Sinh học phân tử 2 TS. Lê Trà My Bộ môn sinh học Tế bào Email: my.com 1 Nucleosome, Chất nhiễm sắc và Nhiễm sắc thể 2 Sự tổ chức của vật chất di truyền trong nhân tế bào nhân thật 3 Nucleosome được tìm ra như thế nào? chromatin fiber from interphase under electron microscopy Added salt 4 Thí nghiệm tìm ra độ dài của DNA quấn quanh nucleosome và mối Micrococcal Nuclease cắt DNA không liên kết với protein (free DNA) 5 Box 8- 1, Molecular Biology of Gene Nucleosome 6 Lõi nucleosome • Là đơn vị cấu trúc của nhiễm sắc thể • Là khối trụ với đường kính là 11 nm • Có đối xứng quanh hai trục • Được xoắn quanh bởi sợi DNA với chiều dài là 147 nt • DNA xoắn phải Figure 4.23, Molecular Biology of the Cell 7 8 Đặc điểm chung của protein histone lõi • Là những protein có tính kiềm cao, tích điện dương, có độ dài từ 102–135 amino acids • Trình tự khá bảo toàn • Hơn 1/5 là amino acid lysine và arginine • Được chia làm hai nhóm H2A, H2B và H3, H4 • Có chung motif cấu trúc, được gọi là xoắn histone fold, được hình thành bới 3 xoắn α helices được nối với nhau thông qua các đoạn nối (linker) 9 Figure 4.24, Molecular Biology of the Cell Đặc điểm chung của protein histone Molecular Biology of the Gene 10 Tương tác giữa Histone và DNA tương tác không đặc hiệu 142 tương hydro giữa histone lõi và DNA: • Một nửa số tương tác là tương tác giữa gốc amino group trên trục khung amino acid và trục khung đường và phosphate của DNA • Bên cạch đó các chuỗi bên của amino acid như lysine và arginine tương tác DNA Những tương tác còn là tương tác kị nước và những liên kết muối. 11 Tương tác giữa histone và DNA Sheena et. al 2013, Biochim Biophys Acta.
2013 ; 1819(0): 211–221 12 Histone tương tác với đầu vào và đầu ra của DNA làm ổn định cấu trúc nucleosome N – H3 Sheena et. al 2013, Biochim Biophys Acta. 2013 ; 1819(0): 211–221 13 Để xoắn quanh histone lõi, DNA bị bẻ cong DNA Figure 4.24, Molecular Biology of the Cell 14 Quá trình hình thành phức hợp giữa histone và DNA Lõi histone chỉ hình thành khi có mặt của DNA 15 Nucleosome là cấu trúc động 1. Quá trình tháo DNA không mất năng lượng: Các đầu DNA trên nucleosom thường xuyên tách khỏi nucleosome khoảng 4 lần/phút 2.
Quá trình tháo DNA mất năng lượng: • xúc tác bởi phức hệ Chromatin remodeling complexes • Tiêu hao năng lượng ATP 16 Chromatin remodeling complexes kết hợp với histone chaperon giúp thay lõi histone bán phần hay toàn phần Figure 4.27, Molecular Biology of the Cell 17 Các nucleosome được nối với nhau bởi linker DNA Molecular Biology of the Gene Molecular Biology of the Cell 18 Cấu trúc của chất nhiễm sắc 19 Histone H1 làm DNA quấn chặt hơn Protein sequence: NKKPGEVKEK APRKRATAAK PKKPAAKKPA AAAKKPKKAA AVKKSPKKAKKPAAAATKKAAKSPKKAAKAGRPKKAAKSPAKAKAVKPKAAKP KATKPKAAKAKKTAAKKK-COOH Histone H1 Molecular Biology of the Gene Molecular Biology of the Cell 20 Histone H1 làm cho nucleosome trên sợi nhiễm sắc sắp xếp trật tự, có tổ chức Sự sắp xếp trật tự của nucleosome khi có mặt H1 Không có H1 Có H1 chromatin fiber 30 nm Molecular Biology of the Gene 21 Sự tổ chức của vật chất di truyền trong nhân tế bào nhân thật 22 Hai mô hình xoắn của sợi nhiễm sắc (30 nm) Molecular Biology of the Gene 23 Hai mô hình xoắn của sợi nhiễm sắc (30 nm) Figure 3.2, Funcdamental molecular Biology, 24 Mô hình vai trò của các đầu chuỗi protein trong histone đóng vai trò trong việc nén DNA Figure 4-29, Molecular Biology of the Cell 25 Chất nhiễm sắc (chromatin) Chất nhiễm sắc tồn tại dưới 2 dạng: Nguyên nhiễm sắc (Euchromatin): ít nén và được phiên mã (~ 10 nm) Dị nhiễm sắc (Heterochromatin): DNA nén chặt và thường là vùng không phiên mã ( >=30 nm ) 26 Những sửa đổi ở đuôi trong histone protein làm cho các cấu trúc nucleosome trong sợi nhiễm sắc tương tác với nhau chặt hơn hoặc lỏng lẻo hơn Figure 4–34, Molecular Biology of the Cell 27 Những sửa đổi amino acid ở đuôi của histone protein Figure 4–33, Molecular Biology of the Cell 28 Những vùng sửa đổi trên histone được nhận biết ở các phức hệ đọc và dẫn đến những thay đổi trong hoạt động của gen Figure 4–38, Molecular Biology of the Cell 29 Figure 4–38, Molecular Biology of the Cell 30 Sự tồn tại các barrier protein giúp phân vùng nguyên nhiễm sắc và dị nhiễm sắc Figure 4–41, Molecular Biology of the Cell 31 Phức hệ đọc có thể kéo dài vùng dị nhiễm sắc Figure 4–40, Molecular Biology of the Cell 32 Các dị nhiễm sắc trong sợi nhiễm sắc có thế di truyền trong quá trình nhân lên của DNA Figure 4–44, Molecular Biology of the Cell 33 The cause of position effect variegation in Drosophila 34 Chromatin Acquires Additional Variety Through the Site-Specific Insertion of a Small Set of Histone Variants Figure 4–35, Molecular Biology of the Cell 35 Sự phân bố của vùng nguyên nhiễm sắc và dị nhiễm sắc trong nhân tế bào người ở pha phân kì Heterochromatin euchromatin 36 Sợi nhiễm sắc tương tác với protein khung tạo nên ~ 300 các vòng loop, tạo nên nm cấu trúc với đường kính 300 nm Các cấu trúc này tiếp tục xoắn tạo nên cấu trúc có đường kính là 700 nm Figure , Molecular Biology of the Cell 37 Tóm tắt Figure 11-5, Genetics: conceptual Approach, third edition 38 Nhiễm sắc thể (chromosome) tại các kì trong tế bào nhân chuẩn 39 Những vùng chức năng trên nhiễm sắc thể của sinh vật nhân chuẩn 1.Tâm tái bản (replication origin): Đó là vùng mà DNA polymerases and và các protein khác bắt đầu quá trình nhân bản 2.Tâm động (centromere): Là vùng mà ở đó hai nhiễm sắc thể chị em đính vào nhau (sister-chromatids), và chúng phải được tách ra vào cuối kì phân chia .Đầu mút (Telomere): nằm ở hai đầu tận cùng của nhiễm sắc thể, có chức năng ngăn cản việc ngắn lại của nhiễm sắc thể. 40 Tâm tái bản (Replication origin) • Tâm tái bản là những vị trí đặc biệt trên DNA của nhiễm sắc thể nơi quá trình tái bản có thể bắt đầu • Các protein tham gia vào quá trình tái bản (Protein O) liên kết đặc hiệu với tâm tái bản • Nằm cạnh vùng giàu nucleotide A+T • Tương tác giữa tâm tái bản và protein đặc hiệu (Protein O) sẽ làm phân hủy cục bộ và tháo xoắc vùng A+T lân cận 41 Nat Rev Mol Cell Biol. Đặc điểm tâm tái bản ở sinh vật nhân chuẩn 42 Nat Rev Mol Cell Biol. Các loại tâm tái bản 43 Tâm động - Là vị trí đính của hai nhiễm sắc tử trong quá trình phân bào.
- Là vùng bắt màu đậm khi được nhuộm. - Chứa các đoạn ADN lặp lại, không mã hóa cho protein. - Là nơi bám của các protein tâm động, nhờ đó các thoi vô sắc có thể bám vào các protein này trong quá trình phân bào. 44 Figure 4–43, Molecular Biology of the cell Sự khác biệt tâm động giữa các loài 45 Geneviève et.
Nature Reviews Genetics volume18, pages192–208 (2017) Mô hình của một cấu trúc tâm động đơn giản ở Saccharomyces cerevisiae Figure 4–42, Molecular Biology of the Cell 46 Ba mô hình tương tác giữa hệ thống phân chia nhiễm sắc thể với tâm động Nat Rev Mol Cell Biol.1038/s41467-018-06545-y Đầu mút (Telomere) • Nằm ở hai đầu tận cùng của nhiễm sắc thể. • Có vai trò ngăn không cho hai nhiễm sắc thể dính vào nhau • Giúp cho quá trình nhân đôi của đầu tận cùng của nhiễm sắc thể không bị ngắn dần đi của nhiễm sắc thể qua mỗi kỳ phân bào • Bảo về sợi DNA khỏi bị phân hủy bởi các DNase • Hầu hết các đầu mút được cấu tạo bởi những trình tự lặp lại gồm G-rich tandem repeats: TTAGG (insects); TTAGGG (vertebrates); TTTAGGG (plants), 49 Đầu mút của nhiễm sắc thể ở người Doi: 10.