Bài giảng Sinh học phần tử - Chương 2 Cấu trúc genome

ễn dịch của tế bào vật chủ. Quá trình thay thế kháng 
nguyên bề mặt phụ thuộc vào sự chuyển đổi các gen mã hóa cho chúng xảy 
 W X Y Z HML 
MATa 
Ya Cắt HO 
Xâm lấn sợi 
Kéo dài đầu 3’ 
Chuyển trạng thái 
Y HML 
Y MAT 
 Sinh học phân tử 52 
ra ở một vị trí đặc biệt trong genome (vị trí hoạt động). Chuyển đổi gen mã 
hóa kháng nguyên bề mặt nhằm mục đích hoạt hóa gen mã hóa kháng 
nguyên bề mặt mới thay thế cho kháng nguyên tồn tại trước đó. Khi một gen 
đang hoạt động bị thay thế bởi một gen khác sẽ tương ứng với việc xuất 
hiện kháng nguyên mới và loại bỏ kháng nguyên cũ. 
- Cấu trúc của một VSG ở Trypanosome 
Cấu trúc chung của một VSG được mô tả trên hình 2.9 và 2.10. Một 
VSG vừa được tổng hợp dài khoảng 500 amino acid gồm tín hiệu N-
terminus, tiếp theo là đoạn peptide quyết định tính kháng nguyên; đoạn 
peptide bảo thủ giữa các VSG và đuôi kỵ nước. Phân tử này được tổng hợp 
dưới dạng protein tiền thân (pre-protein). Do đó, chúng phải trải qua biến 
đổi ở hai đầu NH2 và COOH để trở thành dạng protein hoàn chỉnh (mature 
form). Dạng này được đính vào màng tế bào ở đầu COOH. 
Một loại Trypanosome có thể tạo ra ít nhất khoảng 100 VSG từ khi 
nhiễm cho đến khi gây chết vật chủ. Số gen mã hóa cho VSG có thể nhiều 
hơn 1.000 gen, tất cả các gen này đều nằm trong genome. Tuy nhiên, tại một 
thời điểm bất kỳ chỉ có một gen hoạt động tổng hợp nên một loại VSG. Do 
đó, sự thay đổi kháng nguyên tương ứng với sự thay đổi hoạt động của gen. 
Khi một gen mới được mở, gen hoạt động trước nó phải bị ức chế hoàn 
toàn. Lúc đó, một kháng nguyên mới sẽ thay thế kháng nguyên tồn tại trước 
nó. 
Hình 2.9 cho thấy chuỗi polypeptide chứa khoảng 500 amino acid. N-
terminus chứa một peptide tín hiệu cho sự vận chuyển qua ER (lưới nội sinh 
chất, endoplasmic reticulum) và tới màng plasma, được tách ra khỏi protein 
hoàn chỉnh. Vùng biến thiên là khác nhau ở mỗi VSG, điều đó cho thấy các 
VSG có ít hoặc không có tính đồng nhất. Hướng tới phần C-terminus, chuỗi 
polypeptide được bảo toàn tốt hơn và phần này được gọi là vùng tương 
đồng. Đuôi kỵ nước chứa một tín hiệu nhận biết để gắn với mỏ neo 
glycolipid (glycolipid anchor) (Hình 2.10). Khi mỏ neo được gắn thì 20 
amino acid cuối cùng sẽ được tách ra. 
Glycoprotein biến đổi bề mặt (VSG) được gắn với màng thông qua 
một mỏ neo glycolipid chứa ethanolamine, một cấu trúc glycan mang một 
số gốc mannose (mannose moiety), một glucosamine và một 
phosphoinositol liên kết với 1,2-dimyristoyglycerol có gai trong màng 
plasma. Gốc glycolipid là yếu tố quyết định phản ứng lai (cross-reacting) 
 Sinh học phân tử 53 
(CRD) được nhận biết bằng các kháng thể phản ứng với tất cả dạng biến đổi 
của VSG, nhưng chỉ khi VSG được phóng thích khỏi màng. Màng liên kết 
với VSG không được nhận biết bởi các kháng thể anti-CRD. Sự phóng thích 
VSG được xúc tác bởi hoạt tính của trypanosome-specific phospholipase C 
được giả định là hiện diện ở mặt bên trong (inner face) của màng plasma. 
Người ta không biết rằng enzyme có thể cắt liên kết phosphoester trên mặt 
khác của màng như thế nào. 
Hình 2.9. Sơ đồ minh họa chuỗi protein của một VSG đặc trưng 
Hình 2.10. Cấu trúc của mỏ neo glycolipid của VSG 
- Hoạt động của gen VSG 
Gen mã hóa cho một VSG được gọi là bản gen gốc (basic copy gene). 
Các gen này được phân thành hai nhóm tùy thuộc vào vị trí của chúng trên 
nhiễm sắc thể. 
Vùng biến thiên Vùng tương đồng 
20 360 100 20 
Đuôi kỵ nước 
C-terminus 
Peptide tín hiệu 
N-terminus 
H2N COOH 
Protein 
C-terminal 
amino acid 
Ethanolamine 
Glycan Glucosamine 
Inositol 
Phospholipase C 
Màng 1,2-Dimyristoylglycerol 
 Sinh học phân tử 54 
+ Các gen nằm ở telomere (khoảng 5-15 kb)>200 gen. 
+ Các gen nằm cách telomere hơn 50 kb. 
Tương tự như ở nấm men, các gen mã hóa cho VSG nằm rải rác trong 
genome và ở trạng thái không hoạt động. Một gen bất kỳ được hoạt hóa chỉ 
khi nó được sao chép vào vị trí hoạt động (expression site) trong khi nguyên 
bản của nó vẫn được bảo tồn ở vị trí tĩnh. Bản sao của bản gen gốc vào vị trí 
hoạt động được gọi là ELC (bản sao hoạt động-expression linked copy). Vị 
trí hoạt động nằm ở gần telomere. Như vậy, việc chọn một bản gen gốc để 
sao chép tạo bản sao hoạt động sẽ phụ thuộc vào vị trí của bản gen gốc ở 
telomere hoặc nằm phía trong telomere. Có hai giả thiết để một gen trở nên 
hoạt hóa như sau: 
- Vị trí hoạt động không thay đổi mà chỉ có các ELC thay thế cho 
nhau. Bản sao của một bản gen gốc sẽ thay thế cho bản sao của một gen 
khác ở tại vị trí đó, điều này xảy ra tương tự như các gen ở cassette tĩnh 
được sao chép vào cassette hoạt động trong trường hợp với nấm men. 
- Vị trí hoạt động thay đổi, khi cần tổng hợp một VSG mới, gen ở vị trí 
hoạt động cũ bị ngừng và gen ở một vị trí khác (gần telomere) được khởi động. 
Một số phân tử mRNA tương ứng với các VSG khác nhau được phân 
lập và được xác định trình tự nucleotide (thông qua cDNA). Điều ngạc 
nhiên là phần oligonucleotide ở đầu 3’ của mọi gen VSG đều khác với phần 
3’ của các mRNA được phiên mã từ các gen đó. Mặt khác, các gen này 
không có phần 5’ giống như các mRNA. Như vậy, các mRNA không được 
tổng hợp hoàn toàn trên khuôn mẫu các gen này. Phần 3’ của các mRNA 
tương ứng với phần 3’ của vị trí hoạt động ELC, trong khi phần 5’ (gồm 35 
nucleotides) được tổng hợp từ những đoạn DNA khác và được gắn vào 
mRNA (hiện tượng trans-splicing). 
 2. Khuếch đại các gen 
Số lượng bản sao của một số gen cũng có thể được tăng lên tạm thời 
trong quá trình phát triển các tế bào soma. Việc tăng số lượng của một gen 
đặc biệt nào đó phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể của tế bào và xảy ra 
không phổ biến. Các bản sao có thể nằm tập trung thành một nhóm gồm bản 
sao này nối tiếp bản sao khác hoặc có thể tồn tại như những đoạn DNA có 
khả năng tái bản độc lập. Chẳng hạn: 
 Sinh học phân tử 55 
- Sự nhân bản của gen mã hóa cho rRNA ở trứng ếch. Trứng ếch có 
đường kính khoảng 2-3 mm, dự trữ rất nhiều rRNA. Chúng được phiên mã 
từ rất nhiều gen rDNA. Các gen này được nhân lên (khoảng 2.000 lần) theo 
cơ chế “vòng tròn quay” (xem chương 4) trong quá trình phát triển và tồn tại 
dưới dạng các vòng tròn khép kín. 
- Khi nuôi cấy các tế bào động vật có vú trong môi trường đặc biệt, 
DNA tại một số vị trí trong genome được nhân lên. Ví dụ: nuôi cấy các tế 
bào ung thư trong môi trường chứa độc tố methotrexate. Chất này ức chế 
hoạt tính của enzyme dihydrofolate reductase (DHFR) giữ vai trò trong tổng 
hợp các nucleotide của DNA. Các tế bào ung thư nuôi cấy trong môi trường 
có chất độc này phát triển thành các quần lạc tế bào kháng lại độc tố. Khi 
nồng độ chất độc tăng dần, nồng độ DHFR cũng tăng theo, có thể đạt tới 
1.000 lần lớn hơn mức bình thường. Nồng độ enzyme tăng do số lượng các 
gen mã hóa cho chúng tăng. Cơ chế chính xác của hiện tượng này chưa rõ 
ràng, nhưng có thể xảy ra theo hai cách: 
- Trao đổi chéo không cân bằng giữa hai nhiễm sắc tử (chromatid) của 
nhiễm sắc thể dẫn đến một số tế bào không có gen dhfr và một số khác có 
hai bản sao của gen này. Trong môi trường có độc tố, trao đổi chéo không 
cân bằng được lặp đi lặp lại và các tế bào chứa nhiều gen dhfr vẫn phát triển 
tốt trong môi trường này. 
- Các đoạn DNA (100-1.000 kb) chứa 2-4 gen dhfr (~31 kb/gen) được 
sao chép từ nhiễm sắc thể bình thường tạo ra các nhiễm sắc thể rất nhỏ, 
không có tâm động. Các nhiễm sắc thể nhỏ này ghép vào các nhiễm sắc thể 
bình thường khác. Quá trình này lặp đi lặp lại và qua một số lần phân bào 
nguyên nhiễm, tế bào nào mang số lượng lớn các gen dhfr càng có điều kiện 
phát triển thuận lợi trong môi trường có chứa độc tố. 
3. Biến nạp gen 
Một phương thức tăng khả năng di truyền là ứng dụng các tương tác 
vật chủ cộng sinh-ký sinh, trong đó DNA lạ được chuyển vào tế bào vật chủ 
từ một vi khuẩn. Cơ chế này tương tự với sự tiếp hợp của vi khuẩn. Sự biểu 
hiện của DNA vi khuẩn trong vật chủ mới của nó sẽ làm thay đổi kiểu hình 
 Sinh học phân tử 56 
của tế bào. Ví dụ điển hình là vi khuẩn A. tumefaciens cảm ứng tạo khối u ở 
tế bào thực vật bị chúng xâm nhiễm. 
Khi DNA lạ được đưa vào tế bào eukaryote, nó có thể tồn tại ngoài 
nhiễm sắc thể hoặc được hợp nhất trong genome. Nếu xảy ra theo trường 
hợp thứ hai, genome sẽ mang những đột biến di truyền và nhiều khi DNA lạ 
vẫn tiếp tục hoạt động làm xuất hiện các tính trạng mới. Việc đưa các gen lạ 
vào tế bào soma hoặc tế bào sinh dục mà vẫn duy trì hoạt động của những 
gen đó được gọi là chuyển nhiễm (transfection). Cá thể biểu hiện tính trạng 
mới nhờ hoạt động của gen lạ đưa vào tế bào sinh dục được gọi là cá thể 
chuyển gen. Quá trình này có thể làm thay đổi sự ổn định của genome. 
DNA sau khi được tiêm vào trong các tế bào trứng động vật có thể được hợp 
nhất trong genome và truyền cho thế hệ sau như một thành phần di truyền 
bình thường. Khả năng đưa một gen chức năng đặc trưng có thể trở thành 
một kỹ thuật y học sử dụng cho việc chữa bệnh di truyền. 
Tài liệu tham khảo/đọc thêm 
1. Võ Thị Thương Lan. 2002. Sinh học phân tử. NXB Đại học Quốc gia Hà 
Nội, Hà Nội. 
2. Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson JD. 2002. 
Molecular Biology of the Cell. 3
rd
 ed. Garland Publishing, Inc. New York, USA. 
3. Cantor CR and Smith CL. 1999. Genomics. John Wiley & Sons, Inc. 
New York, USA. 
4. Dale JW and Von Schanzt M. 2002. From Gene to Genome. John Wiley 
& Sons, Ltd. West Sussex, UK. 
5. Lewin B. 2000. Gene VII. Oxford University Press, Oxford, UK. 
6. Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, 
Zipursky SL and Darnell J. 2004. Molecular Cell Biology. 5
th
 ed. WH Freeman 
and Company, New York, USA. 
7. Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M and Loscik R. 
2004. Molecular Biology of the Gene. The Benjamin Cummings/Cold Spring 
Habor Laboratory Press, San Francisco, CA, USA. 
8. Weaver RF. 2003. Molecular Biology. 2
nd
 ed. McGraw-Hill Company 
Inc. New York, USA.