Chương 4Tái bản của DNA

• Sinh sản: sự liên tục của tính kế thừa, đòi hỏi tái bản chính xác của vật liệu DT

• Mô hình tái bản phân tử DNA tìm thấy trong tế bào E.coli

• Vật chất di truyền ở các cơ thể sống là DNA sợi kép (virus không được coi là dạng sống có cấu trúc tế bào)

• Hai sợi của DNA được tổng hợp theo 2 cách khác nhau: một sợi được tổng hợp liên tục, còn sợi kia tổng hợp gián đọan (tổng hợp các đọan Okazaki, sau đó các đọan này nối lại với nhau.

4.1 Các mô hình tái bản DNA: bảo toàn, bán bảo toàn và phân tán

• Mô hình chuỗi xoắn kép của Watson và Crick là chìa khóa để giải thích khả năng tái bản và tái bản chinh xác của DNA

• Nguyên tắc bổ sung cho 2 sợi đơn là mấu chốt của quá trình tái bản

• Vấn đề là sự phân bố phân tử mẹ trong phân tử con

4.1.1 Mô hình bán bảo toàn (Semiconservative): tất cả các phân tử của phân tử DNA mẹ thành một sợi DNA con mà không bị sắp xếp lại và sợi DNA tạo ra hòan tòan mới

4.1.2 Mô hình bảo toàn (Conservative): hai sợi của phân tử DNA mẹ làm khuôn mẫu cho 2 sợi phân tử con và đi đôi với nhau

4.1.3 Mô hình phân tán (Dispersive): phân tử của DNA đều có mặt trong phân tử con nhưng ở dạng các đọan nằm rải rác trong phân tử con

Figure 20.1

Thí nghiệm của Meselson và Stahl

Meselson và Stahl dùng kỹ thuật ly tâm gradient nồng độ (dung dịch CsCl2)

Ly tâm với tốc độ cao, các phân tử bị đẩy tới vùng chênh lệch nồng độ bởi lực ly tâm

Figure 20.2

4.2 Các thành phần cần thiết cho tái bản DNA ở prokaryot

1. Phân tử DNA khuôn

2. Điểm khởi đầu

3. Các protein

4. Các nucleotide

5. Các enzym

4.2.1 DNA khuôn

• Quá trình tổng hợp các sợi DNA mới cần có các sợi DNA gốc là khuôn

• Các nucleotide lựa chọn phù hợp các nucleotide trên sợi khuôn

• Thông tin trên sợi DNA gốc dùng để tạo thông tin trên sợi bổ sung

4.2.2 Điểm khởi đầu

• Điểm khởi đầu tái bản: 245 bp

• Khởi đầu tái bản trải qua 3 bước: 1/ Nhận biết đoạn khởi đầu, 2/ phá vỡ liên kết hydrogen, 3/ gắn enzym helicase

4.2.3 Protein

• AdnA: nhận biết và bám vào đoạn khởi đầu tái bản

• Phức hợp AdnB và AdnC điều khiển bởi AdnA

• SSB có vai trò giữ cho 2 sợi đơn tách nhau.

Protein machinery for DNA replication

4.2.4 Nucleotide

- 4 loại nucleotide: dATP, dGTP, dCTP và dTTP: hợp chất cao năng

- Để tổng hợp các nucleotide cao năng cần 2 hệ thống phản ứng enzym.

- Nucleotide có 3 vai trò:

+ Đơn vị cấu trúc

+ trật tự của nó là nội dung thông tin di truyền

+ là nguồn năng lượng cho họat động tổng hợp

4.2.5 Enzym

• Gyrase: làm giảm sức căng bằng phá vỡ không liên tục các lk phosphodiester. Thường có khoảng 10 Nu thì 1 lk bị phá vỡ

• Helicase: hoạt tính của helicase là đặc tính của protein AdnB và protein Rep, sự kết hợp của 2 protein này được gọi là enzym helicase. Các protein cùng với protein SSB tách rời hai sợi của phân tử DNA bằng phá vỡ lk hydrogen

The Role of DNA Gyrase

Helicase

Vai trò của DNA Gyrase

Helicase

Supercoiled DNA

Gyrase

The Role of DNA Gyrase

Gyrase

The Role of DNA Gyrase

Gyrase

The Role of DNA Gyrase

Gyrase

The Role of DNA Gyrase

Gyrase

The Role of DNA Gyrase

Gyrase

The Role of DNA Gyrase

Gyrase

The Role of DNA Gyrase

Gyrase

The Role of DNA Gyrase

Gyrase

The Role of DNA Gyrase

Gyrase

• RNA polymerase và primase: tổng hợp đoạn RNA ngắn gọi là mồi

• DNA polymerase III: một trong 2 enzym giữ vai trò tái bản.

• DNA polymerase I: có 3 hoạt tính:+ Tạo chuỗi DNA+ Cắt chuỗi DNA theo chiều 5’-3’+ Cắt chuỗi DNA theo chiều 3’-5’ đọc và sửa

• Ligase: nối các đoạn DNA trong quá trình tái bản, sửa chữa và tái tổ hợp

Structures of DNA polymerase during polymerizing and editingE: exonucleolytic; P: polymerization

3

Polymerase III

5’ 3

’

Leading strand

base pairs

5’

5’

3’

3’

Supercoiled DNA relaxed by gyrase & unwound by helicase + proteins:

Helicase +

Initiator Proteins

ATP

SSB Proteins

RNA Primer

primase

2Polymerase III

Lagging strand

Okazaki Fragments

1

RNA primer replaced by polymerase I& gap is sealed by ligase

DNA ligase seals the gaps between Okazaki fragments with aphosphodiester bond (Fig. 3.7)

4.3 Tái bản DNA sợi kép ở prokaryot

Tái bản DNA của E.coli được điều khiển chặt chẽ và chỉ xảy ra một lần cho mỗi kỳ phân bào

1. Thời gian tái bản liên quan với các điều kiện sinh lý, sinh hóa trong phân chia tế bào

2. Thời gian điều khiển sao cho DNA chỉ nhân đôi một lân trong quá trình phân chia

3. Khởi đầu cho tái bản chỉ xảy ra cho điều kiện thuận lợi của sự phát triển tế bào

4.3.1 Tái bản DNA nửa gián đoạn

a, Khởi đầu tái bản

B, Sự hình thành primosome

C, Tổng hợp sợi dẫn đầu (Leading strand)

D, Tổng hợp sợi theo sau (Lagging strand)

DNA replication Fork

Lagging strand synthesis

MCM proteins

PCNA

RPC

Topoisomerase

Khởi đầu tái bản

Sự hình thành primosome

SSBsDNA Polymerase III

Primase

Primer

DNA Pol III Lagging

Strand

DNA Polymerase I

Leading Strand

DNA Ligase

Helicase

4.3.2 Tổng hợp DNA theo hai chiều

a/ DNA Virus dạng thẳng

b/ Plasmid

c/ Phần lớn các cơ thể sống

Replication of Bacterial DNA from a Single Origin

Single replication origin in bacteria.

Tóm tắt quá trình tái bản ở vi

khuẩn

A Summary of DNA

Replication in Bacteria

4.4 Tái bản DNA ở Eukaryot

1. Eukaryot có kích thước và số lượng lớn hơn2. Thời gian cần tái bản 6-8h, ở E.coli – 40 phút3. Có nhiều điểm khởi đầu tái bản trên NST, cách nhau

20 kb4. Tái bản 2 chiều bắt đầu tại 1 điểm và tiếp tục khi 2

chạc tái bản của 2 điểm khởi đầu kế nhau nhập làm một

5. Tốc độ t/b 10-100 Nu/s, ở prokaryot – 1.500 Nu/s6. Trong phase G17. DNA nhân đôi trong phase S của chu kỳ tb8. Có 5 DNA polymerase

Multiple Replicons in Eukaryotic DNA

• Replicon: each region served by one origin.

• Several thousand replicon in large eukaryotic cells.

• 50-300 kb each

4.5 Tính chính xác của quá trình tái bản

• 1 sai sót trong 1 tỷ cặp base ở E.coli, hay 1 sai sót/1.000 tế bào

• Hai cơ chế: tránh sai sót và sửa sai sót