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 và tái tổ hợp DNA liên quan chặt chẽ với nhau. Đây cũng là một minh chứng về sự phối hợp 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 bằng hai 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 tử DNA do tia tử ngoại gây ra là: cyclobutane-pyrimidine dimer (CPDs) và pyrimidine (6-4) pyrimidone (6-4 PPs). Hai loại sai hỏng này đều làm biến dạng cấu trúc xoắn của DNA. CPDs và 6-4 PPs được nhận biết và sửa chữa nhờ enzyme photolyase. Enzyme này sử dụng năng lượng ánh sáng để thực hiện phản ứng làm thay đổi các liên kết hóa học để nucleotide trở lại dạng bình thường. Phản ứng sửa chữa DNA bằng photolyase xảy ra trong rất nhiều sinh vật prokaryote và eukaryote. Tuy nhiên, quá trình này không thấy ở động vật có vú. Ở người cũng chưa phát hiện được bất kỳ loại photolyase nào.

Đa số sai hỏng của DNA được sửa chữa bằng phương thức thứ hai. Cơ chế 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 bổ sung với sợi thứ nhất) được dùng làm khuôn mẫu để sửa chữa những sai hỏng đó. Một số cơ chế sửa chữa như sau:

- Hệ thống sửa chữa nhận biết các trình tự DNA không thích hợp với các cặp base chuẩn và thay thế chúng.

- Hệ thống sửa chữa-cắt bỏ (excision-repair system) loại đi một đoạn DNA ở vị trí sai hỏng và sau đó thay thế nó.

- Hệ thống sửa chữa-tái tổ hợp (recombinant-repair system) sử dụng phương 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, điều đó cho thấy tầm quan trọng của chúng đối với sự sống của tế bào. Khi hệ thống sửa chữa phục hồi một sai hỏng của DNA, thì không có một hậu quả xấu nào xảy ra. Nhưng một đột biến có thể tạo ra hậu quả xấu khi DNA bị hỏng. 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 của DNA.

- Một số phương thức sửa chữa bằng cách cắt bỏ base, sửa chữa bằng cách cắt bỏ nucleotide, và sửa chữa ghép đôi lệch, tất cả chức năng của chúng 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 sao không 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 bị hỏng.

- Một số DNA polymerase khác nhau cần thiết trong việc tổng hợp lại các 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 thân nó 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.

Hình 7.1. Việc sửa chữa các gen có thể được phân loại theo các phương thức sử 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 cặp được. Dưới tác dụng của nhiệt có thể xảy ra quá trình khử purine (depurination) do thủy phân liên kết

N-glycosyl.

- Gắn các nhóm mới vào base bằng liên kết cộng hóa trị làm thay đổi tính 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: quá trình 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 đến bắt cặp sai. Ví dụ: dạng enol của cytosine có thể bắt cặp với adenine.

- Tạo các thymine dimer.

- Liên kết chéo giữa các mạch (interstand crosslink).

Trên đây là các biến đổi ngẫu nhiên, nếu có tác động của các tác nhân gây đột biến các biến đổi sẽ xảy ra nhiều hơn.

2. Khái quát các cơ chế sửa chữa ở mức phân tử

Sự nguyên vẹn của phân tử DNA mang thông tin di truyền có ý nghĩa sống còn đối với tế bào, nhất là tế bào prokaryote. Ở tế bào vi khuẩn, có đến 50% DNA không bị biến đổi thậm chí sau khi tái bản đến 100 triệu lần. Sự ổn định cao của DNA tế bào có được nhờ hàng loạt các cơ chế bảo vệ sự nguyên vẹn và sửa chữa ngay lập tức bất kỳ sai hỏng nào vừa xuất hiện.

Các hệ thống sửa sai rất đa dạng và có hiệu quả rất cao ở E. coli. Có khoảng 100 locus tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào việc bảo vệ DNA và sửa sai.

Chỉ với DNA, tế bào phải đầu tư rất lớn cho sự ổn định của thông tin di truyền. Nếu như sự tái bản chỉ xảy ra khi phân bào, thì các cơ chế sửa sai phải hoạt động liên tục. Tái bản được thực hiện với cơ chế về cơ bản giống nhau ở các loại tế bào và trong mỗi lần nhân đôi DNA. Trong khi đó, sai hỏng xảy ra rất đa dạng, nên các cơ chế sửa sai nhiều hơn và với số lượng gen tham gia lớn hơn. Hơn nữa, các cơ chế di truyền cơ bản như tái bản, tái tổ hợp DNA đều có sự tham gia của các cơ chế sửa sai và ngược lại sửa sai cần đến tái bản và tái tổ hợp.

3. Biến đổi làm tăng tần số đột biến

 Nhờ các cơ chế sửa sai nên bình thường DNA tế bào có độ ổn định rất lớn, thường sự thay thế base có tần số 10-9-10-10. Tuy nhiên, người ta đã phát hiện được các dòng đột biến ngẫu nhiên tăng cao hơn hẳn, chúng được gọi là mutator (nhân tố gây đột biến). Trong nhiều trường hợp, các kiểu hình mutator liên quan đến sai hỏng trong hệ thống sửa sai. Ở E. coli, các locus mutator mutH, mutL, mutU và mutS tác động đến các cấu phần của hệ thống sửa sai do ghép đôi lệch (mismatch-repair) sau tái bản nên đã làm cho tần số đột biến ngẫu nhiên tăng cao.

Ngoài mutator, sự sai hỏng làm tăng tính nhạy cảm với tia tử ngoại (ultraviolet) và tăng sai hỏng khi tái tổ hợp.

II. Các kiểu sửa chữa 1. Quang tái hoạt hóa

Sửa chữa trực tiếp bằng quang tái hoạt hóa (photoreactivation) ít khi gặp, nó bao gồm sự phục hồi hoặc loại bỏ đơn giản các sai hỏng và quá trình này xảy ra ở ngoài sáng. Quang tái hoạt hóa của các pyrimidine dimers, trong đó tạo cơ hội cho các liên kết cộng hóa trị được phục hồi nhờ enzyme phụ thuộc ánh sáng (light-dependent enzyme), là một ví dụ điển hình (Hình 7.2). Hệ thống sửa chữa này phổ biến trong tự nhiên, và đặc biệt quan trọng ở thực vật. Trong E. coli, nó phụ thuộc vào sản phẩm của một gen đơn (phr) mã hóa cho một enzyme được gọi là photolyase.

Sau khi xử lý tia tử ngoại gây đột biến, nếu đưa ra ánh sáng thì phần lớn sai hỏng được phục hồi. Hiện tượng này được gọi là quang tái hoạt hóa. Năng lượng của ánh sáng khả kiến (từ 300 đến 600 nm) hoạt hóa photolyase (gen phr ở E. coli) cắt các vòng cyclobutyl pyrimidine dimer (thường là thymine dimer).

Enzyme này hoạt động trong các tế bào ở nhiều loài khác nhau. Vào ban ngày, các sinh vật thường chịu tác động của ánh sáng, nên cơ chế quang tái hoạt hóa (quang phục hồi) có vai trò quan trọng trong sửa sai DNA. Ví dụ: Mycoplasma, sinh vật đơn giản nhất hiện nay, chỉ có vài trăm gen nhưng một trong số đó đã được dùng cho quang tái hoạt hóa.

2. Sửa chữa ghép đôi lệch

Sửa chữa ghép đôi lệch (mismatch-repair) giữa các sợi DNA là một trong những mục tiêu chính của hệ thống sửa sai. Sửa chữa ghép đôi lệch được tiến hành khi phát hiện trên DNA các base nằm cạnh nhau mà không bắt cặp thích hợp. Các ghép đôi lệch tăng lên trong suốt quá trình tái bản được sửa chữa bằng cách phân biệt giữa các sợi cũ và mới và được ưu tiên sửa chữa trình tự của các sợi được tổng hợp mới (Hình 7.3). Ghép đôi lệch được tạo ra bởi các biến đổi base, là một kết quả của sự khử amine (deamination).

Hình 7.2. Quang tái hoạt hóa

Ghép đôi lệch thường được sửa sai bằng phương thức sửa chữa cắt bỏ, được khởi đầu bằng một enzyme nhận biết một base sai hỏng thực sự hoặc có sự thay đổi chiều hướng không gian (spatial path) của DNA.

Hình 7.3. Sửa chữa ghép đôi lệch trong tái bản

Sự nhận biết và sửa chữa các sai lệch do bắt cặp base sai trên DNA được phát hiện ở E. coli, nấm men và tế bào động vật có vú. Ở vi khuẩn E. coli, có ba hệ thống enzyme khác nhau được sử dụng để sửa chữa các sai lệch bằng cách:

- Loại bỏ chỗ sai trong tái bản (errors in replication).

- Loại bỏ ghép đôi lệch bên trong các đoạn trung gian của tái tổ hợp (mismatch

within recombinant intermediates).

- Loại bỏ thymine của cặp GT trong trường hợp 5-methylcytosine bị mất nhóm amine (NH2) thành thymine.

3. Sửa chữa cắt bỏ

Có hai loại hệ thống sửa chữa cắt bỏ, đó là:

- Hệ thống sửa chữa cắt bỏ base (base excision repair) loại bỏ trực tiếp base sai hỏng và thay thế nó trong DNA. Ví dụ điển hình là enzyme DNA uracil glycolase, loại các uracil không được bắt cặp (mispaired) với các guanine.

- Hệ thống sửa chữa cắt bỏ nucleotide (nucleotide excision repair) cắt bỏ một trình tự bao gồm các base sai hỏng; sau đó một đoạn DNA mới được tổng hợp để thay thế các nguyên liệu bị cắt bỏ. Các hệ thống này phổ biến ở hầu hết sinh vật.

3.1. Cắt bỏ base

Việc loại bỏ chỗ sai được thực hiện nhờ một hoặc vài enzyme N-glycosylase. Nglycosylase nhận biết base biến đổi hay mất gốc amine hoặc biến dạng cấu trúc xoắn do sai lệch tạo ra và thủy phân liên kết N-glycosylic giữa base với đường với pentose. Lỗ hổng vừa được tạo ra do cắt bỏ được DNA polymerase làm đầy lại dựa vào khuôn mẫu bổ sung đối diện và ligase nối liền chúng (Hình 7.4).

3.2. Cắt bỏ nucleotide

Việc cắt bỏ một vùng có nhiều thymine dimer (do UV) hoặc vùng liên kết chéo giữa các sợi, được thực hiện nhờ incision nuclease (nuclease tạo khấc trên DNA) như phức hợp Uvr ABC của E. coli, phức hợp này cắt các đoạn 12-13 nucleotide từ một sợi DNA. Sự thủy phân được thực hiện ở liên kết phosphodiester thứ tám ở đầu 5’ đến chỗ hỏng và ở phía 3’ là liên kết thứ tư hay năm.

Hình 7.4. Phương thức cắt bỏ base

Cấu trúc sợi kép bổ sung cho nhau của DNA cho phép, nếu thông tin bị mất do cắt bỏ sai hỏng trên một sợi có thể chép lại được nhờ dựa vào sợi đơn bổ sung kia. Tuy nhiên, một số sai hỏng liên quan cùng lúc cả hai sợi cũng có thể được sửa chữa nhờ vào một đoạn nucleotide tương đồng tồn tại đâu đó trong genome. Sự mất đoạn hay xen đoạn nucleotide, hay liên kết chéo giữa các sợi DNA có thể được phục hồi nhờ sự thay thế đoạn tương ứng bằng tái tổ hợp. Thậm chí sự đứt đôi cả hai sợi cùng chỗ, được coi là nặng nhất trong các sai hỏng, có thể được gắn liền lại nhờ ligase hay tái tổ hợp (Hình 7.5).

4. Đọc sửa đối với các base bắt cặp sai

Cơ chế đọc sửa đối với các base bắt cặp sai (proofreading for base-pair matching) được thực hiện trong tái bản DNA. Sự bắt cặp cẩn thận của DNA polymerase đảm bảo cho sự chính xác của tái bản. Trước khi thực hiện phản ứng polymer hóa nối với nucleotide, nucleotide triphosphate mới phải bắt cặp với base bổ sung trên sợi khuôn mẫu. Nếu sự bắt cặp sai xảy ra, DNA polymerase sẽ loại bỏ nucleotide bắt cặp sai.

Thậm chí, trước khi nucleotide mới gắn vào, enzyme dò lại cặp base cuối nếu chúng không bắt cặp thì sự polymer hóa tiếp theo bị dừng. Cặp nucleotide ở đầu cuối 3’ bắt cặp sai sẽ bị loại bỏ bởi hoạt tính exonuclease 3’5’ của DNA polymerase. Khi sự bắt cặp của cấu trúc sợi kép đã đúng, quá trình polymer hóa mới được tiếp tục.

Hoạt tính đọc sửa đối với các base bắt cặp sai là đặc tính của nhiều DNA polymerase đảm bảo cho sự kéo dài chính xác của sợi đang được tổng hợp. Tuy nhiên, trong trường hợp cần thiết, DNA polymerase có thể bỏ qua chỗ sai và chép tiếp nhờ cơ chế tái bản “error prone” (xem mục 6).

5. Các hệ thống sửa chữa tái tổ hợp

Các vị trí có sự sai hỏng, xảy ra trong một phân tử con (daughter molecule), sẽ được phục hồi nhờ sự tái tổ hợp để thu được một bản sao khác của trình tự từ một nguồn không bị sai hỏng. Bản sao này sau đó được dùng để sửa chữa lỗ hổng (gap) trên sợi bị hỏng.

Khi DNA polymerase gặp thymine dimer hay một số sai lệch khác trên sợi DNA khuôn mẫu, có hai khả năng xảy ra:

- Polymerase lấp dần lỗ hổng bằng tái bản không theo khuôn mẫu do tái tổ hợp và vượt qua chỗ sai.

Hình 7.5. Cắt bỏ nucleotide. Sửa chữa và cắt bỏ một đoạn DNA có (các) base sai hỏng.

- Polymerase dừng lại và huy động khoảng 1.000 nucleotide phía dưới (downstream); chỗ trống gián đoạn được lấp đầy với sợi bổ sung từ sợi đôi chị em (sister duplex) do tái tổ hợp.

Trong cả hai trường hợp, chỗ sai lệch vẫn còn và được cắt bỏ sau đó bởi sửa sai trực tiếp hay cắt bỏ.

Hình 7.6. Sửa sai nhờ tái tổ hợp và tái bản

6. Hệ thống SOS

Hệ thống SOS (chứa khoảng 30 gen không liên kết và thường bị ức chế bởi protein

LexA) sẽ hoạt động khi tế bào bị các tác nhân gây đột biến tạo nhiều sai hỏng trên DNA. Trong trường hợp DNA bị hỏng ngừng tái bản, phản ứng SOS sẽ phục hồi tái bản bằng phương thức tái bản “error-prone”.

Ở vi khuẩn E. coli người ta đã quan sát thấy sự phá hủy DNA làm mở ra khoảng 20 gen của hệ thống SOS, được kiểm soát âm bởi chất ức chế LexA (LexA repressor).

Trong trường hợp có nhiều sai hỏng cần cấp cứu, LexA bị kích thích, thay đổi cấu hình, tự cắt và mất hoạt tính ức chế. Lúc đó các gen của hệ thống SOS được mở ra. Nếu quá trình sửa sai thực hiện không kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc bị đột biến hoặc chết.

Protein RecA khởi động hệ thống SOS như sau:

- Hộp SOS là trình tự DNA (operator) dài khoảng 20 bp được nhận biết bởi protein của chất ức chế LexA.

- Sai hỏng của DNA làm cho RecA khởi động phản ứng SOS, chứa các gen mã hóa cho nhiều enzyme sửa chữa.

- RecA hoạt hóa hoạt tính tự phân giải tự của LexA.

- LexA ngăn chặn hệ thống SOS, nhưng phản ứng tự phân giải của nó đã hoạt hóa các gen của hệ thống này.

6.1. Sửa chữa theo cơ chế “error-prone”

Phân tử DNA có thể bị sai hỏng nặng nề khi bị chiếu tia tử ngoại hoặc khi chịu tác động của các tác nhân gây ung thư (carcinogens). Lúc đó, không phải chỉ một sợi đơn DNA bị hỏng mà cả hai sợi đều bị đứt gãy và mất đi một số nucleotide. Thông tin di truyền của đoạn hỏng bị mất hoàn toàn nên không có sợi khuôn mẫu để sửa chữa theo các cơ chế thông thường. Trong trường hợp này, tế bào còn lại một giải pháp duy nhất để tăng khả năng sống sót đó là sửa chữa DNA một cách ngẫu nhiên với tỷ lệ sai sót (đột biến) cao nhưng dù sao vẫn duy trì được sự sống. Đây chính là cơ chế sửa chữa DNA “error-prone” (còn được xem như là sự phát sinh đột biến SOS). Như vậy, sửa chữa DNA theo cơ chế này cũng là một trong những nguyên nhân tạo nên tính đa dạng của DNA.

Khi phân tử DNA bị đột biến, một số protein đặc biệt sẽ làm nhiệm vụ dừng quá trình tổng hợp DNA để sửa chữa theo các cơ chế khác nhau. Bởi vì nếu tế bào tiếp tục phân chia (tức là DNA tiếp tục được nhân lên) thì tỷ lệ đột biến cao sẽ xuất hiện khiến số tế bào sống sót giảm xuống.

Một số trường hợp sai hỏng được sửa chữa bằng cơ chế error-prone:

- DNA kết hợp với các base không bổ sung trên sợi con (bắt cặp sai).

- DNA bị sai hỏng không được sửa chữa do DNA polymerase III bị giữ lại trong suốt quá trình tái bản.

DNA polymerase V (được mã hóa bởi gen umuD và umuC của E. coli), hoặc DNA polymerase IV (được mã hóa bởi gen dinB của E. coli) được cảm ứng trong hệ thống SOS, để tổng hợp một đoạn bổ sung cho sợi DNA bị hỏng. DNA polymerase V là một phức hợp chứa hai protein tiểu đơn vị UmuD’ và một protein tiểu đơn vị UmuC (Trong quá trình sửa chữa “error-prone”, protein RecA, hoạt động như một co-protease, gián tiếp tự xúc tác cắt protein UmuD thành một đoạn có hoạt tính, UmuD’). DNA polymerase IV và V là một phần của một họ lớn, bao gồm các DNA polymerase là những enzyme cần thiết trong sửa chữa DNA bị sai hỏng do chúng có hoạt tính polymerase.

Các protein tiểu đơn vị UmuD (thực tế là UmuD’) và UmuC có khả năng gắn các nucleotide vào sợi DNA bất chấp không tồn tại sợi khuôn mẫu. Như vậy, chúng có thể ức chế hoạt tính tự sửa exonuclease 3’5’ của DNA polymerase hoặc chính chúng là một loại DNA polymerase đặc biệt (DNA polymerase V). Khi đột biến xảy ra trên gen mã hóa cho UmuD và UmuC, các tế bào vi khuẩn sẽ sống sót ít hơn tế bào bình thường dưới tác dụng của tia tử ngoại. Một vài plasmid mang gen mucA và mucB, tương đồng với gen umuD và gen umuC, khi được đưa vào trong vi khuẩn sẽ làm tăng tính kháng với tia tử ngoại. Ngoài ra, khi cả hai sợi đơn DNA đều chịu đột biến nhưng nếu trong genome còn có ít nhất một bản sao giống hệt đoạn bị hỏng, lúc đó đoạn bị hỏng có thể được phục hồi nhờ cơ chế trao đổi chéo dùng bản sao làm khuôn mẫu.

6.2. Protein LexA

Hoạt tính của RecA gây ra sự phân giải sản phẩm protein của gen lexA. LexA là một protein nhỏ (22 kDa) khá ổn định trong các tế bào không bị xử lý, nơi nó có chức năng như một chất ức chế ở nhiều operon. Phản ứng phân giải là không thường xuyên; LexA có hoạt tính protease muộn được hoạt hóa bởi RecA. Khi RecA được hoạt hóa, nó sẽ gây ra phản ứng tự phân giải của LexA làm bất hoạt chức năng ức chế của LexA, và cảm ứng phối hợp tất cả operon mà nó được liên kết. Phương thức này được minh họa ở hình 7.7.

Hình 7.7. LexA và RecA có quan hệ đối kháng thuận nghịch. Protein LexA ức chế nhiều gen có các chức năng sửa chữa, recA và lexA. Hoạt tính của RecA dẫn đến phân giải protein LexA và cảm ứng tất cả các gen này.

Các gen đích của protein ức chế LexA có nhiều chức năng sửa chữa. Một số gen SOS này chỉ hoạt động ở các tế bào bị xử lý. Những gen khác hoạt động ở các tế bào không bị xử lý, nhưng mức độ biểu hiện được tăng lên nhờ sự phân giải của LexA. Sau khi phân giải LexA, gen có thể được biểu hiện từ promoter thứ hai giống như promoter đầu tiên.

Protein LexA ức chế các gen đích của nó bằng cách liên kết với một đoạn DNA dài 20 bp được gọi là hộp SOS, bao gồm một trình tự liên ứng (consensus sequence: 5’CTGTN8ACAG-3’) với 8 vị trí bảo toàn tuyệt đối (N8). Giống như các operator khác, các hộp SOS xếp chồng lên các promoter tương ứng. Ở locus lexA, đối tượng của sự ức chế tự sinh, có hai hộp SOS ở cạnh nhau.

6.3. Protein RecA

Sự cuộn lại trực tiếp của protein RecA trong sửa chữa-tái tổ hợp chỉ là một trong những hoạt tính của nó. Nó có thể được hoạt hóa bởi các xử lý làm sai hỏng DNA hoặc ức chế sự tái bản trong E. coli. Điều này giúp nó khởi động một chuỗi phức tạp những thay đổi kiểu hình được gọi là phản ứng SOS, yếu tố cần thiết cho sự biểu hiện của nhiều gen mà các sản phẩm của chúng có các chức năng sửa chữa. Các hoạt tính kép này của protein RecA làm cho người ta không biết rõ sự thiếu hụt trong sửa chữa ở các tế bào đột biến recA là do mất chức năng trao đổi sợi DNA của RecA hay là do một vài chức năng khác mà sự cảm ứng của nó phụ thuộc vào hoạt tính protease.

Sự sai hỏng xuất hiện có thể do chiếu tia UV (hầu hết trong các trường hợp nghiên cứu) hoặc do các nhân tố liên kết chéo hoặc sự alkyl hóa (alkylation). Sự ức chế tái bản do một số phương thức như thiếu hụt (deprivation) thymine, bổ sung thêm thuốc, hoặc các đột biến trong một số gen dna, có cùng hiệu quả.

Đầu tiên là hoạt hóa RecA bằng xử lý sai hỏng. Chúng ta không biết nhiều về mối quan hệ giữa sự sai hỏng và sự thay đổi đột ngột trong hoạt tính RecA. Một biến động của các trường hợp sai hỏng có thể cảm ứng phản ứng SOS. Hiện nay, người ta thiên về ý kiến cho rằng RecA được hoạt hóa bởi một số chất trung gian trong chuyển hóa DNA.

Tín hiệu cảm ứng có thể chứa một phân tử nhỏ được phóng thích từ DNA; hoặc nó có thể là một vài cấu trúc được tạo thành trong chính DNA. Ở điều kiện in vitro, hoạt tính của RecA đòi hỏi sự có mặt của DNA sợi đơn và ATP. Vì thế, một vài tín hiệu có thể hiện diện ở vùng sợi đơn ở một vị trí sai hỏng. Sự tương tác của nó với RecA là nhanh: phản ứng SOS xảy ra trong một vài phút xử lý sai hỏng.

Tóm lại. RecA và LexA là các mục tiêu chung trong hộp SOS: RecA khởi động sự phân giải của LexA, nhân tố ức chế recA và chính nó. Vì thế, phản ứng SOS tạo ra sự khuếch đại của cả hai protein RecA và chất ức chế LexA. Kết quả là không còn mâu thuẫn như lúc đầu nữa.

Việc tăng mức độ biểu hiện của protein RecA cần thiết cho vai trò trực tiếp của nó trong các phương thức sửa chữa-tái tổ hợp. Về sự cảm ứng, nồng độ của RecA được tăng lên 50 lần so với nồng độ ban đầu của nó khoảng 1.200 phân tử/tế bào. Nồng độ cao ở các tế bào được cảm ứng có nghĩa là có đủ RecA để đảm bảo rằng tất cả protein LexA bị phân giải.

III. Bảo vệ DNA: Hệ thống cắt hạn chế (R)-Biến đổi (M)

Ngoài các hệ thống sửa sai, tế bào còn có hệ thống bảo vệ DNA. Các vi khuẩn có hệ thống miễn nhiễm hiệu quả DNA lạ, đó là: hệ thống cắt hạn chế-biến đổi (restrictionmodification system) hiện diện trong nhiều loài vi khuẩn, trong đó DNA được biến đổi bởi các enzyme đặc hiệu.

Sự biến đổi xảy ra nhằm mục đích bảo vệ DNA chống lại sự phân hủy enzyme (cắt hạn chế) bởi các endonuclease của chính chúng. Sự biến đổi bao gồm một kiểu đặc trưng của phản ứng methyl hóa các gốc nucleotide trong DNA. Bằng cách dùng Sadenosylmethionine như là một chất cho, các enzyme methyl hóa (methylase) sẽ hoạt động trên DNA sợi đôi (dsDNA). Các vị trí mà ở đó có sự biến đổi cũng được nhận biết bởi các enzyme hạn chế (restriction enzyme, RE) tương ứng, tuy nhiên các enzyme hạn chế không thể cắt DNA trong các vị trí đã được biến đổi này ở một hoặc cả hai sợi DNA.

Các vi sinh vật prokaryote lẫn eukaryote đều có các enzyme methyl hóa gắn nhóm CH3 ở những điểm nhất định trên phân tử DNA. Các enzyme này có tính đặc hiệu cao chuyên hóa cho từng dòng vi khuẩn, vì thế DNA của mỗi dòng vi khuẩn chỉ được methyl hóa ở những vị trí đặc biệt nhất định. Nhờ đó, mỗi vi khuẩn dễ dàng phân biệt DNA của bản thân chúng với DNA ngoại lai (foreign DNA) (ví dụ: DNA của bacteriophage) xâm nhập vào trong tế bào. Các enzyme cắt hạn chế là một loại endonuclease của mỗi dòng vi khuẩn (xem chương 9), không cắt DNA của chúng vì đã được methyl hóa ở những điểm cần thiết mà chỉ cắt DNA ngoại lai (của bacteriophage) do chúng không được methyl hóa ở những vị trí nhất định.

Các cơ chế chủ yếu biến đổi của DNA của nó một cách đặc hiệu và cắt hạn chế (restriction) các phân tử DNA không được đánh dấu. Hệ thống R-M ngăn chặn DNA ngoại lai không có hoạt động chức năng nhưng có thể thực hiện tái tổ hợp.

Hệ thống R-M có hai tính chất căn bản:

- Hoạt tính restriction (cắt hạn chế) đặc hiệu chống sự xâm nhập của DNA ngoại

lai.

- Hoạt tính bảo vệ DNA của bản thân nó.

Hệ thống R-M lần đầu tiên được phát hiện khi nghiên cứu hiện tượng nhiễm bacteriophage vào E. coli. Sự biến đổi thường là methyl hóa nhóm 6-NH2 của adenine ở những trình tự nucleotide đặc hiệu trong hệ thống kiểu II, C5 của cytosine được methyl hóa. Cắt hạn chế được thực hiện do các hệ thống endonuclease. Chúng nhận biết các điểm đặc hiệu ít nhất ở một sợi DNA không bị biến đổi. Endonuclease cắt đứt sợi ở nhiều điểm nhận biết và sau đó các đoạn ngắn được cắt bằng nucleotide khác.

Phần lớn các DNA bị biến đổi có các đặc tính di truyền không ổn định. Sự methyl hóa thường mất qua tái bản trong tế bào chủ.

Các nghiên cứu cho thấy ở chủng E. coli B có 3 gen liên kết chặt với nhau mã hóa cho 3 sản phẩm khuếch tán: các polypeptide phục vụ cho sự cắt hạn chế, cho sự biến đổi và tạo sự đặc hiệu của điểm nhận biết.

DNA sợi kép nhạy cảm hơn với sự biến đổi và cắt hạn chế. Các bacteriophage sợi đơn như M13 và  X 174 ít bị tác động hơn. Sự biến đổi của một sợi DNA đủ để miễn nhiễm DNA lạ. Do vậy, DNA tái bản bán bảo tồn được bảo vệ bởi methyl hóa sợi khuôn.

1. Các methylase của R-M

Methylase là enzyme có hoạt tính xúc tác gắn một nhóm methyl vào một phân tử, ví dụ: DNA methyltransferase có chức năng methyl hóa các gốc C trong DNA.

Enzyme methylase tạo ra một cặp adenine methyl hóa (hoặc cytosine) có vị trí đối xứng chéo nhau. Các methylase có liên quan chặt chẽ với các kiểu cắt hạn chế.

- Kiểu I. Các RE có thể tiến hành cả hai sự biến đổi và cắt hạn chế. Một RE kiểu I bao gồm ba tiểu đơn vị khác nhau (R, M và S) chịu trách nhiệm tương ứng cho việc cắt hạn chế, biến đổi và nhận biết trình tự. Ví dụ: EcoB và EcoK (từ E. coli chủng B và K), các trình tự nhận biết của hai enzyme này là TGA(N)8TGCT đối với EcoB và AAC(N)6GTGC đối với EcoK (trong đó N là một trong bốn loại nucleotide). Nếu vị trí nhận biết không được methyl hóa trong một sợi, thì enzyme RE sẽ methyl hóa sợi đó, nhưng nếu cả hai sợi đều không được methyl hóa thì enzyme RE sẽ cắt DNA (cần có ATP). Phản ứng cắt xuất hiện ở một vị trí không đặc hiệu >1000 bp tính từ trình tự nhận biết; rõ ràng là enzyme duy trì liên kết ở vị trí nhận biết của nó, và DNA được di chuyển qua một vị trí thứ hai trên enzyme hướng tới một vị trí cắt hạn chế.

- Kiểu II. Các RE là dạng chung nhất trong vi khuẩn; chúng chỉ thực hiện phản ứng cắt hạn chế-còn sự biến đổi được tiến hành bởi một enzyme riêng biệt. Trình tự nhận biết cho hầu hết các enzyme này là các trình tự palindrome ngắn (ví dụ: EcoRI nhận biết GAATTC) và thực hiện phản ứng cắt (không cần ATP) ở trong hoặc gần kề với vị trí nhận biết. Một vài RE kiểu II cắt cả hai sợi ở cùng vị trí để tạo ra đầu bằng , trong khi các RE khác lại tạo ra đầu dính. Các RE kiểu II là công cụ hữu ích trong công nghệ DNA tái tổ hợp.

- Kiểu III. Các RE này tương tự các enzyme kiểu I. Mỗi RE kiểu III có hai tiểu đơn vị; nó nhận biết một trình tự đối xứng ngắn, và tạo ra một đầu so le (cần có ATP) ở vị trí khoảng 24-26 bp so với vị trí nhận biết. Ví dụ enzyme EcoPI, được mã hóa bởi prophage của bacteriophage P1.

2. Adenine và cytosine methyltransferase ở E. coli

Sự methyl hóa A và C thực hiện rộng rãi ở tất cả các loại DNA. Ở prokaryote (kể các bacteriophage và plasmid), vai trò thể hiện rõ là phân hủy DNA ngoại lai. Vai trò phụ là phân biệt DNA bố mẹ với sợi con mới được tổng hợp trong phục hồi các chỗ bắt cặp sai. Ở prokaryote, các sinh vật không có hệ thống cắt hạn chế, vai trò chủ yếu của methyl hóa có lẽ ở sự điều hòa biểu hiện của gen.

Bên cạnh các methylase của hệ thống R-M, còn có các methyltransferase khác ở E. coli. Các nucleotide được methyl hóa không gắn trực tiếp vào DNA. Các methylase chuyển nhóm methyl từ S-adenosine methionine sang adenine và cytosine ở những điểm đặc hiệu trên DNA.

3. Sự methyl hóa DNA của eukaryote

Sự methyl DNA của eukaryote có nhiều điểm khác với ở prokaryote:

- Base bị biến đổi chủ yếu ở eukaryote là 5-methylcytosine. Ở động vật có vú, chỉ có 5-methylcytosine là base bị biến đổi, trong đó 90% là trình tự đối xứng CpG.

- Do chưa hiểu biết rõ hệ thống R-M ở eukaryote nên người ta cho rằng có lẽ methyl hóa không góp phần bảo vệ chống sự xâm nhập của DNA ngoại lai.

Sự methyl hóa của DNA động vật có vú góp phần vào sự điều hòa biểu hiện của gen và biệt hóa tế bào. Các nghiên cứu cho thấy có sự tương quan thuận giữa methyl hóa thấp (hyphomethylation) với hoạt tính của gen và ngược lại giữa sự methyl hóa mạnh với bất hoạt của gen. Sự vắng mặt của các nhóm methyl trên DNA của ruồi giấm chứng tỏ rằng sinh vật đã biệt hóa cao có thể hoạt động không cần cơ chế methyl hóa.

Sự methyl hóa ở động vật có vú có thể đóng vai trò:

- Thay đổi trạng thái của DNA và ức chế ái lực của repressor với operator. - Sự methyl hóa được truyền đạt theo dòng tế bào soma.

- Methyl hóa có thể tạo sự khác nhau giữa các mô.

- 5-azacytidine, chất đồng đẳng với cytidine, tác động làm tế bào nguyên bào sợi (fibroblast) biệt hóa thành tế bào cơ, có lẽ do cơ chế ức chế methyl hóa DNA và như vậy hoạt hóa gen tương ứng.

Tài liệu tham khảo/đọc thêm

1. Phạm Thành Hổ. 2003. Di truyền học. NXB Giáo dục, Hà Nội.

2. Võ Thị Thương Lan. 2002. Sinh học phân tử. NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.

3. Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K and Watson JD. 2002. Molecular Biology of the Cell. 3rd ed. Garland Publishing, Inc. New York, USA.

4. Lewin B. 2000. Gene VII. Oxford University Press, Oxford, UK.

5. Watson JD, Hopkins NH, Roberts JW and Weiner AM. 2004. Molecular Biology of the Gene. The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. California, USA.

6. Weaver RF. 2003. Molecular Biology. 2nd ed. McGraw-Hill Company, New York, USA.

Nguồn: Giáo trình Sinh học phân tử- Nguyễn Hoàng Lộc (chủ biên)