Bài giảng Di truyền học

Chương 1 Bản chất của vật chất di truyền I. DNA là vật chất di truyền Acid nucleic có 2 loại là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic (RNA). Nhiều sự kiện gián tiếp cho thấy DNA là chất di truyền. 1. Các chứng minh gián tiếp - DNA có trong tế bào của tất cả các vi sinh vật, thực vật, động vật chỉ giới hạn ở trong nhân và là thành phần chủ yếu của nhiễm sắc thể. Đó là một cấu trúc mang nhiều gen xếp theo đƣờng thẳng. - Tất cả các tế bào dinh dƣỡng của bất kỳ một loại sinh vật nào đều chứa một lƣợng DNA rất ổn định, không phụ thuộc vào sự phân hóa chức năng hoặc trạng thái trao đổi chất. Ngƣợc lại, số lƣợng RNA lại biến đổi tùy theo trạng thái sinh lý của tế bào. - Số lƣợng DNA tăng theo số lƣợng bội thể của tế bào. Ở tế bào sinh dục đơn bội (n) số lƣợng DNA là 1, thì tế bào dinh dƣỡng lƣỡng bội (2n) có số lƣợng DNA gấp đôi. - Tia tử ngoại (UV) có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bƣớc sóng 260nm. Đây chính là bƣớc sóng DNA hấp thu tia tử ngoại nhiều nhất. Tuy nhiên trong các số liệu trên, thành phần cấu tạo của NST ngoài DNA còn có các protein. Do đó cần có các chứng minh trực tiếp mới khẳng định vai trò vật chất di truyền của DNA. 2. Thí nghiệm biến nạp DNA ( Transformation) Vi khuẩn Diplococcus pneumoniae có hai dạng: - Dạng S (gây bệnh): có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, ngăn cản bạch cầu phá vỡ tế bào và tạo khuẩn lạc láng trên môi trƣờng agar. - Dạng R (không gây bệnh) không có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid và tạo khuẩn lạc nhăn. Thí nghiệm: a. Tiêm vi khuẩn dạng S sống gây bệnh cho chuột, sau một thời gian nhiễm bệnh, chuột chết b. Tiêm vi khuẩn dạng R sống không gây bệnh cho chuột, chuột sống c. Tiêm vi khuẩn dạng S bị đun chết cho chuột, chuột chết d. Tiêm hỗn hợp vi khuẩn dạng S bị đun chết trộn với vi khuẩn R sống cho chuột, chuột chết. Trong xác chuột chết có vi khuẩn S và R. Đến 1944, T. Avery, Mc Leod, Mc Carty tiến hành thí nghiệm xác định tác nhân gây biến nạp: - Nếu tế bào S bị xử lý bởi protease hoặc ARNase thì hoạt tính biến nạp vẫn còn, chứng tỏ RNA và protein không phải là tác nhân gây bệnh. - Nếu tế bào chết S bị xử lý bằng ADNase thì hoạt tính biến nạp không còn nữa, chứng tỏ DNA là nhân tố biến nạp. DNA của S + tế bào R sống chuột chết (có S, R ) Thí nghiệm biến nạp ở chuột 3. Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn Năm 1952, A. Hershey và M. Chase tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2, xâm nhập vi khuẩn E.coli nhằm xác định xem phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào tế bào vi khuẩn: chỉ DNA, chỉ protein hay cả hai. Thí nghiệm này đã đƣợc chứng minh trực tiếp rằng DNA của phage T2 đã xâm nhập vào tế bào vi khuẩn và sinh sản để tạo ra thế hệ phage mới mang tính di truyền có khả năng đến nhiễm vào các vi khuẩn khác. Vật chất di truyền của phage là DNA Sự xâm nhập DNA của virus vào vi khuẩn II. Thành phần và cấu tạo hóa học của acid nucleic DNA và RNA là những hợp chất cao phân tử. Các đơn phân là các nucleotid. Mỗi nucleotid gồm ba thành phần - H3PO4 - Đƣờng desoxyribose (DNA ), ribose ( RNA) - Bazơ nitơ DNA RNA + Purin Adenin (A) Adenin (A) Guanin (G) Guanin (G) + Pyrimidin Cytosin (C) Cytosin (C) Timin (T) Uracin (U) Mối liên kết hydro giữa A-T và G-C 1. DNA 1.1. Cấu tạo hóa học của DNA + số lƣợng A =T, G =X + Tỉ số A + T G + X đặc trƣng cho mỗi loài sinh vật. Theo nghiên cứu Wilkins và Franklin: + Các purin và pyrimidin có cấu trúc phẳng, mặt phẳng đƣợc xếp vuông góc với trục dài của mạch polynucleotid cái này xếp chồng lên cái kia, khoảng cách trung tâm giữa hai mặt phẳng kề nhau là 3,4Ao + Mạch polynucleotid xoắn thành lò xo quanh trục giữa, mỗi bƣớc xoắn là 34Ao ( ứng với 10 nu) + DNA có nhiều hơn một mạch polynucleotid. Sự bắt cặp bổ sung của các base của hai mạch đơn Mô hình cấu trúc phân tử J. Watson và F. Crick (Dạng B) + Gồm hai chuỗi polynucleotid xoắn song song ngƣợc chiều quanh một trục chung. + Các gốc base quay vào phía trong của vòng xoắn, các gốc H3PO4, pentose quay ra ngoài tạo phần mặt của hình trụ. + Khoảng cách giữa các cặp base là 3,4 A0, lệch nhau một góc 360 + Chiều cao của mỗi vòng xoắn là 34 Ơ , và đƣờng kính là 20 Ơ. + Hai chuỗi polynucleotid gắn với nhau qua liên kết hydro đƣợc hình thành giữa các cặp base đứng đối diện nhau theo NTBS. A chỉ liên kết với T và G chỉ liên kết với X. A + G = T + X (quy luật Chargaff). + Biết thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotid trên chuỗi này sẽ suy ra thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotid trên chuỗi kia Ngoài DNA dạng B, còn nhiều dạng xoắn phải khác (A, C, D, Z ...). Điển hình mô hình dạng B của Watson-Crick, là dạng xoắn phải với trục đều Mô hình dạng Z, là dạng xoắn trái với trục không đều. Mô hình dạng B Mô hình dạng Z 1.2. DNA cuộn lại trong tế bào Hầu hết trong cơ thể sinh vật, DNA có chiều dài dài hơn rất nhiều lần so với chiều dài của tế bào. Ví dụ: phage T2 có chiều dài tế bào khoảng 0,16 m, trong khi chiêu dài DNA của chúng khoảng 50 m. Các dạng thẳng, vòng tròn và xiêu xoắn của DNA DNA có thể ở 3 dạng cấu trúc: - Dạng siêu xoắn: mạch kép vặn xoắn lại thành hình số 8. Đây là dang tự nhiên ở vi khuẩn. - Dạng vòng tròn: sợi DNA căng tròn có đƣợc do DNA siêu xoắn bị cắt đứt 1 trong hai mạch kép. - Dạng thẳng: khi DNA bị cắt đứt cả hai mạch. Mô hình về bộ gen của E .coli Mô hình cấu trúc nhiễm sắc thể (bộ gen) của E. coli (Theo Pettijohn và Hecht, 1974) 2. RNA RNA có cấu tạo từ các đơn phân là các ribonucleotid. Mỗi ribonucleotid gồm ba thành phần: đƣờng ribose, H3PO4, bazơnitric. Trong tế bào có ba loại RNA: rARN, mARN, tARN. 2.1. rARN: * chiếm khoảng 75% của tổng RNA trong tế bào. - Eukaryota : ribosome có hệ số lắng khi ly tâm là 80S, gồm hai đơn vị: + Đơn vị lớn ( 60S) có rARN 25S; 5,8S; 5S + Đơn vị nhỏ (40S) có rARN 28S - Prokaryota và lục lạp có hệ số lắng khi ly tâm là 70S, gồm 2 đơn vị: + Đơn vị lớn (50S): có loại rARN 23S; 5S; 4,5S + Đơn vị nhỏ (30S): có rARN 16S - Ty thể: ribosome có hệ số lắng khi ly tâm là 70S, gồm 2 đơn vị: + Đơn vị lớn 50S: có loại rARN 24S; 5S + Đơn vị nhỏ 30S: có rARN 18,5S * rARN có cấu trúc bậc I và cấu trúc bậc hai. * rARN có cấu tạo là một sợi xoắn có nhiều vùng liên kết đôi theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với U, G liên kết với X và có khi G liên kết với U. 2.2. RNA vận chuyển ( tRNA) - Có hơn 20 loại tARN khác nhau tuơng ứng với 20 loại acid amine khác nhau. - Các tARN cùng tham gia vận chuyển một acid amin là các izoaceptor. - Cấu trúc bậc I của tARN: có phân tử lƣợng nhỏ: 25.000-30.000, gồm 75-90 nucleotid, có hằng số lắng 4S. Có khoảng 10% các nucleotid hiếm với khoảng 30 loại khác nhau. Chuỗi polynucleotid cuộn lại có những đoạn tạo mạch xoắn kép, hình thành cấu trúc bậc hai của tARN. - Các tARN có một số đặc tính cấu trúc chung: chiều dài khoảng 73-93 nucleotid, cấu trúc gồm một mach cuộn lại nhƣ hình lá chẻ ba nhờ bắt cặp bên trong phân tử. Đầu mút 3’ có trình tự kết thúc là CCA, amino acid luôn gắn vào đầu này. Đầu 5 chứa gốc phosphate của G. Mỗi tARN có có 4-5 vùng với chức năng khác nhau: - Vòng DHU: có chứa nucleotid dihydrouridin, vùng này có chức năng nhận biết aminoacyl tARN synthetase - Vòng anticodon: đọc mã trên mARN theo nguyên tắc kết cặp anticodon – codon. Cấu trúc của tARN - Vòng phụ: có thể không có ở một số RNA. - Vòng TφC: có chứa nucleotid pseudouridin, vùng này có chức năng nhận biết ribosom để vào đúng vị trí tiếp nhận aminoacyl tARN (vị trí A) - Đấu 3’ –CCA: vị trí gắn với acid amin. tARN chiểm khoảng 15% tổng số RNA của tế bào 2.3. RNA thông tin (messenger RNA – mARN) - RNA thông tin làm nhiệm vụ truyền đạt thông tin di truyền từ DNA đến protein. - mARN chiểm khoảng 5% tổng số RNA tế bào. - Cấu trúc của mARN: 5’ m7GxpYp AUG UAG phần đuôi Đoạn 5’ Đoạn đƣợc Đoạn 3’ không mã hóa phiên mã không mã hóa (X, Y có thể là A hoặc G) - Các mARN của prokaryote có nữa thời gian (half life) tồn tại ngắn trung bình 2 phút. Các mARN của Eukaryote có nữa thời gian tồn tại khoảng 30 phút - 24 giờ. P P PG 5’ 5’ CAP Vò trí gaén Rb Vuøng khoâng maõ hoùa AUG Maõ keát thuùc UAA Vuøng khoâng maõ hoùa A-A-A- - 3’ mRNA ở eukaryote 5’ Vò trí gaén Rb Maõ khôûi ñaàu AUG Vuøng khoâng maõ hoùa 3’ P1 UAA maõ keát thuùc P2 UAA maõ keát thuùc P3 UAA maõ keát thuùc Maõ khôûi ñaàu AUG Maõ khôûi ñaàu AUG Vò trí gaén Rb Vò trí gaén Rb mRNA ở Prokaryote 2.4.-Ribozym và self- splicing - Các phân tử rARN của các loài nguyên sinh động vật, lúc đầu đƣợc tổng hợp với một số lƣợng lớn tiền chất, từ số các rARN này sẽ có một đƣợc tạo ra bằng cách tự cắt nối (self - splicing). - Quá trình cắt nối này có thể xảy ra ở in vitro trong sự vắng mặt của protein. - Phản ứng self-splicing ở loài Tetrahymena gồm 2 bƣớc: + Nucleotid G gắn vào trình tự intron, đồng thời cắt mạch RNA. + Đầu 3’ của RNA mới vừa đƣợc tạo ra gắn vào đầu bên kia của intron hoàn thành phản ứng nối liền. Trình tự intron dài 400 nucleotid đã đƣợc tổng hợp trong ống nghiệm và nó cuộn lại tạo phức hợp bề mặt có hoạt tính tƣơng tự enzyme trong các phản ứng với các RNA khác. Các RNA có khả năng tự xúc tác đƣợc gọi là ribozyme. Phản ứng self-splicing của RNA Quá trình splicing, cắt các intron, nối các exon IV Các tính chất của DNA 1. Biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation) * Biến tính: Khi đun nóng DNA từ từ, vƣợt quá nhiệt độ sinh lý (khoảng 80- 95oC), các liên kết hydro giữa 2 mạch bị đứt và tách rời nhau. Trƣớc tiên các mối liên kết A-T, khi nhiệt độ > 90oC các liên kết G -C bị đứt. * Điểm chảy của DNA (Tm): Nhiệt độ mà ở đó 2 mạch DNA tách rời nhau. Tm phụ thuộc vào số lƣợng các liên kết hydro. DNA có tỷ lệ G-C cao sẽ có điểm chảy cao. DNA có 60% G-C thì điểm chảy là 95oC. Ngoài nhiệt độ, ngƣời ta còn dùng chất formanide (NH2 -CH = 0) làm biến chất DNA ở 40o-C * Hồi tính: Các DNA bị biến chất đƣợc hạ nhiệt độ từ từ, ở 60o -700C các nucleotid sẽ gắn lại với nhau để tạo nên DNA mạch kép. Sự biến tính và hồi tính của DNA 2. Lai acid nucleic * Nguyên tắc: lấy DNA A làm biến tính thành mạch đơn, trộn với DNA B cũng bị biến tính thành mạch đơn. Dung dịch đƣợc hạ nhiệt độ từ từ để xảy ra hồi tính, sợi A kết với A, B kết với B, đồng thời có sợi A kết với B tạo thành phân tử lai. Hiện nay còn sử dụng phƣơng pháp lai trên pha rắn, đƣợc sử dụng rộng nhất: + Phƣơng pháp Southern blot, dùng cho DNA + Phƣơng pháp Northern blot dùng cho RNA + Phƣơng pháp dot (điểm) và slot (khe) blot dùng cho RNA và DNA Lai tại chỗ (in situ hybridization) là kiểu lai phân tử trong đó trình tự acid nucleic cần tìm nằm ngay trong tế bào hay trong mô. * Dùng phƣơng pháp lai DNA: + Có thể xác định mối quan hệ họ hàng giữa các loài. Ví dụ: DNA ngƣời và DNA chuột chỉ lai đƣợc 25%. + Có thể tiến hành lai mARN với DNA để xác định vị trí gen trên DNA tạo ra mARN tƣơng ứng. + Giúp hiểu chi tiết hơn về bộ gen, nó là cơ sở của phƣơng pháp chẩn đoán mới dùng acid nucleic đang đuợc sử dụng rộng rãi. Phát hiện các DNA lai với mẫu dò V. Những cấu trúc chứa DNA trong tế bào 1. Những đoạn DNA chứa thông tin di truyền DNA do polynucleotid tạo thành, chia làm nhiều đoạn; mỗi đoạn là một đơn vị chức năng, gọi là gen. Định nghĩa gen (trong di truyền học): + Mendel là ngƣời đầu tiên nêu lên khái niệm “nhân tố di truyền” + J. Morgan: gen nằm trên nhiễm sắc thể chiếm một locus nhất định. Gen là đơn vị chức năng xác định một tính trạng. + Sau khi học thuyết trung tâm ra đời: gen là đoạn DNA trên nhiễm sắc thể không những mã hóa cho các loại protein mà cả các loại RNA. + Cuối những năm 70: gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptid, bao gồm cả vùng trƣớc và sau vùng mã hóa cho protein và cả những đoạn không mã hóa xen giữa các đoạn mã hóa. Định nghiã tổng quát: gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền chiếm một locus nhất định trên NST và xác định một tính trạng nhất định. Các gen là những đoạn vật chất di truyền mã hóa cho những sản phẩm riêng lẻ nhƣ các RNA đƣợc sử dụng trực tiếp cho tổng hợp các enzym, các protein cấu trúc hay các mạch polypeptid để gắn lại tạo ra các protein có hoạt tính sinh học. 2. Virus chứa DNA và virus chứa RNA - Virus gây bệnh đốm thuốc lá chứa RNA sợi đơn. - Các thực khuẩn thể T2, T4, T6 chứa DNA mạch đôi thẳng, dài. Virus khảm thuốc lá a. Ảnh virus khảm thuốc lá chụp bằng kính hiển vi điện tử ở độ phóng đại 37.428X b. RNA điều khiển sự hình thành tính trạng vỏ của virus 3. Nhiễm sắc thể chính và plasmid của vi khuẩn - DNA của vi khuẩn làm thành thể nhân, là DNA mạch vòng, xoắn kép. - Plasmid cũng là phân tử DNA mạch kép, dạng vòng ở bên cạnh thể nhân, có KLPT trung bình khoảng 1% DNA của thể nhân.Có thể tham gia sự tự nhân đôi và tham gia tiếp hợp khác nhƣ là một phần của NST chính. 4. Nhiễm sắc thể Eukaryota. Các trình tự lặp lại và đơn độc - DNA đơn độc (tái hợp rất chậm) - DNA lặp lại trung bình (tái hợp nhanh vừa) - DNA lặp lại cao (tái hợp rất nhanh) Căn cứ vào đặc điểm cấu trúc và phân, chia DNA thành các loại sau: - DNA đơn độc: phổ biến nhất, chiếm khoảng 75% genome. Các đoạn DNA này chỉ thấy 1 lần (hoặc vài lần) trong genome. Một phần nhỏ của DNA loại này là các gen mã hóa cho protein. Hẫu hết các DNA đơn độc là các intron hoặc là các đoạn nằm xen giữa các gen. - DNA lặp lại: Chiếm 25% còn lại của genome, đây là các đoạn DNA đƣợc lặp đi lặp lại hàng ngàn lần trong genome DNA lặp lại gồm 2 loại: + DNA vệ tinh: tập trung ở 1 số vùng nhất định trên NST, chúng xếp đuôi nhau, cái này tiếp cái kia. Loại này chiếm 10% bộ gen. + DNA lặp lại rãi rác: chiếm khoảng 15% genome, gồm 2 loại: Các yếu tố rãi rác có kích thƣớc ngắn SINEs Các yếu tố rãi rác có kích thƣớc dài LINEs : bao gồm các họ LINE 1 (hay Kpn 1) và THE 1. Nhiễm sắc thể của Eukaryota NST Eukaryote gồm DNA và protein, trong số đó histon là protein cốt lõi trong việc cuộn lại và điều hòa hoạt tính của DNA. Sự hình thành NST kỳ giữa từ chuỗi xoắn kép DNA qua hệ thống các bậc cấu trúc sau: + Nucleosome là đơn vị cấu trúc của NST đƣợc tạo nên do sợi DNA dài quấn quanh các protein histon thành sợi 11nm. Đơn vị này là phức hợp gồm 146 cặp nucleotid của DNA quấn quanh 8 phân tử histon: 2H2A, 2H2B, 2H3 ,2H4. Các nucleosome kề nhau đƣợc nối qua một phân tử histon trung gian H1. + Sợi chromatin dày 30nm: các nucleosome xếp sít nhau tạo thành phức hợp nucleoprotein. + Vùng xếp cuộn dày 300nm do sợi chromatin sau nhiều lần xoắn uốn khúc tạo nên. + Chất dị nhiễm sắc 700nm + Kỳ giữa 1400nm. Phức hợp nucleoprotein cuộn lại thành NST Trình tự CEN: trình tự lặp lại cao CEN là của các tâm động. Trình tự TEL: thuộc các telomer (đầu mút của NST) với nhiều vai trò khác nhau: bảo vệ đầu mút NST khỏi bị cắt bởi nuclease, giữ chiều dài của NST khi sao chép, gắn với màng nhân và kìm hãm sự biểu hiện của các gen ở đầu mút. Các trình tự TEL có tính bảo tồn cao trong tiến hóa. Chúng có số lần lặp lại cao, giàu A và C. Chương 2 Sao chép DNA I. Sự bền vững của DNA với thời gian và qua nhiều thế hệ 1. DNA bị biến đổi ngay cả không sao chép DNA là những phân tử rất dài, nhƣng mảnh, lại thƣờng xuyên chịu tác động môi trƣờng bên trong và bên ngoài tế bào nên dễ có những đứt gãy, biến đổi ngay cả khi không có sao chép. Con ngƣời thƣờng xuyên chịu tác động của tia tử ngoại làm tạo ra các dimer thymin. Quá trình biến đổi làm mất amin (desamination): biến cytosin thành uracin. Mỗi ngày tế bào ngƣời có khoảng 100 biến đổi nhƣ vậy. 2. Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ - Sao chép trong ống nghiệm có mức sai sót (10-5) cao hơn so với trong cơ thể sinh vật (sai sót trong khi sao chép in vivo là 1.10-9). - Đánh giá tốc độ biến đổi trong tiến hóa cũng khẳng định mức chính xác rất cao trong sao chép in vivo. 3. Các hệ thống bảo vệ DNA - Các enzyme cắt hạn chế không cắt DNA của chúng vì đã được methyl hóa ở những điểm cần thiết. - Tế bào còn có các hệ thống sửa sai (repair system): + Sửa sai bắng cách cắt bỏ rồi tổng hợp sợi mới: Các enzyme DNA polymerase I, II, III + Sửa sai nhờ cơ chế tái tổ hợp: DNA có hai mạch, khi sai hỏng trên một mạch, có thể dựa vào mạch còn lại để tổng hợp đoạn sai hỏng. + Có khoảng 50 enzyme chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử DNA. Sửa sai bằng cắt bỏ và tổng hợp lại đoạn bị hỏng Sửa sai nhờ enzyme 4. Sửa sai do phục quang hồi 5. Hệ thống SOS - Phản ứng của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhƣng phức tạp. - Phản ứng 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 nhanh hơn bình thƣờng. + Nếu sửa sai kịp, tế bào ổn định, sinh trƣởng trở lại + Nếu không sửa sai kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc chết hoặc bị đột biến Hiện tƣợng ánh sáng kích thích enzyme cắt bỏ dimerthymin gọi là quang phục hồi. II. Cơ chế phân tử của sao chép DNA 1. Nguyên tắc chung - DNA sao chép theo khuôn. Ƣu điểm: + Chính xác hơn + Tiết kiệm đƣợc ezyme + Đạt hiệu quả nhanh - Sao chép theo nguyên tắc bán bảo tồn. - Quá trình tổng hợp DNA xảy ra đòi hỏi phải có “mồi” (primer) - Quá trình tổng hợp xảy ra theo chiều 5 - 3. 2. Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA Quá trình tổng hợp nhân tạo DNA sử dụng: + DNA polymerase I. + 4 loại desoxynucleotid triphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP). + Mg2+ làm xúc tác. + DNA làm khuôn mẫu. + Mồi (primer). 3. Thí nghiệm chứng minh có sự tự nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo tồn - Nuôi E.coli nhiều thế hệ trên môi trƣờng có nguồn nitơ đồng vị nặng N15. - Sau đó tế bào đƣợc chuyển sang môi trƣờng chỉ chứa N14 nhẹ, mẫu các tế bào đƣợc lấy ra theo những khoảng thời gian đều đặn và chiết tách DNA. Thí nghiệm của Meselson và Stahl Kết quả: 4. Diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli Gồm hai giai đoạn: 4.1. Giai đoạn khởi sự (initiation) + Mở xoắn + Các protein làm căng mạch SSB gắn vào các mạch đơn DNA. + Tổng hợp mồi (một đoạn khoảng 9 -10 nu, có thể là DNA hoặc ARN). 4.2. Giai đoạn nối dài (elongation) Sự polymer hóa dựa vào 2 mạch khuôn DNA diễn ra khác nhau. + Mạch khuôn có đầu 3’ đƣợc DNA polymerase III gắn vào và tổng hợp ngay mạch bổ sung 5’-3’ hƣớng vào chẻ ba sao chép. + Mạch có đầu 5’ xảy ra phức tạp hơn và đƣợc thực hiện từ chẻ ba sao chép hƣớng ra ngoài. Sao chép DNA ở vi khuẩn E.coli Quá trình sao chép III. Sao chép DNA trong tế bào 1. Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote Quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori và triển khai ra cả 2 phía. Sao chép DNA ở vi khuẩn E.coli - DNA của tế bào nhân thực có nhiều replicon - Quá trình sao chép cũng bắt đầu từ ori rồi lan về 2 phía. - Ở các eukaryote có 5 loại DNA polymerase đƣợc ký hiệu là pol , pol , pol , pol , pol . Các loại DNA polymerase này không đồng nhất về phân tử lƣợng và một số đặc tính hóa học. 2. Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào Eukaryote Sao chép của nhiều replicon Chương 3 Cơ sở tế bào học của tính di truyền I. Các cấu trúc tế bào và khả năng tự tái sinh 1. Các cấu trúc có khả năng tự tái sinh - Các tế bào Prokaryotae có vùng nhân chứa ADN đƣợc tái tạo và phân đều về các tế bào con khi sinh sản. - Các tế bào Eukaryotae có nhiều bào quan nhƣng chỉ có nhân, ty thể, lục lạp có chứa ADN và nhờ khả năng tự tái sinh nên tham gia vào các cơ chế di truyền. 2. Nhiễm sắc thể 2.1. Hình thái NST - NST có hình dạng đặc trƣng, rõ nhất ở kỳ giữa của nguyên phân. - Tâm động là điểm thắt eo chia NST thành 2 vai, vai ngắn hơn là vai p và vai dài hơn là vai q. Dựa vào vị trí của tâm động có thể phân biệt hình thái các NST: + Tâm giữa (metacentric) + Tâm đầu (acrocentric) + Tâm mút (telocentric) Nhiễm sắc thể với vùng tâm động Sơ đồ các kiểu nhiễm sắc thể ở kì giữa và kì sau 2.2. Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ - Sự mô tả hình thái của NST gọi là kiểu nhân (Karyotype). - Kiểu nhân có thể biểu hiện ở dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) khi các NST đƣợc xếp theo thứ tự bắt đầu từ dài nhất đến ngắn nhất. Cặp nhiễm sắc thể tương đồng 2.3. Chất nhiễm sắc - Chất nguyên nhiễm sắc là chất nhiễm sắc ở trạng thái dãn xoắn, ADN chất nguyên nhiễm sắc ở trạng thái hoạt động. - Chất dị nhiễm sắc là chất nhiễm sắc biểu hiện dạng cuộn xoắn cao, mang ADN không phiên mã đƣợc và thƣờng sao chép muộn hơn. Sự phân hóa các phần trên nhiễm sắc thể 3. Các nhiễm sắc thể đặc biệt - Nhiễm sắc thể thƣờng (NST A: autosome) - Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome) - Nhiễm sắc thể B (nhiễm sắc thể phụ), những cây có NST B thì yếu hơn và kém hữu thụ hơn các cây khác. - NST khổng lồ (polytene chromosome): ở tế bào tuyến nƣớc bọt, tuyến Manpighi, màng ruột một số côn trùng bộ 2 cánh (Diptera). - NST chổi đèn (lambrush chromosome): có ở tiền kì của giảm phân trong tế bào trứng của động vật có xƣơng sống nhất là ở giai đoạn Diplotene của trứng có nhiều noãn hoàng (trứng gà, chim hoặc bò sát). Nhiễm sắc thể khổng lồ của ruồi giấm a. c. b. Nhiễm sắc thể khổng lồ của ruồi giấm Nhiễm sắc thể chổi đèn II. Chu trình tế bào và phân bào ở Eukaryote 1. Chu trình tế bào - Chu trình tế bào, gồm 4 giai đoạn: M, G1, S và G2. + M (Mitose) là giai đoạn nguyên phân + Giai đoạn G1 (Gap): kéo dài từ sau khi tế bào phân chia đến bắt đầu sao chép vật chất di truyền. + S (Synthesis) là giai đoạn tổng hợp ADN. + G2 là giai đoạn đƣợc nối tiếp sau S đến bắt đầu phân chia tế bào. - Kỳ trung gian (interphase): khoảng thời gian gồm G1, S và G2 tế bào không phân chia. Chu trình tế bào 2. Nguyên phân (Mitosis) Sự phân bào ở sinh vật nhân thực gồm 2 quá trình: chia nhân (mitosis) và chia tế bào chất (cytokinesis) * Nguyên phân đƣợc chia thành 4 kì: a. Kì trƣớc (Prophase) b. Kì giữa (Metaphase) c. Kì sau (Anaphase) d. Kì cuối (Telophase) * Sự phân chia tế bào chất: - Ở tế bào động vật sự chia tế bào chất bắt đầu bằng nếp nhăn phân cách (cleavage furrow) bao vòng tế bào và mọc sâu dẫn đến chia tế bào thành hai. - Ở tế bào thực vật, phiến tế bào (cell plate) hình thành ở trung tâm tế bào chất và lan rộng dần đến cắt tế bào thành hai. Phân bào nguyên nhiễm 3. Giảm phân (meiosis) Giảm phân trải qua 2 lần phân chia nối tiếp nhau: giảm nhiễm I và giảm nhiễm II. Phân bào giảm nhiễm Các quá trình xảy ra trong kỳ đầu I phân bào giảm nhiễm * SO SÁNH NGUYÊN PHÂN VÀ GIẢM NHIỄM Giống nhau - Sao chép ADN trƣớc khi vào phân bào - Đều phân thành 4 kỳ - Sự phân đều mỗi loại NST về các tế bào con - Màng nhân và nhân con biến mất cho đến gần cuối - Hình thành thoi vô sắc Nguyên phân (Mitose) Giảm phân (Meiose) 1. Xảy ra ở tế bào soma 2.Một lần phân bào: 2 tế bào con 3. Số NST giữ nguyên: 1 tế bào 2n  2 tế bào 2n 4.Một lần sao chépADN , một lần chia 5. Thường các NST tương đồng không bắt cặp 6. Thường không có trao đổi chéo 7. Tâm động chia ở kỳ sau 8. Duy trì sự giống nhau: tế bào con có kiểu gen giống kiểu gen tế bào mẹ 9. Tế bào chia nguyên phân có thể là lưỡng bội (2n) hay đơn bội (n) 1. Xảy ra ở tế bào sinh dục 2. Hai lần phân chia tạo 4 tế bào con 3. Số NST giảm đi một nữa: 1 tế bào 2n 4 tế bào n 4.Một lần sao chépADN , 2 lần chia 5. Các NST tương đồng bắt cặp ở kỳ trước I 6. nhất 1 trao đổi chéo cho 1 cặp tương đồng 7. Tâm động không chia ở kỳ sau I mà chia ở kỳ sau II 8. Tạo sự đa dạng trong các sản phẩm của giảm phân 9. Giảm phân luôn luôn xảy ra ở tế bào lưỡng bội (2n) hoặc đa bội (>2n) Sự biến đổi trong qúa trình phân bào -Hình thành NST khổng lồ: vào kì trƣớc, sau khi ADN tự nhân đôi, hình thành các nhiễm sắc tử, nhƣng sau đó chúng không tách rời nhau. -Nội nguyên phân: ở tiền kì, màng nhân không tiêu biến, quá trình phân chia sẽ xảy ra ở bên trong màng nhân. Kết quả tạo ra nhân mới có bộ NST tăng gấp đôi. - Hình thành thể đa bội: Sau khi NST tự nhân đôi, màng nhân tiêu biến nhƣng thoi vô sắc không xuất hiện, tạo ra những tế bào có số lƣợng NST tăng gấp bội. - Tế bào 2 nhân: sau khi phân chia nhân, tế bào chất không phân chia hình thành tế bào mới có hai nhân. Trong giảm phân cũng xảy ra những biến đổi: do sự tiếp hợp và phân ly không bình thƣờng của các NST, có thể làm phát sinh các giao tử thừa hoặc thiếu NST. Có trƣờng hợp thoi vô sắc không xuất hiện, sẽ tạo thành các giao tử không giảm nhiễm. III. Các kiểu sinh sản 1.Sinh sản vô tính - Sinh sản vô tính là kiểu sinh sản từ một tế bào hoặc một nhóm tế bào mẹ chỉ qua nguyên phân để tạo ra các cơ thể con. - Nguyên phân là cơ sở của sự tăng trƣởng ở các sinh vật đa bào và sinh sản vô tính ở các sinh vật nói chung. - Sinh sản vô tính có ở cả sinh vật đơn bội và lƣỡng bội, là cơ chế ổn định bộ gen qua nhiều thế hệ. - Sinh sản vô tính đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhân giống và nuôi cấy mô tế bào thực vật và động vật. 2. Sinh sản hữu tính Sinh sản hữu tính là kiểu sinh sản trong đó có sự kết hợp các tế bào sinh dục của 2 cá thể khác nhau. * Hướng tiến hóa trong sinh sản hữu tính Theo sự phân hóa tế bào, có 3 hƣớng tiến hóa: + Hình thái các giao tử + Phân hóa của các tế bào trong cơ thể + Phân hóa giới tính T