Buzz
Trong lĩnh vực sinh học phân tử, quá trình tái bản DNA hay sao chép DNA là cơ chế để nhân đôi các phân tử DNA xoắn kép trước mỗi lần phân bào. Kết quả là tạo ra hai phân tử DNA gần như hoàn toàn giống nhau, với sự khác biệt cực kỳ nhỏ (thường dưới một phần vạn, xem thêm đột biến). Điều này được thực hiện nhờ nguyên tắc bổ sung và hệ thống sửa chữa RNA của tế bào hoạt động hiệu quả, mặc dù các DNA khác chưa được phát hiện. Hiện nay, cấu trúc của phân tử RNA có thể bị phá vỡ dễ dàng, và điều này có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các cấu trúc DNA khác, từ đó ảnh hưởng đến sức khỏe.
Nguyên lý
Quá trình tái bản DNA ở cả sinh vật nhân sơ, sinh vật nhân thực và DNA của virus (dạng sợi kép) đều tuân theo nguyên lý bổ sung và bán bảo toàn.
Chứng minh quá trình tái bản DNA theo nguyên lý bán bảo toàn: phương pháp sử dụng đồng vị phóng xạ.
Quá trình tái bản
Giới thiệu
Để một tế bào có thể phân chia, nó cần phải sao chép DNA của mình. Quá trình này bắt đầu tại những điểm cụ thể trên DNA, được định hướng bởi các protein khởi động. Ví dụ, trong E. coli, protein khởi động là DnaA; còn ở nấm men, đó là phức hợp nhận diện gốc. Các chuỗi được nhận diện bởi protein khởi động thường giàu adenine và thymine, vì các cặp A-T có hai liên kết hydro (thay vì ba như trong cặp G-C) nên dễ tách rời hơn. Khi gốc đã được định hình, các protein khởi động này kết hợp với các protein khác để tạo thành phức hợp tiền tái bản, từ đó mở đầu quá trình sao chép DNA.
Mở rộng
DNA polymerase hoạt động theo chiều 5′ đến 3′. Tất cả các hệ thống sao chép DNA yêu cầu một nhóm hydroxyl 3' tự do để bắt đầu tổng hợp (lưu ý: khuôn DNA được đọc theo chiều 3′ đến 5', trong khi mạch mới được tổng hợp theo chiều 5′ đến 3' — thường theo kiểu đoạn). Có bốn cơ chế khác nhau được công nhận cho quá trình tổng hợp DNA.
- Tất cả các dạng tế bào sống và nhiều loại virus DNA, phage và plasmid sử dụng enzym primaza để tổng hợp một mồi RNA ngắn với nhóm 3′ OH tự do, sau đó DNA polymeraza sẽ kéo dài mạch.
- Các retroelement (bao gồm cả retrovirus) sử dụng RNA phiên mã ngược để sao chép DNA, cung cấp nhóm 3′ OH tự do cho quá trình kéo dài nhờ enzym phiên mã ngược.
- Trong virus Adeno và họ φ29 của thể thực khuẩn, nhóm 3′ OH được cung cấp bởi chuỗi bên của một amino acid gắn với protein đầu cuối, từ đó nucleotide được DNA polymeraza thêm vào để tạo thành đoạn mới.
- Trong các virus DNA mạch đơn như circovirus, geminivirus, parvovirus và một số loại plasmid, chúng sử dụng cơ chế nhân bản vòng tròn lăn (RCR). Endonuclease RCR tạo ra vết cắt trong chuỗi gen (virus đơn) hoặc một trong các mạch DNA (plasmid). Đầu 5' của mạch bị cắt được chuyển sang dư lượng tyrosine trên nucleaza, và nhóm 3′ OH tự do sau đó được DNA polymeraza sử dụng để tổng hợp mạch mới.
Cơ chế này phổ biến nhất và được áp dụng bởi các sinh vật di động. Khi hai mạch DNA tách ra, primaza thêm mồi RNA vào các mạch khuôn. Mạch dẫn đầu nhận được một đoạn mồi RNA liên tục, trong khi mạch tụt lại nhận được nhiều đoạn. Mạch dẫn đầu liên tục được kéo dài từ mồi bởi một DNA polymeraza có độ xử lý cao, trong khi mạch tụt lại được mở rộng không liên tục từ mỗi mồi tạo thành các đoạn Okazaki. RNase loại bỏ các đoạn RNA mồi, và một DNA polymeraza khác với độ xử lý thấp hơn sẽ lấp đầy các khoảng trống. Khi quá trình hoàn tất, một vết đơn lẻ sẽ xuất hiện trên mạch gốc và nhiều vết trên mạch kia. Ligaza sẽ lấp đầy các vết này, hoàn thiện phân tử DNA mới được nhân đôi.
Primaza sử dụng trong quá trình này khác nhau giữa vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn. Vi khuẩn sử dụng primaza thuộc họ siêu protein DnaG với tên xúc tác thuộc loại gấp TOPRIM. Vòng TOPRIM chứa lõi α/β với bốn sợi được bảo tồn trong cấu trúc liên kết giống như Rossmann. Cấu trúc này cũng có mặt trong các lĩnh vực xúc tác của topoisomerase Ia, topoisomerase II, các protein nucleaza và protein sửa chữa DNA thuộc họ OLD liên quan đến protein RecR.
Các enzym tham gia
Gyraza (hay còn gọi là topoisomerase II): Làm thẳng phân tử DNA.
Hêlicaza (helicase): làm giãn xoắn và tách hai mạch đơn bằng cách phá vỡ các liên kết hydro.
DNA polymeraza:
DNA polymeraza I: loại bỏ RNA mồi và tổng hợp mạch polinucleotide mới.
DNA polymeraza II: thực hiện sửa chữa sai sót sau khi nối các đoạn Okazaki.
DNA polymeraza III: lắp ráp nucleotide và kéo dài mạch DNA mới.
Ligaza: kết nối các đoạn Okazaki lại với nhau.
Primaza (RNA polymeraza): Tổng hợp đoạn mồi RNA cần thiết.
Ngoài ra còn có:
Protein SSB: giữ cho hai mạch đơn không dính vào nhau, tạo điều kiện cho các enzym hoạt động hiệu quả.
Telomeraza: ngăn ngừa sự suy giảm đầu mút DNA. Enzim này chỉ hoạt động trong tinh hoàn và buồng trứng, không có mặt trong các tế bào sinh dưỡng.
Diễn tiến
Tại tế bào sinh vật nhân sơ
Bước 1: Giải xoắn phân tử DNA
Enzim topoisomerase giải xoắn giúp phân tử DNA thoát khỏi trạng thái siêu xoắn, sau đó các enzim helicase tách rời hai mạch đơn của DNA, tạo thành chạc nhân đôi (hình chữ Y) và lộ ra các đoạn mạch đơn làm khuôn.
Bước 2: Tổng hợp mạch DNA mới
Enzim DNA polymerase sử dụng hai mạch đơn làm khuôn để tổng hợp mạch mới theo nguyên tắc bổ sung.
Vì DNA polymerase chỉ có thể tổng hợp mạch mới theo chiều 5' - 3' (cần đầu 3' OH tự do để kéo dài mạch), nên trên mạch khuôn có chiều 3'-5', quá trình tổng hợp mạch mới diễn ra liên tục và mạch này được gọi là mạch sớm (leading strand). Ngược lại, trên mạch khuôn 5'-3', tổng hợp diễn ra gián đoạn tạo thành các đoạn Okazaki. Mạch này tổng hợp không liên tục và chậm hơn, được gọi là mạch ra chậm (lagging strand).
Các đoạn Okazaki sau đó được kết nối với nhau nhờ enzym ligase.
Bước 3: Hoàn thành quá trình tạo hai phân tử DNA
Khi mạch mới được tổng hợp đến đâu, hai mạch đơn xoắn lại đến đó, hình thành nên phân tử DNA con. Trong phân tử này, một mạch là mạch mới được tổng hợp còn mạch kia là từ DNA ban đầu (theo nguyên tắc bán bảo toàn).
Tuy nhiên, trong tế bào sinh vật nhân thực, với nhiều phân tử DNA có kích thước lớn, quá trình nhân đôi DNA xảy ra tại nhiều điểm khác nhau trên mỗi phân tử, tạo ra nhiều đơn vị tái bản và sự tham gia của nhiều loại enzym.
Ở sinh vật nhân thực, khi tổng hợp mạch mới ở đầu mút của phân tử DNA, có một hiện tượng đặc biệt xảy ra gọi là sự cố đầu mút.
Kết quả của quá trình nhân đôi DNA
Quá trình nhân đôi DNA tạo ra hai phân tử DNA con từ một phân tử DNA mẹ.
DNA con có các đặc điểm sau:
- Thông thường, hai phân tử DNA con có cấu trúc hoàn toàn giống với phân tử DNA mẹ, hoặc chỉ có những khác biệt rất nhỏ, không đáng kể.
- Mỗi phân tử DNA con bao gồm hai chuỗi xoắn, trong đó một mạch mới được tổng hợp, còn mạch kia là mạch cũ từ DNA mẹ.
Hình ảnh
