Chương 2
Cấu trúc và chức năng của gene
Nhiễm sắc thể chứa DNA (deoxyribonucleic acid) mang gene. Gen
được truyền từ bố mẹ sang con cái và được xem là đơn vị cơ bản của sự di
truyền, ảnh hưởng lên mọi cấu trúc và chức năng của cơ thể. Ở người có
khoảng từ 30.000-40.000 gene cấu trúc (gene mã hóa cho RNA hoặc các
protein).
I. Cấu trúc của DNA
1. Thành phần hóa học và cấu trúc không gian của DNA
Phân tử DNA được cấu tạo từ
các đơn phân là nucleotide. Mỗi
nucleotide có 3 thành phần cơ bản: (1)
một đường pentose deoxyribose; (2)
một nhóm phosphate và (3) một trong
bốn loại base. Hai loại base cytosine
(C) và thymine (T) có cấu trúc vòng
đơn carbon nitrogen được gọi là các
pyrimidine. Hai loại base adenine (A)
và guanine (G) có cấu trúc vòng kép
carbon - nitrogen được gọi là các
purine (hình 1).
Tên của các loại base được dùng để đặt tên cho
các nucleotide.
Hình 1. Cấu trúc của 4 loại base
DNA có cấu trúc không gian như một thang
xoắn với 2 tay thang là các phân tử đường và
phosphat nối với nhau bằng các liên kết
phosphodiester bền vững, bậc thang do các base ở
hai bên nối với nhau qua các liên kết hydro yếu
theo nguyên tắc bổ sung giữa base adenine với

(base pair: bp) cuộn quanh
một lõi protein histon để
tạo thành nucleosome.
Các nucleosome nối với
nhau bằng một đoạn DNA
khoảng 20 - 60 bp.
Khoảng 6 nucleosome
cuộn lại thành một
solenoid, các solenoid
cuộn lại thành các quai
chromatin (chromatin
loop), mỗi quai chromatin
có khoảng 100.000 bp
(100 kb). Các quai này được gắn với một khung protein. Bằng cách này
DNA có thể giảm chiều dài xuống khoảng 1/10.000 lần so với chiều dài
của nó trước khi cuộn xoắn.
Hình 3. Mô hình cuộn xoắn của DNA
II. Cấu trúc của gene
1. Các intron và exon
Cấu trúc intron và exon của gene là một đặc điểm để phân biệt giữa
DNA của sinh vật eukaryote và prokaryote. Các intron chiếm phần lớn
trong cấu trúc hầu hết các gene của cơ thể eukaryote. Các đoạn intron này

2

sẽ được các enzyme cắt một cách chính xác ra khỏi các phân tử mRNA
trước khi chúng đi ra khỏi nhân tế bào. Vị trí cắt của các enzyme được xác
định bởi các đoạn DNA được gọi là các đoạn đồng nhất (consensus
sequences) (đoạn này có tên như vậy vì được thấy phổ biến ở tất cả các cơ
thể eukaryote) nằm cạnh mỗi đoạn exon (hình 4).

2.2. DNA lặp (repetitive DNA):
DNA lặp chiếm 55% còn lại của genome, đây là các đoạn DNA

3

được lập đi lập lại có thể lên tới hàng ngàn lần trong genome, có 2 loại
chính:
2.2.1. DNA vệ tinh (satellite DNA)
Loại DNA này chiếm khoảng 10% genome và tập trung ở một số
vùng nhất định trên NST, ở đó chúng sắp xếp nối đuôi nhau, cái này tiếp
theo cái kia. DNA vệ tinh được chia thành 3 loại nhỏ:
- DNA vệ tinh alpha: có kích thước 171 bp, lập đi lập lại nhiều lần với
chiều dài hàng triệu bp hoặc hơn. Loại này được thấy cạnh tâm động
của NST.
- DNA tiểu vệ tinh (minisatellite DNA): có kích thước từ 14 - 500 bp,
lập đi lập lại với chiều dài khoảng vài ngàn bp.
- DNA vi vệ tinh (microsatellite DNA): có kích thước từ 1 - 13 bp, lập
đi lập lại với tổng chiều dài không quá vài trăm bp.
Hai loại DNA tiểu và vi vệ tinh có sự khác nhau rất lớn trong chiều
dài giữa người này với người khác và điều này làm chúng trở nên rất hữu
ích trong việc lập bản đồ gene. DNA tiểu vệ tinh và vi vệ tinh được gặp
với tần số trung bình là 1 trên mỗi 2 kb trong genome và chúng chiếm
khoảng 3% genome.
2.2.2. DNA lập lại rải rác:
Loại DNA này chiếm khoảng 45% genome, gồm 2 loại:
- Các yếu tố rải rác có kích thước ngắn (SINEs: short interspersed
elements): kích thước từ 90 - 500bp.
- Các yếu tố rải rác có kích thước dài (LINEs: long interspersed
elements): kích thước 7.000 bp
III. Chức năng của DNA

Hình 6. Sự nhân đôi của DNA
Quá trình nhân đôi của DNA được xúc tác bởi nhiều loại enzyme
khác nhau, một enzyme xúc tác cho việc tháo xoắn, một enzyme khác xúc
tác cho việc tách DNA thành 2 chuỗi đơn, và một số enzyme khác thực
hiện những chức năng khác nhau trong quá trình nhân đôi. DNA
polymerase là một trong số các enzyme chính phục vụ cho quá trình nhân
đôi, di chuyển dọc theo sợi đơn DNA từ đầu 3’ đến đầu 5’ và gắn các
nucleotide tự do theo nguyên tắc bổ sung vào sợi đơn DNA bằng cách gắn
chúng vào đầu 3’ của chuỗi polynucleotide đang được tổng hợp. Do đó sợi
DNA đơn mới luôn luôn được hình thành theo chiều từ 5’ đến 3’ và quá
trình nhân đôi trên 2 mạch của phân tử DNA mẹ sẽ diễn ra theo hai chiều
ngược nhau.
Ngoài việc gắn các nucleotide, enzyme DNA polymerase còn thực
hiện việc kiểm tra xem một nucleotide mới có bổ sung chính xác với
nucleotide trên mạch khuôn không, nếu không thì nucleotide này sẽ bị loại
bỏ và thay bằng một nucleotide khác. Quá trình này giúp đảm bảo cho sự
nhân đôi của DNA diễn ra một cách chính xác. Nếu một sai sót trong quá
trình nhân đôi không được sửa chữa thành công sẽ làm xuất hiện đột biến
và các đột biến này có thể sẽ dẫn đến các bệnh di truyền.
Tốc độ nhân đôi của DNA khoảng 40 - 50 nucleotide / giây. Tốc độ
này chậm hơn nhiều so với tốc độ nhân đôi ở vi khuẩn với 500 - 1000

5

nucleotide / giây. Để có thể thực hiện nhân đôi một cách nhanh chóng
DNA (một vài NST có khoảng 250 triệu nucleotide), sự nhân đôi xảy ra
tại nhiều điểm khác nhau trên DNA, những vị trí này được gọi là các điểm
gốc nhân đôi (replication origins). Cách nhân đôi như vậy sẽ tạo ra nhiều
chỗ tách trên chuỗi DNA, những chỗ đó được gọi là các vòng nhân đôi
(replication bubble) và phía xảy ra hướng phát triển sự nhân đôi của vòng