Vi sinh vật ( phần 8 )
Sửa chữa và bảo vệ DNA ở vi khuẩn
1
. Quang phục hoạt (Photoreactivation)
Quang phục hoạt (photoreactivation) hay sửa sai nhờ ánh sáng (light
repair). Sau khi xử lý tia tử ngoại gây đột biến, nếu đưa ra ánh sáng thì
phần lớn sai hỏng được phục hồi nhờ enzyme photolyase. Enzyme này
gắn vào photodimer cắt nó thành các monomer dưới tác dụng của ánh
sáng mặt trời có bước sóng 320-370 nm. Sau đó phục hồi các base ban
đầu .


2. Sửa chữa bằng cắt bỏ (excision repair)
Phần lớn các cơ chế sửa sai khác thực hiện theo lối cắt bỏ (excistion
repair) không cần ánh sáng nhờ các nuclease, sau đó thay vào các base
đúng. Có thể xảy ra theo nhiều cách:
+ Cắt các base (base excision repair) Sự cắt bỏ các base sai hỏng nhờ các
enzyme DNA glycosylase. Các enzyme này nhận biết các base bị biến đổi
và các điểm mất purine hay mất pyrimidine và thủy giải liên kết N-
glycosilic nối base với đường. Rồi enzyme AP endonuclease cắt liên kết
đường và phosphate gần base bị biến đổi. Sau đó enzyme thứ ba,
deoxyribophosphodiesterase loại bỏ từng nucleotide kế tiếp nhau ở đoạn
bị hỏng. Sau đó, DNA polymerase lấp đầy khoảng trống với các
nucleotide bổ sung với sợi khuôn còn lại. Enzyme DNA ligase sẽ gắn các
khe hở giữa 2 đầu 3'-5' .


Sửa sai bằng cắt bỏ nucleotide
Trong tế bào tồn tại một số DNA glycosylase. Chẳng hạn, enzyme uracil-
DNA glycosylase cắt uracil khỏi DNA. Uracil tạo thành do đột biến mất
nhóm amin ngẫu nhiên ở cytosine, dẫn đến đột biến đồng hoán thay C

bằng T. Enzyme này phát hiện ra uracil trên DNA như là một bất thường,
chúng sẽ cắt bỏ và sửa sai.
+ Cắt các nucleotide: Sự cắt bỏ vùng có nhiều pyrimidine dimer được
thực hiện nhờ enzyme exonuclease (enzyme rạch mạch hay enzyme tạo
khấc trên DNA) như phức hợp 3 enzyme được mã hóa bới gene uvr ABC
của E. coli. Phức hợp này cắt đoạn 12 nucleotide trên một mạch: 8
nucleotide từ một đầu bị sai hỏng và 4 nucleotide của đầu còn lại. Khoảng
trống của 12 nucleotide này sẽ được lấp đầy nhờ enzyme DNA
polymerase I dựa vào mạch đơn bổ sung kia của trình tự DNA gốc. DNA
ligase sẽ gắn vào các khe hở.
+ Sửa sai dựa vào tính tương đồng (Homology-dependent repair
system)
Một hệ thống sửa sai quan trọng đã phát hiện tính chất bổ sung đối song
song của 2 mạch đơn DNA để phục hồi đoạn sai hỏng trở lại trạng thái
bình thường ban đầu. Trong hệ thống này, đoạn DNA sai hỏng bị cắt bỏ
và thay bằng một đoạn nucleotide mới được tổng hợp bổ sung với sợi
khuôn đối diện. Sự sửa sai xảy ra qua sợi khuôn và nguyên tắc của sao
chép DNA bảo đảm sự sửa sai hoàn thành với độ chính xác cao - đó là sự
giải phóng sai hỏng (error-free). Có 2 hệ thống chủ yếu để loại bỏ sai
hỏng: Hệ thống sửa chữa sai hỏng phát hiện ra trước khi sao chép và hệ
thống sửa chửa sai hỏng phát hiện trong quá trình diễn biến sao chép (sửa
sai sau sao chép).
3. Sửa chữa kết cặp sai (Mismatch repair)
Cơ chế sửa chữa đối với các base kết cặp sai (proofreading for base-pair
matching) được thực hiện trong sao chép DNA. Trong quá trình sao chép,
trước khi thực hiện phản ứng polymer hóa nối các nucleotide, các
nucleotide triphotphate mới phải bắt cặp bổ sung với mạch khuôn. Nếu sự
bắt cặp sai xảy ra, DNA polymerase sẽ loại bỏ nucleotide bắt cặp sai.
Ngay cả trước khi nucleotide mới ráp 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 nhờ hoạt tính
exonuclease3'®5' của DNA polymerase. Khi đã bắt cặp 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 mạch đạng được tổng
hợp.
4. Sửa chữa tái tổ hợp Error-prone
Trong một số trường hợp sự sửa sai thất bại, tính liên tục của bộ gene vẫn
có thể duy trì nhờ sao chép “úp sấp sai hỏng” (error-prone replication),
DNA polymerase có thể bỏ qua chỗ sai sao chép tiếp.
Khi cả 2 sợi của chuỗi xoắn kép bị đứt ở cùng một vị trí, được gọi là đột
biến đứt mạch đôi, có thể gây ra sai hình nhiễm sắc thể, làm chết tế bào
hoặc tạo ra trạng thái tiến ung thư. Tế bào sử dụng nhiều protein và con
đường sửa sai đứt gãy mạch đôi là thực hiện tái tổ hợp trong giảm phân.
Quá trình sửa chữa do trao đổi chéo trong giảm phân xảy ra như sau :


Mô hình bẻ gãy sợi đôi nhờ trao đổi chéo
Trên một nhiễm sắc thể xảy ra sự đứt mạch đôi và kết quả ăn mòn các
đầu mút ở đoạn ngắn của DNA sợi đơn. Đầu 3' của một trong những sợi
này "xâm lấn" vào một chromatid.
Đoạn xâm lấn làm mồi cho tổng hợp các base bị mất của nó nhờ sử dụng
sợi đối song song của chromatid như là sợi khuôn. Sự tổng hợp mới này
sẽ tạo ra một vòng sợi đơn lai với một sợi đơn không xâm lấn. Vì vậy tạo
ra một vùng dị hợp tử nhỏ "Aa" và sử dụng như mạch khuôn để khôi
phục các base bị mất trên sợi đó. DNA polymerase sẽ lấp đầy chỗ trống
và enzyme ligase sẽ nối các đầu mút xảy ra trong cấu trúc đặc biệt giống
với trao đổi chéo 2 sợi đơn. Cấu trúc này cũng chứa các đoạn bắt cặp
không tương đồng đơn giản.
Trao đổi chéo sợi đơn được gọi là cấu trúc Holliday (Holliday structure)

do Holliday phát hiện vào những năm 1960.
5. Bảo vệ bằng hệ thống các enzyme methylase và restriction
endonuclease
Ngoài hệ thống sửa sai, tế bào còn có các hệ thống bảo vệ DNA. Các vi
khuẩn có hệ thống miễn nhiễm đáng kể với các DNA lạ.
Mặc dù trình tự các base trên phân tử DNA là cố định, nhưng một số base
bị biến đổi hoá học sau khi đã được gắn vào DNA. Cả sinh vật tiền nhân
và sinh vật nhân thực đều có các enzyme methyl hoá (methylation) gắn
nhóm –CH
3
ở những điểm nhất định trên phân tử DNA. Các enzyme này
có tính đặc hiệu cao chuyên hoá cho từng dòng vi khuẩn, nên DNA của
mỗi dòng vi khuẩn được methyl hoá ở những điểm chuyên biệt nhất định
tuỳ mỗi dòng. Nhờ đó mỗi vi khuẩn dễ dàng phân biệt giữa DNA của bản
thân chúng với DNA lạ xâm nhập vào. Các enzyme cắt hạn chế
(restriction enzyme) là một loại endonuclease của mỗi dòng vi khuẩn,
không cắt DNA của chúng vì đã được methyl hoá ở những điểm nhất
định.
Các cơ chế biến đổi chính DNA của nó một cách đặc hiệu và phân huỷ
hay cắt hạn chế các phân tử DNA không được đánh dấu. Hệ thống
restriction-modification (R-M) ngăn chặn DNA ngoại lai không có hoạt
động chức năng nhưng có thể thực hiện tái tổ hợp.
Hệ thống restriction-modification có 2 tính chất căn bản
- Hoạt tính cắt hạn chế (restriction) 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 sự nhiễm
phage vào vi khuẩn E. coli. Sự biến đổi thường là methyl hoá nhóm 6 –
amino của Adenin trong những trình tự đặc hiệu, trong hệ thống kiểu II,
C5 của Cytosine được methyl hoá. Restriction được thực hiện do các hệ

thống endonuclease. Chúng nhận biết các điểm đặc hiệu ít nhất ở một
mạch DNA không bị biến đổi. Endonuclease cắt đứt mạch ở nhiều điểm
nhận biết và sau đó các đoạn ngắn được cắt bằng các nuclease khác. Phần
lớn các DNA bị biến đổi các các đặc tính di truyền không ổn định. Sự
methyl hoá thường mất qua sao chép trong tế bào chủ.
Các nghiên cứu cho thấy ở E. coli B có 3 gene liên kết chặt với nhau mã
hoá cho 3 sản phẩm khuyếch tán: các polypeptid phục vụ cho các
restriction, cho sự biến đổi và tạo sự đặc hiệu của điểm nhận biết.
DNA mạch kép nhạy cảm hơn với biến đổi và restriction. Các phage
mạch đơn như M13 và fX174 ít bị tác động hơn. Sự biến đổi của một
mach DNA đủ để miễn nhiễm DNA lạ. Do vậy DNA sao chép bán bảo
tồn được bảo vệ bởi methyl hoá mạch khuôn.