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

I. Gene

1. Khái niệm

Gene là một đoạn của phân tử DNA mang thông tin quy định một loại sản phẩm là chuỗi polypeptide hoặc RNA.

Mỗi gene (DNA) chỉ mang thông tin trên một mạch (mạch khuôn) được sử dụng để làm khuôn tổng hợp nên mRNA. Mạch còn lại là mạch mã hóa.

2. Cấu trúc

Cấu trúc của một gene bao gồm ba vùng trên mạch khuôn của gene:

• Vùng điều hòa: Nằm ở đầu 3', có trình tự promoter - nơi enzyme liên kết và 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.

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.

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 và vùng phiên mã riêng.

​3. Phân loại

Theo chức năng:

• Gene cấu trúc tạo ra các sản phẩm cấu tạo nên các thành phần của tế bào.
• Gene điều hòa tạo ra sản phẩm điều hòa sự biểu hiện của các gene khác.

Dựa trên cấu trúc của vùng mã hóa:

• Gene không phân mảnh (không chứa intron).
• Gene phân mảnh (chứa intron).

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 có các tiến bộ của nhiều ngành khoa học giúp 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

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.

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 mạch đơn polynucleotide gồm đơn phân là các nucleotide: Adenine (A), Uracil (U), Guanine (G) và Cytosine (C).

Có ba loại RNA với các chức năng khác nhau và cùng tham gia tổng hợp protein:

mRNA - RNA thông tin

• Có kích thước phụ thuộc độ dài gene mã hóa, chiếm 4% tổng lượng RNA.
• Có chức năng trung gian truyền thông tin di truyền từ gene đến protein.
• Trình tự mã hóa trên mRNA quy định trình tự chuỗi polypeptide được dịch mã → quyết định cấu trúc và chức năng của protein.

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. Ví dụ: tRNA^Met vận chuyển amino acid loại methionine.

rRNA - RNA ribosome

• Chiếm khoảng 80% tổng lượng RNA, thường có kích thước lớn.
• rRNA liên kết với các protein tạo thành tiểu phần lớn và tiểu phần nhỏ của ribosome.
• Ribosome là nơi xảy ra dịch mã.

​3. 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 (như HIV, viêm gan B – 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.

​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.

Các đặc điểm của mã di truyền:

• Là mã bộ ba: Ba nucleotide liền nhau trên mRNA  (một codon theo chiều 5’ → 3’) mã hóa một amino acid; 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). Ba 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).

b) Quá trình dịch mã

Là quá trình sinh tổng hợp protein: Thông tin trình tự nucleotide trên mRNA chuyển thành trình tự amino acid của chuỗi polypeptide.

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 (tRNA^aa) có bộ ba đối mã tương ứng nhờ sự xúc tác đặc hiệu của enzyme aminoacyl tRNA synthetase.

• Quá trình tổng hợp chuỗi polypeptide

Quá trình này bắt đầu sau khi ribosome bám vào trình tự nucleotide đặc thù phía đầu 5’ của mRNA.

Tổng hợp chuỗi polypeptide gồm 3 giai đoạn: Mở đầu, kéo dài và kết thúc. Ví dụ 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).

V. Mối quan hệ DNA - RNA - Protein

Thông tin di truyền được truyền đạt từ thế hệ tế bào này sang thế hệ tế bào khác qua quá trình tái bản DNA, và được truyền từ DNA qua mRNA tới protein, 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.

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.

1. Gene là một trình tự nucleotide chứa thông tin quy định một sản phẩm nhất định là protein hay RNA. Cấu trúc chung của một gene gồm vùng điều hoà, vùng mã hoá và vùng kết thúc.

2. Tập hợp tất cả các phân tử DNA trong tế bào của một sinh vật được gọi là hệ gene. Giải trình tự nucleotide của hệ gene cho biết cấu trúc, số lượng, sự phân bố các gene cũng như các trình tự điều hoà hoạt động gene và các trình tự cấu trúc vận hành bộ máy di truyền.

3. Thông tin di truyền từ gene, qua quá trình phiên mã tạo ra mRNA và qua quá trình trình dịch mã tạo ra protein. Phiên mã và dịch mã đều được thực hiện dựa trên NTBS. Trong một số trường hợp, quá trình truyền thông tin có thể xảy ra theo hướng từ RNA tới DNA nhờ các loại enzyme phiên mã ngược.