Phân tích so sánh các hệ gen

Việc so sánh hệ gen giữa các loài động vật khác nhau là cơ sở trực tiếp để đánh giá sự biến đổi về cấu trúc gen và trình tự của chúng xuất hiện trong quá trình tiến hóa. Việc so sánh các hệ gen như vậy đồng thời cùng giúp khẳng định chắc chắn hơn về các vùng gen mã hóa protein trong một hệ gen của loài nào đó.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phân tích so sánh các hệ gen Phân tích so sánh các hệ genViệc so sánh hệ gen giữa các loài độngvật khác nhau là cơ sở trực tiếp để đánhgiá sự biến đổi về cấu trúc gen và trìnhtự của chúng xuất hiện trong quá trìnhtiến hóa. Việc so sánh các hệ gen nhưvậy đồng thời cùng giúp khẳng địnhchắc chắn hơn về các vùng gen mã hóaprotein trong một hệ gen của loài nào đó.Ví dụ như các exon của các gen đồngtiến hóa có mức độ bảo thủ cao hơnnhiều so với các intron. Việc so sánh hệgen người và chuột đã tìm thấy nhiềuexon có tính bảo thủ cao. Việc so sánhgiữa các hệ gen cũng đồng thời giúp xácđịnh các trình tự exon ngắn (hay tìm thấyở phần đầu 5’ của gen và vùng promoterli) vốn thường bị sót khi xác định bằngphần mềm máy tính. Một trong nhữngkhám phá nổi bật của phép phân tích sosánh các hệ gen là việc tìm ra sự phổbiến của tính bảo thủ liên kết giữa cácgen trên cùng NST. Ở người và chuột,sự bảo thủ của tính liên kết giữa các gentrên cùng NST là rất phổ biến. Trongnhiều trường hợp, tính bảo thủ nàyđược tìm thấy ở cả các loài rất xa nhautrong quá trình tiến hóa, ví dụ như ở loàicá bể dẹt có tổ tiên chung với các loàiđộng vật có vú từ 400 triệu năm trướcđây. Hiện tượng phổ biến của sự bảothủ trong tính liên kết của nhiều gen chothấy có nhiều khả năng các gen “lánggiềng” cùng dùng chung các trình tự điềuhòa gen. Một điều tra dùng phần mềmmáy tính gần đây tìm thấy trong mộtđoạn NST có kích thước 100 - 200 kb ởruồi dấm Drosophila có 10 - 20 gen liênkết có hình thức điều hòa sự biểu hiệngiống hệt nhau. Ở ruồi dấm có khoảng500 - 1000 đoạn NST duy trì sự liên kếtbảo thủ này có thể là do các gen liên kếtcùng phụ thuộc vào các trình tự điều hòachung ở vùng NST đó.Các trình tự mã hóa protein không chỉ làcác vùng của hệ gen được giới hạn vềchức năng. Các trình tự điều hòa (vị trígắn của các yếu tố phiên mã và các yếutố điều hòa hoạt động gen, như các yếutố tăng cường enhancer) thường có tínhbảo thủ cao. Các trình tự này thườngđược xác định là các trình tự không mãhóa protein ngắn và bảo thủ. Ví dụ mộtchương trình máy tính gọi là VISTA(không phải hệ điều hành mới đây củaMicrosoft) khi phân tích hệ gen ở nhiềuloài khác nhau tìm thấy sự bảo thủ ở tỉlệ 70% trong một đoạn trình tự phân tích50 - 75 bp đối với một số trình tự ADNcó vai trò điều hòa. Hai loài cá bể dẹt vàchuột cùng có khoảng 10.000 các đoạntrình tự không mã hóa ngắn giống nhau,rất có thể chúng là các trình tự tăngcường đặc trưng mô. Tuy vậy, cả hailoài này, đặc biệt ở chuột, dường như cónhiều trình tự điều hòa bị bỏ sót khi sửdụng phần mềm máy tính để phân tíchtrình tự gen. Người ta đã xác định đượcở loài động vật bậc thấp Cionaintestialis có chứa khoảng 20.000 cáctrình tự enhancer, và vì vậy không có gìlà ngạc nhiên nếu người và chuột sẽ cókhoảng 50.000 - 100.000 các trình tựenhancer trong hệ gen.Các phương pháp được sử dụng để xácđịnh các trình tự tăng cường dựa trênviệc xác định các vị trí liên kết của cácyếu tố hoạt hóa hoặc ức chế phiên mã.Việc xác định được các trình tự điều hòatrong phân tử ADN còn là thách thức lớnhơn so với việc xác định được các trìnhtự mã hóa protein bởi các trình tự điềuhòa không bị hạn chế bởi các nguyên lýcủa mã di truyền. Vì vậy, dường nhưviệc phải phối hợp nhiều phương phápsinh tin học và chương trình máy tính làcần thiết để có thể xác định được cáctrình tự ADN điều hòa trong toàn bộ hệgen.Công cụ phần mềm phân tích hệ genđược sử dụng rộng rãi nhất hiện nay làBLAST (basic local alignment tool). Cómột số cải biến khác nhau trong cácchương trình BLAST, tuy vậy tất cả cácchương trình này đều có các đặc điểmchung là tìm được những vùng giốngnhau giữa các gen mã hóa protein khácnhau. Có nhiều cách để tìm dữ liệu từBLAST. Một trong những cách đó là sửdụng công cụ tìm kiếm hệ gen hoặc cáchệ gen đối với tất cả các trình tự proteinđược dự đoán trước gọi là “querrysequence”. Chẳng hạn như ví dụ sau:gen eve mã hóa trong một protein điềuhòa phiên mã thiết yếu cho sự phân hóatế bào ở phôi Drosophila. Protein Eve có376 axit amin. Vùng chức năng củaprotein này nằm giữa các axit amin 71 -130. Khi sử dụng trình tự của 60 axitamin này để tìm kiếm, kết quả cho thấyhệ gen Drosophila có 75 gen mã hóachứa trình tự này. Như vậy, chươngtrình BLAST đã nhanh chóng xác địnhđược một loạt các gen có chức năngtương tự.Một cách khác để khai thác cơ sở dữliệu của BLAST là tra cứu theo trình tựnucleotit. Chẳng hạn như trong thí dụtrên, người ta có thể sử dụng tương ứngtrình tự 180 bp mã hóa cho hộp định loạigen (homeobox).Tóm lại, việc trình tự các hệ gen đầy đủcủa các loài khác nhau ngày càng tăng lênđã cung cấp một cơ sở dữ liệu ngàycàng phong phú và đầy đủ cho cácnghiên cứu hệ gen học so sánh. Ngàycàng có nhiều các chương trình máy tínhđược phát triển và hoàn thiện để khaithác vốn thông tin di truyền đang ngà ...