Đoạn Okazaki là gì? Đoạn mồi là gì? Vai trò của từng đoạn?

1. Đoạn Okazaki là gì? 

Bất cứ khi nào có sự phân chia tế bào, thông tin di truyền mà tế bào chứa trong các chuỗi DNA dài sẽ được sao chép bởi các enzyme được gọi là DNA polymerase. Mỗi chuỗi DNA tạo ra một khuôn mẫu được DNA polymerase sử dụng để tổng hợp chuỗi bổ sung. Một mạch ở ngã ba sao chép được tổng hợp liên tục theo hướng 5′ đến 3′ (chuỗi dẫn đầu) trong khi mạch thứ hai (chuỗi trễ) được tổng hợp không liên tục theo hướng 3′ đến 5′ thành các đoạn ngắn được gọi là Okazaki mảnh vỡ.

Reiji Okazaki và Tuneko Okazaki, hai nhà sinh học phân tử người Nhật Bản được cho là những người đã phát hiện ra những mảnh vỡ này vào những năm 1960, cùng với sự đóng góp của một số đồng nghiệp của họ.

Định nghĩa mảnh Okazaki

Các đoạn Okazaki là những đoạn DNA có độ dài ngắn được tạo ra bởi sự sao chép không liên tục của chuỗi trễ.

Phạm vi chiều dài của các đoạn này trong tế bào vi khuẩn là khoảng 1000-2000 nucleotide, trong khi đó ở tế bào nhân chuẩn có chiều dài khoảng 100-200 nucleotide. Các đoạn Okazaki trên mạch trễ có liên quan để tạo ra một phân tử DNA mới liên tục.

2. Khám phá các đoạn Okazaki:

Để khám phá các mảnh Okazaki, các nhà khoa học đã thực hiện một loạt các thí nghiệm sử dụng vi khuẩn E.coli và các phương pháp đánh dấu xung DNA. Dưới đây là mô tả chi tiết về các thí nghiệm này:

– Đánh dấu xung với 3 H-thymidine: Để theo dõi các mảnh Okazaki, E.coli được sử dụng trong thí nghiệm. Trong quá trình này, E.coli đã được nuôi cấy ở nhiệt độ tối ưu là 37°C. Để đánh dấu xung, các tế bào này được tiếp xúc với 14C-thymidine, một chất đánh dấu carbon 14, để đánh dấu DNA của chúng.

– Sự làm lạnh và đánh dấu xung bằng 3 H-thymidine: Sau đó, các tế bào đã được làm lạnh đột ngột đến 20°C. Trong khoảng 10 giây tại nhiệt độ này, chúng được đánh dấu xung bằng 3 H-thymidine, một chất đánh dấu hydrogen 3, để đánh dấu DNA mới được tổng hợp trong điều kiện sao chép DNA giảm tốc.

– Xác định các đoạn Okazaki: Thời gian để E.coli nhân đôi DNA của mình là khoảng 40 phút ở nhiệt độ 37°C và 250 phút ở 20°C. Trong các thí nghiệm đánh dấu xung, một lượng lớn thymidine không được đánh dấu được thêm vào các tế bào đã được đánh dấu xung trong 10 giây ở 20°C. Quá trình sao chép DNA vẫn tiếp tục trong thời gian này, và sự tồn tại của các chất trung gian tạm thời có thể được phát hiện.

– Phân đoạn DNA và xác định mảnh Okazaki: DNA từ tế bào đã sau đó được phân đoạn bằng cách sử dụng gradient sucrose kiềm để làm biến tính nó hoàn toàn. Các mảnh DNA này sau đó được xác định bằng cách đo lượng chất phóng xạ không tan trong axit. Để làm điều này, chất phóng xạ được định lượng trong từng đoạn gradient, và chất này có thể hòa tan bằng cách xử lý bằng enzyme deoxyribonuclease.

– Kết quả: Trong điều kiện thí nghiệm, các mảnh Okazaki ban đầu xuất hiện dưới dạng các đoạn có chiều dài từ 50 đến 5000 nucleotide. Sau đó, chúng nhanh chóng trở thành các đoạn Okazaki kéo dài hơn, và một phần của chúng là các chất trung gian tạm thời trong quá trình sao chép DNA.

Các thí nghiệm này đã giúp xác định và hiểu rõ hơn về cơ chế và vai trò quan trọng của các mảnh Okazaki trong quá trình sao chép và tái tổ hợp DNA.

3. Tại sao các mảnh Okazaki được hình thành?

Các mảnh Okazaki xuất hiện trong quá trình sao chép DNA và được hình thành do một số yếu tố quan trọng. Hãy cùng đi vào chi tiết về tại sao các mảnh Okazaki được tạo ra:

– Chuỗi đôi DNA phải được sao chép đồng thời: DNA là một chuỗi kép, và trong quá trình sao chép DNA để chuẩn bị cho phân chia tế bào, cả hai chuỗi này phải được sao chép đồng thời. Điều này làm tăng gấp đôi lượng DNA có mặt trong tế bào ban đầu.

– Quá trình bán bảo toàn chuỗi: Trong quá trình sao chép DNA, có hai chế độ chính: chế độ bán bảo toàn và chế độ đơn hướng. Ở chế độ bán bảo toàn, một trong các chuỗi trong DNA mới được tạo ra (chuỗi phản, chuỗi lúc đầu) phải trùng khớp với chuỗi gốc hoặc chuỗi ban đầu. Điều này có nghĩa là cả hai sợi phải đóng vai trò là mẫu để sao chép DNA mới.

– Hướng tổng hợp DNA: DNA polymerase là enzyme tham gia vào quá trình sao chép DNA, và chúng thường tổng hợp DNA theo hướng từ 5′ đến 3′. Trong bản dịch này, “5′” và “3′” đề cập đến vị trí các carbon trong chuỗi nucleotide. Tuy nhiên, vì DNA có tính chất phản song song, quá trình tổng hợp DNA phải diễn ra theo một trong hai hướng.

– Ngã ba sao chép: Ngã ba là vị trí trên sợi đôi DNA, tại đó quá trình tháo xoắn bắt đầu. Điều này quan trọng để có thể tổng hợp các sợi DNA mới trên sợi cha mẹ. Khi chuỗi chạy theo hướng 5′ đến 3′, quá trình tổng hợp của chuỗi mới sẽ dừng lại khi nó đến đầu 5′ của chuỗi. Do đó, quá trình tổng hợp DNA mới bắt đầu từ một ngã ba sao chép.

– Tổng hợp các mảnh Okazaki: Tại ngã ba sao chép, DNA polymerase có thể tổng hợp các nucleotide tìm thấy trên chuỗi sau. Tuy nhiên, quá trình tổng hợp sẽ bị dừng lại khi nó đến đầu 5′ của đoạn mồi RNA nằm trên chuỗi DNA đã được tổng hợp. Kết quả là, quá trình tổng hợp DNA ở mạch trễ không diễn ra liên tục và dẫn đến việc hình thành các đoạn Okazaki.

Như vậy, các mảnh Okazaki xuất hiện trong quá trình sao chép DNA khi chuỗi chạy theo hướng 5′ đến 3′ phải đợi tại ngã ba sao chép, và quá trình tổng hợp DNA phải tạm dừng khi đến đầu 5′ của đoạn mồi RNA. Các đoạn Okazaki sau đó được nối lại với nhau để hoàn thành chuỗi DNA mới.

4. Vai trò của mảnh Okazaki:

Chức năng của mảnh Okazaki rất quan trọng trong quá trình sao chép và tổng hợp DNA. Các đoạn Okazaki chủ yếu tham gia vào việc kích hoạt DNA polymerase để tổng hợp chuỗi trễ, mặc dù chúng được tổng hợp theo hướng ngược lại so với chuỗi mẹ.

Một trong những vai trò quan trọng của các mảnh Okazaki là cung cấp một khung đường-phosphate để DNA polymerase có thể bắt đầu tổng hợp DNA mới. DNA polymerase I, một loại enzyme quan trọng, đến và loại bỏ các đoạn mồi RNA, sau đó thay thế chúng bằng chuỗi DNA mới. Các đoạn Okazaki phải được gắn kết với nhau để tạo thành một chuỗi liên tục sau khi quá trình sao chép diễn ra. Điều này đạt được nhờ DNA ligase, một enzyme khác, có chức năng gắn chặt khung đường-phosphate của các mảnh Okazaki lại với nhau. Quá trình này cho phép hai chuỗi DNA con giống hệt nhau được tổng hợp liên tục và hoàn chỉnh.

Trước khi quá trình phân chia tế bào xảy ra, việc sao chép DNA là vô cùng quan trọng. Nó đảm bảo rằng khi một tế bào mẹ phân chia để tạo ra hai tế bào con, cả hai tế bào con đều có cùng một tập hợp vật liệu di truyền. Sự phân chia tế bào ở các thực thể đơn bào có thể là một phương thức sinh sản vô tính, trong đó một tế bào mẹ tạo ra các tế bào con không qua quá trình kết hợp của tế bào cha và mẹ. Trong khi đó, sự phân chia tế bào ở các thực thể đa bào quan trọng cho việc sửa chữa và phát triển của thực thể, cũng như để tạo ra các tế bào cơ bản cần thiết cho quá trình sinh sản hữu tính, trong đó di truyền từ cả tế bào cha và mẹ được kết hợp lại để tạo ra sự đa dạng di truyền.

5. Đoạn mồi là gì?

Đoạn mồi, còn gọi là primer, là một sợi nucleic acid (hoặc ribonucleic acid) quan trọng trong quá trình nhân đôi DNA. Trong hầu hết các trường hợp, các enzyme như DNA polymerase (enzyme tham gia vào quá trình sao chép DNA) không thể tổng hợp một chuỗi DNA mới mà thiếu đoạn mồi. Đoạn mồi đóng vai trò như một “đầu đốt” để bắt đầu quá trình tổng hợp DNA.

6. Vai trò của Đoạn mồi:

Trong nhiều quá trình sao chép DNA tự nhiên, đoạn mồi thường là một sợi RNA ngắn. RNA này được tạo ra bởi RNA polymerase, sau đó được loại bỏ và thay thế bằng DNA bởi DNA polymerase.

Nhiều kỹ thuật sinh học phân tử quan trọng liên quan đến DNA polymerase, ví dụ như xác định trình tự DNA và PCR, đều đòi hỏi sự sử dụng của đoạn mồi. Các đoạn mồi thường ngắn (khoảng 20 cặp base) và được tạo ra nhân tạo dưới dạng phân tử DNA. Cấu trúc thật sự của đoạn mồi này bắt đầu bằng một nucleoside có 3′-hydroxyl gắn với một vật liệu gọi là “controlled-pore glass” (CPG). Đầu 5′-hydroxyl của nucleoside được che phủ bằng dimethoxytrityl (DMT) để ngăn việc thêm nucleotide. Để thêm một nucleotide, DMT phải được loại bỏ hóa học, sau đó một nucleotide mới được thêm vào. Đầu 5′-hydroxyl của nucleotide mới bị khóa lại bằng DMT để ngăn chặn việc thêm nhiều nucleotide vào cùng một chuỗi. Quá trình này được lặp lại cho mỗi nucleotide, tạo ra một đoạn mồi.

Phương pháp xác định trình tự DNA sử dụng đoạn mồi để xác định nucleotide trong chuỗi DNA. Còn được gọi là phương pháp Sanger, nó sử dụng đoạn mồi làm điểm khởi đầu cho phản ứng chuỗi.

Trong PCR (Phản ứng chuỗi polymerase), đoạn mồi được sử dụng để xác định phân đoạn DNA cần được nhân đôi. Chiều dài của đoạn mồi thường không dài hơn 50 cặp base, và chúng phải chính xác kết hợp với điểm khởi đầu và kết thúc của phân đoạn DNA cần nhân đôi. Đoạn mồi thường anneal (kết hợp) với DNA ở điểm khởi đầu và kết thúc, tại đó DNA polymerase gắn vào và bắt đầu tổng hợp chuỗi DNA mới.

Lựa chọn chiều dài và nhiệt độ nóng chảy của đoạn mồi quan trọng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nhiệt độ nóng chảy của đoạn mồi xác định nhiệt độ mà đoạn mồi kết hợp (anneal) và tách ra khỏi DNA mẫu. Độ dài của đoạn mồi ảnh hưởng đến nhiệt độ này. Một đoạn mồi quá ngắn có thể anneal tới nhiều vị trí trên DNA mẫu, tạo ra sản phẩm không mong muốn. Do đó, đoạn mồi phải có độ dài tối ưu để giữ cho quá trình nhân đôi diễn ra hiệu quả. Chiều dài tối ưu thường khoảng từ 30 đến 40 cặp base, và nhiệt độ nóng chảy tối ưu thường nằm trong khoảng từ 60 °C đến 75 °C.