Cơ chế tái tổ hợp tương đồng 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 tồn tại thành từng cặp tương đồng, trong mỗi cặp thì một chiếc nhận từ bố còn chiếc kia nhận từ mẹ (khác 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 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.
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 ở những vị trí xác định gọi là điểm nóng tái tổ hợp (recombination hotspots).[10] Sự bắt chéo các nhiễm sắc thể thường bắt đầu chỉ khi có loại prôtêin gọi là Spo11 tạo ra một chỗ đứt trong chuỗi kép ADN đích (cũng gọi là ADN mục tiêu).[11] 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.
Mô hình sớm nhất là mô hình Holliday (xem ở trang gen hoán vị có giới thiệu sơ lược).
Mô hình nữa là con đường SDSA (viết tắt từ Synthesis-Dependent 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 3, phải).[12]
Mô hình DSBR (viết tắt từ Double-Strand Break Repair) bổ sung cho con đường SDSA ở giai đoạn sau khi cắt bỏ, xâm nhập và tổng hợp sợi ADN.[12] (xem giới thiệu sơ lược ở trang gen hoán vị và hình 3, trái).
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 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 [13]) khi bị hỏng mà vẫn cho phép chóp nhiễm sắc thể (telomere) kéo dài đạt yêu cầu ngay cả khi không có enzym telômêraza.[14]
Hình 2: Joshua Lederberg.
Hình 3. Phần đầu con đường DSBR và SDSA như nhau, sau thì DSBR thường dẫn đến trao đổi chéo (bên trái), còn SDSA có thể không (bên phải).
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.
Hình 5: Sơ đồ minh hoạ con đường HR do RecBCD ở vi khuẩn.
Ở vi khuẩn
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.[15] 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.[16]
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).
