Nghiên cứu sự sắp xếp DNA Oligomer trên Nhiễm sắc thể Vi khuẩn và Nấm men - Luận án TS Phan Thị Huyền

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU SỰ SẮP XẾP CỦA CÁC DNA OLIGOMER TRÊN NHIỄM SẮC THỂ VI KHUẨN VÀ NẤM MEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THỊ HUYỀN NGHIÊN CỨU SỰ SẮP XẾP CỦA CÁC DNA OLIGOMER TRÊN NHIỄM SẮC THỂ VI KHUẨN VÀ NẤM MEN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Chuyên ngành: Công nghệ Sinh học Mã số chuyên ngành: 62428005 Phản biện độc lập 1: GS.

Trần Linh Thước Phản biện độc lập 2: PGS. Trần Liên Hà Phản biện 1: GS. Nguyễn Thị Lang Phản biện 2: PGS. Trần Văn Lăng Phản biện 3: PGS.

Lê Thị Thủy Tiên NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. Nguyễn Đức Lượng LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án Chữ ký Phan Thị Huyền i TÓM TẮT LUẬN ÁN Nhằm mục tiêu đạt được những kiến thức sâu về sự phân bố của các nucleotide trong phân tử DNA nhiễm sắc thể của vi khuẩn và nấm men, đồng thời để thiết lập được một phương pháp phân loại các vi khuẩn có mối quan hệ tiến hóa gần ở cấp độ dưới giống, luận án này đã thực hiện hai nội dung nghiên cứu chính sau: Nội dung 1: Nghiên cứu sự sắp xếp của các oligomer trong phân tử DNA nhiễm sắc thể của vi khuẩn và nấm men. Những tìm hiểu bước đầu về sự sắp xếp của các oligomer trong phân tử DNA nhiễm sắc thể bao gồm việc khảo sát mối quan hệ giữa kích thước oligomer và tính đối xứng của phân tử DNA nhiễm sắc thể, xem xét tính bất đối xứng monomer cục bộ của các đoạn DNA trong nhiễm sắc thể, đồng thời xác định sự có mặt của các oligomer dọc theo chiều dài một sợi đơn của phân tử DNA nhiễm sắc thể. Các kết quả cho thấy rằng kích thước oligomer càng lớn thì mức độ đối xứng của phân tử DNA nhiễm sắc thể giảm, và rằng trong khi phân tử DNA nhiễm sắc thể mang tính đối xứng ở mức độ nhiễm sắc thể thì các vùng cục bộ của phân tử DNA nhiễm sắc thể biểu hiện tính bất đối xứng. Ở mức độ nhiễm sắc thể, sự phân bố của các oligomer và các oligomer bổ sung đảo ngược (BSĐN) tương ứng của chúng trong các trình tự mang thông tin mã hóa protein đóng góp tương đương với sự phân bố của chúng trong các trình tự không mã hóa protein vào tính đối xứng của phân tử DNA nhiễm sắc thể.

Trong các trình tự mang thông tin mã hóa protein, các trimer mã hóa codon được phân bố theo qui tắc tương đương về tần suất xuất hiện của chúng trên cơ sở vị trí của các nucleotide của codon và do đó định dạng sự sử dụng codon, góp phần tạo nên tính đối xứng của phân tử DNA nhiễm sắc thể. Các kết quả khám phá sâu hơn cho thấy sự phân bố của các trimer mã hóa codon trong các trình tự sense của phân tử DNA nhiễm sắc thể có một mối quan hệ mật thiết với sự phân bố của chúng trong các trình tự antisense của phân tử. Sự phân bố của các trimer mã hóa codon trong các trình tự sense và antisense dọc theo chiều dài phân tử DNA nhiễm sắc thể vi khuẩn trên cơ sở mối quan hệ này định hình rất rõ hai replichore. Mật độ phân bố của các trimer mã hóa codon trong các trình tự sense và antisense trên hai replichore của các phân tử DNA nhiễm sắc thể vi khuẩn cho thấy các trimer mã hóa codon và các trimer BSĐN tương ứng của chúng trên cơ sở mối quan hệ này được phân bố cân đối trong các trình ii tự sense và antisense của hai replichore, do đó góp phần tạo nên tính đối xứng của phân tử DNA nhiễm sắc thể.

Trong các trình tự không mã hóa protein, sự phân bố của các trimer không giống như trong các trình tự mang thông tin mã hóa protein. Nội dung 2: Ứng dụng sự phân bố của các trimer trong bộ gene để phân loại các vi khuẩn có mối quan hệ tiến hóa gần. Trên cơ sở tính đặc trưng loài của sự sử dụng codon định dạng bởi sự sắp xếp của các trimer trong các trình tự mang thông tin mã hóa protein ở mức độ nhiễm sắc thể, tính đặc trưng loài của mật độ phân bố của các trimer trong bộ gene được xác định và được ứng dụng để phân loại các vi khuẩn trong các họ Enterobacteriaceae, Burkholderiaceae và Pseudomonadaceae. Kết quả của nội dung nghiên cứu này cho thấy mật độ phân bố của các trimer trong bộ gene có thể được sử dụng để phân loại các vi khuẩn ở cấp độ dưới giống.

iii ABSTRACT Aims to get deep knowledge about the distribution of nucleotides in the chromosomes of bacteria and yeast, and to establish a method for classifying the closely related bacteria below genus level, this thesis has made two main research contents, as follows: Content 1: Study on the oligomer arrangement in the bacterial and yeast chromosomes. Initial study includes the investigation on the relationship between the oligomer size and the chromosomal strand symmetry, the consideration of the monomer asymmetry of local sequences in the chromosome, and the determination of the presence of individual oligomers along the length of the single strand of chromosomal DNA molecules. The results showed that the larger the oligomer size, the less symmetric the chromosomes were, and that while the whole chromosome was symmetric, the local sequences of the chromosomes were asymmetric. At the chromosomal level, the distribution of oligomers and their respective reverse complements in the sequences that carried the information to encode proteins and that in the protein non-coding sequences contributed equivalently to the chromosomal strand symmetry.

In the sequences carrying information for encoding the proteins, the trimers were distributed according to a rule that exhibited the equivalence in their frequencies on the basis of the position of the nucleotides in a codon and thus shaping the codon usage, contributing to the chromosomal strand symmetry. Deeper investigation results showed that the distribution of the codon encoding trimers in the sense sequences of each chromosome had a very close relationship with that in the antisense sequences. The distribution of codon encoding trimers in the sense and antisense sequences along the length of the bacterial chromosomes on the basis of this relationship clearly shaped two replichores. Densities of codon encoding trimers in the sense and antisense sequences on the replichores of the bacterial chromosome showed that the codon encoding trimers and their respective reverse complements on the basis of this relationship were distributed in the sense and antisense sequences to balance the two replichores, thus contributing to the bacterial chromosomal strand symmetry.

In the iv protein non-coding sequences, the distribution of trimers was different in comparison with that in the sequences that carried the information for encoding the proteins. Content 2: Based on the species-specificity of the codon usage shaped by the trimer arrangement in the sequences that carried the information for encoding the proteins at the chromosomal level, the species-specificity of the trimer densities in genomes was determined and was applied in the classification of closely related bacteria belonging to the Enterobacteriaceae, Burkholderiaceae and Pseudomonadaceae families. The results of this research content showed that the trimer densities in genomes could be used to classify the bacteria below genus level. v LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.

Nguyễn Đức Lượng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ, và lời cảm ơn chân thành xin được gửi đến tập thể Bộ Môn Công Nghệ Sinh Học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được thực hiện và hoàn thành luận án. Xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Ban Chủ Nhiệm và Văn Phòng Khoa Kỹ Thuật Hóa Học đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận án này. Xin cảm ơn các Quí Thầy, Cô trong Hội đồng đánh giá các chuyên đề Tiến sĩ, các Quí Thầy, Cô trong Hội đồng đánh giá luận án ở cấp Bộ Môn, cấp Khoa và cấp Trường đã đóng góp những ý kiến quí báu cho tôi thực hiện và hoàn chỉnh luận án. Xin cảm ơn các Quí Thầy, Cô, anh, chị, em trong Khoa Kỹ Thuật Hóa Học đã động viên và khích lệ, cảm ơn bạn bè đã cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn trong quá trình thực hiện luận án này.

Cuối cùng, con xin cảm ơn Mẹ và gia đình đã luôn sát cánh bên con, cho con động lực để cố gắng. Nghiên cứu sinh Phan Thị Huyền vi MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH .x DANH MỤC BẢNG.xiv DANH MỤC HÌNH PHỤ .xv DANH MỤC BẢNG PHỤ.xvii CÁC TỪ VIẾT TẮT .xviii CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU .3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.4 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .5 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .6 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .7 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.4 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU.3 CẤU TRÚC DNA NHIỄM SẮC THỂ .1 Nhiễm sắc thể tế bào sinh vật prokaryote .2 Nhiễm sắc thể tế bào sinh vật eukaryote.4 SỰ SAO CHÉP DNA NHIỄM SẮC THỂ .1 Sự sao chép DNA nhiễm sắc thể trong tế bào vi khuẩn.2 Sự sao chép DNA nhiễm sắc thể trong tế bào eukaryote.5 TÍNH BẤT ĐỐI XỨNG VÀ ĐỐI XỨNG CỦA DNA NHIỄM SẮC THỂ.1 Các định luật của Erwin Chargaff.2 Các phương pháp xác định tính bất đối xứng và đối xứng của DNA .3 Sự tuân thủ của DNA nhiễm sắc thể theo các định luật của Erwin Chargaff.6 TRÌNH TỰ NUCLEOTIDE TRONG PHÂN TỬ DNA NHIỄM SẮC THỂ VÀ CÁC MỐI LIÊN QUAN .1 Sự phân bố của các nucleotide trong phân tử DNA nhiễm sắc thể và vị trí điểm khởi đầu sao chép .2 Hai mạch sao chép DNA và các bộ máy sao chép.3 Sự thay đổi trình tự nucleotide nhiễm sắc thể bằng phương pháp tái tổ hợp sử dụng trình tự oligonucleotide sợi đơn và hiệu suất tái tổ hợp .4 Sự thay đổi trình tự nucleotide nhiễm sắc thể và các mối liên quan.5 Codon, sự sử dụng codon và mức độ biểu hiện gene.7 PHÂN LOẠI CÁC VI KHUẨN CÓ MỐI QUAN HỆ TIẾN HÓA GẦN .1 Phân loại nhờ các đặc điểm sinh, lý, hóa .2 Phân loại nhờ các trình tự 16S rDNA .3 Phân loại nhờ các trình tự bộ gene.4 Phân loại nhờ các dấu hiệu bộ gene .5 Phân loại nhờ tín hiệu tuần hoàn nucleotide .37 CHƯƠNG 3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU .1 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .1 Mục tiêu lý thuyết .2 Mục tiêu ứng dụng .