Gen là đơn vị chức năng của bộ máy di truyền
Thuật ngữ "gen" được Johansen nêu ra vào năm 1909 để chỉ nhân tố di truyền xác định một tính trạng nào đó. Vị trí và cấu trúc của gen đã được Morgan và các nhà khoa học xác định và ngày càng làm rõ thêm. Giai đoạn trước năm 1953, ...
Thuật ngữ "gen" được Johansen nêu ra vào năm 1909 để chỉ nhân tố di truyền xác định một tính trạng nào đó. Vị trí và cấu trúc của gen đã được Morgan và các nhà khoa học xác định và ngày càng làm rõ thêm.
Giai đoạn trước năm 1953, khi cấu trúc của phân tử DNA chưa được khám phá thì cấu tạo của gen cũng chưa được xác định, tuy nhiên các nhà khoa học đã khẳng định rằng, gen là một đơn vị di truyền, mỗi một gen xác định một tính trạng, có một vị trí nhất định trên nhiễm sắc thể và gen có thể phân chia nhỏ về mặt tái tổ hợp và đột biến.
Năm 1941, Beadle và Tatum đã xác định rằng, gen kiểm tra hoạt tính của enzyme và nêu ra giả thuyết là: mỗi gen kiểm soát sự tổng hợp một enzyme. Giả thuyết này về sau được mở rộng và cụ thể hóa hơn là: mỗi gen kiểm soát sự tổng hợp một chuỗi polypeptide. Ví dụ, một phân tử enzyme được cấu tạo từ hai sợi polypeptide thì sẽ do hai gen xác định.
Sau khi Watson và Crick xác định được cấu trúc DNA thì cấu tạo của gen cũng ngày càng được làm rõ hơn.
Hiện nay, cấu tạo và chức năng của một gen được xác định như sau
- Gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptide hay một RNA. Mỗi gen có cấu tạo gồm ba vùng (region) có chức năng riêng biệt là: vùng trước, vùng sau và vùng mã hóa. Vùng trước làm nhiệm vụ điều hành, vùng trước và vùng sau không mã hóa cho các axit amin. Trong vùng mã hóa ở tế bào sinh vật eucaryote có những đoạn mang mã cho các axit amin gọi là exon xen kẽ với những đoạn không mang mã gọi là intron. Mỗi gen chiếm một vị trí (locus) nhất định trên nhiễm sắc thể và xác định một tính trạng nhất định. Gen có thể bị chia nhỏ bởi các đơn vị đột biến và tái tổ hợp.
Mỗi một gen có cấu tạo tổng quát gồm ba vùng chính: vùng điều khiển (vùng trước), vùng mang thông tin di truyền (vùng mã hóa) và vùng kết thúc (vùng sau). Vùng điều khiển nằm ở đầu 3’ và vùng kết thúc nằm ở đầu 5’ của sợi DNA làm khuôn (coding strand hoặc sense) để phiên mã. Tuy nhiên, khi ghi sơ đồ của một gen bất kỳ nào đó vào ngân hàng gen, người ta đều lấy sợi DNA không làm khuôn (antisense) vì trình tự sắp xếp các bazơ trong sợi antisense giống như trình tự sắp xếp các bazơ trong sợi RNA sau khi phiên mã. Do đó, có thể nói vùng điều khiển nằm ở đầu 5’ và vùng kết thúc nằm ở đầu 3’ của gen. Vùng điều khiển và vùng kết thúc không mang mã cho các axit amin trong quá trình tổng hợp protein. Ngoài ra, trong một gen còn có thể có một số cấu trúc đặc thù khác, có vị trí không xác định như trình tự tăng cường (enhance), trình tự bất hoạt (silencer),...
Sơ đồ cấu trúc chung của một gen có thể biểu diễn như sau
Sơ đồ cấu trúc chung của một gen
Vùng điều khiển không được phiên mã mà có chức năng giúp enzyme RNA-polymerase thực hiện sự phiên mã chính xác.
Cấu trúc của promoter
Promoter là trình tự nhận biết của enzyme RNA-polymerase và là nơi mà enzyme RNA-polymerase gắn vào để xác định vị trí bắt đầu phiên mã. Do vậy nên promoter có những cấu trúc đặc hiệu giúp enzyme nhận biết chính xác.
Khảo sát nhiều promoter khác nhau của các gen, người ta nhận thấy phần tâm của promoter có những trình tự chung giống nhau và gọi là các hộp, ví dụ ở E. Coli có hộp TATAAT. Hộp này thường nằm ở vị trí khoảng −10, tức là nằm ở khoảng 10 nucleotide phía trước vị trí khởi đầu phiên mã hay trình tự TTGACA nằm ở vị trí −35, tức là khoảng 35 nucleotide trước vị trí khởi đầu phiên mã. Ở vi khuẩn có một loại promoter vì chỉ có một loại RNA- polymerase.
Vùng tâm promoter của operon Trp ở vi khuẩn
Ở tế bào eucaryote, vùng điều khiển thường lớn hơn ở tế bào procaryote. Eucaryote có ba loại enzyme RNA-polymerase nên chúng có ba loại promoter, mỗi loại ứng với một loại enzyme để chúng dễ dàng nhận biết và bám vào đó để thực hiện phiên mã. Promoter nhóm I là vị trí bám của enzyme RNA-polymerase I, promoter nhóm II và nhóm III là vị trí bám của enzyme RNA-polymerase nhóm 2 và nhóm III. Mỗi loại promoter có những trình tự chung giống nhau, các trình tự này định vị ở những vị trí xác định, do đó, các enzyme dễ dàng nhận biết và thực hiện phiên mã chính xác
Cấu trúc vùng mang thông tin di truyền
Ở tế bào sinh vật procaryote, các gen được tổ chức theo dạng operon, nghiã là, mỗi một gen mang mã để tổng hợp một số chuỗi polypeptide. Vùng mang mã để tổng hợp một polypeptide gọi là một cistron. Như vậy, gen ở tế bào procaryote thuộc loại polycistron. Các cistron sắp xếp theo từng nhóm, chung một vùng điều khiển tạo thành một operon. Các protein được mã hóa trong một operon thường có liên quan chặt chẽ với nhau trong một quá trình chuyển hóa sinh hóa nào đó trong tế bào. Kiểu tổ chức bộ máy di truyền như vậy giúp vi khuẩn thích nghi nhanh với những thay đổi của điều kiện ngoại cảnh môi trường. Toàn bộ vùng mang thông tin di truyền được mã hóa cho các polypeptide.
Vùng mang mã di truyền của sinh vật eucaryote có cấu trúc phức tạp hơn. Phần lớn các gen có chứa các đoạn không mang mã (intron) nằm xen kẽ với các đoạn mang mã (exon). Chỉ có một số ít các gen là không có intron như một số gen mã hóa cho protein histon. Ở nhiều gen, phần không mang mã (intron) có tổng độ dài lớn hơn tổng độ dài của các đoạn mang mã, như gen mã hóa cho albumin, conalbumin, ... Số lượng intron có mặt trong các gen cũng không giống nhau, ví dụ như ở gen mã hóa cho α-globin chỉ có hai intron, trong khi đó, ở gen mã hóa cho colagen lại có đến 52 intron. Các đoạn intron sẽ được cắt bỏ trong quá trình phiên mã. Điểm giao tiếp giữa intron và exon có những dấu hiệu riêng biệt, đó là các cặp bazơ GU và AG (...GU.....AG...).
Cấu trúc vùng kết thúc
Vùng kết thúc nằm ở đầu 5’ của sợi DNA làm khuôn (sense) - là đầu 3' của gen (sợi antisense), bao gồm những trình tự không mã hóa cho các axit amin. Vùng này thường có các tín hiệu dừng phiên mã, giúp enzyme RNA- polymerase dừng phiên mã đúng vị trí. Ngoài ra, trong vùng này còn có một số trình tự có chức năng chưa rõ ràng.
