Khác biệt giữa các bản “Tái tổ hợp tương đồng”

Bước tới điều hướng Bước tới tìm kiếm
Biên soạn hoàn thành.
(→‎Lược sử nghiên cứu: Biên soạn tiếp)
(Biên soạn hoàn thành.)
[[Tập_tin:Morgan_crossover_1.jpg|nhỏ|Hình 1: Ảnh chụp lại trang sách của Morgan (1916) mô tả cơ chế tái tổ hợp tương đồng đầu tiên.]]
'''Tái tổ hợp tương đồng''' là một kiểu tái tổ hợp gen trong đó các trình tự nuclêôtit của hai đoạn ADN tương ứng nhau được trao đổi cho nhau.<ref name=":0">{{Chú thích web|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3087377/|tiêu đề=Xuan Li & Wolf-Dietrich Heyer: 'Homologous recombination in DNA repair and DNA damage tolerance'|website=}}</ref><sup>,</sup> <ref>Campbell: 'Sinh học' - NXB Giáo dục, 2010.</ref>
Thuật ngữ này xuất xứ từ tiếng Anh '''homologous recombination''' (viết tắt: HR, tức là tái tổ hợp tương đồng) dùng để chỉ trao đổi các đoạn ADN tương ứng nhau giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng.<ref name=":0">{{Chú thích web|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3087377/|tiêu đề=Xuan Li & Wolf-Dietrich Heyer: 'Homologous recombination in DNA repair and DNA damage tolerance'|website=}}</ref><sup>,</sup> <ref>Campbell: 'Sinh học' - NXB Giáo dục, 2010.</ref>
 
Thuật ngữ này xuất xứ từ tiếng Anh '''homologous recombination''' (viết tắt: HR, tức là tái tổ hợp tương đồng) dùng để chỉ trao đổi các đoạn ADN tương ứng nhau giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng.<refTrong name=":0">{{Chúbài thíchnày, web|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3087377/|tiêuthuật đề=Xuanngữ Li''tái &tổ Wolf-Dietrichhợp Heyer:tương đồng''Homologous recombinationsẽ inthường DNAviết repairtắt andtheo DNAtiếng damageAnh tolerance'|website=}}</ref><sup>,</sup> <ref>Campbell:từ 'Sinh'homologous họcrecombination'' - NXB Giáo dục, 2010HR.</ref>
Vì quá trình này diễn ra trong giảm phân, nên cũng còn gọi là tái tổ hợp giảm phân (meiotic recombination).<ref>{{Chú thích web|url=https://www.nature.com/scitable/topicpage/meiosis-genetic-recombination-and-sexual-reproduction-210|tiêu đề=Clare O'Connor: 'Meiosis, Genetic Recombination, and Sexual Reproduction'|website=}}</ref>
 
Vì quá trình này diễn ra trong giảm phân của sinh vật nhân thực, nên cũng còn gọi là tái tổ hợp giảm phân (meiotic recombination), hay tái tổ hợp nhân thực. Thêm vào đó, cả vi khuẩn cũng có HR, nên trường hợp này gọi là tái tổ hợp nhân sơ.<ref>{{Chú thích web|url=https://www.nature.com/scitable/topicpage/meiosis-genetic-recombination-and-sexual-reproduction-210|tiêu đề=Clare O'Connor: 'Meiosis, Genetic Recombination, and Sexual Reproduction'|website=}}</ref>
==Lược sử nghiên cứu==
*Năm 1905, [[William Bateson]], [[Edith Rebecca Saunders]] và [[Reginald Punnett]] đã phát hiện một số ngoại lệ không tuân theo [[quy luật Mendel]] mới được phát hiện lại cách đó không lâu. Trong đó nổi bật là thí nghiệm trên cây đậu thơm: Cây PpLl tự thụ phấn không sinh ra kiểu hình phân li theo tỉ lệ 9:3:3:1, mà lại là xấp xỉ 14:1:1:3. HọĐây là thí nghiệm đầu tiên đề cập tới tái tổ hợp, nhưng họ đã giả thuyết rằng các gen P/p và L/l là "cặp đôi" với nhau (xem chi tiết ở trang [[Gen liên kết]]).
*Nhưng sauSau đó, vào khoảng năm 1910 - 1915, [[Thomas Hunt Morgan]] đã phát hiện và giải thích cơ chế đó là do [[gen hoán vị]]. Trong quá trình này, đoạn nhiễm sắc thể mang các gen trên cặp nhiễm sắc thể không chị em đã đổi chỗ cho nhau. Nghĩa là đoạn nhiễm sắc thể này chuyển vị sang vị trí tương ứng trên nhiễm sắc thể kia và ngược lại, do đó sự trao đổi "có đi, có lại" giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng, tạo ra biến dị "tái tổ hợp" (hình 1).
*Bởi thế, sau này xuất hiện thuật ngữ '''tái tổ hợp tương đồng''' để chỉ bản chất tế bào học của hiện tượng này là trao đổi vật chất di truyền (mà mãi sau này mới xác định chính xác là ADN) giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng với nhau.
*Vào khoảng cuối những năm 1940, Harriet Creighton và nhất là [[Barbara McClintock]] đã chứng minh chi tiết hơn sự trao đổi chéo xảy ra trong quá trình giảm phân ở nhiều loài sinh vật nhân thực.<ref>{{Chú thích web|url=https://www.nature.com/scitable/topicpage/thomas-hunt-morgan-genetic-recombination-and-gene-496|tiêu đề=Ingrid Lobo & Kenna Shaw: 'Thomas Hunt Morgan, Genetic Recombination and Gene Mapping'|website=}}</ref>
*Đến năm 1947, nhà vi sinh vật học Joshua Lederberg (hình 2) đã chứng minh vi khuẩn cũng có khả năng giống như sinh sản hữu tính, trong đó có tái tổ hợp gen và đã giành giải Nobel năm 1958.<ref>{{Chú thích web|url=https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1958/summary/|tiêu đề=The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1958.|website=}}</ref>
# Cùng lúc, có sự trao đổi ngược lại: một đoạn ADN ở nhiễm sắc thể tương đồng kia cũng bị cắt, di chuyển sang vị trí tương ứng ở nhiễm sắc thể tương đồng với nó, kết nối vào vị trí đó.<ref>{{Chú thích web|url=https://www.britannica.com/science/homologous-recombination|tiêu đề=Homologous recombination|website=}}</ref><br>
*Như vậy, tái tổ hợp tương đồng là một hình thức tái tổ hợp di truyền trong đó các trình tự nuclê-ô-tit được trao đổi lẫn nhau giữa hai phân tử ADN tương tự nhau hoặc giống hệt nhau.
==Vai trò==
*Hình thức nàyHR được các tế bào sống sử dụng rất phổ biến để sửa chữa các sai sót có hại xảy ra trên cả hai mạch đơn ADN khi nhân đôi, theo cơ chế double-strand breaks (viết tắt: DSB, tức là phá vỡ sợi đôi). Quá trình tái tổ hợp tương đồng có thể tạo ra tổ hợp gen mới trong giảm phân, khi hình thành giao tử của sinh vật bậc cao (eukaryote). Nó cũng xảy ra ở vi khuẩn trong quá trình chuyển gen ngang để trao đổi vật liệu di truyền giữa các chủng vi khuẩn. Nhờ đó, tạo điều kiện cho các quần thể có nhiều biến dị thích nghi trong tiến hóa.<ref name=":0" />
*Ngoài vai trò đầu tiên của HR là khả năng phát sinh các alen mới, cung cấp sự đa dạng di truyền giúp chọn lọc tự nhiên hoạt động, thì vai trò thứ hai của HR là được tế bào sử dụng để sửa chữa một số loại tổn thương ADN nhất định giúp cân bằng trong của hệ gen. Thứ ba : ở một số trường hợp ngoại lệ, tái tổ hợp tương đồng là cần thiết cho sự phân hoá thích hợp các nhiễm sắc thể tương đồng trong giảm phân.<ref>{{Chú thích web|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3151733/|tiêu đề=Wayne P. Wahls: Meiotic Recombination Hotspots...|website=}}</ref>
 
==Cơ chế tái tổ hợp tương đồng==
===Sinh vật nhân thực===
 
* [[Sinh vật nhân thực]] (Eukaryota, cũng gọi là sinh vật nhân chuẩn) có các [[nhiễm sắc thể]], thường tồn tại thành từng cặp tương đồng, trong mỗi cặp thì một chiếc nhận từ bố còn chiếc kia nhận từ mẹ (HRkhác nguồn). Sự tiếp hợp dẫn đến bắt chéo giữa các cặp nhiễm sắc thể tương đồng là cần thiết cho sự phân chia tế bào để [[hình thành giao tử]]. Trong quá trình này, tế bào tái tổ hợp tương đồng qua cơ chế trình bày ở trang [[gen hoán vị]], trong đó sợi đôi ADN bị đứt (tự nhiên hoặc do đột biến) sẽ được sửa chữa lại để tránh bị sai sót và hỏng trình tự nuclêôtit trong quá trình nhân đôi, dẫn đến sự tái sắp xếp lại các trình tự nuclêôtit đó ở hai nhiễm sắc thể tương đồng khác nguồn. Ngoài* raTheo những ngiên cứu gần đây, việcsự tái tổ hợp kết hợp với sửa chữa như thế không phải có thể xảy ra ở bất cứ vị trí nào trên ADN nàycủa cònnhiễm sắc thể, mà chỉ ở những vị trí xác định gọi là '''điểm nóng tái tổ hợp''' (recombination hotspots).<ref>{{Chú thích web|url=https://www.nature.com/scitable/content/Meiotic-recombination-hot-spots-and-cold-spots-35624|tiêu đề=Meiotic recombination hot spots and cold spots.|website=}}</ref> Sự bắt chéo các nhiễm sắc thể thường bắt đầu chỉ khi có loại prôtêin gọi là Spo11 tạo ra sựmột đachỗ dạngđứt ditrong truyềnchuỗi trongkép giảmADN phânđích (cũng gọi là ADN mục tiêu).<ref>{{Chú thích web|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9039264|tiêu đề=Keeney S, Giroux lợiCN, choKleckner quáN: trìnhMeiosis-specific tiếnDNA hoádouble-strand breaks...|website=}}</ref> Thường thì "điểm nóng" này dài khoảng 1.000 - 2.000 bp trên ADN sẽ diễn ra HR.
* Mô hình/con đường tái tổ hợp có khá nhiều, mỗi mô hình/con đường là một giả thuyết xây dựng trên các dữ liệu khoa học, thích hợp với những giai đoạn nhất định trong chu kì tế bào:.
* Theo những ngiên cứu gần đây, sự tái tổ hợp kết hợp với sửa chữa như thế không phải có thể xảy ra ở bất cứ vị trí nào trên ADN của nhiễm sắc thể, mà chỉ những vị trí xác định gọi là '''điểm nóng tái tổ hợp''' (recombination hotspots).<ref>{{Chú thích web|url=https://www.nature.com/scitable/content/Meiotic-recombination-hot-spots-and-cold-spots-35624|tiêu đề=Meiotic recombination hot spots and cold spots.|website=}}</ref> Sự bắt chéo các nhiễm sắc thể thường bắt đầu chỉ khi có prôtêin gọi là Spo11 tạo ra một chỗ đứt trong chuỗi kép ADN đích (mục tiêu).<ref>Keeney S, Giroux CN, Kleckner N: "Meiosis-specific DNA double-strand breaks are catalyzed by Spo11, a member of a widely conserved protein family"</ref> Thường thì "điểm nóng" này định vị trên đoạn ADN có chiều dài khoảng 1.000 - 2.000 bp.
* Mô hình/con đường tái tổ hợp có khá nhiều, mỗi mô hình/con đường là một giả thuyết xây dựng trên các dữ liệu khoa học, thích hợp với những giai đoạn nhất định trong chu kì tế bào:
** Mô hình sớm nhất là mô hình Holliday (xem ở trang [[gen hoán vị]] có giới thiệu sơ lược).
** Mô hình thứ banữa là [[con đường SDSA]] (viết tắt từ synthesisSynthesis-dependentDependent Strand Annealing) mô tả có sợi ADN 3 xâm nhập dọc theo 2 sợi đôi ADN nhờ ADN pôlymêraza rồi được giải phóng khi "ngã tư Holliday" hình thành và qua một quá trình được gọi là di chuyển nhánh (hình strand3, annealingphải).<ref name=":1">{{Chú thích web|url=https://www.nature.com/scitable/content/repair-of-dna-double-strand-breaks-by-41523|tiêu đề=Repair of DNA double-strand breaks by DSBR and SDSA.|website=}}</ref>
** [[Mô hình DSBR]] (viết tắt từ doubleDouble-strandStrand breakBreak repairRepair) bổ sung cho con đường SDSA ở giai đoạn sau khi cắt bỏ, xâm nhập và tổng hợp sợi ADN.<ref name=":1" /> (xem giới thiệu sơ lược ở trang [[gen hoán vị]] và hình 3, dưới đâytrái).
** Con đường SDSASSA (viết tắt từ synthesisSingle-dependentStrand strand annealingAnnealing) mô tả sự sợitái ADNtổ 3hợp xâmtương nhậpđồng dọc theosửa 2chữa đứt sợi đôi ADN giữa nhờ ADN pôlymêraza rồi được giải phóng khi "ngã tư Holliday" hình thành và qua một quáhai trình đượctự gọilặp là di chuyển nhánhlại (hình 3, phải4).
** Con đường BIR (viết tắt từ Break-inducedInduced replicationReplication) là con đường tái tổ hợp tương đồng (HR) có sửa chữa các điểm đứt ADN chỉ có một đầu, nghĩa là việc sửa chữa xảy ra ở chạc nhân đôi (chạc chữ Y theo cách dịch ở ta <ref>SGK "Sinh học 12" - NXB Giáo dục, 2016.</ref>) khi bị hỏng mà vẫn cho phép chóp nhiễm sắc thể (telomere) vẫn kéo dài đạt yêu cầu ngay cả khi không có enzym telômêraza.<ref>{{Chú thích web|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3915057/|tiêu đề=Break-induced replication: functions and molecular mechanism|website=}}</ref>
** Con đường SSA (viết tắt từ single-strand annealing) mô tả sự tái tổ hợp tương đồng có sửa chữa đứt sợi đôi ADN giữa hai trình tự lặp lại (hình 4).
** Con đường BIR (viết tắt từ Break-induced replication) là con đường tái tổ hợp tương đồng (HR) có sửa chữa các điểm đứt ADN chỉ có một đầu, nghĩa là việc sửa chữa xảy ra ở chạc nhân đôi (chạc chữ Y theo cách dịch ở ta <ref>SGK "Sinh học 12" - NXB Giáo dục, 2016.</ref>) khi bị hỏng mà vẫn cho phép chóp nhiễm sắc thể (telomere) vẫn kéo dài đạt yêu cầu ngay cả khi không có enzym telômêraza.<ref>{{Chú thích web|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3915057/|tiêu đề=Break-induced replication: functions and molecular mechanism|website=}}</ref>
 
<gallery>
Tập tin:Joshua Lederberg crop.jpg|Hình 2: Joshua Lederberg.
Tập tin:HR schematic diagram.svg|Hình 3. ConPhần đầu con đường DSBR và SDSA ban đầu tương tựnhư nhau, sau phân tách.thì DSBR thường dẫn đến trao đổi chéchéo (dưới cùng bên trái), còn SDSA lạicó thể không trao đổi chéo (dưới cùng bên phải).
Tập tin:SingleStrandAnnealing animated.svg|Hình 4: Con đường SSA xảy ra giữa hai trình tự lặp lại (màu tím) trên cùng một đoạn ADN dẫn đến mất thông tin di truyền.
Tập tin:Chi Recombination Model for Wikipedia.tif|Hình 5: Sơ đồ minh hoạ con đường HR do RecBCD ở vi khuẩn.
</gallery>
 
=== Ở vi khuẩn ===
 
CÒN TIẾP
* Vi khuẩn chỉ có 1 ADN-NST (ADN vòng ở vùng nhân), nhưng cũng có HR. Quá trình HR đã được nghiên cứu nhiều nhất và được hiểu rõ nhất ở trực khuẩn lị ''Escherichia coli''. Mặc dù quá trình này khác đáng kể so với tái tổ hợp giảm phân (tức tái tổ hợp tương đồng nhân thực), nhưng nó cũng có trao đổi 2 đoạn ADN, nên cũng gọi là HR.
* HR ở loài vi khuẩn này đã được phát hiện là có ít nhất 25 sản phẩm của gen tham gia, chủ yếu gồm RecA, RecBCD (exonuclease V), RecE (exonuclease VIII), RecF, RecG, RecJ, RecN, Recor, RecQ, RecT, RuvAB, RuvC, SbcCD, và prôtêin SSB (căng mạch), cũng như ADN pôlymêraza I , ADN gyraza, ADN tôpôizômêraza I, ADN ligaza và ADN hêlicaza. Các hoạt động do các sản phẩm này (chủ yếu là enzym) bao gồm ghép cặp ADN tương đồng và trao đổi sợi, tháo xoắn và tách mạch ADN, di chuyển nhánh, liên kết và phân cắt liên kết Holliday, gắn liền các đoạn.<ref>{{Chú thích web|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC372975/|tiêu đề=S.C Kowalczykowski, D.A Dixon, A.K Eggleston, S.D Lauder & W.M Rehrauer:
Biochemistry of homologous recombination in E.coli.|website=}}</ref> Sau đây chỉ giới thiệu về con đường tái tổ hợp RecBCD.
* RecBCD là một phức hợp enzym gồm 3 tiểu đơn vị gọi là RecB, RecC và RecD gắn kết với nhau. Khi phức hợp này di chuyển dọc sợi ADN-NST kép trong lúc nhân đôi, thì nó sẽ khởi tạo HR bằng tháo xoắn ADN và tách đôi mạch khi gặp một chuỗi nuclêôtit gọi là Chi (xem chi tiết ở trang [[Vị trí KAI]]). Sau đó là 4 giai đoạn sinh hóa: 1 = xử lý phân tử ADN thành các đoạn tái tổ hợp phù hợp ; 2 = ghép nối các đoạn ADN thích hợp ; 3 = trao đổi sợi ADN và mở rộng ADN ; 4 = phân giải cấu trúc bắt chéo.<ref>{{Chú thích web|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2593567/|tiêu đề=Mark S. Dillingham & Stephen C. Kowalczykowski:
RecBCD Enzyme and the Repair of Double-Stranded DNA Breaks|website=}}</ref>
**RecBCD trượt đến vị trí KAI.
**RecBCD tháo xoắn và cắt hai sợi ADN tạo nên 2 "đuôi" vòng lặp.
**Hai "đuôi" được ủ, tạo ra vòng lặp thứ hai.
**RecBCD tải prôtêin RecA lên đuôi ở vị trí KAI.
**Một đoạn ADN hai mạch còn nguyên vẹn được tải lên, tạo vòng lặp D.
**Vòng lặp D và ADN ban đầu tạo nên "ngă tư" Holliday (cấu trúc 4 sợi bắt chéo).
**Giải tán cấu trúc bắt chéo.
**Xem mô tả con đường RecBCD ở hình 5.
==Ứng dụng==
 
* Nhiều phương pháp kĩ thuật đưa đoạn ADN xác định vào sinh vật để tạo ra ADN tái tổ hợp tạo ra các sinh vật biến đổi gen có sử dụng hiểu biết về HR. Các phương pháp này rất phổ biến với đối tượng là nấm men và chuột. Ở chuột, cấc nhà khoa học đã dùng tế bào mầm phôi làm nguồn cấp vật liệu di truyền, kết hợp ức chế gen đích theo nguyên tắc HR. Theo hướng này, các nhà khoa học Mario Capecchi, Martin Evans và Oliver Smithies đã được trao giải Nobel sinh lý học năm 2007.
* Trong di truyền y học, nhiều nhà khoa học cũng đã vận dụng hiểu biết sâu sắc hiện nay về HR để phòng chống một số bệnh ung thư.
 
== Nguồn trích dẫn ==

Trình đơn chuyển hướng