Mục lục bài họcĐang ở d07-b2
Gene Expression, Mutation and the Cell Cycle
Transcription and translation
RNA polymerase binds the promoter and copies only the template strand of a gene, so the mRNA produced carries the same sequence as the coding strand with uracil in place of thymine. At the ribosome, whose catalytic core is made of rRNA, each three-base codon of the mRNA is read by the complementary anticodon of a tRNA that carries one specific amino acid.
- A silent mutation changes a base but not the amino acid, because the genetic code is degenerate.
- A missense mutation puts a different amino acid into the chain.
- A nonsense mutation creates a premature stop codon, truncating the protein.
- A frameshift, caused by an insertion or deletion, misreads every codon downstream.
The cell cycle
Interphase consists of $G_1$ (growth), $S$ (DNA replication) and $G_2$ (preparation). Mitosis then runs through prophase, metaphase, anaphase and telophase, and cytokinesis divides the cytoplasm. Cyclins rise and fall to push the cell through checkpoints; when checkpoint control is lost, a mutated proto-oncogene becomes an oncogene and division becomes uncontrolled. The mitotic index, the proportion of cells visibly in mitosis, is used to estimate how quickly a tissue divides.
One genome, many proteomes
Every somatic cell carries the same genome, yet a neurone and a liver cell contain very different proteins. The difference is differential gene expression: specific transcription factors bind regulatory sequences, prokaryotes switch whole operons on and off, and epigenetic marks such as DNA methylation silence promoters without altering the base sequence.
Phiên mã và dịch mã
RNA polymerase gắn vào promoter (vùng khởi động) rồi chỉ chép lại template strand (mạch khuôn). Hệ quả cần thuộc: mRNA giống hệt mạch coding strand, chỉ thay T bằng U. Tại ribosome — lõi xúc tác của nó làm bằng rRNA — mỗi codon ba base trên mRNA bắt cặp với anticodon bổ sung của một tRNA mang sẵn một axit amin.
- Silent mutation — đổi base nhưng không đổi axit amin, vì mã di truyền có tính thoái hoá (nhiều codon cùng mã cho một axit amin).
- Missense mutation — thay một axit amin bằng axit amin khác.
- Nonsense mutation — sinh ra một stop codon sớm, chuỗi bị cắt cụt.
- Frameshift — thêm hoặc mất một base làm lệch khung đọc, mọi codon phía sau đọc sai hết.
Chu kỳ tế bào
Interphase gồm $G_1$ (lớn lên), $S$ (nhân đôi ADN) và $G_2$ (chuẩn bị). Sau đó mitosis đi qua bốn kỳ: prophase, metaphase, anaphase, telophase; rồi cytokinesis chia tế bào chất. Nồng độ cyclin lên xuống theo nhịp để đẩy tế bào qua các checkpoint (điểm kiểm soát). Mất kiểm soát ở checkpoint thì một proto-oncogene đột biến thành oncogene và tế bào chia vô hạn — đó là gốc của ung thư. Mitotic index là tỉ lệ tế bào đang thấy rõ ở kỳ phân bào trên tiêu bản, dùng để ước lượng mô đó chia nhanh hay chậm.
Cùng một genome, khác nhau ở proteome
Mọi tế bào sinh dưỡng đều mang cùng một genome, nhưng tế bào thần kinh và tế bào gan chứa các protein rất khác nhau. Cơ chế là differential gene expression: mỗi loại tế bào có một bộ transcription factor riêng gắn vào các trình tự điều hoà; ở sinh vật nhân sơ cả một operon được bật tắt cùng lúc; và các dấu epigenetic như DNA methylation khoá promoter lại mà không đổi một base nào.
Dùng trình tự trong sơ đồ của bài (coding strand 5'-ATG GTC AAG CCA TGA-3'). (a) Viết mARN và chuỗi axit amin. (b) Codon thứ ba AAG bị đổi thành AAA; (c) codon thứ hai GTC bị đổi thành TGA; (d) mất một base G ở đầu codon thứ hai. Gọi tên ba đột biến đó và nêu hậu quả.
(a) mARN: 5'-AUG GUC AAG CCA UGA-3'. Tra bảng mã: AUG là Met và cũng là start codon, GUC là Val, AAG là Lys, CCA là Pro, UGA là stop codon. Chuỗi thu được: Met – Val – Lys – Pro, dài bốn axit amin.
(b) AAG → AAA. Trên mARN codon đổi từ AAG thành AAA. Tra bảng: cả hai đều mã cho Lys. Chuỗi không đổi một chữ nào, nên đây là silent mutation. Nó tồn tại được là nhờ mã di truyền thoái hoá: base thứ ba của codon thường ít quan trọng nhất.
(c) GTC → TGA. Trên mARN codon đổi từ GUC thành UGA, mà UGA là stop codon. Ribosome dừng ngay sau Met, chỉ ra một axit amin. Đây là nonsense mutation — thường nặng nhất trong ba loại thay thế base, vì protein cụt gần như chắc chắn mất chức năng.
(d) Mất một base. Trình tự thành ATG TCA AGC CAT GA…, tức mARN là AUG UCA AGC CAU… Từ codon thứ hai trở đi mọi codon đều lệch khung: Ser thay cho Val, Ser thay cho Lys, His thay cho Pro. Đây là frameshift, và nó nguy hiểm hơn hẳn một thay thế base vì phá toàn bộ phần còn lại của gen, lại hay tạo stop codon sớm ở một chỗ ngẫu nhiên phía sau.
Dùng số liệu trong sơ đồ chu kỳ tế bào của bài ($G_1 = 11$ h, $S = 8$ h, $G_2 = 4$ h, $M = 1$ h). Một tiêu bản đầu rễ có $840$ tế bào chia không đồng bộ. (a) Tính mitotic index và số tế bào dự kiến đang ở pha S. (b) Một mẫu mô khác cho mitotic index $12,5\%$. Nhận xét.
(a) Tổng chu kỳ $= 11 + 8 + 4 + 1 = 24$ giờ. Với quần thể chia không đồng bộ, tỉ lệ tế bào bắt gặp ở một pha bằng đúng tỉ lệ thời gian pha đó chiếm trong chu kỳ.
Mitotic index $= 1/24 = 0,0417$, tức khoảng $4,2\%$. Số tế bào ở pha S $= 840 \times 8/24 = 280$ tế bào. Nhân tiện kiểm tra: số tế bào ở pha M $= 840 \times 1/24 = 35$, và $35/840$ đúng bằng $4,2\%$ — hai cách tính khớp nhau.
(b) Mitotic index $12,5\%$ tức khoảng ba lần con số bình thường. Diễn giải đúng là: trong mô đó, pha M chiếm một phần lớn hơn của chu kỳ, nghĩa là chu kỳ tế bào đã bị rút ngắn — interphase ngắn lại chứ pha M không dài ra. Đây là dấu hiệu mô đang tăng sinh rất nhanh.
Trong bệnh học, mitotic index cao là một trong các chỉ số dùng để xếp độ ác tính của khối u, vì mất kiểm soát checkpoint làm tế bào bỏ qua các chốt $G_1$ và $G_2$ và lao thẳng vào lần chia kế tiếp. Nhưng phải cẩn thận: mô phôi và mô đầu rễ bình thường cũng có chỉ số cao, nên con số này chỉ có nghĩa khi so với mô cùng loại.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme D1–D2 — DNA Replication, Cell Cycle and Gene Expression gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.