Khái niệm telomere

Trong cơ chế tái bản, DNA được tổng hợp theo hai mạch song song nhau. Sự tháo xoắn được thực hiện từ đầu nọ đến đầu kia của DNA với sự xúc tác của enzyme helicase. Theo tinh thần tiết kiệm và tranh thủ phổ biến trong tất cả các hoạt động sinh lí của cơ thể, mạch kép của DNA tháo xoắn đến đâu, sẽ được các phức hệ enzyme DNA – polymerase I, DNA – polymerase II, DNA – polymerase III và các enzyme khác xúc tác tổng hợp mạch mới ngay đến đó. Vấn đề xuất hiện ở đây là, trong cả 3 hệ enzyme trên đều không có đầu 3’-OH tự do là nơi để các nucleotide tiếp theo liên kết vào, một điều kiện tối cần thiết để chúng có thể thực hiện quá trình tổng hợp kéo dài mạch. May thay, trong tế bào lại có một hệ enzyme khác, RNA – polymerase, tự nó có đầu 3’-OH tự do và do đó có khả năng khởi đầu quá trình tổng hợp kéo dài mạch. Vì thế, cơ chế tự nhân đôi trong nhân tế bào đã “mượn tạm” hệ enzyme này thực hiện quá trình tổng hợp ra đoạn nhỏ mạch RNA (các primer – RNA mồi) bổ sung với mạch khuôn DNA, nhằm tạo đầu 3’-OH tự do giúp DNA – polymerase thực hiện chức năng của mình. Tuy nhiên, việc khắc phục “nhược điểm” này lại để lộ ra một “nhược điểm” khác trong cơ chế tái sinh ở cấp độ phân tử – sự tái bản DNA.

Do mạch DNA chỉ có thể được tổng hợp theo chiều từ 5’ đến 3’ (dưới tác dụng của DNA – polymerase khi trượt trên mạch khuôn theo chiều 3’ – 5’), nên sự tái bản trên hai mạch đơn của DNA diễn ra không giống nhau:

• một mạch được tổng hợp liên tục cùng chiều với sự tháo xoắn DNA gọi là mạch dẫn đầu (leading strand) với chỉ một đoạn primer cho mỗi vị trí khởi sự tái bản (điểm ori);
• một mạch được tổng hợp gián đoạn ngược chiều với sự tháo xoắn DNA gọi là mạch ra chậm (lagging strand hay mạch Okazaki) với nhiều đoạn primer khởi đầu cho từng phân đoạn Okazaki có chiều dài khoảng 1000 – 2000 cặp nucleotide. Các primer này dài từ hàng chục đến hàng trăm nucleotide. Trên mạch ra chậm, sau khi hoàn tất quá trình tổng hợp các phân đoạn Okazaki, DNA – polymerase I với hoạt tính exonuclease sẽ vừa phân giải các primer, vừa tổng hợp đoạn DNA thay thế dựa trên đầu 3′-OH của đoạn DNA đã tổng hợp trước đó.

Như vậy, sau khi kết thúc quá trình tổng hợp kéo dài, tận cùng của DNA ở hai đầu 3’ (của mạch DNA cũ) vẫn còn tồn tại một primer chưa được thay thế. Và các primer này sẽ được các enzyme loại bỏ mà không được thay thế do sự khiếm khuyết của hệ enzyme DNA – polymerase khi không có khả năng tạo đầu 3’-OH trong phức hệ. Chính điều này làm cho hai đầu của DNA bị ngắn đi một đoạn tương ứng với chiều dài của primer (vài chục đến hàng trăm nuceotide) sau mỗi lần nó tự nhân đôi (tương ứng với sự phân chia tế bào). Vậy là, hệ gene của tế bào sẽ bị “thất thoát” sau mỗi lần tạo ra thế hệ mới. Tế bào đã làm cách nào để khắc phục sai sót này?

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong DNA tồn tại những đoạn trình tự lặp lại có chiều dài nhất định ở hai đầu “dự trữ” cho sự mất mát này, nhằm đảm bảo an toàn cho những gene cấu trúc nằm bên trong. Đây chính là các telomere.

Telomere là những trình tự lặp lại của DNA ở các đầu mút của nhiễm sắc thể. Mặc dù cũng được cấu thành từ các đơn phân nucleotide, nhưng telomere không mã hóa cho protein. Ngoài chức năng trên, chúng còn bảo vệ các nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào, giữ cho các nhiễm sắc thể không dính vào nhau.