotide của đầu còn lại. Khoảng trống của 12 nucleotide này sẽ  được lấp  đầy nhờ enzyme DNA polymerase I dựa vào mạch đơn bổ sung kia của trình tự DNA gốc. DNA ligase sẽ gắn vào các khe hở.

+ Sửa sai dựa vào tính tương  đồng (Homology-dependent repair system) Một hệ thống sửa sai quan trọng đã phát hiện tính chất bổ sung đối song song của 2 mạch đơn DNA để phục hồi đoạn sai hỏng trở lại trạng thái bình thường ban đầu. Trong hệ thống này, đoạn DNA sai hỏng bị cắt bỏ và thay bằng một đoạn nucleotide mới được tổng hợp bổ sung với sợi khuôn đối diện. Sự sửa sai xảy ra qua sợi khuôn và nguyên tắc của sao chép DNA bảo đảm  sự sửa sai hoàn thành với độ chính xác cao - đó là sự giải phóng sai hỏng (error-free). Có 2 hệ thống chủ yếu  để loại bỏ sai hỏng: Hệ thống sửa chữa sai hỏng phát hiện ra trước khi sao chép và hệ thống sửa chửa sai hỏng phát hiện trong quá trình diễn biến sao chép (sửa sai sau sao chép).

3. Sửa chữa kết cặp sai (Mismatch repair)

Cơ chế sửa chữa đối với các base kết cặp sai (proofreading for base-pair matching) được thực hiện trong sao chép DNA. Trong quá trình sao chép, trước khi thực hiện phản ứng polymer hóa nối các nucleotide, các nucleotide triphotphate mới phải bắt cặp bổ sung với mạch khuôn. Nếu sự bắt cặp sai xảy ra, DNA polymerase sẽ loại bỏ nucleotide bắt cặp sai.

Ngay cả trước khi nucleotide mới ráp vào, enzyme dò lại cặp base cuối, nếu chúng không bắt cặp thì sự polymer hóa tiếp theo bị dừng. Cặp nucleotide  ở  đầu cuối 3' bắt cặp sai sẽ bị loại bỏ nhờ hoạt tính exonuclease3'→5' của DNA polymerase. Khi đã bắt cặp đúng, quá trình polymer hóa mới được tiếp tục.

Hoạt tính đọc sửa đối với các base bắt cặp sai là đặc tính của nhiều DNA polymerase đảm bảo cho sự kéo dài chính xác của mạch đạng được tổng hợp.

4. Sửa chữa tái tổ hợp Error-prone

Trong một số trường hợp sự sửa sai thất bại, tính liên tục của bộ gene vẫn có thể duy trì nhờ sao chép “úp sấp sai hỏng” (error-prone replication),  DNA polymerase có thể bỏ qua chỗ sai sao chép tiếp. 

Khi cả 2 sợi của chuỗi xoắn kép bị đứt ở cùng một vị trí, được gọi là đột biến đứt mạch đôi, có thể gây ra sai hình nhiễm sắc thể, làm chết tế bào hoặc tạo ra trạng thái tiến ung thư. Tế bào sử dụng nhiều protein và con  đường sửa sai  đứt gãy mạch  đôi là thực hiện tái tổ hợp trong giảm phân. Quá trình sửa chữa do trao đổi chéo trong giảm phân xảy ra như sau (hình 4.7):  Trên một nhiễm sắc thể xảy ra sự đứt mạch đôi và kết quả ăn mòn các đầu mút ở đoạn ngắn của DNA sợi đơn. Đầu 3' của một trong những sợi này "xâm lấn" vào một chromatid. 

Đoạn xâm lấn làm mồi cho tổng hợp các base bị mất của nó nhờ sử dụng sợi đối song song của chromatid như là sợi khuôn. Sự tổng hợp mới này sẽ tạo ra một vòng sợi đơn lai với một sợi đơn không xâm lấn. Vì vậy tạo ra một vùng dị hợp tử nhỏ "Aa" và sử dụng như mạch khuôn để khôi phục các base bị mất trên sợi đó. DNA polymerase sẽ lấp đầy chỗ trống và enzyme ligase sẽ nối các đầu mút xảy ra trong cấu trúc đặc biệt giống với trao đổi chéo 2 sợi đơn. Cấu trúc này cũng chứa các đoạn bắt cặp không tương đồng đơn giản. 

Trao  đổi chéo sợi  đơn  được gọi là cấu trúc Holliday (Holliday structure) do Holliday phát hiện vào những năm 1960.

5. Bảo vệ bằng hệ thống các enzyme methylase và restriction endonuclease

 Ngoài hệ thống sửa sai, tế bào còn có các hệ thống bảo vệ DNA. Các vi khuẩn có hệ thống miễn nhiễm đáng kể với các DNA lạ.

 Mặc dù trình tự các base trên phân tử DNA là cố định, nhưng một số base bị biến đổi hoá học sau khi đã được gắn vào DNA. Cả sinh vật tiền nhân và sinh vật nhân thực đều có các enzyme methyl hoá (methylation) gắn nhóm –CH3 ở những điểm nhất định trên phân tử DNA. Các enzyme này có tính đặc hiệu cao chuyên hoá cho từng dòng vi khuẩn, nên DNA của mỗi dòng vi khuẩn được methyl hoá ở những điểm chuyên biệt nhất định tuỳ mỗi dòng. Nhờ đó mỗi vi khuẩn dễ dàng phân biệt giữa DNA của bản thân chúng với DNA lạ xâm nhập vào. Các enzyme cắt hạn chế (restriction enzyme) là một loại endonuclease của mỗi dòng vi khuẩn, không cắt DNA của chúng vì đã được methyl hoá ở những điểm nhất định.

Các cơ chế biến đổi chính DNA của nó một cách đặc hiệu và phân huỷ hay cắt hạn chế các phân tử DNA không  được đánh dấu. Hệ thống restriction-modification (R-M) ngăn chặn DNA ngoại lai không có hoạt động chức năng nhưng có thể thực hiện tái tổ hợp.

 Hệ thống restriction-modification có 2 tính chất căn bản

 - Hoạt tính cắt hạn chế (restriction) đặc hiệu chống sự xâm nhập của DNA ngoại lai

 - Hoạt tính bảo vệ DNA của bản thân nó

 Hệ thống R-M lần đầu tiên được phát hiện khi nghiên cứu sự nhiễm phage vào vi khuẩn E. coli. Sự biến đổi thường là methyl hoá nhóm 6 – amino của Adenin trong những trình tự đặc hiệu, trong hệ thống kiểu II, C5 của Cytosine được methyl hoá. Restriction được thực hiện do các hệ thống endonuclease. Chúng nhận biết các  điểm  đặc hiệu ít nhất  ở một mạch DNA không bị biến đổi. Endonuclease cắt đứt mạch ở nhiều điểm nhận biết và sau đó các đoạn ngắn được cắt bằng các nuclease khác. Phần lớn các DNA bị biến  đổi các các  đặc tính di truyền không  ổn  định. Sự methyl hoá thường mất qua sao chép trong tế bào chủ.

 Các nghiên cứu cho thấy ở E. coli B có 3 gene liên kết chặt với nhau mã hoá cho 3 sản phẩm khuyếch tán: các polypeptid phục vụ cho các restriction, cho sự biến đổi và tạo sự đặc hiệu của điểm nhận biết.  DNA mạch kép nhạy cảm hơn với biến đổi và restriction. Các phage mạch  đơn như M13 và  φX174 ít bị tác  động hơn. Sự biến  đổi của một mach DNA đủ để miễn nhiễm DNA lạ. Do vậy DNA sao chép bán bảo tồn được bảo vệ bởi methyl hoá mạch khuôn.   

Theo GT Di truyền VSV