Sinh học online, giải trí hài hước

Cơ bảo vệ ADN trong tế bào sống


Trên phân  tử DNA có  thể xuất hiện nhiều biến đổi do sai hỏng  trong quá  trình  trao đổi chất, do các  tác nhân gây đột biến vật  lý và hóa học của môi trường. Tuy nhiên, genome luôn có độ ổn định cao nhờ các cơ chế sửa chữa và bảo vệ DNA. DNA là phân tử duy nhất, mà khi biến đổi hay bị phá hỏng vẫn có khả năng được sửa chữa nhờ tế bào. Các cơ chế sửa sai rất đa dạng và có hiệu quả cao. Ba quá trình bao gồm sửa sai, tái bản và tái tổ hợp DNA liên quan chặt chẽ với nhau. Đây cũng là một minh chứng về sự phối hợp chặt chẽ giữa nhiều cơ chế di truyền. I. Khái quát về các cơ chế sửa sai Hầu hết các đột biến trên phân tử DNA thường được khắc phục bằng hai phương thức chính: 

- Sửa chữa phục hồi trực tiếp (direct reversal repair), hoặc:
- Cắt  bỏ  sai  hỏng  và  sửa  chữa  lại  bằng  cách  dùng  trình  tự  bổ  sung (damage excision and repair using complementary sequence). 

Sửa chữa trực tiếp thường liên quan đến hai loại sai hỏng trên phân tử DNA  do  tia  tử  ngoại  gây  ra  là:  cyclobutane-pyrimidine  dimer  (CPDs)  và pyrimidine (6-4) pyrimidone (6-4 PPs). Hai  loại sai hỏng này đều  làm biến dạng cấu trúc xoắn của DNA. CPDs và 6-4 PPs được nhận biết và sửa chữa nhờ enzyme photolyase. Enzyme này sử dụng năng lượng ánh sáng để thực hiện phản ứng  làm  thay đổi các  liên kết hóa học để nucleotide  trở  lại dạng bình  thường.  Phản  ứng  sửa  chữa DNA  bằng  photolyase  xảy  ra  trong  rất nhiều sinh vật prokaryote và eukaryote. Tuy nhiên, quá trình này không thấy ở động vật có vú. Ở người cũng chưa phát hiện được bất kỳ loại photolyase nào.
Đa số sai hỏng của DNA được sửa chữa bằng phương thức thứ hai. Cơ chế này phải sử dụng thông tin di truyền chứa ở một trong hai sợi đơn DNA.
Khi  trình  tự nucleotide  trên một sợi bị  thay đổi  thì sợi  thứ hai  (liên kết bổ sung  với  sợi  thứ  nhất)  được  dùng  làm  khuôn mẫu  để  sửa  chữa  những  sai hỏng đó. Một số cơ chế sửa chữa như sau:

- Hệ thống sửa chữa nhận biết các trình tự DNA không thích hợp với các cặp base chuẩn và thay thế chúng.

- Hệ  thống sửa chữa-cắt bỏ (excision-repair system)  loại đi một đoạn DNA ở vị trí sai hỏng và sau đó thay thế nó.

- Hệ  thống  sửa  chữa-tái  tổ hợp  (recombinant-repair  system)  sử dụng phương thức tái tổ hợp để thay thế vùng sợi đôi bị sai hỏng.

Các hệ thống sửa chữa cũng phức tạp như bộ máy tái bản của nó, điều đó cho  thấy  tầm quan  trọng của chúng đối với  sự  sống của  tế bào. Khi hệ thống sửa chữa phục hồi một sai hỏng của DNA, thì không có một hậu quả xấu nào xảy ra. Nhưng một đột biến có thể tạo ra hậu quả xấu khi DNA bị hỏng. 
Cơ chế sửa sai adn


Hình 7.1 tóm tắt một số cơ chế sửa chữa DNA như sau: 
- Một  vài  enzyme  phục  hồi  trực  tiếp  các  loại  sai  hỏng  đặc  biệt  của DNA.  

- Một số phương thức sửa chữa bằng cách cắt bỏ base, sửa chữa bằng cách  cắt  bỏ  nucleotide,  và  sửa  chữa  ghép  đôi  lệch,  tất  cả  chức  năng  của chúng thực hiện bằng cách loại bỏ và thay thế nguyên liệu.

-  Các  hệ  thống  chức  năng  có  thể  tái  tổ  hợp  để  tạo  ra một  bản  sao không bị sai hỏng thay thế cho một sợi đôi bị sai hỏng.

- Phương thức nối đầu không tương đồng đã nối lại các đầu sợi đôi bị hỏng.

- Một số DNA polymerase khác nhau cần thiết trong việc tổng hợp lại các đoạn DNA thay thế.

1. Các biến đổi xảy ra trên phân tử DNA
Trên DNA có thể xảy ra các biến đổi ngẫu nhiên như sau:

- Gãy hay đứt mạch. Phân tử DNA có chiều ngang rất mảnh, bản thân nó lại thường xuyên cuộn xoắn và giãn xoắn nên dễ xảy ra đứt gãy một sợi. Tuy nhiên, khả năng đứt cùng lúc hai sợi hiếm khi gặp hơn.

- Base bị cắt mất. Hiện tượng này làm base tương ứng không bắt cặp được.  Dưới  tác  dụng  của  nhiệt  có  thể  xảy  ra  quá  trình  khử  purine (depurination) do thủy phân liên kết N-glycosyl.

- Gắn các nhóm mới vào base bằng liên kết cộng hóa trị  làm thay đổi tính chất như trường hợp methyl hóa (gắn nhóm CH3 vào một base). 

- Biến một base này  thành một base khác  làm bắt cặp sai. Ví dụ: quá trình khử amine (desamination) của cytosine biến nó thành uracil.

- Các base có  thể  tồn  tại ở hai dạng keto và enol nên có  thể dẫn đến bắt cặp sai. Ví dụ: dạng enol của cytosine có thể bắt cặp với adenine.

- Tạo các thymine dimer.

- Liên kết chéo giữa các mạch (interstand crosslink).
Trên đây là các biến đổi ngẫu nhiên, nếu có tác động của các tác nhân gây đột biến các biến đổi sẽ xảy ra nhiều hơn. 

2. Khái quát các cơ chế sửa chữa ở mức phân tử 
Sự nguyên vẹn của phân tử DNA mang thông tin di truyền có ý nghĩa sống còn đối với tế bào, nhất là tế bào prokaryote. Ở tế bào vi khuẩn, có đến 50% DNA không bị biến đổi thậm chí sau khi tái bản đến 100 triệu lần. Sự ổn định cao của DNA  tế bào có được nhờ hàng  loạt các cơ chế bảo vệ  sự nguyên vẹn và sửa chữa ngay lập tức bất kỳ sai hỏng nào vừa xuất hiện.

Các hệ  thống sửa sai rất đa dạng và có hiệu quả rất cao ở E. coli. Có khoảng 100 locus tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào việc bảo vệ DNA và sửa sai.  

Chỉ với DNA, tế bào phải đầu tư rất lớn cho sự ổn định của thông tin di truyền. Nếu như sự tái bản chỉ xảy ra khi phân bào, thì các cơ chế sửa sai phải hoạt động liên tục. Tái bản được thực hiện với cơ chế về cơ bản giống  nhau ở các  loại  tế bào và  trong mỗi  lần nhân đôi DNA. Trong khi đó,  sai hỏng xảy ra rất đa dạng, nên các cơ chế sửa sai nhiều hơn và với số  lượng gen tham gia lớn hơn. Hơn nữa, các cơ chế di truyền cơ bản như tái bản, tái tổ hợp DNA đều có sự tham gia của các cơ chế sửa sai và ngược lại sửa sai cần đến tái bản và tái tổ hợp.

3. Biến đổi làm tăng tần số đột biến 
Nhờ các cơ chế sửa sai nên bình thường DNA tế bào có độ ổn định rất lớn, thường sự thay thế base có tần số 10-9-10-10. Tuy nhiên, người ta đã phát hiện được các dòng đột biến ngẫu nhiên tăng cao hơn hẳn, chúng được gọi là mutator  (nhân  tố  gây  đột  biến). Trong  nhiều  trường  hợp,  các  kiểu  hình mutator liên quan đến sai hỏng  trong hệ  thống sửa sai. Ở E. coli, các  locus mutator mutH, mutL, mutU và mutS tác động đến các cấu phần của hệ thống sửa sai do ghép đôi lệch (mismatch-repair) sau tái bản nên đã làm cho tần số đột biến ngẫu nhiên tăng cao.
Ngoài mutator,  sự  sai hỏng  làm  tăng  tính nhạy  cảm với  tia  tử ngoại (ultraviolet) và tăng sai hỏng khi tái tổ hợp.

II. Các kiểu sửa chữa 
1. Quang tái hoạt hóa 
Sửa chữa  trực  tiếp bằng quang  tái hoạt hóa  (photoreactivation)  ít khi gặp, nó bao gồm sự phục hồi hoặc loại bỏ đơn giản các sai hỏng và quá trình này  xảy  ra  ở  ngoài  sáng. Quang  tái  hoạt  hóa  của  các  pyrimidine  dimers, trong đó tạo cơ hội cho các liên kết cộng hóa trị được phục hồi nhờ enzyme phụ thuộc ánh sáng (light-dependent enzyme), là một ví dụ điển hình (Hình 7.2). Hệ thống sửa chữa này phổ biến trong tự nhiên, và đặc biệt quan trọng ở thực vật. Trong E. coli, nó phụ thuộc vào sản phẩm của một gen đơn (phr) mã hóa cho một enzyme được gọi là photolyase.
Sau khi xử lý  tia  tử ngoại gây đột biến, nếu đưa ra ánh sáng  thì phần lớn sai hỏng được phục hồi. Hiện tượng này được gọi là quang tái hoạt hóa.
Cơ chế sửa sai ADN - Quang phục hoạt

Năng lượng của ánh sáng khả kiến (từ 300 đến 600 nm) hoạt hóa photolyase (gen  phr  ở  E.  coli)  cắt  các  vòng  cyclobutyl  pyrimidine  dimer  (thường  là thymine dimer).

Enzyme này hoạt động  trong các  tế bào ở nhiều  loài khác nhau. Vào ban ngày, các sinh vật thường chịu tác động của ánh sáng, nên cơ chế quang tái hoạt hóa (quang phục hồi) có vai  trò quan  trọng  trong sửa sai DNA. Ví dụ: Mycoplasma, sinh vật đơn giản nhất hiện nay, chỉ có vài trăm gen nhưng một trong số đó đã được dùng cho quang tái hoạt hóa.  Ngoại  trừ sửa chữa bằng quang  tái hoạt hóa xảy  ra ngoài sáng, phần lớn  các  cơ  chế  sửa  chữa  khác  được  thực  hiện  trong  tối,  nhờ  các  enzyme nuclease cắt bỏ chỗ sai hỏng theo nhiều cách như sau:  

2. Sửa chữa ghép đôi lệch  
Sửa  chữa  ghép đôi  lệch  (mismatch-repair)  giữa  các  sợi DNA  là một trong những mục  tiêu chính của hệ  thống  sửa  sai. Sửa chữa ghép đôi  lệch được  tiến hành khi phát hiện trên DNA các base nằm cạnh nhau mà không bắt  cặp  thích hợp. Các ghép đôi  lệch  tăng  lên  trong  suốt quá  trình  tái bản được sửa chữa bằng cách phân biệt giữa các sợi cũ và mới và được ưu tiên sửa chữa trình tự của các sợi được tổng hợp mới (Hình 7.3). Ghép đôi lệch được  tạo  ra  bởi  các  biến  đổi  base,  là  một  kết  quả  của  sự  khử  amine (deamination).
Cơ chế sa]r sai adn ghép đôi lệch

Ghép đôi lệch thường được sửa sai bằng phương thức sửa chữa cắt bỏ, được khởi đầu bằng một enzyme nhận biết một base sai hỏng thực sự hoặc có sự thay đổi chiều hướng không gian (spatial path) của DNA. 

Sự nhận biết và  sửa chữa các  sai  lệch do bắt cặp base  sai  trên DNA được phát hiện ở E. coli, nấm men và tế bào động vật có vú. Ở vi khuẩn E. coli, có ba hệ  thống enzyme khác nhau được  sử dụng để  sửa chữa các  sai lệch bằng cách:

- Loại bỏ chỗ sai trong tái bản (errors in replication).
- Loại bỏ ghép đôi  lệch bên  trong các đoạn  trung gian của  tái  tổ hợp
(mismatch within recombinant intermediates).
- Loại bỏ  thymine của cặp GT  trong  trường hợp 5-methylcytosine bị mất nhóm amine (NH2) thành thymine.

3. Sửa chữa cắt bỏ 
Có hai loại hệ thống sửa chữa cắt bỏ, đó là:
- Hệ thống sửa chữa cắt bỏ base (base excision repair) loại bỏ trực tiếp base sai hỏng và  thay  thế nó  trong DNA. Ví dụ điển hình  là enzyme DNA uracil  glycolase,  loại  các  uracil  không  được  bắt  cặp  (mispaired)  với  các guanine.

- Hệ thống sửa chữa cắt bỏ nucleotide (nucleotide excision repair) cắt bỏ một trình tự bao gồm các base sai hỏng; sau đó một đoạn DNA mới được tổng hợp để thay thế các nguyên liệu bị cắt bỏ. Các hệ thống này phổ biến ở hầu hết sinh vật.  

a. Cắt bỏ base
Việc  loại  bỏ  chỗ  sai  được  thực  hiện  nhờ một  hoặc  vài  enzyme  N-glycosylase. N-glycosylase nhận biết base biến đổi hay mất gốc amine hoặc biến dạng cấu trúc xoắn do sai lệch tạo ra và thủy phân liên kết N-glycosylic giữa base với đường với pentose. Lỗ hổng vừa được  tạo ra do cắt bỏ được DNA polymerase làm đầy lại dựa vào khuôn mẫu bổ sung đối diện và ligase nối liền chúng (Hình 7.4). 
Cơ chế sửa sai adn - sửa sai cắt bỏ

b. Cắt bỏ nucleotide
Việc cắt bỏ một vùng có nhiều thymine dimer (do UV) hoặc vùng liên kết  chéo  giữa  các  sợi, được  thực hiện nhờ  incision nuclease  (nuclease  tạo khấc trên DNA) như phức hợp Uvr ABC của E. coli, phức hợp này cắt các đoạn 12-13 nucleotide từ một sợi DNA. Sự thủy phân được thực hiện ở liên kết phosphodiester  thứ  tám ở đầu 5’ đến chỗ hỏng và ở phía 3’  là  liên kết thứ tư hay năm.

Cấu trúc sợi kép bổ sung cho nhau của DNA cho phép, nếu thông tin bị mất do cắt bỏ sai hỏng trên một sợi có thể chép lại được nhờ dựa vào sợi đơn bổ sung kia. Tuy nhiên, một số sai hỏng  liên quan cùng  lúc cả hai sợi cũng có thể được sửa chữa nhờ vào một đoạn nucleotide tương đồng tồn tại đâu đó  trong  genome. Sự mất đoạn hay xen đoạn nucleotide, hay  liên kết chéo giữa các  sợi DNA có  thể được phục hồi nhờ  sự  thay  thế đoạn  tương ứng bằng  tái  tổ hợp. Thậm chí sự đứt đôi cả hai sợi cùng chỗ, được coi  là nặng nhất  trong các sai hỏng, có  thể được gắn  liền  lại nhờ  ligase hay  tái  tổ hợp (Hình 7.5).
Cơ chế sửa sai adn

4. 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  tái bản DNA. Sự bắt cặp cẩn  thận của DNA polymerase đảm bảo cho sự chính xác của tái bản. Trước khi thực hiện phản ứng polymer hóa nối với nucleotide, nucleotide triphosphate mới phải bắt  cặp  với  base  bổ  sung  trên  sợi  khuôn mẫu. Nếu  sự  bắt  cặp  sai  xảy  ra, DNA polymerase sẽ loại bỏ nucleotide bắt cặp sai. Thậm chí,  trước khi nucleotide mới gắn 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 bởi hoạt  tính exonuclease 3’ 5’ của DNA polymerase. Khi sự bắt cặp của cấu  trúc sợi kép đã 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 sợi đang được tổng hợp. Tuy nhiên, trong trường hợp cần thiết, DNA polymerase có thể bỏ qua chỗ sai và chép tiếp nhờ cơ chế tái bản “error prone” (xem mục 6). 

5. Các hệ thống sửa chữa tái tổ hợp 
Các  vị  trí  có  sự  sai  hỏng,  xảy  ra  trong một  phân  tử  con  (daughter molecule), sẽ được phục hồi nhờ sự tái tổ hợp để thu được một bản sao khác của trình tự từ một nguồn không bị sai hỏng. Bản sao này sau đó được dùng để sửa chữa lỗ hổng (gap) trên sợi bị hỏng.

Khi DNA  polymerase  gặp  thymine  dimer  hay một  số  sai  lệch  khác trên sợi DNA khuôn mẫu, có hai khả năng xảy ra: 
- Polymerase  lấp dần  lỗ hổng bằng  tái bản không  theo khuôn mẫu do tái tổ hợp và vượt qua chỗ sai.
- Polymerase dừng lại và huy động khoảng 1.000 nucleotide phía dưới (downstream); chỗ trống gián đoạn được lấp đầy với sợi bổ sung từ sợi đôi chị em (sister duplex) do tái tổ hợp.
Trong cả hai  trường hợp, chỗ sai  lệch vẫn còn và được cắt bỏ sau đó bởi sửa sai trực tiếp hay cắt bỏ. 
Sửa sai adn nhờ tái tổ hợp

6. Hệ thống SOS
Hệ  thống SOS  (chứa khoảng 30 gen không  liên kết và  thường bị ức chế bởi protein LexA) sẽ hoạt động khi tế bào bị các tác nhân gây đột biến tạo  nhiều  sai  hỏng  trên DNA. Trong  trường  hợp DNA  bị  hỏng  ngừng  tái bản,  phản ứng SOS  sẽ  phục  hồi  tái  bản  bằng  phương  thức  tái  bản  “error-prone”. 

Ở vi khuẩn E. coli người ta đã quan sát thấy sự phá hủy DNA làm mở ra  khoảng  20  gen  của  hệ  thống SOS,  được  kiểm  soát  âm  bởi  chất ức  chế LexA (LexA repressor).  
Trong trường hợp có nhiều sai hỏng cần cấp cứu, LexA bị kích thích, thay đổi  cấu hình,  tự  cắt và mất hoạt  tính ức  chế. Lúc đó  các  gen  của hệ thống SOS được mở ra. Nếu quá trình sửa sai thực hiện không kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc bị đột biến hoặc chết. 

Protein RecA khởi động hệ thống SOS như sau:
- Hộp SOS  là  trình  tự DNA  (operator) dài khoảng 20 bp được nhận biết bởi protein của chất ức chế LexA.
- Sai hỏng  của DNA  làm  cho RecA khởi động phản ứng SOS,  chứa các gen mã hóa cho nhiều enzyme sửa chữa.
- RecA hoạt hóa hoạt tính tự phân giải tự của LexA.
- LexA ngăn chặn hệ thống SOS, nhưng phản ứng tự phân giải của nó đã hoạt hóa các gen của hệ thống này.

a. Sửa chữa theo cơ chế “error-prone”
Phân tử DNA có thể bị sai hỏng nặng nề khi bị chiếu tia tử ngoại hoặc khi  chịu  tác  động  của  các  tác  nhân  gây  ung  thư  (carcinogens).  Lúc  đó, không phải chỉ một sợi đơn DNA bị hỏng mà cả hai sợi đều bị đứt gãy và mất đi một  số nucleotide. Thông  tin di  truyền của đoạn hỏng bị mất hoàn toàn  nên  không  có  sợi  khuôn  mẫu  để  sửa  chữa  theo  các  cơ  chế  thông thường. Trong trường hợp này, tế bào còn lại một giải pháp duy nhất để tăng khả năng sống sót đó là sửa chữa DNA một cách ngẫu nhiên với tỷ lệ sai sót (đột biến) cao nhưng dù sao vẫn duy trì được sự sống. Đây chính là cơ chế sửa chữa DNA “error-prone”  (còn được xem như  là  sự phát  sinh đột biến SOS). Như vậy,  sửa chữa DNA  theo cơ chế này cũng  là một  trong những nguyên nhân tạo nên tính đa dạng của DNA.

Khi phân tử DNA bị đột biến, một số protein đặc biệt sẽ làm nhiệm vụ dừng quá trình tổng hợp DNA để sửa chữa theo các cơ chế khác nhau. Bởi vì nếu tế bào tiếp tục phân chia (tức là DNA tiếp tục được nhân lên) thì tỷ lệ đột biến cao sẽ xuất hiện khiến số tế bào sống sót giảm xuống.
Một số trường hợp sai hỏng được sửa chữa bằng cơ chế error-prone: 

- DNA kết hợp với các base không bổ sung trên sợi con (bắt cặp sai).

- DNA bị  sai hỏng không được  sửa  chữa do DNA polymerase  III bị giữ lại trong suốt quá trình tái bản.
DNA  polymerase V  (được mã  hóa  bởi  gen  umuD  và  umuC  của  E. coli),  hoặc DNA  polymerase  IV  (được mã  hóa  bởi  gen  dinB  của E.  coli) được cảm ứng  trong hệ  thống SOS, để  tổng hợp một đoạn bổ sung cho sợi DNA bị hỏng. DNA polymerase V  là một phức  hợp  chứa hai protein  tiểu đơn vị UmuD’ và một protein tiểu đơn vị UmuC (Trong quá trình sửa chữa “error-prone”,  protein RecA,  hoạt  động  như một  co-protease,  gián  tiếp  tự xúc  tác  cắt  protein  UmuD  thành  một  đoạn  có  hoạt  tính,  UmuD’).  DNA polymerase  IV  và  V  là  một  phần  của  một  họ  lớn,  bao  gồm  các  DNA polymerase  là những enzyme cần  thiết  trong sửa chữa DNA bị sai hỏng do chúng có hoạt tính polymerase.

Các protein  tiểu đơn vị UmuD  (thực  tế  là UmuD’) và UmuC có khả năng gắn các nucleotide vào sợi DNA bất chấp không tồn tại sợi khuôn mẫu. Như vậy, chúng có thể ức chế hoạt tính tự sửa exonuclease 3’ 5’ của DNA polymerase hoặc chính chúng  là một  loại DNA polymerase đặc biệt (DNA polymerase V). Khi đột biến xảy ra  trên gen mã hóa cho UmuD và UmuC, các tế bào vi khuẩn sẽ sống sót ít hơn tế bào bình thường dưới tác dụng của tia tử ngoại. Một vài plasmid mang gen mucA và mucB, tương đồng với gen umuD  và  gen  umuC,  khi  được  đưa  vào  trong  vi  khuẩn  sẽ  làm  tăng  tính kháng với tia tử ngoại. Ngoài ra, khi cả hai sợi đơn DNA đều chịu đột biến nhưng nếu trong genome còn có ít nhất một bản sao giống hệt đoạn bị hỏng, lúc đó đoạn bị hỏng có thể được phục hồi nhờ cơ chế trao đổi chéo dùng bản sao làm khuôn mẫu.

b. Protein LexA
Hoạt  tính  của  RecA  gây  ra  sự  phân  giải  sản  phẩm  protein  của  gen lexA. LexA là một protein nhỏ (22 kDa) khá ổn định trong các tế bào không bị xử lý, nơi nó có chức năng như một chất ức chế ở nhiều operon. Phản ứng phân giải  là không  thường xuyên; LexA  có hoạt  tính protease muộn được hoạt hóa bởi RecA. Khi RecA được hoạt hóa, nó sẽ gây ra phản ứng tự phân giải của LexA  làm bất hoạt chức năng ức chế của LexA, và cảm ứng phối hợp  tất cả operon mà nó được  liên kết. Phương  thức này được minh họa ở hình 7.7.
Sa]r sai và bảo vệ adn

Các gen đích của protein ức chế LexA có nhiều chức năng sửa chữa. Một số gen SOS này chỉ hoạt động ở các  tế bào bị xử  lý. Những gen khác hoạt động ở các  tế bào không bị xử lý, nhưng mức độ biểu hiện được  tăng lên nhờ  sự phân giải của LexA. Sau khi phân giải LexA, gen có  thể được biểu hiện từ promoter thứ hai giống như promoter đầu tiên. Protein LexA ức chế các gen đích của nó bằng cách  liên kết với một đoạn DNA dài 20 bp được gọi  là hộp SOS, bao gồm một  trình  tự  liên ứng  (consensus sequence: 5’-CTGTN8ACAG-3’) với 8 vị  trí bảo  toàn  tuyệt đối (N8).  Giống  như  các  operator  khác,  các  hộp  SOS  xếp  chồng  lên  các promoter tương ứng. Ở locus  lexA, đối  tượng của sự ức chế  tự sinh, có hai hộp SOS ở cạnh nhau.

c. Protein RecA
Sự cuộn lại trực tiếp của protein RecA trong sửa chữa-tái tổ hợp chỉ là một  trong những hoạt  tính của nó. Nó có  thể được hoạt hóa bởi các xử  lý làm sai hỏng DNA hoặc ức chế sự  tái bản  trong E. coli. Điều này giúp nó khởi động một chuỗi phức  tạp những  thay đổi kiểu hình được gọi  là phản ứng SOS, yếu tố cần thiết cho sự biểu hiện của nhiều gen mà các sản phẩm của  chúng  có  các  chức  năng  sửa  chữa. Các  hoạt  tính  kép  này  của  protein RecA  làm cho người  ta không biết  rõ sự  thiếu hụt  trong sửa chữa ở các  tế bào đột biến recA là do mất chức năng trao đổi sợi DNA của RecA hay là do một  vài  chức  năng  khác mà  sự  cảm  ứng  của  nó  phụ  thuộc  vào  hoạt  tính protease.

Sự sai hỏng xuất hiện có thể do chiếu tia UV (hầu hết trong các trường hợp  nghiên  cứu)  hoặc  do  các  nhân  tố  liên  kết  chéo  hoặc  sự  alkyl  hóa (alkylation).  Sự  ức  chế  tái  bản  do  một  số  phương  thức  như  thiếu  hụt (deprivation) thymine, bổ sung  thêm  thuốc, hoặc các đột biến trong một số gen dna, có cùng hiệu quả. Đầu  tiên  là hoạt hóa RecA bằng xử lý sai hỏng. Chúng  ta không biết nhiều về mối quan hệ giữa  sự  sai hỏng và  sự  thay đổi đột ngột  trong hoạt tính RecA. Một biến động của các trường hợp sai hỏng có thể cảm ứng phản ứng SOS. Hiện nay, người ta thiên về ý kiến cho rằng RecA được hoạt hóa bởi một số chất trung gian trong chuyển hóa DNA.  Tín hiệu cảm ứng có  thể chứa một phân  tử nhỏ được phóng  thích  từ DNA; hoặc nó có thể là một vài cấu trúc được tạo thành  trong chính DNA. Ở điều kiện in vitro, hoạt tính của RecA đòi hỏi sự có mặt của DNA sợi đơn và ATP. Vì thế, một vài tín hiệu có thể hiện diện ở vùng sợi đơn ở một vị trí ai  hỏng.  Sự  tương  tác  của  nó  với RecA  là  nhanh:  phản  ứng  SOS  xảy  ra trong một vài phút xử lý sai hỏng.

Tóm lại. RecA và LexA là các mục tiêu chung trong hộp SOS: RecA khởi động sự phân giải của LexA, nhân tố ức chế recA và chính nó. Vì thế, phản ứng SOS tạo ra sự khuếch đại của cả hai protein RecA và chất ức chế LexA. Kết quả là không còn mâu thuẫn như lúc đầu nữa.
 Việc  tăng mức  độ  biểu  hiện  của  protein RecA  cần  thiết  cho  vai  trò trực tiếp của nó trong các phương thức sửa chữa-tái tổ hợp. Về sự cảm ứng, nồng  độ  của RecA  được  tăng  lên  50  lần  so  với  nồng  độ  ban  đầu  của  nó khoảng 1.200 phân  tử/tế bào. Nồng độ cao ở các  tế bào được cảm ứng có nghĩa là có đủ RecA để đảm bảo rằng tất cả protein LexA bị phân giải.
 
III. Bảo vệ DNA: Hệ thống cắt hạn chế (R)-Biến đổi (M)
Ngoài các hệ thống sửa sai, tế bào còn có hệ thống bảo vệ DNA. Các vi khuẩn có hệ thống miễn nhiễm hiệu quả DNA lạ, đó là: hệ thống cắt hạn chế-biến đổi  (restriction-modification system) hiện diện  trong nhiều  loài vi khuẩn, trong đó DNA được biến đổi bởi các enzyme đặc hiệu.  Sự biến đổi xảy ra nhằm mục đích bảo vệ DNA chống lại sự phân hủy enzyme  (cắt  hạn  chế)  bởi  các  endonuclease  của  chính  chúng. Sự  biến  đổi bao gồm một kiểu đặc  trưng của phản ứng methyl hóa các gốc nucleotide trong DNA. Bằng cách dùng S-adenosylmethionine như là một chất cho, các enzyme methyl hóa  (methylase)  sẽ hoạt động  trên DNA  sợi đôi  (dsDNA). Các vị trí mà ở đó có sự biến đổi cũng được nhận biết bởi các enzyme hạn chế  (restriction  enzyme,  RE)  tương  ứng,  tuy  nhiên  các  enzyme  hạn  chế không thể cắt DNA trong các vị trí đã được biến đổi này ở một hoặc cả hai sợi DNA.  Các vi  sinh vật prokaryote  lẫn  eukaryote đều  có  các  enzyme methyl hóa gắn nhóm CH3 ở những điểm nhất định trên phân tử DNA. Các enzyme này có  tính đặc hiệu cao chuyên hóa cho  từng dòng vi khuẩn, vì  thế DNA của mỗi  dòng  vi  khuẩn  chỉ  được methyl  hóa  ở  những  vị  trí  đặc  biệt  nhất định. Nhờ đó, mỗi vi khuẩn dễ dàng phân biệt DNA của bản thân chúng với DNA ngoại  lai  (foreign DNA)  (ví dụ: DNA  của bacteriophage) xâm nhập vào trong tế bào. Các enzyme cắt hạn chế là một loại endonuclease của mỗi dòng  vi  khuẩn  không  cắt  DNA  của  chúng  vì  đã  được methyl  hóa  ở  những  điểm  cần  thiết  mà  chỉ  cắt  DNA  ngoại  lai  (của bacteriophage) do chúng không được methyl hóa ở những vị trí nhất định.  Các cơ chế chủ yếu biến đổi của DNA của nó một cách đặc hiệu và cắt hạn chế (restriction) các phân tử DNA không được đánh dấu. Hệ thống R-M ngăn chặn DNA ngoại lai không có hoạt động chức năng nhưng có thể thực hiện tái tổ hợp.

Hệ thống R-M có hai tính chất căn bản:
- Hoạt  tính restriction  (cắt hạn chế) 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 hiện tượng nhiễm bacteriophage vào E. coli. Sự biến đổi thường là methyl hóa nhóm 6-NH2 của adenine ở những trình tự nucleotide đặc hiệu trong hệ thống kiểu II, C5  của  cytosine  được methyl  hóa. Cắt  hạn  chế  được  thực  hiện  do  các  hệ thống  endonuclease. Chúng nhận biết các điểm đặc hiệu  ít nhất ở một  sợi DNA không bị biến đổi. Endonuclease cắt đứt sợi ở nhiều điểm nhận biết và sau đó các đoạn ngắn được cắt bằng nucleotide khác.  Phần  lớn  các DNA  bị  biến  đổi  có  các  đặc  tính  di  truyền  không  ổn định. Sự methyl hóa thường mất qua tái bản trong tế bào chủ. Các nghiên cứu cho thấy ở chủng E. coli B có 3 gen liên kết chặt với nhau mã hóa cho 3  sản phẩm khuếch  tán: các polypeptide phục vụ cho  sự cắt hạn chế, cho sự biến đổi và tạo sự đặc hiệu của điểm nhận biết. DNA  sợi  kép  nhạy  cảm  hơn  với  sự  biến  đổi  và  cắt  hạn  chế.  Các bacteriophage sợi đơn như M13 và   X 174 ít bị tác động hơn. Sự biến đổi của một sợi DNA đủ để miễn nhiễm DNA lạ. Do vậy, DNA tái bản bán bảo tồn được bảo vệ bởi methyl hóa sợi khuôn.   

1. Các methylase của R-M 
Methylase  là enzyme có hoạt  tính xúc  tác gắn một nhóm methyl vào một phân  tử, ví dụ: DNA methyltransferase  có  chức năng methyl  hóa  các gốc C trong DNA.  Enzyme methylase tạo ra một cặp adenine methyl hóa (hoặc cytosine) có vị  trí đối xứng chéo nhau. Các methylase có  liên quan chặt chẽ với các kiểu cắt hạn chế. 

- Kiểu I. Các RE có  thể  tiến hành cả hai sự biến đổi và cắt hạn chế. Một RE kiểu  I bao  gồm ba  tiểu đơn vị khác nhau  (R, M và S)  chịu  trách nhiệm tương ứng cho việc cắt hạn chế, biến đổi và nhận biết trình tự. Ví dụ: EcoB  và EcoK  (từ  E.  coli  chủng B  và K),  các  trình  tự  nhận  biết  của  hai enzyme  này  là  TGA(N)8TGCT  đối  với  EcoB  và AAC(N)6GTGC  đối  với EcoK  (trong  đó N  là một  trong  bốn  loại  nucleotide). Nếu  vị  trí  nhận  biết không được methyl hóa trong một sợi, thì enzyme RE sẽ methyl hóa sợi đó, nhưng  nếu  cả  hai  sợi  đều  không  được methyl  hóa  thì  enzyme  RE  sẽ  cắt DNA  (cần  có ATP).  Phản  ứng  cắt  xuất  hiện  ở một  vị  trí  không  đặc  hiệu >1000 bp tính từ trình tự nhận biết; rõ ràng là enzyme duy trì liên kết ở vị trí nhận biết của nó, và DNA được di chuyển qua một vị trí thứ hai trên enzyme hướng tới một vị trí cắt hạn chế.

- Kiểu II. Các RE là dạng chung nhất trong vi khuẩn; chúng chỉ thực hiện phản ứng cắt hạn chế-còn sự biến đổi được tiến hành bởi một enzyme riêng  biệt. Trình  tự  nhận  biết  cho  hầu  hết  các  enzyme  này  là  các  trình  tự palindrome ngắn (ví dụ: EcoRI nhận biết GAATTC) và thực hiện phản ứng cắt  (không cần ATP) ở  trong hoặc gần kề với vị  trí nhận biết. Một vài RE kiểu II cắt cả hai sợi ở cùng vị trí để tạo ra đầu bằng , trong khi các RE khác lại tạo ra đầu dính. Các RE kiểu II là công cụ hữu ích trong công nghệ DNA tái tổ hợp.

- Kiểu III. Các RE này  tương tự các enzyme kiểu I. Mỗi RE kiểu III có hai  tiểu đơn vị; nó nhận biết một  trình  tự đối xứng ngắn, và  tạo  ra một đầu so le (cần có ATP) ở vị trí khoảng 24-26 bp so với vị trí nhận biết. Ví dụ enzyme EcoPI, được mã hóa bởi prophage của bacteriophage P1.

2. Adenine và cytosine methyltransferase ở E. coli 
Sự methyl hóa A và C  thực hiện  rộng  rãi ở  tất  cả  các  loại DNA. Ở prokaryote  (kể  các  bacteriophage  và  plasmid),  vai  trò  thể  hiện  rõ  là  phân hủy DNA ngoại  lai. Vai  trò phụ  là phân biệt DNA bố mẹ với sợi con mới được tổng hợp trong phục hồi các chỗ bắt cặp sai. Ở prokaryote, các sinh vật không có hệ  thống cắt hạn chế, vai  trò chủ yếu của methyl hóa có  lẽ ở  sự điều hòa biểu hiện của gen.
Bên  cạnh  các  methylase  của  hệ  thống  R-M,  còn  có  các methyltransferase  khác  ở  E.  coli. Các  nucleotide  được methyl  hóa  không gắn trực tiếp vào DNA. Các methylase chuyển nhóm methyl từ S-adenosine methionine sang adenine và cytosine ở những điểm đặc hiệu trên DNA. 

3. Sự methyl hóa DNA của eukaryote
Sự methyl DNA của eukaryote có nhiều điểm khác với ở prokaryote:

- Base bị biến đổi  chủ  yếu ở  eukaryote  là 5-methylcytosine. Ở động vật có vú, chỉ có 5-methylcytosine là base bị biến đổi, trong đó 90% là trình tự đối xứng CpG.

- Do  chưa  hiểu  biết  rõ  hệ  thống R-M ở  eukaryote  nên  người  ta  cho rằng có lẽ methyl hóa không góp phần bảo vệ chống sự xâm nhập của DNA ngoại lai.
Sự methyl  hóa  của DNA  động  vật  có  vú  góp  phần  vào  sự  điều  hòa biểu hiện của gen và biệt hóa tế bào. Các nghiên cứu cho thấy có sự tương quan  thuận giữa methyl hóa  thấp (hyphomethylation) với hoạt  tính của gen và ngược  lại giữa  sự methyl hóa mạnh với bất hoạt của gen. Sự vắng mặt của các nhóm methyl trên DNA của ruồi giấm chứng tỏ rằng sinh vật đã biệt hóa cao có thể hoạt động không cần cơ chế methyl hóa.

Sự methyl hóa ở động vật có vú có thể đóng vai trò: 
- Thay  đổi  trạng  thái  của DNA  và  ức  chế  ái  lực  của  repressor  với operator.
- Sự methyl hóa được truyền đạt theo dòng tế bào soma.
- Methyl hóa có thể tạo sự khác nhau giữa các mô.
- 5-azacytidine,  chất  đồng  đẳng  với  cytidine,  tác  động  làm  tế  bào nguyên bào sợi (fibroblast) biệt hóa thành tế bào cơ, có lẽ do cơ chế ức chế methyl hóa DNA và như vậy hoạt hóa gen tương ứng. 

Theo GT SHPH

4 nhận xét:

công ty bảo vệ nói...

Công nghệ mới, rất tuyệt vời. Cám ơn vì đã chia sẽ.

Mrhoa nói...

Cảm ơn bạn đã ghé thăm và ủng hộ blog

Unknown nói...

add có thể cho mình biết nguồn rõ ràng hơn được không ạ?

Quyết Blogger nói...

Giáo trình Sinh học phân tử bạn à

Số lượt xem tháng trước

Bài đăng phổ biến

Bài đăng nổi bật

Shop hoa tươi Quận 1 (GIAO HOA NHANH)

Đà Lạt- xứ sở mộng mơ với biệt danh thành phố ngàn hoa là địa điểm lí tưởng mà nhiều người chọn đi du lịch. Đến đây ...