Công nghệ gene đến Protein part 1

Chia sẻ: Ashdkajd Daksdjk | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

70
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Gen xác định protein qua phiên m v dịch m 17.2. Phiên m l quá trình tổng hợp ARN do ADN điểu khiển: Quan sát gần hơn 17.3. Các tế b o sinh vật nhân thật cải biến ARN sau phiên m 17.4. Dịch m l quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit do ARN điều khiển: Quan sát gần hơn 17.5. Các đột biến điểm có thể ảnh h−ởng đến cấu trúc v chức năng protein 17.6. Mặc dù sự biểu hiện gen ở các liên giới sinh vật l khác nhau, nhưng khái niệm gen l thống nhất...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ gene đến Protein part 1

Tõ Gen ®Õn Protein H×nh 17.1 T¹i sao mét gen sai háng duy nhÊt cã thÓ dÉn ®Õn kiÓu h×nh kh¸c biÖt râ rÖt ë h−¬u b¹ch t¹ng? C¸c kh¸i niÖm chÝnh 17.1. Gen x¸c ®Þnh protein qua phiªn m v dÞch m nã? Vµ b»ng c¸ch nµo th«ng ®iÖp cña nã ®−îc tÕ bµo dÞch m· 17.2. Phiªn m l qu¸ tr×nh tæng hîp ARN do ADN thµnh mét tÝnh tr¹ng nhÊt ®Þnh, ch¼ng h¹n nh− mµu tãc n©u, ®iÓu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n hay nhãm m¸u A, hay nh− trong tr−êng hîp con h−¬u b¹ch 17.3. C¸c tÕ b o sinh vËt nh©n thËt c¶i biÕn ARN sau t¹ng ë trªn lµ sù thiÕu hôt ho¹t toµn s¾c tè da? Con h−¬u cã phiªn m kiÓu h×nh b¹ch t¹ng ë trªn lµ do mét enzym thiÕt yÕu cÇn cho sù tæng hîp s¾c tè cña nã bÞ sai háng; mµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn 17.4. DÞch m l qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi polypeptit protein nµy bÞ sai háng lµ do gen m· hãa enzym mang th«ng tin do ARN ®iÒu khiÓn: Quan s¸t gÇn h¬n kh«ng chÝnh x¸c. 17.5. C¸c ®ét biÕn ®iÓm cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn cÊu VÝ dô vÒ h−¬u b¹ch t¹ng minh häa néi dung chÝnh cña ch−¬ng nµy, ®ã lµ: ADN mµ mçi c¸ thÓ ®−îc di truyÒn tõ bè, tróc v chøc n¨ng protein mÑ qui ®Þnh c¸c tÝnh tr¹ng ®Æc thï cña nã th«ng qua qu¸ tr×nh 17.6. MÆc dï sù biÓu hiÖn gen ë c¸c liªn giíi sinh vËt l tæng hîp protein vµ c¸c ph©n tö ARN liªn quan ®Õn sù tæng hîp kh¸c nhau, nh−ng kh¸i niÖm gen l thèng nhÊt protein. Nãi c¸ch kh¸c protein lµ cÇu nèi gi÷a kiÓu gen vµ kiÓu h×nh. Sù biÓu hiÖn cña gen lµ qu¸ tr×nh ë ®ã ADN ®iÒu khiÓn Tæng quan sù tæng hîp protein (hoÆc trong mét sè tr−êng hîp, s¶n phÈm cuèi cïng lµ c¸c ARN). Sù biÓu hiÖn cña mét gen m· hãa Dßng th«ng tin di truyÒn protein lu«n gåm hai giai ®o¹n: phiªn m· vµ dÞch m·. Ch−¬ng nµy ®Ò cËp ®Õn c¸c b−íc cña dßng th«ng tin ®i tõ gen ®Õn V protein vµ gi¶i thÝch t¹i sao c¸c ®ét biÕn di truyÒn cã thÓ ¶nh µo n¨m 2006, h×nh ¶nh mét con h−¬u con bÞ b¹ch t¹ng h−ëng ®Õn c¸c c¬ thÓ sinh vËt th«ng qua c¸c protein cña chóng. ®ang n« ®ïa gi÷a ®µn h−¬u n©u ë vïng nói miÒn ®«ng Sù biÓu hiÖn cña c¸c gen diÔn ra th«ng qua c¸c qu¸ tr×nh t−¬ng n−íc §øc ®· g©y nªn mét lµn sãng ph¶n øng kh¸c nhau ®èi gièng nhau ë c¶ ba liªn giíi sinh vËt lµ sinh vËt nh©n s¬ trong céng ®ång (H×nh 17.1). Mét tæ chøc s¨n b¾n ®éng vËt ë (prokaryote), sinh vËt nh©n thËt (eukaryote) vµ vi khuÈn cùc ®Þa ph−¬ng cho r»ng: con h−¬u b¹ch t¹ng m¾c “bÖnh di truyÒn” ®oan (archea). Nh÷ng hiÓu biÕt vÒ nh÷ng qu¸ tr×nh nµy sÏ cho vµ cÇn giÕt bá. Mét sè ng−êi kh¸c th× cho r»ng con h−¬u ®ã cÇn phÐp chóng ta nh×n l¹i vÒ kh¸i niÖm gen mét c¸ch thÊu ®¸o h¬n ®−îc b¶o vÖ b»ng c¸ch cho lai víi nh÷ng con h−¬u kh¸c ®Ó b¶o ë phÇn cuèi cña ch−¬ng nµy. vÖ vèn gen cña quÇn thÓ. Trong khi, nh÷ng ng−êi kh¸c th× ñng 17.1 hé quan ®iÓm cÇn chuyÓn con h−¬u ®ã vµo v−ên quèc gia ®Ó Kh¸i niÖm b¶o vÖ, v× trong m«i tr−êng sèng hoang d¹i, con h−¬u nµy dÔ bÞ c¸c loµi ®éng vËt ¨n thÞt ph¸t hiÖn. Mét siªu sao nh¹c rèc ng−êi Gen x¸c ®Þnh protein qua phiªn §øc thËm chÝ ®· tæ chøc mét buæi biÓu diÔn quyªn gãp tiÒn ®Ó lµm viÖc di chuyÓn vµ b¶o vÖ con h−¬u nµy. §iÒu g× ®· dÉn ®Õn m v dÞch m kiÓu h×nh kú l¹ cña con h−¬u nµy, vèn lµ nguyªn nh©n dÉn ®Õn nh÷ng quan ®iÓm tranh c·i kh¸c nhau? Tr−íc khi t×m hiÓu chi tiÕt b»ng c¸ch nµo c¸c gen cã thÓ ®iÒu ë Ch−¬ng 14, chóng ta ®· biÕt r»ng c¸c tÝnh tr¹ng di truyÒn khiÓn sù tæng hîp protein, chóng ta h·y quay ng−îc “b¸nh xe ®−îc qui ®Þnh bëi c¸c gen vµ tÝnh tr¹ng b¹ch t¹ng lµ do mét lÞch sö” ®Ó xem gen vµ protein ®−îc ph¸t hiÖn nh− thÕ nµo. alen lÆn thuéc gen tæng hîp s¾c tè g©y nªn. C¸c néi dung th«ng B»ng chøng tõ c¸c nghiªn cøu vÒ sai tin ®−îc m· hãa trong c¸c gen biÓu hiÖn ë d¹ng c¸c tr×nh tù nucleotit ®Æc thï trªn ph©n tö ADN, tøc lµ ph©n tö mang th«ng háng chuyÓn hãa tin di truyÒn. Nh−ng b»ng c¸ch nµo c¸c th«ng tin nµy cã thÓ qui ®Þnh c¸c tÝnh tr¹ng cña mét c¬ thÓ sinh vËt? Nãi c¸ch kh¸c, Vµo n¨m 1909, b¸c sÜ ng−êi Anh Archibald Garrod lµ ng−êi b»ng c¸ch nµo mçi gen cã thÓ truyÒn ®¹t ®−îc th«ng ®iÖp cña ®Çu tiªn cho r»ng c¸c gen qui ®Þnh kiÓu h×nh th«ng qua c¸c 325
enzym xóc t¸c c¸c ph¶n øng diÔn ra trong tÕ bµo. Garrod dù thªm mét chÊt dinh d−ìng nhÊt ®Þnh (vèn kh¸c nhau gi÷a m«i ®o¸n r»ng c¸c triÖu chøng cña mét bÖnh di truyÒn lµ kÕt qu¶ tr−êng ®ñ vµ mèi tr−êng tèi thiÓu). ChÊt bæ sung ®Æc thï cho cña viÖc mÊt kh¶ n¨ng tæng hîp mét enzym nhÊt ®Þnh nµo ®ã ë phÐp nÊm men ®ét biÕn cã thÓ sinh tr−ëng sÏ cung cÊp th«ng ng−êi bÖnh. ¤ng coi nh÷ng bÖnh nh− vËy lµ nh÷ng “rèi lo¹n tin vÒ kiÓu sai háng chuyÓn hãa ë chñng nÊm men ®ét biÕn. VÝ trao ®æi chÊt bÈm sinh”. Garrod ®· nªu vÝ dô vÒ mét bÖnh di dô, nÕu chñng ®ét biÕn ®−îc t×m thÊy cã kh¶ n¨ng ph¸t triÓn truyÒn ®−îc gäi lµ alkapto niÖu; ë nh÷ng ng−êi m¾c bÖnh nµy, trong m«i tr−êng bæ sung axit amin arginine, th× c¸c nhµ nghiªn n−íc tiÓu cã mµu ®en do trong thµnh phÇn cã alkapton lµ mét cøu kÕt luËn r»ng thÓ ®ét biÕn ®ã bÞ sai háng trong con ®−êng chÊt chuyÓn mÇu sÉm khi tiÕp xóc víi kh«ng khÝ. Garrod cho chuyÓn hãa tæng hîp arginine so víi chñng kiÓu d¹i. r»ng phÇn lín mäi ng−êi ®Òu cã mét enzym gióp chuyÓn hãa Beadle vµ Tatum sau ®ã tiÕp tôc x¸c ®Þnh tÝnh ®Æc thï cña alkapton, nh−ng nh÷ng ng−êi bÞ bÖnh ®· ®−îc di truyÒn gen mçi thÓ ®ét biÕn. H×nh 17.2 minh häa c¸ch hä dïng c¸c phÐp thö mÊt kh¶ n¨ng tæng hîp enzym nµy. tiÕp theo ®Ó ph©n biÖt ba thÓ ®ét biÕn kh¸c nhau dï chóng ®Òu lµ Garrod còng cã thÓ lµ mét trong nh÷ng ng−êi ®Çu tiªn nhËn c¸c ®ét biÕn khuyÕt d−ìng vÒ arginine. Mçi thÓ ®ét biÕn nµy ®Òu ra c¸c qui luËt di truyÒn cña Mendel cã thÓ ¸p dông cho ng−êi cÇn mét nhãm chÊt kh¸c nhau däc theo con ®−êng sinh tæng hîp gièng nh− víi c©y ®Ëu Hµ lan. Cã thÓ nãi nhËn thøc cña Garrod arginine gåm ba b−íc. Tõ kÕt qu¶ thÝ nghiÖm, c¸c nhµ nghiªn ®· ®i tr−íc thêi ®¹i, bëi v× c¸c nghiªn cøu ®−îc tiÕn hµnh sau cøu cho r»ng c¸c thÓ ®ét biÕn ®· bÞ øc chÕ ë c¸c b−íc kh¸c nhau ®ã hµng chôc n¨m míi thùc sù ñng hé cho gi¶ thiÕt cña «ng vÒ cña cïng con ®−êng chuyÓn hãa trong ®ã mçi thÓ ®ét biÕn thiÕu viÖc mçi gen ®iÒu khiÓn sù tæng hîp cña mét enzym ®Æc thï. mét enzym t−¬ng øng víi b−íc chuyÓn hãa bÞ øc chÕ. C¸c nhµ hãa sinh häc ngµy cµng tÝch lòy ®−îc nhiÒu b»ng Do trong nghiªn cøu cña Beadle vµ Tatum, c¸c sai háng ë chøng cho thÊy tÕ bµo tiÕn hµnh tæng hîp vµ ph©n hñy phÇn lín c¸c thÓ ®ét biÕn ®Òu liªn quan ®Õn mét gen duy nhÊt, nªn kÕt c¸c chÊt h÷u c¬ th«ng qua c¸c con ®−êng chuyÓn hãa, ë ®ã mçi qu¶ nghiªn cøu cña hä ®· ñng hé cho Gi¶ thiÕt mét gen - mét ph¶n øng hãa häc ®Òu ®−îc xóc t¸c bëi mét enzym ®Æc thï enzym mµ chÝnh hai nhµ khoa häc nµy ®· ®−a ra. Gi¶ thiÕt “mét (xem trang 142). Mét vÝ dô vÒ con ®−êng chuyÓn hãa nh− vËy gen - mét enzym” ph¸t biÓu r»ng: chøc n¨ng cña mét gen lµ lµ sù tæng hîp c¸c s¾c tè quy ®Þnh mµu m¾t ë ruåi Drosophila ®iÒu khiÓn sù tæng hîp mét enzym ®Æc thï. Gi¶ thiÕt nµy sau ®ã (xem H×nh 15.3). Vµo kho¶ng nh÷ng n¨m 1930, George Beadle tiÕp tôc ®−îc cñng cè khi ngµy cµng cã nhiÒu thÓ ®ét biÕn ®−îc vµ Boris Ephrussi dù ®o¸n r»ng ë ruåi Drosophila, mçi mét thÓ x¸c ®Þnh thiÕu mét enzym ®Æc thï nµo ®ã so víi c¸c d¹ng kiÓu ®ét biÕn mµu m¾t ®Òu cã qu¸ tr×nh tæng hîp s¾c tè bÞ øc chÕ t¹i d¹i. N¨m 1958, Beadle vµ Tatum ®−îc trao gi¶i th−ëng Nobel mét b−íc ®Æc thï nµo ®ã, do thiÕu sù tæng hîp enzym xóc t¸c vÒ “ph¸t hiÖn cña hä cho thÊy c¸c gen ®iÒu khiÓn c¸c sù kiÖn b−íc ph¶n øng ®ã. Tuy vËy, vµo thêi ®iÓm ®ã kh«ng cã ph¶n hãa häc x¸c ®Þnh” (TrÝch nguyªn v¨n tõ ñy ban Nobel). øng nµo còng nh− enzym cã liªn quan ®Õn sù tæng hîp s¾c tè qui ®Þnh mµu m¾t ë ruåi giÊm ®−îc biÕt ®Õn. S¶n phÈm biÓu hiÖn cña gen: C©u C¸c thÓ ®ét biÕn khuyÕt d−ìng ë chuyÖn tiÕp tôc ph¸t triÓn Neurospora: §iÒu tra khoa häc Khi c¸c nhµ nghiªn cøu ngµy cµng hiÓu râ h¬n vÒ protein, hä Mét b−íc ngoÆt trong viÖc lµm s¸ng tá mèi quan hÖ gi÷a gen vµ b¾t ®Çu xem l¹i gi¶ thiÕt mét gen - mét enzym. Tr−íc hÕt, enzym ®Õn sau ®ã vµi n¨m khi Beadle vµ Edward Tatum nghiªn kh«ng ph¶i mäi protein ®Òu lµ enzym. VÝ dô nh−, keratin lµ mét cøu ë nÊm men Neurospora crassa. Trªn c¬ së c¸c ph−¬ng protein cÊu tróc cã trong thµnh phÇn l«ng, tãc ë ®éng vËt; hay nh− insulin lµ mét protein cã chøc n¨ng ®iÒu hßa (hoocm«n), ph¸p g©y t¹o ®ét biÕn ®−îc t×m ra tõ nh÷ng n¨m 1920, c¸c nhµ ®Òu lµ c¸c protein nh−ng kh«ng ph¶i lµ enzym. Do cã nhiÒu khoa häc ®· dïng tia X “b¾n ph¸” c¸c chñng Neurospora ®Ó protein kh«ng ph¶i lµ enzym nh−ng vÉn lµ c¸c s¶n phÈm cña t¹o nªn c¸c chñng ®ét biÕn cã nhu cÇu dinh d−ìng kh¸c so víi gen, nªn c¸c nhµ sinh häc ph©n tö b¾t ®Çu nghÜ vÒ kh¸i niÖm kiÓu d¹i. C¸c chñng nÊm men Neurospora kiÓu d¹i cã nhu cÇu mét gen - mét protein. Tuy vËy, rÊt nhiÒu protein ®−îc cÊu t¹o dinh d−ìng ®¬n gi¶n. Chóng cã thÓ dÔ dµng sèng trong m«i nªn tõ hai hay nhiÒu chuçi polypeptit kh¸c nhau, mµ mçi chuçi tr−êng th¹ch (agar) ®−îc bæ sung mét sè muèi v« c¬, ®−êng polypeptit l¹i ®−îc m· hãa bëi mét gen riªng. VÝ dô nh−, glucose vµ vitamin biotin. Tõ m«i tr−êng tèi thiÓu nµy, c¸c tÕ protein vËn chuyÓn «xy trong m¸u cña ®éng vËt cã x−¬ng sèng bµo nÊm men cã thÓ dïng c¸c con ®−êng chuyÓn hãa cña chóng lµ hemoglobin ®−îc cÊu t¹o nªn tõ hai lo¹i polypeptit ®−îc m· ®Ó t¹o nªn tÊt c¶ c¸c ph©n tö cÇn cho sù sinh tr−ëng vµ ph¸t hãa t−¬ng øng bëi hai gen kh¸c nhau (xem H×nh 5.21). V× vËy, triÓn cña m×nh. Beadle vµ Tatum ®· x¸c ®Þnh ®−îc nhiÒu chñng ý t−ëng cña Beadle vµ Tatum ®· ®−îc ph¸t biÓu l¹i lµ Gi¶ thiÕt ®ét biÕn kh«ng cã kh¶ n¨ng sèng trªn m«i tr−êng tèi thiÓu do mét gen - mét chuçi polypeptit. MÆc dï vËy, kh¸i niÖm nµy nguyªn nh©n mÊt kh¶ n¨ng tæng hîp mét hîp chÊt thiÕt yÕu nµo còng kh«ng hoµn toµn chÝnh x¸c. Thø nhÊt, nhiÒu gen ë sinh ®ã. Nh÷ng chñng ®ét biÕn nh− vËy ®−îc gäi lµ ®ét biÕn khuyÕt vËt nh©n thËt cã thÓ ®ång thêi m· hãa cho nhiÒu chuçi d−ìng. §Ó cã thÓ nu«i c¸c chñng ®ét biÕn nµy, Beadle vµ polypeptit kh¸c nhau nh−ng cã quan hÖ víi nhau th«ng qua Tatum ph¶i nu«i chóng trong m«i tr−êng ®ñ, gåm c¸c thµnh c¸ch hoµn thiÖn c¸c s¶n phÈm phiªn m· vµ dÞch m· kh¸c nhau phÇn cña m«i tr−êng tèi thiÓu, ngoµi ra bæ sung thªm 20 lo¹i mµ chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn ë phÇn sau cña ch−¬ng nµy. Thø hai, axit amin vµ mét sè chÊt dinh d−ìng kh¸c n÷a. Trong m«i mét sè gen m· hãa cho c¸c ph©n tö ARN cã chøc n¨ng quan tr−êng ®ñ, mäi thÓ ®ét biÕn ®Òu cã kh¶ n¨ng sèng dï chóng träng trong tÕ bµo, mÆc dï chóng kh«ng bao giê ®−îc dÞch m· kh«ng cã kh¶ n¨ng tæng hîp mét chÊt nµo ®ã. thµnh protein. Tuy vËy, hiÖn nay chóng ta chñ yÕu tËp trung vµo §Ó ph©n tÝch ®Æc ®iÓm cña c¸c d¹ng sai háng trao ®æi chÊt ë c¸c gen m· hãa cho c¸c chuçi polypeptit. (Trong thùc tÕ hiÖn c¸c chñng ®ét biÕn khuyÕt d−ìng, Beadle vµ Tatum ®· tiÕn nay “s¶n phÈm cña c¸c gen” th−êng ®−îc hiÓu víi nghÜa phæ hµnh lÊy mÉu b»ng c¸ch nu«i chóng trong m«i tr−êng ®ñ, råi biÕn lµ protein, chø kh«ng ph¶i chÝnh x¸c h¬n lµ c¸c chuçi ph©n phèi chóng vµo c¸c èng ®ùng mÉu. Trong mçi èng ®ùng polypeptit - mét thùc tÕ b¹n còng sÏ gÆp trong cuèn s¸ch nµy). mÉu, hä bæ sung m«i tr−êng tèi thiÓu, ngoµi ra chØ bæ sung 326 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc
Nghiªn cøu ph¸t hiÖn H×nh 17.2 Cã ph¶i c¸c gen quy ®Þnh c¸c enzym biÓu hiÖn chøc n¨ng trong c¸c con ®−êng hãa sinh? ThÝ nghiÖm Khi nghiªn cøu ë Neurospora crassa, George Beadle vµ Edward Tatum t¹i §¹i häc Stanford ®· ph©n lËp ®−îc c¸c thÓ ®ét biÕn cÇn bæ sung arginine vµo m«i tr−êng sinh tr−ëng cña chóng. C¸c nhµ nghiªn cøu thÊy r»ng c¸c thÓ ®ét biÕn nµy chia lµm ba nhãm, mçi nhãm bÞ sai háng mét gen kh¸c nhau. C©n nh¾c trªn c¸c d÷ liÖu thÝ nghiÖm, hä dù ®o¸n con ®−êng sinh tæng hîp Sinh tr−ëng: Kh«ng sinh tr−ëng: arginine liªn quan ®Õn mét tiÒn chÊt trong m«i tr−êng dinh d−ìng vµ c¸c ph©n tö C¸c tÕ bµo C¸c tÕ bµo ®ét trung gian lµ ornithine vµ citruline. ThÝ nghiÖm næi tiÕng nhÊt cña hä ®−îc minh kiÓu d¹i sinh biÕn kh«ng sinh häa ë ®©y võa chøng minh gi¶ thiÕt mét gen - mét enzym võa x¸c nhËn con tr−ëng vµ tr−ëng vµ ph©n ®−êng tæng hîp arginine mµ hä ®· dù ®o¸n. Trong thÝ nghiÖm nµy, hä ®· nu«i ba ph©n chia chia nhãm nÊm men ®ét biÕn trong 4 ®iÒu kiÖn m«i tr−êng kh¸c nhau nh− ®−îc minh M«i tr−êng häa ë phÇn KÕt qu¶ d−íi ®©y. ë ®©y, hä ®· dïng m«i tr−êng tèi thiÓu (MM) lµm tèi thiÓu ®èi chøng do trong m«i tr−êng nµy c¸c tÕ bµo kiÓu d¹i cã thÓ sinh tr−ëng, trong khi c¸c tÕ bµo ®ét biÕn th× kh«ng. (Xem h×nh minh häa c¸c èng nghiªm bªn ph¶i.) C¸c nhãm Neurospora crassa KÕt qu¶ Chñng kiÓu d¹i cã kh¶ n¨ng sinh KiÓu d¹i Nhãm ®ét biÕn I Nhãm ®ét biÕn II Nhãm ®ét biÕn III tr−ëng trong tÊt c¶ c¸c ®iÒu kiÖn thÝ nghiÖm kh¸c nhau, chØ ®ßi hái m«i tr−êng tèi thiÓu. M«i tr−êng tèi Trong khi ®ã, ba nhãm ®ét biÕn ®Òu cÇn bæ thiÓu (MM) sung nh÷ng chÊt dinh d−ìng ®Æc thï cho mçi (§èi chøng) §iÒu kiÖn m«i tr−êng nhãm. VÝ dô: c¸c ®ét biÕn nhãm II kh«ng sinh tr−ëng ®−îc trong m«i tr−êng chØ bæ sung MM + ornithrine, mµ chØ sinh tr−ëng trong c¸c m«i ornithine tr−êng hoÆc bæ sung citruline hay arginine. MM + citruline MM + arginine (§èi chøng) Sinh tr−ëng khi cã ChØ sinh tr−ëng NhÊt thiÕt ph¶i cã Sinh tr−ëng ornithine, citruline khi cã citruline arginine míi cã trong mäi ®iÒu hoÆc arginine hoÆc arginine thÓ sinh tr−ëng kiÖn thÝ nghiÖm KÕt luËn Tõ nh÷ng yªu cÇu vÒ nguån dinh Nhãm ®ét biÕn I Nhãm ®ét biÕn II Nhãm ®ét biÕn III d−ìng cña c¸c thÓ ®ét biÕn, Beadle vµ Tatum KiÓu d¹i (®ét biÕn ë gen A) (®ét biÕn ë gen B) (®ét biÕn ë gen C) ®· suy luËn ra r»ng mçi nhãm ®ét biÕn kh«ng thÓ thùc hiÖn mét b−íc trong con ®−êng sinh TiÒn chÊt TiÒn chÊt TiÒn chÊt TiÒn chÊt tæng hîp arginine, mµ theo gi¶ thiÕt lµ do chóng thiÕu nh÷ng enzym ®Æc thï. Do mçi Gen A Enzym A Enzym A Enzym A nhãm ®ét biÕn bÞ ®ét biÕn ë mét gen duy nhÊt, hä kÕt luËn r»ng mçi gen b×nh th−êng qui ®Þnh viÖc tÕ bµo s¶n xuÊt mét enzym. KÕt qu¶ nghiªn cøu nµy ñng hé cho gi¶ thiÕt mét gen – Gen B Enzym B Enzym B Enzym B - mét enzym cña hä vµ ®ång thêi còng x¸c nhËn con ®−êng chuyÓn hãa tæng hîp arginine. (Chó ý trong phÇn KÕt qu¶ lµ c¸c thÓ Gen C Enzym C Enzym C Enzym C ®ét biÕn chØ sinh tr−ëng ®−îc trong c¸c m«i tr−êng bæ sung mét hîp chÊt h×nh thµnh sau b−íc sai háng cña qu¸ tr×nh chuyÓn hãa, v× ®iÒu nµy míi cã thÓ gióp kh¾c phôc sai háng.) Nguån G.W. Beadle and E.L. Tatum, Genetic control of biochemical reactions in Neurospora, Proceedings of the National Academy of Science 27: 499 - 506 (1941). NÕu ... th× sao ? Gi¶ sö kÕt qu¶ thÝ nghiÖm lµ: c¸c thÓ ®ét biÕn nhãm I chØ sinh tr−ëng ®−îc trªn m«i tr−êng MM bæ sung thªm hoÆc ornithine hoÆc arginine vµ c¸c ®ét biÕn nhãm II sinh tr−ëng ®−îc trªn m«i tr−êng MM ®−îc bæ sung thªm hoÆc citruline, ornithine hay arginine. Beadle vµ Tatum sÏ rót ra nh÷ng kÕt luËn g× vÒ con ®−êng chuyÓn hãa vµ nh÷ng s¶i háng ë c¸c thÓ ®ét biÕn thuéc nhãm I vµ II? Ch−¬ng 17 327 Tõ gen ®Õn protein
sinh vËt nh©n s¬ (prokaryote) bëi v× tÕ bµo cña chóng kh«ng cã C¸c nguyªn lý c¬ b¶n cña phiªn m cÊu tróc nh©n ®−îc bao bäc bëi mµng - vèn lµ ®Æc ®iÓm râ rÖt v dÞch m cña c¸c tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt. PhÇn lín c¸c nghiªn cøu vÒ phiªn m· vµ dÞch m· ®Õn nay ®−îc thùc hiÖn ë vi khuÈn vµ sinh Gen cung cÊp b¶n h−íng dÉn ®Ó tÕ bµo tæng hîp nªn c¸c vËt nh©n thËt; vµ v× vËy, ®ã còng lµ nh÷ng néi dung chÝnh ®−îc protein ®Æc thï. Tuy vËy, gen kh«ng trùc tiÕp t¹o nªn protein. tËp trung ®Ò cËp ë ch−¬ng nµy. MÆc dï nh÷ng hiÓu biÕt vÒ CÇu nèi gi÷a ADN vµ sù tæng hîp protein lµ axit nucleic ARN. nh÷ng qu¸ tr×nh nµy ë liªn giíi vi khuÈn cùc ®oan cßn h¹n chÕ, Tõ Ch−¬ng 5, chóng ta ®· biÕt ARN cã cÊu tróc hãa häc gièng nh−ng ë phÇn cuèi ch−¬ng chóng ta còng sÏ th¶o luËn vÒ mét ADN, trõ hai ®Æc ®iÓm: i) nã chøa ®−êng ribose thay cho ®−êng sè khÝa c¹nh cña sù biÓu hiÖn gen ë liªn giíi sinh vËt nµy. deoxyribose, vµ ii) nã mang baz¬ nit¬ lo¹i uracil chø kh«ng C¸c nguyªn lý ®éng häc c¬ b¶n cña phiªn m· vµ dÞch m· lµ ph¶i lo¹i thymine (xem H×nh 5.27). V× vËy, nÕu nh− c¸c lo¹i gièng nhau ë vi khuÈn vµ sinh vËt nh©n thËt, nh−ng cã mét ®Æc nucleotit ch¹y däc m¹ch ADN cã c¸c baz¬ thuéc c¸c lo¹i A, G, ®iÓm kh¸c biÖt quan träng trong dßng th«ng tin di truyÒn ë C vµ T, th× mçi nucleotit cña ARN cã c¸c baz¬ ®iÓn h×nh lµ A, trong c¸c tÕ bµo. Do vi khuÈn kh«ng cã nh©n, nªn ADN cña vi G, C vµ U. Mét ph©n tö ARN th−êng tån t¹i ë d¹ng m¹ch ®¬n. khuÈn kh«ng bÞ t¸ch biÖt hoµn toµn vÒ kh«ng gian víi ribosome Nh− mét th«ng lÖ, dßng th«ng tin tõ gen ®Õn protein th−êng còng nh− víi c¸c thµnh phÇn kh¸c cña bé m¸y tæng hîp protein ®−îc m« t¶ nh− sù truyÒn t¶i cña c¸c d¹ng “ng«n ng÷” bëi v× (H×nh 17.3a). Nh− b¹n sÏ thÊy ë phÇn sau, do kh«ng cã sù t¸ch c¸c lo¹i axit nucleic còng nh− protein ®Òu lµ c¸c ®a ph©n tö biÖt râ rµng vÒ kh«ng gian, nªn ë vi khuÈn qu¸ tr×nh dÞch m· (polyme) truyÒn t¶i th«ng tin trªn c¬ së tr×nh tù ®Æc thï cña c¸c mét ph©n tö mARN cã thÓ b¾t ®Çu ngay c¶ khi sù phiªn m· ®¬n ph©n (monome), còng gièng nh− c¸ch chóng ta dïng TiÕng tæng hîp ph©n tö mARN ®ã vÉn ®ang diÔn ra. Ng−îc l¹i, ë c¸c ViÖt hay TiÕng Anh lµ tr×nh tù ®Æc thï cña c¸c ch÷ c¸i ®Ó trao tÕ bµo sinh vËt nh©n thËt, mµng nh©n t¸ch biÖt hoµn toµn hai ®æi th«ng tin. Trong ph©n tö ADN vµ ARN, c¸c monome lµ bèn qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m· vÒ kh«ng gian vµ thêi gian (H×nh lo¹i nucleotit kh¸c nhau vÒ thµnh phÇn baz¬. C¸c gen ®iÓn h×nh 17.3b). Cô thÓ, phiªn m· diÔn ra trong nh©n, råi mARN ®−îc cã chiÒu dµi hµng tr¨m hoÆc hµng ngh×n nucleotit, mçi gen cã chuyÓn ra tÕ bµo chÊt; ë ®ã nã ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó dÞch mét tr×nh tù baz¬ ®Æc thï. Mçi chuçi polypeptit cña mét ph©n m·. Tuy vËy, tr−íc khi mARN rêi khái nh©n, b¶n phiªn m· tö protein còng cã c¸c monome s¾p xÕp thµnh mét chuçi th¼ng ARN ë sinh vËt nh©n thËt tõ c¸c gen m· hãa protein th−êng hµng cã tr×nh tù nhÊt ®Þnh (cÊu tróc bËc 1 cña protein); nh−ng ®−îc biÕn ®æi qua mét sè b−íc ®Ó h×nh thµnh nªn ph©n tö c¸c monome cña chóng lµ c¸c axit amin. Nh− vËy, c¸c axit mARN cuèi cïng hoµn thiÖn vÒ chøc n¨ng. Sù phiªn m· mét nucleic vµ protein mang th«ng tin ®−îc viÕt b»ng hai ng«n ng÷ gen m· hãa protein ë sinh vËt nh©n thËt ban ®Çu t¹o ra mét hãa häc kh¸c nhau. Sù truyÒn t¶i th«ng tin tõ ADN tíi protein ph©n tö tiÒn-mARN; ph©n tö nµy tr¶i qua qu¸ tr×nh hoµn thiÖn cÇn qua hai giai ®o¹n chÝnh: phiªn m· vµ dÞch m·. ®Ó h×nh thµnh nªn ph©n tö mARN cuèi cïng. C¸c b¶n phiªn m· Phiªn m· lµ qu¸ tr×nh tæng hîp ARN d−íi sù “chØ dÉn” cña ARN ®Çu tiªn ®−îc h×nh thµnh tõ mçi gen, bao gåm c¶ c¸c gen ADN. C¶ hai lo¹i axit nucleic nµy ®Òu dïng ng«n ng÷ hãa häc chØ m· hãa cho c¸c lo¹i ARN mµ kh«ng ®−îc dÞch m· thµnh gièng nhau; v× vËy, th«ng tin ®−îc phiªn m· ®¬n gi¶n, hoÆc protein, ®−îc gäi chung lµ c¸c b¶n phiªn m· s¬ cÊp. ®−îc sao chÐp, tõ ph©n tö nµy thµnh ph©n tö kh¸c. Cô thÓ, m¹ch Cã thÓ tãm t¾t sù phiªn m· vµ dÞch m· nh− sau: c¸c gen ADN cã thÓ ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó tæng hîp mét m¹ch bæ “lËp tr×nh” sù tæng hîp protein th«ng qua c¸c th«ng ®iÖp di sung míi trong sao chÐp ADN, còng nh− nã cã thÓ lµm khu«n truyÒn ë d¹ng ARN th«ng tin. Cã thÓ hiÓu theo c¸ch kh¸c lµ ®Ó l¾p r¸p mét tr×nh tù bæ sung cña c¸c nuleotit ARN trong c¸c tÕ bµo ®−îc chi phèi bëi mét chuçi lÖch ë cÊp ph©n tö theo phiªn m·. §èi víi c¸c gen m· hãa protein, c¸c ph©n tö ARN dßng th«ng tin di truyÒn cã h−íng lµ: ADN → ARN → protein. thu ®−îc lµ b¶n phiªn m· “trung thùc” tõ b¶n h−íng dÉn tæng Kh¸i niÖm nµy ®−îc Francis Crick ®−a ra lÇn ®Çu tiªn vµo n¨m hîp protein ®−îc m· hãa trong gen. Nã kh«ng kh¸c mÊy b¶n 1956 vµ ®−îc gäi lµ “nguyªn lý trung t©m”. Kh¸i niÖm nµy ®· sao b¶ng ®iÓm häc tËp cña b¹n; vµ còng gièng mét b¶n phiªn tån t¹i nh− thÕ nµo qua thêi gian? Vµo nh÷ng n¨m 1970, c¸c m·, nã cã thÓ ®−îc göi ®i d−íi d¹ng nhiÒu b¶n sao kh¸c nhau. nhµ khoa häc ®· rÊt ng¹c nhiªn khi ph¸t hiÖn ra r»ng mét sè Lo¹i ph©n tö ARN nh− vËy ®−îc gäi lµ ARN th«ng tin ph©n tö ARN cã thÓ lµm khu«n ®Ó tæng hîp ADN th«ng qua (mARN) bëi v× nã mang th«ng ®iÖp di truyÒn tõ ADN tíi bé mét qu¸ tr×nh mµ chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn ë Ch−¬ng 19. Tuy vËy, m¸y tæng hîp protein cña tÕ bµo. (Phiªn m· lµ thuËt ng÷ chung c¬ chÕ ngo¹i lÖ nµy kh«ng hÒ phñ nhËn kh¸i niÖm chung lµ cho qu¸ tr×nh tæng hîp mäi lo¹i ARN trªn c¬ së m¹ch khu«n dßng th«ng tin di truyÒn chñ yÕu ®i tõ ADN tíi ARN råi tíi ADN. ë phÇn sau cña ch−¬ng nµy, chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn c¸c protein. ë phÇn tiÕp theo, chóng ta sÏ th¶o luËn vÒ néi dung lo¹i ARN kh¸c còng ®−îc t¹o ra tõ phiªn m·.) b»ng c¸ch nµo b¶n h−íng dÉn c¸ch l¾p r¸p c¸c axit amin theo DÞch m· lµ qu¸ tr×nh tæng hîp mét chuçi polypeptit diÔn ra mét trËt tù ®Æc thï trong chuçi polypeptit ®−îc m· hãa trong d−íi sù “chØ dÉn” cña ARN. Trong giai ®o¹n nµy, cã mét sù c¸c axit nucleic. thay ®æi ng«n ng÷: TÕ bµo ph¶i “phiªn dÞch” tr×nh tù c¸c baz¬ cña mét ph©n tö mARN thµnh tr×nh tù c¸c axit amin cña mét M di truyÒn chuçi polypeptit. VÞ trÝ diÔn ra sù dÞch m· lµ c¸c ribosome; ®ã lµ phøc hÖ d¹ng h¹t t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho sù kÕt nèi c¸c Khi c¸c nhµ sinh häc b¾t ®Çu nghi ngê r»ng b¶n h−íng dÉn axit amin theo mét trËt tù nhÊt ®Þnh ®Ó h×nh thµnh nªn c¸c tæng hîp protein ®−îc ghi trong c¸c ph©n tö ADN, hä nhËn ra chuçi polypeptit. mét vÊn ®Ò: ChØ cã 4 lo¹i baz¬ trong c¸c nucleotit ®Ó x¸c ®Þnh Phiªn m· vµ dÞch m· lµ c¸c qu¸ tr×nh cã ë mäi c¬ thÓ sèng. cho 20 lo¹i axit amin. Do ®ã, m· di truyÒn kh«ng thÓ ë d¹ng ng«n ng÷ kiÓu t−îng h×nh nh− TiÕng Trung quèc ®−îc, nghÜa lµ Tõ Ch−¬ng 1, chóng ta biÕt r»ng sinh giíi gåm ba liªn giíi: Vi mçi ký tù t−¬ng øng víi mét tõ riªng. VËy, bao nhiªu baz¬ khuÈn (Bacteria), Vi khuÈn cùc ®oan (Archaea) vµ Sinh vËt trong c¸c nucleotit th× t−¬ng øng víi mét axit amin? nh©n thËt (Eukarya). Hai liªn giíi ®Çu ®−îc gäi chung lµ c¸c khèi kiÕn thøc 3 328 Di truyÒn häc
nucleotit kh¸c nhau, nªn chóng ta sÏ cã tèi ®a 16 (tøc lµ 42) kh¶ n¨ng tæ hîp; ®iÒu nµy cho thÊy m· bé hai kh«ng ®ñ ®Ó m· hãa cho tÊt c¶ 20 axit amin. ADN Bé ba c¸c baz¬ nucleotit lµ sè nguyªn nhá nhÊt, ®ång ®Òu Phiªn m· cã thÓ m· hãa cho tÊt c¶ c¸c axit amin. NÕu mçi c¸ch s¾p xÕp cø 3 baz¬ kÕ tiÕp nhau x¸c ®Þnh mét axit amin, th× chóng ta sÏ mARN cã 64 (tøc lµ 43) kh¶ n¨ng m· hãa; sè l−îng nµy thõa ®ñ ®Ó x¸c Ribosome ®Þnh tÊt c¶ c¸c axit amin. Trªn c¬ së ®ã, c¸c sè liÖu thÝ nghiÖm DÞch m· sau nµy còng ®· x¸c nhËn r»ng: dßng th«ng tin ®i tõ gen ®Õn protein dùa trªn m· bé ba; nãi c¸ch kh¸c, b¶n h−íng dÉn tæng Polypeptide hîp mét chuçi polypeptit ®−îc viÕt trªn ADN lµ mét chuçi nh÷ng “tõ” gåm 3 nucleotit vµ cã ®Æc ®iÓm kh«ng gèi lªn nhau. VÝ dô, bé ba c¸c baz¬ AGT t¹i mét vÞ trÝ nhÊt ®Þnh (trong vïng (a) TÕ b o vi khuÈn. Trong tÕ bµo vi khuÈn, do thiÕu m· hãa) trªn m¹ch ADN sÏ dÉn ®Õn sù l¾p r¸p mét axit amin nh©n, mARN ®−îc t¹o ra tõ phiªn m· ®−îc dïng Serine t¹i vÞ trÝ t−¬ng øng trªn chuçi polypeptit ®−îc t¹o ra. ngay ®Ó dÞch m· mµ kh«ng cÇn biÕn ®æi g× thªm. Trong qu¸ tr×nh phiªn m·, c¸c gen x¸c ®Þnh tr×nh tù c¸c baz¬ n»m däc chiÒu dµi ph©n tö mARN (H×nh 17.4). Trong Mµng ph¹m vi mçi gen, chØ mét trong hai m¹ch ADN ®−îc phiªn m·. nh©n M¹ch nµy ®−îc gäi lµ m¹ch khu«n bëi v× nã cung cÊp kiÓu mÉu, hay khu«n mÉu, cho sù l¾p r¸p c¸c nucleotit trªn b¶n phiªn m· ARN. Mét m¹ch ADN th−êng lµm khu«n cho mét sè ADN hoÆc nhiÒu gen n»m däc theo ph©n tö ADN; trong khi ®ã, m¹ch Phiªn m· bæ sung víi nã cã thÓ lµm khu«n cho sù phiªn m· cña nh÷ng TiÒn -mARN Hoµn thiÖn ARN Gen 2 mARN Ph©n tö ADN Gen 1 Gen 3 DÞch m· Ribosome M¹ch ADN Polypeptide khu«n (b) TÕ b o sinh vËt nh©n thËt. Nh©n t¹o thµnh kh«ng gian t¸ch biÖt cho phiªn m·. B¶n phiªn m· ARN Phiªn m· ®Çu tiªn, gäi lµ tiÒn-ARN, ®−îc biÕn ®æi qua mét sè b−íc tr−íc khi rêi nh©n ë d¹ng mARN hoµn thiÖn. H×nh 17.3 Tæng quan: vai trß c a phiªn m· vµ dÞch mARN m· trong dßng th«ng tin di truyÒn. Trong tÕ bµo, dßng Codon th«ng tin di truyÒn ®i tõ ADN ®Õn ARN råi ®Õn protein. Hai giai dÞch m· ®o¹n chÝnh cña dßng th«ng tin nµy lµ Phiªn m· vµ DÞch m·. Hai h×nh ¶nh thu gän ë trªn, (a) vµ (b), ph¶n ¸nh mét sè ®Æc ®iÓm cña c¸c qu¸ tr×nh phiªn m· vµ dÞch m· diÔn ra ë vi khuÈn vµ Protein sinh vËt nh©n thËt ®−îc ®Ò cËp trong ch−¬ng nµy. Axit amin Codon: M· bé ba cña c¸c baz¬ H×nh 17.4 M· bé ba. Víi mçi gen, chØ mét trong hai m¹ch ADN ®−îc dïng lµm khu«n ®Ó phiªn m·. Gièng nh− trong sao NÕu mçi baz¬ nucleotit ®−îc dÞch m· thµnh mét axit amin, th× chÐp ADN, nguyªn t¾c kÕt cÆp gi÷a c¸c baz¬ nucleotit còng chØ cã nhiÒu nhÊt 4 axit amin ®−îc x¸c ®Þnh. ThÕ cßn nÕu m· di ®−îc dïng trong phiªn m·, chØ thay thÕ thymine (T) trong ADN truyÒn lµ m· bé hai th× sao? Ch¼ng h¹n, tr×nh tù hai baz¬ AG b»ng uracil (U) trong ARN. Mçi codon (m· bé ba) x¸c ®Þnh mét x¸c ®Þnh mét axit amin, cßn tr×nh tù baz¬ GT x¸c ®Þnh mét axit axit amin ®−îc bæ sung vµo chuçi polypeptit ®ang kÐo dµi. Ph©n tö mARN ®−îc dÞch m· theo chiÒu 5' → 3'. amin kh¸c. Do ë mçi vÞ trÝ, cã 4 kh¶ n¨ng lùa chän c¸c baz¬ Ch−¬ng 17 329 Tõ gen ®Õn protein