Chương 1. Tổng quan về sinh học phân tử, tin sinh học và bài toán tìm giao các đoạn gen Chương này trình bày một số khái niệm cơ bản của sinh học phân tử, tổng quan về tin sinh học và bài toán tìm giao của các đoạn gen trong sinh học. Ứng dụng của cây quản lí đoạn để tìm giao các đoạn gen Chương này trình bày cấu trúc và các thao tác trên cấu trúc dữ liệu cây quản lí đoạn và ứng dụng nó để giải bài toán tìm giao các đoạn gen. Mã hóa, thử nghiệm chương trình tìm giao các đoạn gen.
Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: Tổng hợp tài liệu, suy diễn, quy nạp, các phương pháp hình thức,. Phương pháp thực nghiệm: xử lí thống kê, đối sánh,. Phương pháp trao đổi khoa học, tổng hợp các kết quả của các nhà nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, lấy ý kiến chuyên gia. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài đưa ra một phương pháp nhanh chóng, hiệu quả và linh hoạt để tìm giao các đoạn gen. Điều này mang ý nghĩa thiết thực trong việc hỗ trợ các nhà khoa học, những người làm công tác nghiên cứu, tìm tòi có một công cụ hữu ích, thuận tiện nhanh chóng tìm ra câu trả lời về số đoạn gen giao nhau, vị trí giao nhau trên đường đi tìm mối quan hệ giữa các chủng loài, mối quan hệ giữa các tập hợp gen. Việc giải bài toán tìm giao các đoạn gen cho ta một công cụ lượng hóa (đo) mối quan hệ có ý nghĩa thống kê giữa các đặc tính di truyền, giải mã các đầu mối tiến hóa, chẩn đoán cấu trúc và chức năng của các gen. Từ đó, việc giải bài toán theo cách thức nhanh chóng, hiệu quả sẽ có những đóng góp nhất định cho việc phát triển tin sinh học trong tương lai.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ SINH HỌC PHÂN TỬ, TIN SINH HỌC VÀ BÀI TOÁN TÌM GIAO CÁC ĐOẠN GEN 1. Một số khái niệm cơ bản của sinh học phân tử 1. Ở cấp độ tế bào Mỗi sinh vật đều gồm các tế bào.
Có khoảng 6 1013 tế bào trong cơ thể người (có ước tính khác cho rằng con số này là 100.000 tỉ) [5] với khoảng 320 kiểu khác nhau, chẳng hạn như tế bào não có nhiệm vụ giữ gìn trí nhớ và tri thức, tế bào tim làm cho tim ta đập nhịp nhàng, tế bào ruột làm ra chất nhầy, v. Những tế bào này có thời gian tồn tại nhất định. Chẳng hạn như tế bào tinh trùng nam chỉ sống khoảng vài tháng, trong khi đó tế bào trứng của phái nữ có thể tồn tại đến 50 năm. Mặc dù khác nhau về chức năng, các tế bào đều có cấu trúc giống nhau: trong mỗi tế bào đều có một nhân nằm chính giữa chứa tất cả các chỉ thị di truyền.
Những chỉ thị này là chức năng của tế bào, và cũng để phân biệt cá thể này với cá thể khác. Hạt nhân tế bào chứa ADN gói trong các cặp nhiễm sắc thể. Nhiễm sắc thể là thể vật chất di truyền tồn tại trong nhân tế bào bị bắt màu bằng thuốc nhuộm kiềm tính, có số lượng, hình dạng, kích thước, cấu trúc đặc trưng: nhiễm sắc thể có khả năng tự nhân đôi, phân li, tổ hợp ổn định qua các thế hệ. Nhiễm sắc thể khác nhau giữa các sinh vật khác nhau, có thể bao gồm từ 100.000 nucleotit trong một chuỗi dài [10].
Mỗi tế bào người có 46 nhiễm sắc thể, được tổ chức thành 23 cặp, đánh số từ 1 đến 23, được sắp xếp theo kích thước.1 mô tả cách xếp bộ nhiễm sắc thể người. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Xếp bộ nhiễm sắc thể người Hay như bộ nhiễm sắc thể của chuột cống là 44 (22 cặp), chuột nhắt là 40 (20 cặp). Mỗi nhiễm sắc thể được cấu thành bởi một hay một vài phân tử ADN dài, gọi là một trình tự ADN.
Một gen là một đoạn của ADN với trình tự bazơ đặc trưng - cụ thể, gọi là mã di truyền để xác định chức năng của tế bào. Gen có chức năng gửi các tín hiệu hóa học đi đến tất cả các nơi trong cơ thể. Những tín hiệu này có chứa đầy đủ các thông tin, các chỉ thị cụ thể cho các cơ quan trong cơ thể ta phải hoạt động ra sao. Việc tìm hiểu số lượng gen cũng như cơ cấu tổ chức của gen trong cơ thể con người là một điều tất yếu để mang lại những tiến bộ mới và quan trọng của y sinh học.
Nhưng không phải gen nào cũng có chức năng rõ ràng. Trong thực tế, có khoảng 47% gen chẳng có chức năng gì cụ thể (hay chúng ta chưa biết chức năng của chúng). LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Gen được cấu tạo từ ADN, một nhiễm sắc thể chứa nhiều gen Một hệ gen hay bộ gen là tập hợp toàn bộ ADN của cơ thể, bao gồm tất cả các gen của cơ thể đó.
Mỗi bộ gen chứa tất cả thông tin cần để xây dựng và duy trì cơ thể đó. Ở người, một bản sao của toàn bộ hệ gen, có hơn 3 nghìn tỉ cặp bazơ, được chứa trong nhân tế bào. Năm 2003, các nhà khoa học đã hoàn thiện việc giải mã bộ gen người. Mỗi chúng ta đều có khoảng 30.000 gen trong cơ thể.
Chẳng hạn như chúng ta đều mang trong người những gen như VDR, COLIA1, apoE4, v. Nhưng cái khác biệt giữa hai người là biến thể gen, chứ không phải gen. Gen thực ra chỉ là một thực thể với một cái tên, hay nói theo ngôn ngữ toán, là một biến số. Chẳng hạn như chiều cao, giới tính, v.
là những biến số. Mỗi biến số có nhiều giá trị: chiều cao của người này là 158cm, của nhiều người khác có thể cao hơn hay thấp hơn. Mỗi biến thể gen được cấu tạo từ hai thành tố: một thành tố được nhận từ cha, và một từ mẹ. Chẳng hạn như gen VDR có hai thành tố T và G, và do đó có 3 biến thể: TT, TG và GG.
Người này có biến thể TG, người khác có thể mang trong người biến thể TT,v. Các nghiên cứu gần đây cho thấy, sự chồng chéo gen là mối quan hệ phổ biến ở virus, vi khuẩn và khá hiếm ở sinh vật nhân chuẩn. Có một số báo cáo mô tả chồng chéo gen trong động vật có vú, sinh vật có xương sống, một số LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 nghiên cứu đã minh họa sự chồng chéo gen khác nhau theo các mảnh và có sự phân bố khác nhau trong lịch sử tiến hóa [8]. Ở cấp độ phân tử Trong các tế bào sống có ba loại phân tử quan trọng nhất là: ADN, ARN và protein.
ADN, ARN là hai loại của phân tử axit nucleic. Chúng đều được tạo thành từ các nucleotides. ADN là chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch đơn, mỗi mạch đơn là một chuỗi nucleotide. Chuỗi nucleotide của ADN bao gồm: phosphate, đường desoxyribose và một trong 4 bazơ hữu cơ A, C, G, T.
Các nucleotide trong một mạch đơn liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, là liên kết được hình thành giữa các nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron chung. Liên kết cộng hoá trị là liên kết rất bền đảm bảo cho thông tin di truyền trên mỗi mạch đơn ổn định kể cả khi ADN tái bản và phiên mã. Hai mạch đơn liên kết với nhau bằng liên kết hydro hình thành giữa các bazơ, là tương tác tĩnh điện yếu giữa phần tử hydro mang điện tích dương với phần tử mang điện tích âm. Trong hai mạch đơn liên kết với nhau thì các bazơ liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung: G của mạch này liên kết với C của mạch kia, A của mạch này liên kết với T của mạch kia, nên A-T và C-G là các cặp bazơ (bp) trong trình tự ADN.
Có khoảng 3 tỷ cặp A-T, G-C cho một phân tử ADN. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc phân tử ADN và ARN ARN được sinh ra trong tế bào từ thông tin của một đoạn ADN. Nó là một đa phân tử được cấu tạo từ nhiều đơn phân, mỗi đơn phân là một nucleotide gồm 3 thành phần: phosphate, đường ribose, và một trong bốn bazơ hữu cơ A, U, G, C.
ARN có cấu trúc mạch đơn. Trên phân tử ARN các nucleotide liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị giữa đường ribose của nucleotide này với phân tử phosphate của nucleotide kế tiếp, tạo nên một chuỗi poly-nucleotide. Có 3 loại ARN chính là: mARN, rARN, tARN. Trong đó: mARN là ARN thông tin, chiếm 5-10%, sao chép đúng một đoạn mạch ADN theo nguyên tắc bổ sung nhưng A thay cho T tạo thành cặp A-U, G-C.
Nó đóng vai trò là bản phiên thông tin di truyền từ gen cấu trúc, trực tiếp tham gia tổng hợp protein dựa trên cấu trúc và trình tự các bộ ba trên mARN. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 rARN chiếm 70-80%, là thành phần cấu tạo nên ribose, liên kết với các phân tử protein tạo trên các ribose tiếp xúc với mARN và chuyển dịch từng bước trên mARN, mỗi bước là một bộ ba nhờ đó mà lắp ráp chính xác các axit amin vào chuỗi polipeptide theo đúng thông tin di truyền được quy định từ gen cấu trúc. tARN chiếm 10-20%, có chức năng vận chuyển, lắp ráp chính xác các axit amin vào chuỗi polipeptide dựa trên nguyên tắc đối mã di truyền giữa bộ ba đối mã trên tARN với bộ ba phiên mã trên mARN. Nó là một mạch poly-nucleotide nhưng cuộn lại một đầu, ở một đầu của tARN có bộ ba đối mã gồm 3 nucleotide đặc hiệu đối diện với axit amin mà nó vận chuyển, đầu đối diện có vị trí gắn axit amin đặc hiệu.
Virus cúm là một loại ARN virus, là nguyên nhân gây ra bệnh cúm ở người và động vật. Virus cúm được chia thành ba loại chính là cúm A, cúm B, và cúm C. Cúm A và cúm B có 8 loại gen giống nhau, cúm C có 7 loại gen. Với khả năng biến đổi và lan truyền nhanh từ động vật sang động vật, từ động vật sang người, và đặc biệt là từ người sang người, virus cúm là một trong những loài virus nguy hiểm nhất cho nền kinh tế cũng như sức khỏe con người trên toàn thế giới từ trước đến nay.
Do mức độ đặc biệt nghiêm trọng của virus cúm, các nghiên cứu về virus cúm đã được tiến hành nhiều năm nay. Các nhà khoa học từng bước hiểu được cấu trúc, cơ chế biến đổi và lây truyền của virus cúm, qua đó tìm ra các loại vacxin phòng chống.