Sửa chữa và bảo vệ ADN
* Cơ chế sửa
sai sinh học
Tế bào sống có hàng loạt hệ thống sai hỏng DNA
theo nhiều cách khác nhau. Tỷ lệ đột biến tự nhiên thấp do nhờ tính hiệu quả của
hệ thống sửa sai này. Sai hỏng của hệ thống sửa sai này dẫn đến tỷ lệ đột biến
cao.
• 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 8.5).
• Sửa sai
bằng làm mất nhóm alkyl (dealkylation)
Enzyme alkyltransferasecos thể sửa trực tiếp các
sai hỏng. Chúng cắt nhóm alkyl từ chất nitrosoguanine và ethylmethnesulfonate
và gắn vào vị trí O-6 guanine.
Enzyme
methyltransferase của E. coli có khả năng chuyển nhóm methyl từ chất
O-6 methylguanine sang gốc cistein trên phân tử prôtêin. Tuy nhiên hệ thống sửa
sai này có thể bảo hòa nếu mức độ alkyl hóa đủ cao.
• Sửa sai
bằng cắt bỏ (excision repair pathway)
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:
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 8.6).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
- Đọc sửa đối với các base bắt cặp sai
Cơ chế đọc
sửa đối với các base bắt 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.
+ 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).
+ 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 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 prôtêin 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
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.
• Hệ thống
SOS
Ở tế bào
vi khuẩn hoặc tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng do chiếu tia uv, tia X hoặc do
tác dụng của các hóa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp được khởi
động. Ở E. coli, hệ thống này có liên quan với hai prôtêin được mã hóa bởi
gene lexA và recA. Prôtêin lexA là một chất ức chế, nó gắn vào hộp SOS,
chồng lấp các promotor của các gene SOS, ngăn cản sự phiên mã nhóm các gene của
hệ thống SOS. Một vài sản phẩm của DNA bị tổn thương sẽ làm hoạt hóa enzyme
protease recA. Prôtêin recA bị hoạt hóa sẽ cắt bỏ prôtêin lexA, cho phép các gene của hệ thống SOS phiên
mã. Phản ứng của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhưng phức tạp. Nó
bao gồm các quá trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi trong khởi sự sao
chép, ức chế nuclease và kích thích phục hồi sao chép và chuyển sai hỏng thành
sửa sai úp sấp (error-prone replication). Tế bào bây giờ sẽ xảy ra sự sao chép
DNA nhanh hơn bình thường. Nếu sửa sai không kịp, tế bào phải chấp nhận hoặc bị
đột biến hoặc bị chết.
Theo GT Di truyền học
DOWNLOAD:
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét