Chương 4
Tái bản DNA
I. Chứng minh tái bản DNA theo chế bán bảo thủ
1. chế tái bản bán bảo thủ
1.1. Cơ chế tái bản ở prokaryote
Đặc điểm cơ bản của sự tái bản đó là tái bản theo phương thức bán
bảo thủ (semiconservative replication). Tái bản bán bảo thủ nghĩa là trong
hai chuỗi của tất cả các phân tử DNA bao giờ cũng có:
- Một chuỗi của DNA cũ (từ một trong hai chuỗi của DNA mẹ).
- Một chuỗi của DNA mới (mới được tổng hợp).
Mỗi một lần tái bản đều có sự tách rời của hai chuỗi của DNA mẹ,
đồng thời mỗi chuỗi mẹ tiến hành sao chép để cho một chuỗi con, chuỗi này
sau đó lại kết hợp với chuỗi mẹ.
Vị trí mở xoắn kép và tổng hợp DNA mới cùng một lúc trên DNA gọi
chạc ba tái bản (replication fork) do cấu trúc của vùng tái bản có hình chữ
Y. Sự tổng hợp DNA mới gắn liền với việc mở xoắn DNA cũ.
1.2. Cơ chế tái bản ở eukaryote
Sự tái bản ở tế bào eukaryote phức tạp hơn so với ở tế bào prokaryote
nhưng cơ chế của sự tái bản ở eukaryote cũng tương tự như ở prokaryote và
tiến hành theo các nguyên tắc:
- Hai hướng.
- Bổ sung, đối song song, theo chiều 5’
3’.
- Không liên tục ở một trong hai chuỗi.
- Cần những RNA primer.
Tuy nhiên, có một số điểm khác như sau:
- Trong khi ở prokaryote chỉ có một điểm khởi đầu, thì sự tái bản ở
eukaryote bắt đầu cùng một lúc ở nhiều điểm khởi đầu. Điều này là cần thiết
do DNA của eukaryote có chiều dài rất lớn.
- Vận tốc phát triển của chạc ba tái bản ở eukaryote (khoảng 50
nucleotide/s) chỉ bằng 1/10 so với ở E. coli.
Sinh học phân tử
76
2. Thí nghiệm của Meselson Stahl
Những thí nghiệm của Meselson và Stahl (1957) đã chứng minh lý
thuyết tái bản DNA theo kiểu bán báo thủ (Hình 4.1). Các tác giả trên đã
nuôi cấy E. coli trong nhiều thế hệ trong một môi trường chứa 15NH4Cl làm
nguồn cung cấp nitrogen duy nhất. Bằng cách này, DNA được tổng hợp có
15N (15N là một chất phóng xạ nặng hơn chất phóng xạ thông thường 14N). Ở
một thời điểm nhất định (thời điểm 0), các tác giả này đã chuyển nuôi cấy
vào một môi trường chứa 14NH4Cl. Tiếp đến, sau từng thời gian đều đặn, họ
phân tích DNA chiết xuất từ
vi khuẩn bằng phương pháp ly tâm theo
gradient CsCl.
DNA được tách chiết và
ly tâm để cân bằng theo
grandient mật độ CsCl
Các phân tử
bố mẹ gốc
DNA nặng (15N)
H
H
Chuỗi mới
Chuỗi mẹ
Các phân tử con
DNA lai (15N/14N)
thế hệ thứ nhất
H
L
L
H
DNA nhẹ (14N)
Các phân tử con
DNA lai
thế hệ thứ hai
L
L
H
L
L
H
L
L
Hình 4.1. Minh họa sự tái bản bán bảo thủ. Sơ đồ trình bày sự hợp thành các sợi
đôi DNA sau 0, 1, và 2 vòng sao chép. H: chuỗi nặng (15N), L: chuỗi nhẹ (14N).
Kết quả thực nghiệm cho thấy:
- Ở thời điểm 0: chỉ có một phân tử tương ứng với DNA nặng 15N.
Sinh học phân tử
77
- Sau một thế hệ trong môi trường chứa 14N: những phân tử DNA gồm
một chuỗi nặng 15N (chuỗi mẹ) và một chuỗi nhẹ 14N (mới được tổng hợp).
- Sau hai thế hệ trong môi trường chứa 14N: có hai phân tử lai (gồm
một chuỗi nặng và một chuỗi nhẹ) và hai phân tử đều gồm những chuỗi nhẹ
không có chuỗi nặng.
II. hình tái bản DNA-chạc ba tái bản
1. hình tái bản
Mô hình tái bản được nghiên cứu trên thể nhiễm sắc của vi khuẩn E.
coli, DNA có dạng mạch vòng sợi đôi (Hình 4.2). Để tự tái bản DNA phải
tháo ra đơn giản ở một vị trí nhất định và nơi đó xuất hiện chạc ba tái bản
(Hình 4.3).
Thí nghiệm của Cairns. Sử dụng nucleotide được đánh dấu bằng
đồng vị phóng xạ trong môi trường đang phân chia, ta sẽ biết được tiến trình
tái bản do hạt bạc xuất hiện dưới kính hiển vi điện tử.
Sợi đôi
của con
Sợi đôi
của bố mẹ
Hình 4.2. DNA dạng mạch vòng sợi đôi. Chiều dài thực tế 1,6 mm (4,7×106 bp).
2. Chạc ba tái bản
Hình 4.4 mô tả cấu trúc của chạc ba tái bản. Nhờ vào phương pháp
phóng xạ ảnh tự ghi, người ta nhận thấy sự tái bản thực hiện theo hai hướng
(bidirectional synthesis). Đồng thời cũng chứng minh được vi khuẩn E. coli
(prokaryote) có duy nhất một điểm gốc tái bản, đó là điểm mà hai chuỗi
xoắn kép của DNA mẹ được tách ra, tương ứng với hai chạc ba tái bản phát
triển ngược chiều nhau. Chuỗi DNA sau khi tách ra được dùng làm khuôn
mẫu cho sự tổng hợp DNA mới (Hình 4.5).
Sinh học phân tử
78