Siêu xoắn ADN (DNA supercoiling)

Cơ chế Siêu xoắn

Siêu xoắn ADN xảy ra khi số xoắn hoặc duỗi thẳng của sợi xoắn kép ADN bị thay đổi so với trạng thái nghỉ tự nhiên của nó. Trạng thái nghỉ này, được gọi là dạng B-DNA, có khoảng 10,5 cặp bazơ mỗi vòng xoắn. Sự thay đổi này có thể do các enzyme được gọi là topoisomerase tác động hoặc do các quá trình tế bào khác như sao chép và phiên mã gây ra. Khi ADN bị xoắn hoặc duỗi thẳng quá mức, nó sẽ tạo ra sức căng, và siêu xoắn là cách ADN giải tỏa sức căng này.

Có hai loại siêu xoắn chính:

• Siêu xoắn dương (+): Xảy ra khi sợi ADN được xoắn thêm theo chiều xoắn của chuỗi xoắn kép, làm giảm số vòng xoắn. Điều này làm cho ADN trở nên chặt chẽ hơn và khó tiếp cận hơn đối với các protein liên kết với ADN. Siêu xoắn dương thường gặp ở các sinh vật ưa nhiệt, nơi nó giúp ổn định ADN ở nhiệt độ cao.
• Siêu xoắn âm (-): Xảy ra khi sợi ADN được duỗi thẳng hoặc xoắn theo chiều ngược lại với chiều xoắn của chuỗi xoắn kép, làm tăng số vòng xoắn. Điều này làm cho ADN trở nên lỏng lẻo hơn và dễ dàng tiếp cận hơn cho các protein liên kết với ADN. Siêu xoắn âm phổ biến hơn trong tế bào và đóng vai trò quan trọng trong sao chép và phiên mã ADN.

Mô tả Toán học

Mức độ siêu xoắn được biểu thị bằng liên kết (Lk). Lk là tổng của hai thành phần: xoắn (Tw) và vặn (Wr).

• Xoắn (Tw): Số lần một sợi ADN quấn quanh sợi kia. Trong B-DNA, Tw ≈ số cặp bazơ / 10.5. Nó phản ánh cấu trúc xoắn ốc nội tại của ADN.
• Vặn (Wr): Số lần sợi xoắn kép xoắn quanh trục của nó. Nó phản ánh sự siêu xoắn của phân tử ADN trong không gian ba chiều.

Công thức liên hệ giữa Lk, Tw và Wr:

$Lk = Tw + Wr$

Số liên kết (Lk) là một đại lượng topo học, nghĩa là nó không thay đổi khi ADN bị biến dạng miễn là không có sợi nào bị đứt.

Sự thay đổi liên kết ($\Delta Lk$) so với trạng thái nghỉ ($Lk_0$) được gọi là số siêu xoắn ($\sigma$) và được tính như sau:

$\sigma = \frac{\Delta Lk}{Lk_0} = \frac{Lk – Lk_0}{Lk_0}$

Số siêu xoắn ($\sigma$) là một đại lượng không thứ nguyên, biểu thị mức độ siêu xoắn tương đối so với trạng thái nghỉ.

Enzyme Topoisomerase

Các enzyme topoisomerase đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh siêu xoắn ADN. Chúng có khả năng cắt và nối lại các sợi ADN, cho phép thay đổi mức độ siêu xoắn. Có hai loại topoisomerase chính:

• Topoisomerase I: Cắt một sợi ADN, cho phép sợi còn lại xoay quanh nó, sau đó nối lại. Nó làm giảm sự siêu xoắn bằng cách thay đổi Lk một đơn vị.
• Topoisomerase II: Cắt cả hai sợi ADN, cho phép một đoạn ADN khác đi qua chỗ đứt, sau đó nối lại. Nó có thể thay đổi mức độ siêu xoắn cả dương và âm bằng cách thay đổi Lk hai đơn vị. Enzyme này cần năng lượng từ ATP để hoạt động.

Vai trò của Siêu xoắn ADN

Siêu xoắn ADN đóng nhiều vai trò quan trọng trong các quá trình tế bào, bao gồm:

• Đóng gói ADN: Siêu xoắn âm giúp nén ADN, cho phép nó được đóng gói hiệu quả trong tế bào. Ví dụ, siêu xoắn âm cho phép ADN được cuộn chặt quanh các histone để tạo thành nucleosome.
• Sao chép ADN: Siêu xoắn ảnh hưởng đến quá trình tháo xoắn ADN, một bước cần thiết cho sao chép. Trong quá trình sao chép, sự tháo xoắn ở vị trí sao chép tạo ra siêu xoắn dương phía trước và siêu xoắn âm phía sau vị trí sao chép.
• Phiên mã: Siêu xoắn ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của ARN polymerase vào ADN, do đó điều chỉnh biểu hiện gen. Siêu xoắn âm làm cho ADN dễ tiếp cận hơn cho ARN polymerase, từ đó thúc đẩy quá trình phiên mã.
• Tái tổ hợp ADN: Siêu xoắn có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tái tổ hợp ADN bằng cách đưa các vùng ADN ở xa nhau lại gần nhau.

Siêu xoắn ADN là một đặc điểm cấu trúc quan trọng của ADN, ảnh hưởng đến nhiều quá trình tế bào thiết yếu. Việc hiểu biết về siêu xoắn ADN là cần thiết để hiểu rõ về chức năng của bộ gen và các cơ chế điều hòa biểu hiện gen.

Siêu xoắn trong các hệ thống sinh học cụ thể

Sự siêu xoắn ADN không phải là một hiện tượng đồng nhất trong bộ gen. Mức độ siêu xoắn có thể thay đổi theo vùng và theo thời gian, phản ánh các hoạt động khác nhau của bộ gen. Sự thay đổi này được điều hòa bởi sự tương tác giữa ADN, topoisomerase và các protein liên kết với ADN.

• Siêu xoắn ở vi khuẩn: ADN vi khuẩn thường tồn tại dưới dạng một phân tử ADN vòng tròn, siêu xoắn âm và được tổ chức thành các cấu trúc gọi là nucleoid. Siêu xoắn âm này đóng vai trò quan trọng trong việc nén ADN và điều chỉnh sao chép và phiên mã. Nó cũng tạo điều kiện cho sự tương tác giữa ADN và các protein điều hòa.
• Siêu xoắn ở eukaryote: ADN eukaryote được đóng gói thành nucleosome, bao gồm ADN quấn quanh các protein histone. Sự tương tác giữa ADN và histone ảnh hưởng đến siêu xoắn, và sự thay đổi cấu trúc chromatin thông qua các sửa đổi histone có thể điều chỉnh mức độ siêu xoắn cục bộ và ảnh hưởng đến biểu hiện gen. Ví dụ, sự acetyl hóa histone có thể làm giảm siêu xoắn âm và tạo điều kiện cho phiên mã.
• Siêu xoắn trong sao chép và phiên mã: Quá trình tháo xoắn ADN trong sao chép và phiên mã tạo ra siêu xoắn dương phía trước và siêu xoắn âm phía sau vị trí tháo xoắn. Topoisomerase đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các siêu xoắn này để duy trì cấu trúc ADN và đảm bảo quá trình sao chép và phiên mã diễn ra hiệu quả. Nếu không được giải quyết, siêu xoắn tích tụ có thể ức chế hoạt động của các enzyme sao chép và phiên mã.

Ứng dụng nghiên cứu siêu xoắn

Nghiên cứu về siêu xoắn ADN có nhiều ứng dụng trong sinh học phân tử và y học. Ví dụ:

• Nghiên cứu cơ chế điều hòa biểu hiện gen: Siêu xoắn ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của các yếu tố phiên mã vào ADN, do đó điều chỉnh biểu hiện gen. Nghiên cứu siêu xoắn giúp hiểu rõ hơn về cách thức các gen được bật hoặc tắt.
• Phát triển thuốc nhắm mục tiêu topoisomerase: Nhiều loại thuốc kháng sinh và chống ung thư hoạt động bằng cách ức chế topoisomerase, làm gián đoạn sao chép và phiên mã của ADN. Nghiên cứu siêu xoắn giúp phát triển các loại thuốc mới hiệu quả hơn và ít tác dụng phụ hơn.
• Nghiên cứu cấu trúc và động lực học của ADN: Các kỹ thuật như điện di gel agarose và kính hiển vi lực nguyên tử được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và động lực học của ADN siêu xoắn. Điều này giúp hiểu rõ hơn về cách thức ADN tương tác với các protein và các phân tử khác trong tế bào.

Phương pháp nghiên cứu siêu xoắn ADN

Một số phương pháp phổ biến được sử dụng để nghiên cứu siêu xoắn ADN bao gồm:

• Điện di gel agarose: Phương pháp này phân tách các phân tử ADN dựa trên kích thước và hình dạng, cho phép phân biệt các dạng ADN siêu xoắn khác nhau (siêu xoắn âm, siêu xoắn dương và ADN giãn). ADN siêu xoắn âm di chuyển nhanh hơn ADN giãn trên gel agarose.
• Điện di gel hai chiều: Kết hợp hai lần điện di với các điều kiện khác nhau để phân tích chi tiết hơn về siêu xoắn. Ví dụ, lần điện di thứ nhất có thể được thực hiện trong điều kiện không có intercalator (như ethidium bromide), trong khi lần thứ hai được thực hiện trong điều kiện có intercalator. Điều này cho phép phân tách các topoisomer khác nhau.
• Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM): Kỹ thuật này cho phép hình dung trực tiếp các phân tử ADN siêu xoắn và nghiên cứu cấu trúc ba chiều của chúng.

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.
• Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000.
• Champoux JJ. DNA Topoisomerases: Structure, Function, and Mechanism. Annu Rev Biochem. 2001;70:369-413.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào siêu xoắn ADN ảnh hưởng đến quá trình sao chép ADN?

Trả lời: Siêu xoắn ADN đóng vai trò quan trọng trong quá trình sao chép ADN. Trước tiên, ADN cần được tháo xoắn để các enzyme sao chép có thể tiếp cận các mạch đơn. Quá trình tháo xoắn này tạo ra siêu xoắn dương phía trước dĩa sao chép và siêu xoắn âm phía sau. Nếu siêu xoắn dương tích tụ quá mức, nó có thể ngăn cản dĩa sao chép di chuyển tiếp. Enzyme topoisomerase, cụ thể là topoisomerase II (gyrase ở vi khuẩn), giúp giải quyết siêu xoắn dương này bằng cách cắt và nối lại các sợi ADN, cho phép sao chép tiếp tục.

Sự khác biệt chính giữa topoisomerase I và topoisomerase II là gì?

Trả lời: Cả topoisomerase I và II đều điều chỉnh siêu xoắn ADN bằng cách cắt và nối lại các sợi ADN, nhưng chúng làm điều này theo những cách khác nhau. Topoisomerase I cắt một sợi ADN, cho phép sợi còn lại xoay quanh nó để giảm siêu xoắn, sau đó nối lại sợi bị cắt. Topoisomerase II cắt cả hai sợi ADN, cho phép một đoạn ADN khác đi qua chỗ đứt, sau đó nối lại cả hai sợi. Do đó, topoisomerase II có thể thay đổi số liên kết (Lk) theo bước 2, trong khi topoisomerase I chỉ thay đổi theo bước 1.

Tại sao siêu xoắn âm lại quan trọng đối với việc đóng gói ADN trong tế bào?

Trả lời: Siêu xoắn âm làm cho ADN trở nên nhỏ gọn hơn, cho phép nó được đóng gói hiệu quả trong tế bào. Nó tạo ra một lực xoắn làm cho ADN cuộn lại chính nó, chiếm ít không gian hơn so với ADN giãn. Ở vi khuẩn, siêu xoắn âm giúp nén nhiễm sắc thể vòng tròn lớn thành nucleoid. Ở eukaryote, siêu xoắn âm tạo điều kiện thuận lợi cho việc quấn ADN quanh histone để hình thành nucleosome, đơn vị cấu trúc cơ bản của chromatin.

Số siêu xoắn ($σ$) được tính như thế nào và nó cho ta biết điều gì?

Trả lời: Số siêu xoắn ($σ$) được tính bằng công thức: $σ = \frac{ΔLk}{Lk_0}$, trong đó $ΔLk = Lk – Lk_0$. $Lk$ là số liên kết thực tế của phân tử ADN, và $Lk_0$ là số liên kết của ADN ở trạng thái nghỉ (thường là dạng B-DNA giãn). $σ$ cho biết mức độ siêu xoắn của ADN so với trạng thái nghỉ. Giá trị $σ$ âm cho biết siêu xoắn âm, trong khi giá trị dương cho biết siêu xoắn dương.

Ngoài sao chép và đóng gói ADN, siêu xoắn còn có vai trò gì khác trong tế bào?

Trả lời: Siêu xoắn ADN còn có nhiều vai trò quan trọng khác trong tế bào, bao gồm:

• Điều hòa phiên mã: Siêu xoắn ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của ARN polymerase và các yếu tố phiên mã khác vào ADN, do đó ảnh hưởng đến biểu hiện gen.
• Tái tổ hợp ADN: Siêu xoắn có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tái tổ hợp bằng cách đưa các vùng ADN cách xa nhau lại gần nhau.
• Ổn định cấu trúc ADN: Siêu xoắn có thể ổn định hoặc làm mất ổn định một số cấu trúc ADN, chẳng hạn như các đoạn ADN lặp lại.
• Cảm nhận môi trường ở vi khuẩn: Một số vi khuẩn sử dụng siêu xoắn để cảm nhận những thay đổi của môi trường và điều chỉnh biểu hiện gen cho phù hợp.