Công nghệ protein - Enzyme - Bộ gen ti thể

6. Bộ gen ti thể 6.1. Bộ gen ti thể ở các loài sinh vậtHình 6.1. Bộ gen ti thể ở động vật6. 2. Mối quan hệ giữa ti thể và nhân trong tế bào6.2.1. Những enzym cần thiết cho sự bảo tồn và biểu hiện của hệ gen ti thể + DNA polymerase thuộc hệ enzym polymerase γ cần cho quá trình sao chép mtDNA+ Enzym topoisomerases cần cho quá trình tách mạch trong sao chép mtDNA+ Enzym RNA polymerase cân cho quá trình phiên mã mtDNA+ Enzim protease/peptidase cần cho quá trình thủy phân protein và chaperones ở ti thể6.2.2.Sự tương tác của nhân – ti thểHình 6.2. Sự tương tác giữa nhân và ti thể * Nhân trong tế bào kiểm soát các hoạt động của ti thể như:+ Tác động lên nhân tố dịch mã trong ti thể, mtTFA mã hóa vùng gen của ti thể trong sự sao chép và dịch mã. (promoter for the mitochondrial tracscritional activator). + Tác động lên chu trình Krebs xảy ra trong matrix của ti thể+ Tác động lên chuỗi vận chuyển điện tử hô hấp của ti thể. 6.2.3. Sự điều hòa của gen trong nhân đến hô hấp ở tế bào động vật có vú.Hình 6.3. Sự điều hòa của gen trong nhân đến hô hấp của TB động vật6.4. Sự đồng tiến hóa của nhân và hệ gen ti thể.+ Gen trong nhân mã hóa protein tương tác với gen trong ti thể+ Nhân và gen của ti thể có những trình tự tương đồng nhau + Tạo dòng lai giữa mtDNA vượn và DNA của người, tạo ra sự kết hợp gen trong nhân của người với ti thể trong loài vượn lớn 6.3. Các quá trình xảy ra ở ti thể:6.3.1. Sự sao chép của DNA ti thể (mtDNA)Hai mô hình tổng sao chép mtDNAMô hình tổng hợp sợi không đối xứng(the strand-asymmetric model)(Clayton năm 1982)Mô hình tổng hợp sợi đối xứng(the strand-symmetric model)(Holt năm 2000)* The strand-asymmetric model (Clayton, 1982)OHOLαβHình 6.4. Sự sao chép mtDNA theo mô hình của Clayton năm 1982* The strand-symmetric model (Holt năm 2000)Hình 6.5. Sự sao chép mtDNA theo mô hình của Holt năm 20006.3.2. Sự phiên mã của DNA ti thểHình 6.6. Phiên mã mtDNA+ Cơ chế quá trình phiên mã mtDNA tương tự phiên mã ở prokaryote+ Phiên mã của DNA ty thể phụ thuộc vào RNA polymerase + Ngoài RNA polymerase ty thể cón có các nhân tố TFB1M hoặc TFB2M tham gia phiên mã ti thể 6.3.3. Sự dịch mã của DNA ti thể+ Quá trình dịch mã ti thể tương tự quá trình dịch mã ở prokaryote+ Hệ thống dịch mã ti thể nằm trong matrix ti thể+ Sự dịch mã ở ti thể có một số sai khác ở các sinh vật như sử dụng codon thay đổi, thay đổi cấu trúc ribosome và các yếu tố khác.CODONStandardCodeMammals DrosophilaNeurosporaYeasts PlantsUGASTOPTrpTrp TrpTrpSTOPAGA, AGG ArgSTOPSerArgArg ArgAUAIleMet MetIleMetIleAUU IleMetMetMetMetIleCUU, CUC, CUA, CUG LeuLeuLeuLeuThrLeu* Sự thay đổi Codon mã hóa trong ti thể:TABLE 6.1. Codon Usage in Mitochondria in Various Organisms* Ribosome ở ti thểProkaryotesEukaryotes(mammalian) MitochondriaLarge rRNA2900nt / 23S4800nt / 28S1600nt / 16SSmall rRNA1540nt / 16S1900nt / 18S950nt / 12S5.8S-160nt / 5.8S-5S120nt / 5S120nt / 5S120nt / 5STABLE 6.2. Ribosomal RNAs7. ĐỘT BiẾN TI THỂ.7.1 Trong nuôi cấy tế bào.7.1.1. Đột biến ti thể ở vi sinh vật.7.1.2. Đột biến ti thể ở động vật.7.1.1 Đột biến ti thể ở vi sinh vật.“Sự thiểu năng hô hấp ở nấm men” được Boris Ephrussi mô tả năm 1940. Các đột biến này gọi là petite (khuẩn lạc nhỏ hơn nhiều so với khuẩn lạc hoang dại).Đặc điểm các khuẩn lạc petite:+ Đường kính bằng 1/3 – 1/2 khuẩn lạc bình thường.+ Do các tế bào bình thường tạo ra.Hình 7.1: Sự di truyền các gen ti thể trong hình thành khuẩn lạc petite Có 3 kiểu đột biến chủ yếu: petite, antR và mit-. Kiểu petite- Petite phân ly (Segregation petites).- Petite trung tính (Neutral petites).- Petite ức chế (Suppressive petites).Đặc điểm:- Chuỗi chuyền điện tử bị sai hỏng, chúng lên men để tạo ATP kém nên mọc chậm.- Không tổng hợp protein ở các petite. - mtDNA ở các đột biến petite có biến đổi lớn. Ở petite trung tính, mtDNA bị mất hoàn toàn, còn ở các petite ức chế có sự thay đổi đáng kể tỷ lệ base so với mtDNA của dạng khuẩn lạc to bình thường.Nguyên nhân:Nguyên nhân tạo nên khuẩn lạc kích thước nhỏ là do các tế bào đột biến bị thiếu các cytochrom b, c, a, +a3 và cytochrom oxydase  không thực hiện được phản ứng phosphoryl hóa để tạo ra năng lượng.Kiểu antR: (antR mutants) Có kiểu hình kháng với các kháng sinh. vd: capR, eryR, spiR, parR và oliR.Các đột biến này khi lai (vd: eryR × eryS) không phân ly theo quy luật Mendel.Các diploid (thể lưỡng bội) có thể sinh sản vô tính bằng mọc chồi.Trong nguyên phân, các tế bào con trở thành eryS hay eryR. Kiểu là mit- (mit- mutants): Tương tự đột biến petite: khuẩn lạc nhỏ và chức năng bất thường của chuỗi chuyền điện tử, nhưng tổng hợp protein bình thường và có khả năng hồi biến.Đột biến mit- là đột biến điểm.Sự di truyền giống với kiểu antR. 7.1.2. Đột biến ti thể ở động vật.Ti thể bị biến đổi về hình dạng (hình trứng) thành dạng chẻ đôi, hình chùy, hình nhẫn,kích thước trở thành “khổng lồ” hay bị teo đặc lại và tiến tới bị thoái hóa. Khiếm khuyết trong phức hợp I của chuỗi vận chuyển điện tử.Khuyết trong tổng hợp protein của ti thể.7.2.2 Di truyền học phân tử bệnh ty thể ở người7.2.2.1 Di truyền bệnh ty thểNhiễm sắc thể trong mtDNA di truyền theo dòng mẹ.Tương tự DNA trong nhân, đột biến mtDNA có tính kế thừa hoặc tự phátrất nhiều nỗ lực nghiên cứu được tập trung để tìm ra bản đồ gen sau khi tái cấu trúc khi xảy ra mất đoạn trên mtDNAGần như tất cả ty thể trong hợp tử có nguồn gốc từ trứng (mỗi tế bào trứng chứa khoảng 1000 ty thể , ty thể của tế bào trong cơ thể là bản sao của bản gốc là ty thể ở trong trứng của người mẹ.7.2.2.2 Biểu hiện lâm sàng của đột biến mtDNA.Mất đoạn trên mtDNA:Các bệnh ở ty thể có thể xảy ra do đột biến trên DNA nhân hoặc mtDNARối loạn ty thể có thể chỉ ảnh hưởng đến 1 cơ quan (VD: bệnh thần kinh thị giác leber hoặc ảnh hưởng đến nhiều cơ quan và có đặc điểm nổi trội (bệnh thần kinh, cơ).Xảy ra ở bất cứ lứa tuổi nàoRối loạn chuỗi hô hấp do đột biến trên gen Cytochrome c oxidase (COX)Tạo thành từ 6 tiểu phần: SURF1 , SCO1 , SCO2 , COX10 , COX15 , và LRPPRC.Hội chứng Leigh ( rối loạn thần kinh do thiếu hệ thống COX) thường xảy ra do đột biến ở các tiểu phần SURF-1.Bệnh viêm não cơ tim do đột biến ở SCO2Suy gan và viêm não do đột biến ở SCO1.Hội chứng Kerna-Sayre, bệnh đái tháo đường và câm điếc đều do mất đoạn hoặc có sự sắp xếp lại gen.Các đột biến G117788A, T14484C, G3460A làm biến đổi protein dẫn đến liệt thần kinh thị giác di truyền Leber. Đột biến gen cyt b thì gây bệnh không dung nạp vận động và myoglobin niệu.Những đột biến làm thay đổi các nucleotide trên tRNA gây nên khá nhiều bệnh: Thay đổi A3243G, T3271C, A3251G  gây viêm não tủy do nhiễm acid lactic (giống như đột quỵ).Thay đổi A8344G, T8356C gây động kinh co giật cơ.Thay đổi A3243G, T4274C gây liệt mắt cơ ngoài tăng dần mãn tính.Thay đổi T14709, A12320G gây liệt cơ.Thay đổi A3243G, A4269G gây liệt cơ tim.Thay đổi A3243G, C12258A gây bệnh đái tháo đường và câm điếc.Thay đổi G1606, T10010C gây bệnh liệt não.Thay đổi A7445G gây điếc do hội chứng thần kinh không cảm nhận.Thay đổi A1555G gây điếc do hội chứng không có aminoglycoside.