Chương 7: Sửa chữa và bảo vệ DNA

Trên phân tử DNA có thể xuất hiện nhiều biến đổi do sai hỏng trong quá trình trao đổi chất, do các tác nhân gây đột biến vật lý và hóa học của môi trường. Tuy nhiên, genome luôn có độ ổn định cao nhờ các cơ chế sửa chữa và bảo vệ DNA. DNA là phân tử duy nhất, mà khi biến đổi hay bị phá hỏng vẫn có khả năng được sửa chữa nhờ tế bào. Các cơ chế sửa sai rất đa dạng và có hiệu quả cao. Ba quá trình bao gồm sửa sai, tái bản...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chương 7: Sửa chữa và bảo vệ DNAChương 7 Sửa chữa và bảo vệ DNA Trên phân tử DNA có thể xuất hiện nhiều biến đổi do sai hỏng trongquá trình trao đổi chất, do các tác nhân gây đột biến vật lý và hóa học củamôi trường. Tuy nhiên, genome luôn có độ ổn định cao nhờ các cơ chế sửachữa và bảo vệ DNA. DNA là phân tử duy nhất, mà khi biến đổi hay bị pháhỏng vẫn có khả năng được sửa chữa nhờ tế bào. Các cơ chế sửa sai rất đadạng và có hiệu quả cao. Ba quá trình bao gồm sửa sai, tái bản và tái tổ hợpDNA liên quan chặt chẽ với nhau. Đây cũng là một minh chứng về sự phốihợp chặt chẽ giữa nhiều cơ chế di truyền.I. Khái quát về các cơ chế sửa sai Hầu hết các đột biến trên phân tử DNA thường được khắc phục bằnghai phương thức chính: - Sửa chữa phục hồi trực tiếp (direct reversal repair), hoặc: - Cắt bỏ sai hỏng và sửa chữa lại bằng cách dùng trình tự bổ sung(damage excision and repair using complementary sequence). Sửa chữa trực tiếp thường liên quan đến hai loại sai hỏng trên phân tửDNA do tia tử ngoại gây ra là: cyclobutane-pyrimidine dimer (CPDs) vàpyrimidine (6-4) pyrimidone (6-4 PPs). Hai loại sai hỏng này đều làm biếndạng cấu trúc xoắn của DNA. CPDs và 6-4 PPs được nhận biết và sửa chữanhờ enzyme photolyase. Enzyme này sử dụng năng lượng ánh sáng để thựchiện phản ứng làm thay đổi các liên kết hóa học để nucleotide trở lại dạngbình thường. Phản ứng sửa chữa DNA bằng photolyase xảy ra trong rấtnhiều sinh vật prokaryote và eukaryote. Tuy nhiên, quá trình này không thấyở động vật có vú. Ở người cũng chưa phát hiện được bất kỳ loại photolyasenào. Đa số sai hỏng của DNA được sửa chữa bằng phương thức thứ hai. Cơchế này phải sử dụng thông tin di truyền chứa ở một trong hai sợi đơn DNA.Khi trình tự nucleotide trên một sợi bị thay đổi thì sợi thứ hai (liên kết bổSinh học phân tử 134sung với sợi thứ nhất) được dùng làm khuôn mẫu để sửa chữa những saihỏng đó. Một số cơ chế sửa chữa như sau: - Hệ thống sửa chữa nhận biết các trình tự DNA không thích hợp vớicác cặp base chuẩn và thay thế chúng. - Hệ thống sửa chữa-cắt bỏ (excision-repair system) loại đi một đoạnDNA ở vị trí sai hỏng và sau đó thay thế nó. - Hệ thống sửa chữa-tái tổ hợp (recombinant-repair system) sử dụngphương thức tái tổ hợp để thay thế vùng sợi đôi bị sai hỏng. Các hệ thống sửa chữa cũng phức tạp như bộ máy tái bản của nó, điềuđó cho thấy tầm quan trọng của chúng đối với sự sống của tế bào. Khi hệthống sửa chữa phục hồi một sai hỏng của DNA, thì không có một hậu quảxấu nào xảy ra. Nhưng một đột biến có thể tạo ra hậu quả xấu khi DNA bịhỏng. Hình 7.1 tóm tắt một số cơ chế sửa chữa DNA như sau: - Một vài enzyme phục hồi trực tiếp các loại sai hỏng đặc biệt củaDNA. - Một số phương thức sửa chữa bằng cách cắt bỏ base, sửa chữa bằngcách cắt bỏ nucleotide, và sửa chữa ghép đôi lệch, tất cả chức năng củachúng thực hiện bằng cách loại bỏ và thay thế nguyên liệu. - Các hệ thống chức năng có thể tái tổ hợp để tạo ra một bản saokhông bị sai hỏng thay thế cho một sợi đôi bị sai hỏng. - Phương thức nối đầu không tương đồng đã nối lại các đầu sợi đôi bịhỏng. - Một số DNA polymerase khác nhau cần thiết trong việc tổng hợp lạicác đoạn DNA thay thế.1. Các biến đổi xảy ra trên phân tử DNA Trên DNA có thể xảy ra các biến đổi ngẫu nhiên như sau: - Gãy hay đứt mạch. Phân tử DNA có chiều ngang rất mảnh, bản thânnó lại thường xuyên cuộn xoắn và giãn xoắn nên dễ xảy ra đứt gãy một sợi.Tuy nhiên, khả năng đứt cùng lúc hai sợi hiếm khi gặp hơn.Sinh học phân tử 135 Phục hồi trực tiếp sai hỏng Sửa chữa bằng cách cắt bỏ base Sửa chữa bằng cách cắt bỏ nucleotide Sửa chữa bằng cách cắt bỏ ghép đôi lệch Sửa chữa bằng cách tái tổ hợp Nối đầu không tương đồng DNA polymerase xúc tác các tiểu đơn vịHình 7.1. Việc sửa chữa các gen có thể được phân loại theo các phương thứcsử dụng các cơ chế khác nhau để phục hồi hoặc bỏ qua sự sai hỏng của DNA - Base bị cắt mất. Hiện tượng này làm base tương ứng không bắt cặpđược. Dưới tác dụng của nhiệt có thể xảy ra quá trình khử purine(depurination) do thủy phân liên kết N-glycosyl.Sinh học phân tử 136 - Gắn các nhóm mới vào base bằng liên kết cộng hóa trị làm thay đổitính chất như trường hợp methyl hóa (gắn nhóm CH3 vào một base). - Biến một base này thành một base khác làm bắt cặp sai. Ví dụ: quátrình khử amine (desamination) của cytosine biến nó thành uracil. - Các base có thể tồn tại ở hai dạng keto và enol nên có thể dẫn đếnbắt cặp sai. Ví dụ: dạng enol của cytosine có thể bắt cặp với ad ...