Bài giảng Hóa sinh - Chương 3: Sự nhân đôi và sửa chữa của DNA (DNA replication and repair) - Nguyễn Kim Thạch

SỰ NHÂN ĐÔI VÀ SỬA CHỮA CỦA DNA 
(DNA REPLICATION AND REPAIR) 
ThS. Nguyễn Kim Thạch
BM. Hóa Sinh – Sinh Học Phân Tử
Trƣờng ĐH Y Khoa Phạm Ngọc Thạch
E-mail: nguyenkimthach@pnt.edu.vn
1
SƠ ĐỒ TRUYỀN THÔNG TIN DI TRUYỀN 
DNA RNA PROTEIN
DNA
1
2 3
1. NHÂN ĐÔI CỦA DNA (REPLICATION_DNA SYNTHESIS)
2. SAO MÃ (TRANSCRIPTION_RNA SYNTHESIS)
3. DỊCH MÃ (TRANSLATION_PROTEIN SYNTHESIS)
CÁC BASE (PURINE VÀ PYRIMIDINE)
[structure of deoxyadenosine]
Nucleoside
Nucleotide
DANH PHÁP 
Purines
adenine adenosine
guanine guanosine
hypoxanthine inosine
Pyrimidines
thymine thymidine
cytosine cytidine
+ribose 
uracil uridine
Nucleoside Nucleotide
Base +deoxyribose +phosphate 
• polynucleotide chain
• 3’,5’-phosphodiester bond
ii). Structure of the
DNA double helixCấu trúc chuỗi
polynucleotide của DNA
5’
3’
A-T base pair
G-C base pair
Chargaff’s rule: The content of A equals the content of T,
and the content of G equals the content of C
in double-stranded DNA from any species
Liên kết Hydro giữa các base 
Mạch đôi của DNA
Rãnh chính
Rãnh phụ
5’ 3’
5’ 3’3’ 5’
“B” DNA
DNA LÀ 
CỐT LÕI 
CỦA NST
DNA LÀ CỐT 
LÕI CỦA NST
Cấu trúc của chromatin
2 vòng DNA quấn quanh khối
cầu histone
1kb : 55 nm
Sợi 30 nm 
1kb : 17 nm
Beads on
a string
Lõi gồm 8 phân tử histone quấn quanh bởi DNA 
N-TERMINAL TAIL ACCESSIBLE
CẤU TRÚC NUCLEOSOME
Histone octamer = (H2A-H2B)2 + (H3/H4)2
VAI TRÒ CỦA HISTONE
HISTONE
SỬA LỖI 
SAO MÃ 
NHÂN ĐÔI 
DNA
Acetyl hóa
Methyl hóa
Phosphoryl hóa
Ubiquitin hóa
ADP-ribosyl hóa
Sự nén khối và tháo nén của chromosome trong vòng đời tế bào
Telomeres và sự lão hóa
Metaphase chromosome
centromere telomeretelomere
telomere structure
young
senescent
Telomeres “caps” bảo vệ 2
đầu tận cùng của NST, là
trình tự lập liên tiếp 5-8 bp
giàu cặp GC. Bảo vệ NST
Trƣớc quá trình tái sắp xếp và
sát nhập của các NST.
(TTAGGG)many
(TTAGGG)few
• hoạt tính telomerase (enzyme) hoạt động tùy theo chiều dài của telomere ở tế bào
mầm
• sự giảm hoạt tính của telomerase ở các tế bào soma khác nhau và sự cắt ngắn của
NST ở mỗi vòng đời của tế bào. 
12 kb
G0
DNA nhân đôi và tổng
hợp histone
tăng trưởng và
chuẩn bị phân chia
tế bào.
Tăng trưởng nhanh và
chuẩn bị quá trình
nhân đôi DNA.
Các tế bào bão hòa
Phân bào
SỰ NHÂN ĐÔI NST VÀ DNA DIỄN RA Ở PHA S
Sự nhân đôi của DNA và cấu trúc NST ở 
phase S của vòng đời TB. 
Sự nhân đôi sợi DNA (mỗi ~150 kb)
Quả bóng nhân đôi
2 mạch con DNA được sinh ra
Hình thành các quả bóng nhân đôi
Sự nhân đôi đồng thời
Sự nhân đôi DNA mạch gốc của NST
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
3’
5’
5’
3’
SỰ NHÂN 
ĐÔI BẮT 
ĐẦU BẰNG 
VIỆC XÁC 
ĐỊNH ORI
SSB DUY TRÌ SỰ TÁCH ĐÔI 
CỦA ĐOẠN DNA 
SỰ NHÂN ĐÔI DIỄN RA 
TẠI NGÃ BA NHÂN ĐÔI 
•PRIMASE
•POLYMERASE
•HELICASE
PHỨC HỢP PROTEIN TẠI NGÃ BA NHÂN ĐÔI 
DNA POLYMERASE III
SSB 
PROTEINS
HELICASE
PRIMASE
DNA POLYMERASE I
DNA LIGASE OKAZAKI FRAGMENT
Topoisomerase giữ 2 mạch DNA tách rời trong quá trình tháo xoắn bởi
helicase.
SSB cố định 2 mạch đơn DNA trạng thái tách rời và giúp báo hiệu
polymerase trượt nhân bản từ mạch khuôn. 
SỰ NHÂN ĐÔI DIỄN RA TẠI NGÃ BA NHÂN ĐÔI 
•PRIMASE
•POLYMERASE
•HELICASE
DNA TEMPLATE
RNA 
PRIMER
GROWING DNA 
POLYMER
ENTERING dTTP
dNTP GẮN 
VÀO CHUỖI 
DNA ĐANG 
KÉO DÀI TẠI 
VỊ TRÍ 3’
Các thành phần tham gia quá trình nhân đôi của DNA
dnaA gắn vào trình tự DNA mạch gốc
Primasome
dnaB helicase (tháo xoắn DNA của sợi gốc)
dnaC gắn dnaB
dnaG primase (tổng hợp RNA primer)
DNA gyrase nhận biết đầu âm cuộn xoắn DNA tại ngã 3 nhân
đôi
Rep protein helicase (tháo xoắn DNA tạo ngã 3)
SSB gắn vào sợi đơn DNA
DNA pol III polymerase nhân đôi sơ cấp.
DNA pol I loại bỏ primer và gắn liền các đoạn ngắn DNA
DNA ligase gắn liền các đoạn ngắn DNA bằng lk 3’, 5’-
phosphodiester
Đặc điểm của các DNA polymerases
DNA polymerases of E. coli_ 
pol I pol II pol III (core)
Polymerization: 5’ to 3’ yes yes yes
Vùng đọc sửa exonuclease: 3’ to 5’ yes yes yes
Sửa sai exonuclease: 5’ to 3’ yes no no
DNA polymerase III là enzyme chính thực hiện nhân đôi. 
DNA polymerase I giữ vai trò nhân đôi gắn các đoạn ngắn và cắt xén các primer 
trên mạch chậm và sửa sai . Được dùng để tạo DNA tái tổ hợp. 
• Tất cả DNA polymerases cần primer với đầu 3’ có nhóm OH tự do
• Tất cả DNA polymerases xúc tác gắn trực tiếp theo chiều theo chiều 5’ to 3’. 
• 1 số DNA polymerases có khả năng xúc tác vùng đọc sửa 3’ đến 5’ (proofreading)
SỰ NHÂN ĐÔI DNA CẦN RẤT NHIỀU 
ENZYME KHÁC NHAU
SỰ NHÂN ĐÔI 
DNA
DNA 
POLYMERASE
PRIMASEHELICASE
RIBONUCLEASE HDNA LIGASE
TOPOISOMERASE
CƠ CHẾ VƢỢT NUCLEOTIDE LỖI CỦA 
DNA POLYMERASE
QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI DIỄN RA TẠI 
NHIỀU VỊ TRÍ & THEO 2 HƢỚNG 
TELOMERE
LÀ ĐẦU 
MÚT CỦA 
NST
CẤU TRÚC 
TELOMERE
SỰ BẮT CẶP HOOGSTEEN CỦA DNA
Gặp trên đoạn DNA giàu G ở promoter của gen và ở telomere.
VẤN ĐỀ KHI NHÂN ĐÔI DNA TẠI TELOMERE
THÁO XOẮN KHÓ 
KHIẾM KHUYẾT TRONG CƠ 
CHẾ NHÂN ĐÔI DNA 
HELICASE ĐẶC BIỆT
TELOMERASE 
LỖI TRÊN DNA LUÔN ĐƢỢC KIỂM TRA
CƠ CHẾ SỬA SAI 
• Đột biến xảy ra trong quá trình nhân đôi DNA và có thể được
sửa chữa đồng thời bởi cơ chế đọc sửa của DNA polymerase
• Đột biến không được sửa chữa theo cơ chế đọc sửa, sự bắt cặp
sai được sửa chữa bằng cơ chế cắt xén.
• Đột biến phát sinh bất cứ thời điểm nào cũng được sửa chữa
bằng cơ chế cắt xén (cắt xén base hoặc nucleotide).
Sửa chữa bắt cặp sai (hậu nhân đôi)
(giảm sự nhân đôi DNA sai 1.000 lần)
5’
3’
CH3
CH3
CH3
CH3
• mạch DNA gốc được
methyl hóa ở adenine 
• đột biến trên mạch mới được nhận
biết ở vị trí methyl hóa
• các đột biết được sửa chữa bằng cơ chế cắt xén
• sau khi sửa chữa, mạch nhân đôi mới tạo thành được
methyl hóa
Sửa chữa bằng sự cắt xén
ATGCUGCATTGATAG
TACGGCGTAACTATC
thymine dimer
AT AG
TACGGCGTAACTATC
ATGCCGCATTGATAG
TACGGCGTAACTATC
ATGCCGCATTGATAG
TACGGCGTAACTATC
excinuclease
DNA polymerase b
DNA ligase
(~30 nucleotides)
ATGCUGCATTGA
TACGGCGTAACT
ATGC GCATTGA
TACGGCGTAACT
AT GCATTGA
TACGGCGTAACT
Khử amin
ATGCCGCATTGA
TACGGCGTAACT
ATGCCGCATTGA
TACGGCGTAACT
uracil DNA glycosylase
repair nucleases
DNA polymerase b
DNA ligase
Sửa chữa bằng cắt xén Base Sửa chữa bằng cắt xén Nucleotide
Cytosine có thể sửa chữa bằng khử amin (Deamination)
Ở các bệnh di truyền, hơn 30% các base đơn bị biến đổi xảy ra ở vị trí 5’-mCpG-3’ .
5-methylcytosine không thể sửa chữa bằng khử amin.
cytosine uracil
thymine5’-methyl-
cytosine
Hoạt động sửa chữa DNA
Q
u
ãn
g
đ
ờ
i
(s
p
an
 o
f 
li
fe
)
1
10
100 human
elephant
cow
hamster
rat
mouse
shrew
Sự tương quan của hoạt động sửa chữa DNA ở tế bào sợi
(fibroblast cells) từ các dòng tế bào đông vật có vú theo
quãng đời
Những nhƣợc điểm của hoạt động sửa chữa DNA 
Hầu hết các nguyên nhân gây ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể và các đột biến gen; dễ dẫn đến ung
thư, các thể ung thư máu (leukemias).
• Xeroderma pigmentosum (khô sắc tố da)
• nguyên nhân do đột biến gene bao gồm sửa chữa cắt xén nucleotide (nucleotide excision repair)
• nguy cơ ung thư da và các thể khác của nó (melanoma) tăng trên 1000 lần khi tiếp xúc ánh.
• Ataxia telangiectasia (hội chứng giãn mạch)
• nguyên nhân do DNA bị tổn thương
• nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X 
• có liên quan đến tăng nguy cơ gây ung thư vú.
• Fanconi anemia (suy tủy xƣơng bẩm sinh)
• nguyên nhân do gen bao gồm cả do hoạt động sữa chữa DNA
• nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X và ánh nắng mặt trời. 
• Bloom syndrome
• nguyên nhân do đột biến gen bên trong DNA helicase
• nguy cơ tăng khi tiếp xúc tia X 
• Nhạy cảm khi tiếp xúc ánh nắng mặt trời. 
• Cockayne syndrome
• nguyên nhân do ảnh hưởng của quá trình sao mã và sửa chữa DNA 
• Nhạy cảm khi tiếp xúc ánh nắng mặt trời
• Werner’s syndrome
• nguyên nhân do đột biến gen bên trong DNA helicase
• sự lão hóa non.
Các câu hỏi trắc nghiệm lƣợng giá
Câu 1: Base nitơ trong thành phần acid nucleic dẫn
xuất từ nhân
A. Purin, Pyridin
B. Purin, Pyrol
C. Pyrimidin, Purin
D. Pyrimidin, Imidazol
E. Pyridin, Indol
Câu 2: Ở điều kiện sinh lý, DNA trong nhiễm sắc thể có
các đặc điểm, trừ
A. Có cấu trúc phụ thuộc các pha trong chu kỳ tế bào
B. Có những chỗ xoắn cuộn chặt phân bố không đều
C. Quấn quanh các phức hợp protein histone
D. Khó tương tác với các phức hợp protein giữ nhiệm vụ
sao mã
E. Không thể phân biệt được với DNA trong ty thể
Câu 3: Liên quan đến tổng hợp DNA, câu nào
sau đây ĐÚNG
A. DNA nhân đôi theo cơ chế bán bảo tồn
B. Quá trình tổng hợp DNA xảy ra theo chiều 3’-5’
C. DNA polymerase giúp nhận biết điểm khởi đầu
D. DNA gyrase giúp DNA mở xoắn dễ dàng
E. Tất cả các câu trên đều đúng.
Câu 4: Quá trình nhân đôi DNA bắt đầu
bằng hiện tƣợng.
A. Tạo đoạn mồi
B. Tách chuỗi DNA đôi thành chuỗi đơn
C. Tháo xoắn chuỗi DNA
D. Nhận diện các vị trí Ori
E. Các câu trên đều sai
Câu 5: Trong quá trình nhân đôi DNA, ngã ba
nhân đôi là nơi xảy ra các quá trình sau, trừ.
A. Các protein SSB gắn kết với DNA
B. Helicase tháo xoắn mạnh mẽ
C. Primase tổng hợp đoạn mồi
D. Polymerase gắn các nucleotide tự do vào đoạn DNA 
đang được tổng hợp
E. Ligase liên tục nối các đoạn okazaki