›
›

Giáo trình Di truyền học

pdf 272 trang phuongnguyen 6860
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Di truyền học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_di_truyen_hoc.pdf

Nội dung text: Giáo trình Di truyền học

  1. MỤC LỤC Chương 1. Bản chất của vật chất di truyền 1 I. DNA là vật chất di truyền 1 1. Các chứng minh gián tiếp 1 2. Thí nghiệm biến nạp DNA ( Transformation) 2 3. Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn 4 II. Thành phần và cấu tạo hĩa học của acid nucleic 5 1. DNA 7 1.1. Cấu tạo hĩa học của DNA 7 1.2. DNA cuộn lại trong tế bào 11 2. RNA 14 2.1. RNA riboxom (ribosomal RNA-rRNA) 14 2.2. RNA vận chuyển (Transfer RNA - tRNA) 15 2.3. RNA thơng tin (messenger RNA – mRNA) 17 2.4. Ribozym và self-splicing 18 III Các tính chất của DNA 20 1. Biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation) 20 2. Lai acid nucleic 22 IV. Những cấu trúc chứa DNA trong tế bào 23
  2. 1. Những đoạn DNA chứa thơng tin di truyền 23 2. Virus chứa DNA và virus chứa RNA 24 3. Nhiễm sắc thể chính và plasmid của vi khuẩn 25 4. Nhiễm sắc thể Eukaryota 25 4.1 Các trình tự lặp lại và đơn độc 25 4.2 Nhiễm sắc thể của Eukaryota 27 4.3 Trình tự CEN 29 4.4. Trình tự Tel 29 Câu hỏi ơn tập 30 Tài liệu tham khảo 30 Chương 2. Sao chép DNA 31 I. Sự bền vững của DNA với thời gian và qua nhiều thế hệ 31 1. DNA bị biến đổi ngay cả khơng sao chép 31 2. Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ 32 3. Các hệ thống bảo vệ DNA 33 4. Sửa sai do phục quang hồi 34 5. Hệ thống SOS 35 II. Cơ chế phân tử của sao chép DNA 36 1. Nguyên tắc chung 36 2. Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA 37 3. Thí nghiệm chứng minh cĩ sự tự nhân đơi theo nguyên tắc bán bảo tồn 37
  3. 4. Diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli 38 4.1. Giai đoạn khởi sự (initiation) 38 4.2. Giai đoạn nối dài (elongation) 39 III. Sao chép DNA trong tế bào 40 1. Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote 40 2. Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào Eukaryote 41 Câu hỏi ơn tập 42 Tài liệu tham khảo 42 Chương 3. Cơ sở tế bào học của tính di truyền 44 I. Các cấu trúc tế bào và khả năng tự tái sinh 44 1. Các cấu trúc cĩ khả năng tự tái sinh 44 2. Nhiễm sắc thể 45 2.1. Hình thái NST 45 2.2. Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ: 47 2.3. Chất nhiễm sắc 47 3. Các nhiễm sắc thể đặc biệt 48 II. Chu trình tế bào và phân bào ở Eukaryote 51 1. Chu trình tế bào 51 2. Nguyên phân (Mitosis) 52 3. Giảm phân (meiosis) 53 III. Các kiểu sinh sản 59
  4. 1.Sinh sản vơ tính 59 2. Sinh sản hữu tính 59 3. Các hình thức sinh sản đặc biệt 61 4. Chu trình sống hay vịng đời 63 Câu hỏi ơn tập 64 Tài liệu tham khảo 64 Chương 4. Các quy luật di truyền của Mendel 66 I. Phương pháp thí nghiệm của Mendel 66 1. Tính trạng hay dấu hiệu (character) 66 2. Cách tiến hành thí nghiệm: 68 II. Lai một tính trạng-Quy luật giao tử thuần khiết 69 1.Thí nghiệm 69 2. Giải thích của Mendel 70 3.Tính trội khơng hồn tồn và sự di truyền tương đương 70 4. Cơ sở tế bào học 70 5. Thí nghiệm chứng minh trực tiếp sự phân ly ở mức giao tử 72 6. Quy luật thứ nhất (quy luật giao tử thuần khiết 72 III. Lai hai tính và nhiều tính 73 1. Lai hai tính - Quy luật phân ly độc lập và tổ hợp tự do 73 2. Lai với nhiều cặp tính trạng 73 3. Một số tính trạng Mendel ở người 75
  5. 4. Các quy luật chung của tính di truyền 77 Câu hỏi ơn tập 77 Tài liệu tham khảo 78 Chương 5. Tương tac gen 79 I. Sự tương tác gen giữa các gen alen 79 1. Hiện tượng gây chết 79 2. Sự tương tác giữa các alen của cùng một gen 82 II. Sự tương tác giữa các gen khơng alen 83 1. Tương tác át chế 83 3. Tương tác đa gen 88 4. Tính đa hiệu của gen 89 III. Những phức tạp trong biểu hiện cuả gen 89 1. Gen biến đổi (Modifier gene) 89 2. Các tính trạng bị giới hạn bởi giới tính 90 3. Các tính trạng cĩ sự biểu hiện phụ thuộc vào giới tính 90 IV Độ thấm (penetrance) và độ biểu hiện (expression) 91 1. Độ thấm (độ thâm nhập) 91 2. Độ hiện hay độ biểu hiện 92 V. Tác động của mơi trường 93 1. Tác động của mơi trường bên ngồi 93 2. Tác động của mơi trường bên trong 94
  6. Câu hỏi ơn tập 95 Tài liệu tham khảo 95 Chương 6. Học thuyết di truyền nhiễm sắc thể 96 I. Sự xác định giới tính và sự di truyền liên kết với giới tính 96 1. Tỉ lệ phân li giới tính 96 2. Các gen liên kết với giới tính 98 3. Các tính trạng liên kết với giới tính trong di truyền học người 101 4. Gen nam giới và gen nữ giới ở người 101 4.1. Gen xác định nam giới 101 4.2. Gen xác định nữ giới 102 5. NST X bất hoạt ở người 102 6. Hiện tượng khơng chia ly của NST 104 7. Xác định giới tính do số bội thể 106 8. Xác định giới tính do điều kiện mơi trường 106 II. Sự di truyền liên kết 107 1. Hiện tượng liên kết 107 2. Liên kết hồn tồn 108 3. Hiện tượng di truyền liên kết khơng hồn tồn 108 4. Các nhĩm liên kết(Genelinkage) 109 III. Hiện tượng tái tổ hợp 109 1. Tái tổ hợp và trao đổi chéo 109
  7. 2. Cở sở tế bào học của trao đổi chéo 111 3. Trao đổi chéo ở trong giai đoạn 4 sợi 112 4. Trao đổi chéo nhiều lần 114 5. Nhiễu (Interference) và trùng hợp (Coincidence) 114 IV. Xác định vị trí gen và bản đồ di truyền 115 1.Xác định vi trí gen 115 2. Bản đồ di truyền của NST và bản đồ di truyền tế bào 116 V. NST người và bản đồ NST người 119 1. NST người 119 2. Kỹ thuật lai tế bào soma 120 Câu hỏi ơn tập 122 Tài liệu tham khảo 122 Chương 7. Di truyền học Vi khuân 123 I. Ưu thế và các đặc điểm của đối tượng vi sinh vật 123 1. Thời gian thế hệ ngắn, tốc độ sinh sản nhanh 123 2. Cĩ sự tăng vọt số lượng cá thể 123 3. Cĩ cấu tạo bộ máy di truyền đơn giản 124 4. Dễ nghiên cứu bằng các kỹ thuật vật lý và hĩa học 124 II. Đặc điểm của di truyền vi sinh vật 124 III. Sinh học của vi khuẩn 125 1. Cấu tạo tế bào và sinh sản 125
  8. 2. Đặc điểm nuơi cấy 127 IV. Biến nạp ( Transformation) 127 1. Hiện tượng và điều kiện 127 2. Cơ chế biến nạp 128 2.1. Xâm nhập của DNA 128 2.2. Bắt cặp 130 2.3. Sao chép 130 V. Tải nạp (Transduction) 130 1. Phage là nhân tố chuyển gen 130 2. cơ chế 131 3. Phân biệt các dạng tải nạp 132 VI. Giao nạp (Conjugation) 133 1. Chứng minh cĩ lai ở vi khuẩn 134 2. Sự phân hĩa giới tính ở vi khuẩn 135 3. Các nhân tố F' và tính nạp (Sexduction) 137 4. Cơ chế tái tổ hợp 137 VII. Cơ sở di truyền tính kháng thuốc của các vi khuẩn gây bệnh ở người 139 Câu hỏi và Bài tập 140 Tài liệu Tham khảo 140 Chương 8. Di truyền học Virus 142 I. Di truyền học thể thực khuẩn (Bacteriophage hay phage) 142
  9. 1. Sự hình thành vết tan và các thể đột biến phage 142 2. Tái tổ hợp di truyền trong một chu kỳ sinh tan (Lytic cycle) 144 2.1. Chu trình tan (Lytic cycle) 144 3. Sự sắp xếp của các gene trong nhiễm sắc thể phage 146 4. Lập bản đồ cấu trúc tinh vi vùng rII của phage T4 147 5. Tính tiềm tan (Lysogeny) và phage λ 151 II. Đặc tính của các virus 153 1. Tính đa dạng về cấu trúc và thành phần di truyền 153 2. Tính đặc thù về vật chủ (Host specificity) 154 III. Tái bản của các virus 154 1. Các virus của vi khuẩn 157 2. Các virus thực vật 157 3. Các virus động vật 158 4. Virus gây ung thư, HIV/ AIDS 160 Câu hỏi và Bài tập 163 Tài liệu Tham khảo 163 Chương 9. Di truyền học Vi nấm và Vi tảo 165 I. Đại cương về nghiên cứu di truyền ở một số vi tảo thơng dụng 165 II. Phân tích di truyền ở vi nấm 166 1. Tính khơng dung hợp (incompatibility) ở vi nấm 166 2. Phân tích bộ bốn và lập bản đồ ở vi nấm 167
  10. 3. Phân tích di truyền trong chu trình cận hữu tính (tái tổ hợp trong nguyên phân) 171 3.1. Sự đơn bội hố (Haploidisation) 172 3.2. Tái tổ hợp trong nguyên phân (Mitotic recombination) 172 III. Nấm men như là E. coli của các tế bào eukaryote 173 1. Các nhiễm sắc thể nấm men nhân tạo (YAC) 173 2. Những hiểu biết mới về tổ chức của các nhiễm sắc thể của nấm men 175 3. Những hiểu biết mới về tái bản và phiên mã của bộ gen nấm men 176 4. Những hiểu biết mới về ADN ty thể của nấm men 177 Câu hỏi và Bài tập 178 Tài liệu Tham khảo 179 Chương 10. Di truyền Tế bào chất 180 I. Sự di truyền tế bào chất 180 1. Sự di truyền của các gene lạp thể 180 2. Sự di truyền của các gene ty thể 183 2.1. Đặc điểm di truyền của các gene ty thể 183 2.2. Hiện tượng bất dục bào chất đực 186 3. Hiệu quả của dịng mẹ lên chiều xoắn vỏ ốc 188 II. Lập bản đồ ở lạp thể và ty thể 190 1. Lập bản đồ gene của DNA lạp thể 190 2. Lập bản đồ gene của DNA ty thể 192 III. Di truyền học phân tử các bào quan 193
  11. 1. Các bộ gene lạp thể (cpDNA) 193 2. Các bộ gene ty thể (mtDNA) 195 Câu hỏi và Bài tập 195 Tài liệu Tham khảo 195 Chương 11. Sự điều hịa biểu hiện của gene 197 I. Các nguyên lý điều hịa và mức độ kiểm sốt phiên mã 197 II. Điều hịa hoạt động gene ở prokaryote 199 1. Cấu trúc của operon 200 2. Điều hịa dương tính operon lactose 202 3. Điều hịa âm tính operon tryptophan 204 4. Phiên mã dở (Attenuation) 205 III. Điều hịa biểu hiện gene ở eukaryote 208 1. Sự biến đổi DNA 209 2. Các promoter 209 3. Những trình tự tăng cường phiên mã (Enhancer) 210 4. Trình tự bất hoạt gene (gene silencing) 211 5. Promoter chọn lọc (alternative promoter) 211 6. Splicing chọn lọc 212 Câu hỏi và Bài tập 213 Tài liệu tham khảo 213 Chương 12. Đột biến gene, tái tổ hợp và các yếu tố di truyền di động 215
  12. I. Đột biến gene 215 1. Các kiểu đột biến gene 215 1.1. Đột biến thay thế cặp base 216 1.2. Đột biến thêm hoặc bớt base 217 2. Cơ chế gây đột biến điểm 221 II. Sửa chữa và bảo vệ DNA 225 1. Cơ chế sửa sai sinh học 225 1.1. Quang phục hoạt (photoreactivation) 225 1.2. Sửa sai bằng làm mất nhĩm alkyl (dealkylation) 226 III. Các yếu tố di truyền vận động (Transposable genetic elements).230 1. Các yếu tố di truyền vận động ở prokaryote 230 1.1. Gene nhảy của prokaryote 231 1.2. Cơ chế của sự chuyển vị 232 2. Các yếu tố di truyền vận động ở eukaryote 233 2.1. Các retrotransposon 233 2.2. DNA transposon 235 Câu hỏi và Bài tập 237 Tài liệu Tham khảo 238 Chương 13. Đơt biên nhiêm săc thê 239 I. Đơt biên câu truc nhiêm săc thê 239 1. Biến đổi cấu trúc trên một NST: 240
  13. 1.1. Sự phát sinh các đột biến cấu trúc trên NST 240 1.2. Mất đoạn 240 1.3. Lặp đoạn (tăng đoạn - Duplication) 242 1.4. Đảo đoạn (Inversion) 242 1.5. Chuyển đoạn (Translocation) 246 II. Đột biến số lượng NST 248 1. Đa bội nguyên 248 2. Đa bội thể lai 250 3. Đa bội lệch hay đa nhiễm 251 III. Đột biến gây tạo hay cảm ứng 255 1. Tác động gây đột biến của bức xạ ion hĩa 255 1.1. Bức xạ ion hĩa 255 1.2. Ảnh hưởng của liều lượng (dose) và cường độ bức xạ (radiation intensity) 255 2. Tác động của tia tử ngoại 255 3. Các tác nhân gây đột biến hĩa chất 256 Câu hỏi và Bài tập 256 Tài liệu tham khảo 257
  14. Bài giảng điện tử Mơn: Di truyền học (45 tiết) Trương Thị Bích Phượng Khoa Sinh học, Trường đại học Khoa học, Đại học Huế Chương 1 Bản chất của vật chất di truyền Mục tiêu của chương Giới thiệu bản chất của vật chất di truyền là DNA, thành phần, cấu trúc của phân tử DNA, dạng DNA khác nhau trong tế bào. Số tiết: 6 Nội dung I. DNA là vật chất di truyền Năm 1968, Frederich Miescher (Thụy Điển) phát hiện ra trong nhân tế bào bạch cầu một chất khơng phải là protein và gọi là nuclein. Về sau thấy chất này cĩ tính acid nên gọi là acid nucleic. Acid nucleic cĩ 2 loại là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic (RNA). Năm 1914, R. Feulgen (nhà hĩa học người Đức) tìm ra phương pháp nhuộm màu đặc hiệu đối với DNA. Sau đĩ các nghiên cứu cho thấy DNA của nhân giới hạn trong NST. Nhiều sự kiện cho gián tiếp cho thấy DNA là chất di truyền. Mãi đến năm 1944 vai trị mang thơng tin di truyền của DNA mới được chứng minh và đến năm 1952 mới được cơng nhận. 1. Các chứng minh gián tiếp Nhiều số liệu cho thấy cĩ mối quan hệ giữa DNA và chất di truyền - DNA cĩ trong tế bào của tất cả các vi sinh vật, thực vật, động vật chỉ giới hạn ở trong nhân và là thành phần chủ yếu của nhiễm sắc thể. Đĩ là một cấu trúc mang nhiều gen xếp theo đường thẳng. 1
  15. - Tất cả các tế bào dinh dưỡng của bất kỳ một loại sinh vật nào đều chứa một lượng DNA rất ổn định, khơng phụ thuộc vào sự phân hĩa chức năng hoặc trạng thái trao đổi chất. Ngược lại, số lượng RNA lại biến đổi tùy theo trạng thái sinh lý của tế bào. - Số lượng DNA tăng theo số lượng bội thể của tế bào. Ở tế bào sinh dục đơn bội (n) số lượng DNA là 1, thì tế bào dinh dưỡng lưỡng bội (2n) cĩ số lượng DNA gấp đơi. - Tia tử ngoại (UV) cĩ hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bước sĩng 260nm. Đây chính là bước sĩng DNA hấp thu tia tử ngoại nhiều nhất. Tuy nhiên trong các số liệu trên, thành phần cấu tạo của NST ngồi DNA cịn cĩ các protein. Do đĩ cần cĩ các chứng minh trực tiếp mới khẳng định vai trị vật chất di truyền của DNA. 2. Thí nghiệm biến nạp DNA (Transformation) Hiện tượng biến nạp do Griffith phát hiện vào năm 1928 ở vi khuẩn Diplococcus pneumoniae (gây sưng phổi ở động vật cĩ vú). Vi khuẩn này cĩ hai dạng: - Dạng S (gây bệnh): cĩ vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, ngăn cản bạch cầu phá vỡ tế bào. Dạng này tạo khuẩn lạc láng trên mơi trường agar. - Dạng R (khơng gây bệnh) khơng cĩ vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, tạo khuẩn lạc nhăn. Thí nghiệm được tiến hành như sau: a. Tiêm vi khuẩn dạng S sống gây bệnh cho chuột, sau một thời gian nhiễm bệnh, chuột chết b. Tiêm vi khuẩn dạng R sống khơng gây bệnh cho chuột, chuột sống c. Tiêm vi khuẩn dạng S bị đun chết cho chuột, chuột chết d. Tiêm hỗn hợp vi khuẩn dạng S bị đun chết trộn với vi khuẩn R sống cho chuột, chuột chết. Trong xác chuột chết cĩ vi khuẩn S và R. 2
  16. Hình 1.1 Thí nghiệm biến nạp ở chuột Hiện tượng trên cho thấy vi khuẩn S khơng thể tự sống lại được sau khi bị đun chết, nhưng các tế bào chết này đã truyền tính gây bệnh cho tế bào R. Hiện tượng này gọi là biến nạp. Đến 1944, ba nhà khoa học T. Avery, Mc Leod, Mc Carty đã tiến hành thí nghiệm xác định rõ tác nhân gây biến nạp. Nếu tế bào S bị xử lý bởi protease hoặc RNAase. thì hoạt tính biến nạp vẫn cịn, cứng tỏ RNA và protein khơng phải là tác nhân gây bệnh. Nhưng nếu tế bào chết S bị xử lý bằng DNAase thì hoạt tính biến nạp khơng cịn nữa, chứng tỏ DNA là nhân tố biến nạp. Kết quả thí nghiệm được tĩm tắc như sau: DNA của S + tế bào R sống chuột chết (cĩ S, R ) 3
  17. Kết luận: hiện tượng biến nạp là một chứng minh sinh hĩa xác nhận rằng DNA mang tín hiệu di truyền. Nhưng vai trị của DNA vẫn chưa được cơng nhận vì cho rằng trong các thí nghiệm vẫn cịn một ít protein. Hình 1.2 Vật chất di truyền của phage là DNA 3. Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn Năm 1952, A. Hershey và M. Chase đã tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2 xâm nhập vi khuẩn E.coli. Phage T2 cấu tạo gồm vỏ protein bên ngồi và ruột DNA bên trong. Thí nghiệm này nhằm xác định xem phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào tế bào vi khuẩn: chỉ DNA, chỉ protein hay cả hai. Vì DNA chứa nhiều phosphor, khơng cĩ lưu huỳnh; cịn protein chứa lưu huỳnh nhưng khơng chứa phosphor nên cĩ thể phân biệt giữa DNA và protein nhờ đồng vị phĩng xạ. Phage được nuơi trên vi khuẩn mọc trên mơi trường chứa các đồng vị phĩng xạ P32 và S35. S35 xâm nhập vào protein và P32 xâm nhập vào DNA của phage 4
  18. Thí nghiệm: phage T2 nhiễm phĩng xạ được tách ra và đem nhiễm vào các vi khuẩn khơng nhiễm phĩng xạ, chúng sẽ gắn lên mặt ngồi của tế bào vi khuẩn. Cho phage nhiễm trong một khoảng thời gian đủ để bám vào vách tế bào vi khuẩn và bơm chất nào đĩ vào tế bào vi khuẩn. Dung dịch được lắc mạnh và ly tâm để tách rời tế bào vi khuẩn khỏi phần phage bám bên ngồi vách tế bào. Phân tích phần trong tế bào vi khuẩn thấy chứa nhiều P32 (70%) và rất ít S35, phần bên ngồi tế bào vi khuẩn chứa nhiều S35 và rất ít P32. Thế hệ mới của phage chứa khoảng 30% P32 ban đầu Thí nghiệm này đã được chứng minh trực tiếp rằng DNA của phage T2 đã xâm nhập vào tế bào vi khuẩn và sinh sản để tạo ra thế hệ phage mới mang tính di truyền cĩ khả năng đến nhiễm vào các vi khuẩn khác. Hinh 1.3 Sư xâm nhâp DNA cua virus vao vi khuân II. Thành phần và cấu tạo hĩa học của acid nucleic DNA và RNA là những hợp chất cao phân tử. Các đơn phân là các nucleotide. Mỗi nucleotide gồm ba thành phần - H3PO4 5
  19. - Đường desoxyribose (DNA ), ribose ( RNA) - Nitrogenous base DNA RNA + Purin Adenin (A) Adenin (A) Guanin (G) Guanin (G) + Pyrimidin Cytosin (C) Cytosin (C) Timin (T) Uracin (U) (a) (b) (c) Hình 1.4 Thành phần đường và base của nucleotide (a) Base purin va pyrimidin (b) Đương ribose va deoxyribose (c) Sư khac nhau giưa Thymine va Uracil Trong nucleotide, base purin sẽ gắn với C1 của đường ỏ N9. Nếu là pyrimidin thì sẽ gắn với C1 của đường ở N3. C5 của đường gắn với nhĩm phosphate. 6
  20. Trong mạch, 2 nucleotide nối với nhau nhờ mối liên kết giữa nhĩm ’ 3 -OH của đường với nhĩm -OH của H3PO4, cùng nhau mất đi một phân tử nước. Nếu phân tử chỉ gồm đường và nitrogenous base gọi là nucleoside. 1. DNA 1.1. Cấu tạo hĩa học của DNA Hình 1.5 Sự bắt cặp bổ sung của các base của hai mạch đơn Trên cơ sở các nghiên cứu của mình, Chargaff (1951) đã đưa ra kết luận: + Số lượng A = T, G = C 7
  21. + Tỉ số A +T đặc trưng cho mỗi lồi sinh vật. G + X Các base căn bản của acid nucleic bắt cặp bổ sung Cũng trong thời gian này, Wilkins và Franklin (người Anh) nghiên cứu, phân tích tán xạ bằng tia rơnghen, kết luận: + Các purin và pyrimidin cĩ cấu trúc phẳng, mặt phẳng của chúng được xếp vuơng gĩc với trục dài của mạch polynucleotide cái này xếp chồng lên cái kia, khoảng cách trung tâm giữa hai mặt phẳng kề nhau là 3,4Ao + Mạch polynucleotide xoắn thành lị xo quanh trục giữa, mỗi bước xoắn là 34Ao (ứng với 10 nu) + Việc so sánh nồng độ DNA đo được với các số liệu tính tốn trên cơ sở sắp khơng gian của các nguyên tử cho thấy DNA cĩ nhiều hơn một mạch polynucleotide. Năm 1951, J. Watson và F. Crick: tổng hợp các số liệu phân tích hĩa học và tán xạ của tia X, để xây dựng nên mơ hình cấu trúc phân tử DNA. Theo mơ hình này, phân tử DNA cĩ những đặc trưng chủ yếu trong cấu trúc khơng gian như sau: Hình 1.6. Mối liên kết hydro giữa A-T và G-C 8
  22. 1. Phân tử DNA gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn song song ngược chiều quanh một trục chung. 2. Các gốc base quay vào phía trong của vịng xoắn, cịn các gốc H3PO4, pentose quay ra ngồi tạo phần mặt của hình trụ. Các mặt phẳng của phân tử đường nằm về phía phải của các base. Cịn các base thì xếp trên những mặt phẳng song song với nhau và thẳng gĩc với trục phân tử. Khoảng cách giữa các cặp base là 3,4 Ao. Chúng lệch nhau một gĩc 360 nên cứ 10 gốc (10 nucleotide) tạo nên một vịng quay. Hình 1.7 Chuỗi xoắn kép DNA 3. Chiều cao của mỗi vịng xoắn là 34 Ao, gồm 10 bậc thang do 10 cặp base tạo nên. Đường kính của vịng xoắn là 20 Ao. 9
  23. 4. Hai chuỗi polynucleotide gắn với nhau qua liên kết hydro được hình thành giữa các cặp base đứng đối diện nhau theo nguyên tắc bổ sung cặp đơi nghiêm ngặt: A luơn luơn liên kết với T bằng 2 mối liên kết hydro, G liên kết với X bằng 3 mối liên kết hydro. Do đĩ trong phân tử DNA tổng số base loại pirimidin luơn bằng tổng số các base loại purin (quy luật Chargaff). + Khoảng cách giữa hai mạch polynucleotide luơn xác định, khơng thay đổi. Khoảng cách này bằng kích thước của một base loại purin cộng với kích thước của một base loại pirimidin. + A luơn luơn đi với T là vì giữa 2 base này chỉ cĩ khả năng hình thành nên hai liên kết hydrro ở các vị trí N6 - O6 và N1 - N1. G luơn luơn đi với X vì giữa 2 base này cĩ thể tạo ra 3 liên kết hydro ở các vị trí N6 - O6, N1 -N1 và N2 - O2. Vì vậy mà A chỉ liên kết với T và G chỉ liên kết với C. 5. Tính chất bổ sung giữa các cặp base dẫn đến tính chất bổ sung giữa hai chuỗi polynucleotide của DNA. Do đĩ biết thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi này sẽ suy ra thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi kia. Đặc điểm quan trọng nhất của mơ hình là đối song song (antiparallel). Để các bazơ tương ứng đối diện nhau, hai mạch cần phải bố trí: đầu của sợi này đối diện với đuơi của sợi kia. Mơ hình Watson-Crick ra đời từ năm 1953 và trong vịng 25 năm tiếp theo nĩ được cơng nhận và sử dụng rộng rãi. Mãi đến những năm 70, nhờ dùng các phân tích chính xác nhiều dạng DNA đã được phát hiện, dạng thường gặp là dạng B theo mơ hình của Watson-Crick, đây là cấu trúc phổ biến cho hầu hết sinh vật. Mỗi dạng DNA là một dịng họ các phân tử cĩ kích thước dao động quanh các trị số trung bình Hai chỉ số được dùng để đánh giá DNA - Chỉ số h: là chiều cao giữa hai nu kề nhau. - Chỉ số n: số nucleotide của một vịng xoắn Ngồi DNA dạng B, cịn nhiều dạng xoắn phải khác (A, C, D ) chúng phân biệt với DNA dạng B về khoảng cách giữa các base cũng như độ nghiêng của chúng so với trục và sự phân bố trên chuỗi kép. 10
  24. Gần đây, người ta cịn phát hiện ra một dạng DNA cĩ bộ khung zigzag và đĩng xoắn theo chiều trái, gọi là DNA xoắn trái hay DNA Z, trên mỗi vịng xoắn cĩ tới 12 cặp base. Giải thích sự tồn tại của DNA Z cĩ nhiều quan niệm khác nhau: Theo Watson, chỉ trong những điều kiện đặc biệt, như nồng độ muối cao thì các vùng chứa trình tự GCGCGC chuyển sang cấu hình Z, ngược lại ở nồng độ muối thấp chúng quay trở lại dạng B. Điều đĩ chứng tỏ DNA Z cĩ thể đĩng vai trị giảm sức căng cục bộ trong phân tử DNA siêu xoắn hoặc cĩ thể tương tác đặc thù với các protein điều hịa. Tuy nhiên A. Rich cho rằng DNA Z xảy ra trong tự nhiên mà bằng chứng là cĩ mặt trong ruồi giấm bình thường. Cĩ thể là vùng DNA Z nằm xen kẻ với vùng DNA B và chúng cĩ thể xoay hình dáng thành dạng B khi xảy ra các biến đổi hĩa học nào đĩ làm cho DNA Z trở nên khơng ổn định. Rich cịn gợi ý rằng những gen nằm ở các vùng bị xoay như thế thì cĩ thể tháo xoắn sau đĩ và bắt đầu phiên mã. Nhờ vậy mà protein cĩ thể được tổng hợp. Mặc dù đây mới chỉ là giả thiết song khám phá này đã cung cấp một cơng cụ tiềm năng cho nghiên cứu về hoạt động của các gen và DNA.Việc phát hiện các dạng DNA cho thấy DNA trong tế bào khơng đơn điệu. tùy trạng thái sinh lý mà DNA ở dạng này hoặc dạng khác. Hình 1.8 DNA dạng xoắn kép Z a. Mơ hình dạng B của Watson-Crick, là dạng xoắn phải với trục đều b. Mơ hình dạng Z, là dạng xoắn trái với trục khơng đều 1.2. DNA cuộn lại trong tế bào Hầu hết trong cơ thể sinh vật, DNA cĩ chiều dài dài hơn rất nhiều lần so với chiều dài của tế bào. 11
  25. Ví dụ: phage T2 cĩ chiều dài tế bào khoảng 0,16 µm, trong khi chiêu dài ADN của chúng khoảng 50 µm. Hình 1.9 Các dạng thẳng, vịng trịn và xiêu xoắn của DNA Do đĩ DNA ở trong tế bào phải cuộn xoắn. Sự cuộn xoắn này rất tinh vi vì trong quá trình tồn tại, các gen phải hoạt động, như vậy nĩ phải là một chất cĩ hoạt tính thường xuyên Người ta thấy DNA cĩ thể ở 3 dạng cấu trúc: - Dạng siêu xoắn: mạch kép vặn xoắn lại thành hình số 8. Đây là dang tự nhiên ở vi khuẩn. 12
  26. - Dạng vịng trịn: sợi DNA căng trịn cĩ được do DNA siêu xoắn bị cắt đứt 1 trong hai mạch kép. - Dạng thẳng: khi DNA bị cắt đứt cả hai mạch. Mơ hình về bộ gen của E .coli Ở E. coli, chiều dài DNA được rút ngắn đáng kể, sự cuộn lại được thực hiện nhờ vào các RNA nối. Khi các RNA nối bị cắt thì các DNA bung dài ra, thuận lợi cho sự sao chép DNA. Nếu mạch DNA bị cắt, DNA được tháo xoắn, căng ra thuận lợi cho sự tổng hợp protein. Hình 1.10 Mơ hình cấu trúc nhiễm sắc thể (bộ gen) của E. coli (Theo Pettijohn và Hecht, 1974) 13
  27. Hình 1.11 Sự tháo xoắn DNA trong tế bào vi khuẩn 2. RNA Ở các sinh vật như: thực khuẩn thể, virus của động vật, virus của thực vật thì vật liệu di truyền là RNA. Ở các sinh vật bậc cao cĩ RNA là bản sao mã của DNA. RNA cĩ cấu tạo từ các đơn phân là các ribonucleotide. Giống với nucleotide, mỗi ribonucleotide gồm ba thành phần: đường ribose, H3PO4, bazơnitric (T được thay bằng U). Trong tế bào cĩ ba loại RNA: 2.1. RNA riboxom (ribosomal RNA-rRNA) rRNA cùng với protein cấu tạo nên ribosome. rRNA chiếm tỷ lệ cao trong tế bào cĩ thể đến 75% của tổng RNA. Ở các ribosome khác nhau cĩ các rRNA khác nhau, chúng được đặc trưng bởi hằng số lắng S: - Eukaryote : ribosome cĩ hệ số lắng khi ly tâm là 80S, gồm hai đơn vị: + Đơn vị lớn ( 60S) cĩ rRNA 28S; 5,8S; 5S + Đơn vị nhỏ (40S) cĩ rRNA 18S - Prokaryote và lục lạp, ty thể cĩ hệ số lắng khi ly tâm là 70S, gồm 2 đơn vị: + Đơn vị lớn (50S): cĩ loại rRNA 23S; 5S + Đơn vị nhỏ (30S): cĩ rRNA 16S 14
  28. RNA ribosom cĩ cấu trúc bậc I (mạch thẳng) và cấu trúc bậc hai. Trong ribosome, các rRNA tồn tại ở dạng cấu trúc bậc hai. RNA ribosom cĩ cấu tạo là một sợi xoắn cĩ nhiều vùng liên kết đơi theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với U, G liên kết với X và cĩ khi G liên kết với U. Trong tế bào rRNA chiếm tỷ lệ cao cĩ thể lên đến 75-80% tổng số RNA Hình 1.12 rRNA cấu tạo nên ribosom 2.2. RNA vận chuyển (Transfer RNA - tRNA) Mỗi tRNA gắn với một phân tử amino acid, mang đến ribosome để tham gia tổng hợp protein. Mỗi tRNA đặc hiệu cho một loại amino acid. Cĩ hơn 20 loại tRNA khác nhau tương ứng với hơn 20 loại amino acid. Trong thực tế, người ta thấy số lượng tRNA lớn hơn rất nhiều so với số lượng amino acid vì một amino acid cĩ nhiều bộ ba mã hĩa. Đồng thời cùng một bộ ba mã hĩa, vẫn cĩ thể cĩ nhiều tRNA do hiện tượng biến đổi của các nucleotide trong tRNA tạo nên các loại tRNA mới và trong quá trình tổng hợp tRNA, sau khi hình thành chuỗi polynucleotide cịn chịu sự tác động của các yếu tố của mơi trường nội và ngoại bào làm các nucleotide bị biến đổi, tạo ra các tRNA mới. Các tRNA cùng tham gia vận chuyển một acid amin là các izoaceptor. Số lượng izoaceptor thay đổi tùy acid amin. 15
  29. Cấu trúc bậc I của tRNA: tRNA vận chuyển cĩ phân tử lượng nhỏ: 25.000-30.000, gồm 75-90 nucleotide, cĩ hằng số lắng 4S. Trong thành phần cấu trúc của tRNA cĩ khoảng 10% các nucleotide hiếm với khoảng 30 loại khác nhau. Mọi cấu trúc của tRNA đều cĩ 2 đầu 5' và 3' giống nhau: đầu 5' luơn chứa G với gốc P tự do, cịn đầu 3' luơn cĩ 3 nucleotide là CCA 3'-OH. Nhĩm 3'-OH của A cĩ thể liên kết với acid amin để tạo phức hợp tRNA-aminoacyl. Chuỗi polynucleotide cuộn lại cĩ những đoạn tạo mạch xoắn kép, hình thành cấu trúc bậc hai của tRNA. Hình 1.13 Cấu trúc của tRNA Enzyme aminoacyl tRNA synthetase gắn amino acid với tRNA tương ứng. Mỗi enzyme đặc hiệu cho một loại amino acid riêng biệt và xúc tác phản ứng gắn với tRNA của nĩ nhờ năng lượng ATP tạo ra aminoacyl tRNA. Phức hợp aminoacyl tRNA đến ribosome gắn với mRNA bằng nhờ các bộ ba đối mã (anticodon) trên tRNA bắt cặp bổ sung với các bộ ba mã hĩa (codon) trên mRNA. 16
  30. Các tRNA cĩ một số đặc tính cấu trúc chung: chiều dài khoảng 73- 93 nucleotide, cấu trúc gồm một mach cuộn lại như hình lá chẻ ba nhờ bắt cặp bên trong phân tử. Đầu mút 3’ cĩ trình tự kết thúc là CCA, amino acid luơn gắn vào đầu này. Đầu 5 chứa gốc phosphate của G. Mỗi tRNA cĩ cĩ 4-5 vùng với chức năng khác nhau: - Vịng DHU: cĩ chứa nucleotide dihydrouridin, vùng này cĩ chức năng nhận biết aminoacyl tRNA synthetase - Vịng anticodon: đọc mã trên mRNA theo nguyên tắc kết cặp anticodon – codon. - Vịng phụ: cĩ thể khơng cĩ ở một số RNA. - Vịng TφC: cĩ chứa nucleotide pseudouridin, vùng này cĩ chức năng nhận biết ribosom để vào đúng vị trí tiếp nhận aminoacyl tRNA (vị trí A) - Đấu 3’ –CCA: vị trí gắn với acid amin. tRNA chiểm khoảng 15% tổng số RNA của tế bào 2.3. RNA thơng tin (messenger RNA – mRNA) RNA thơng tin làm nhiệm vụ truyền đạt thơng tin di truyền từ DNA đến protein. mRNA chiểm khoảng 5% tổng số RNA tế bào. Cấu trúc của mRNA: 5’ m7GxpYp AUG UAG 3’ vùng 5’ vùng vùng 3’ khơng mã hĩa mã hĩa khơng mã hĩa X, Y cĩ thể là A hoặc G DNA polymerase khởi sự phiên mã ở đoạn nằm ngay trước vùng mã hĩa được gọi là đoạn 5’ khơng mã hĩa (5’-non coding). Do đĩ mRNA cĩ đoạn đầu mang các tín hiệu cho ribosome nhận biết để gắn vào dịch mã. Ở đuơi 3’ sau dấu kết thúc cĩ đoạn 3’ khơng mã hĩa là nới gắn poly-A. Các mRNA của prokaryote cĩ nữa thời gian (half life) tồn tại ngắn trung bình 2 phút. Các mRNA của Eukaryote cĩ nữa thời gian tồn tại khoảng 30 phút - 24 giờ. 17
  31. Vị trí gắn Rb Vị trí gắn Rb Vị trí gắn Rb Mã khởi đầu AUG Mã khởi đầu AUG Mã khởi đầu AUG 5’ 3’ Vùng không mã hóa UAA mã kết thúc UAA mã kết thúc UAA mã kết thúc P1 P2 P3 Hình 1.14 mRNA ở Prokaryote Vùng không mã hóa Mã kết thúc UAA 5’ G P P P A-A-A 3’ AUG 5’ CAP Vị trí gắn Rb Vùng không mã hóa Hình 1.15 mRNA ở eukaryote 2.4. Ribozym và self- splicing Vào 1981, phát minh về vai trị xúc tác của một số phân tử RNA đã làm đảo lộn quan điểm về chất này. Các phân tử rRNA của các lồi nguyên sinh động vật, lúc đầu được tổng hợp với một số lượng lớn tiền chất, từ số các rRNA này sẽ cĩ một được tạo ra bằng cách tự cắt nối (self - splicing). Quá trình cắt nối này cĩ thể xảy ra ở in vitro trong sự vắng mặt của protein. Điều đĩ cho thấy rằng các trình tự intron tự nĩ cĩ hoạt tính xúc tác tương tự enzyme. Phản ứng self-splicing trong đĩ trình tự intron tự xúc tác quá trình tự cắt rời khỏi phân tử rRNA ở lồi Tetrahymena qua 2 bước: + phản ứng được bắt đầu khi nucleotide G gắn vào trình tự intron, đồng thời cắt mạch RNA. 18
  32. + Đầu 3’ của RNA mới vừa được tạo ra gắn vào đầu bên kia của intron hồn thành phản ứng nối liền Hình 1.16 Hoạt động cắt intron và nối exon trên mRNA Trình tự intron dài 400 nucleotide đã được tổng hợp trong ống nghiệm và nĩ cuộn lại tạo phức hợp bề mặt cĩ hoạt tính tương tự enzyme trong các phản ứng với các RNA khác. Mặc dù splicing phần lớn khơng được thực hiện tự động như ở Tetrahymena nhưng hiện tượng này cũng được phát hiện ở những sinh vật khác, cả ở nấm và vi khuẩn. Các RNA cĩ khả năng tự xúc tác được gọi là ribozyme. Phát hiện này cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc tìm hiểu cơ chế và nguồn gốc sự sống. 19
  33. Hình 1.17 Phản ứng self-splicing của RNA III Các tính chất của DNA 1. Biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation) Hai mạch đơn của phân tử AND gắn với nhau nhờ các liên kết hydro.Khi đun nĩng DNA từ từ, vượt quá nhiệt độ sinh lý (khoảng 80- 95oC), các liên kết hydro giữa 2 mạch bị đứt và chúng tách rời nhau. Trước tiên các mối liên kết A-T, khi nhiệt độ > 90oC các liên kết G -C bị đứt. Đĩ là hiện tượng biến tính của DNA. Nhiệt độ mà ở đĩ 2 mạch DNA tách rời nhau được gọi là điểm chảy melting poin) của DNA: Tm. Nhiệt độ này đặc trưng cho mỗi loại DNA, phụ 20
  34. thuộc vào số lượng các liên kết hydro. DNA cĩ tỷ lệ G-C cao sẽ cĩ điểm chảy cao. DNA cĩ 60% G-C thì điểm chảy là 95oC. Hình 1.18 Sự biến tính và hồi tính của DNA Ngồi nhiệt độ, người ta cịn dùng chất formanide (NH2 -CH = 0) làm biến chất DNA ở 40oC Các DNA bị biến chất được hạ nhiệt độ từ từ, ở 60o -700C các nucleotide sẽ gắn lại với nhau để tạo nên DNA mạch kép. Hiện tượng này gọi là hồi tính. 21
  35. Cĩ thể biết được DNA bị biến tính hoặc chưa nhờ vào sự gia tăng hấp thụ tia cực tím khi bị biến tính và sự giảm hấp thu tia cực tím khi hồi tính. Giá trị mật độ quang tăng lên khi phân tử mạch đơi chuyển thành mạch đơn, điều này xảy ra do “hiệu ứng siêu sắc” (hyperchromic effect), hoặc dựa vào sự thay đổi độ lắng tụ trong ống nghiệm khi ly tâm. 2. Lai acid nucleic Sử dụng đặc tính biến tính rồi hồi tính cĩ thể tiến hành lai DNA với DNA, DNA với RNA, RNA với RNA. Nguyên tắc: lấy DNA A làm biến tính thành mạch đơn, trộn với DNA B cũng bị biến tính thành mạch đơn. Dung dịch được hạ nhiệt độ từ từ để xảy ra hồi tính. Đây là kiểu lai lỏng hay lai trong dung dịch. Quá trình hồi tính xảy ra, sợi A kết với A, B kết với B, đồng thời cĩ sợi A kết với B tạo thành phân tử lai. Muốn lai được với nhau, giữa 2 loại DNA phải cĩ những đoạn cĩ trình tự bổ sung nhau. Cĩ thể dùng đồng vị phĩng xạ đánh dấu để phát hiện đoạn lai. Hiện nay cịn sử dụng phương pháp lai trên pha rắn, được sử dụng rộng nhất: + Phương pháp Southern blot, dùng cho DNA + Phương pháp Northern blot dùng cho RNA + Phương pháp dot (điểm) và slot (khe) blot dùng cho RNA và DNA - Lai tại chỗ (in situ hybridization) là kiểu lai phân tử trong đĩ trình tự acid nucleic cần tìm (trình tự đích) nằm ngay trong tế bào hay trong mơ. Lai tai chỗ cho phép nghiên cứu NST, khuẩn lạc hay mơ tế bào mà khơng cần tách chiết chúng. Dùng phương pháp lai DNA: + Cĩ thể xác định mối quan hệ họ hàng giữa các lồi. DNA người và DNA chuột chỉ lai được 25%. + Cĩ thể tiến hành lai mRNA với DNA để xác định vị trí gen trên DNA tạo ra mRNA tương ứng. Phương pháp lai acid nucleic giúp hiểu chi tiết hơn về bộ gen, nĩ là cơ sở của phương pháp chẩn đốn mới dùng acid nucleic đang đuợc sử dụng rộng rãi. 22
  36. Hình 1.19 Phát hiện các DNA lai với mẫu dị IV. Những cấu trúc chứa DNA trong tế bào 1. Những đoạn DNA chứa thơng tin di truyền Đại phân tử DNA là do polynucleotide tạo thành, được chia làm nhiều đoạn. Mỗi đoạn là một đơn vị chức năng, gọi là gen Gen được định nghĩa trong di truyền học: + Mendel là người đầu tiên nêu lên khái niệm “nhân tố di truyền” + J. Morgan cụ thể hĩa khái niệm về gen: gen nằm trên nhiễm sắc thể chiếm một locus nhất định. Gen là đơn vị chức năng xác định một tính trạng. + Sau khi học thuyết trung tâm ra đời: gen là đoạn DNA trên nhiễm sắc thể khơng những mã hĩa cho các loại protein mà cả các loại RNA. + Cuối những năm 70, sau khi phát hiện ra gen gián đoạn: gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptid nĩ bao gồm cả vùng trước và sau vùng mã hĩa cho protein và cả những đoạn khơng mã hĩa xen giữa các đoạn mã hĩa. Hiện nay cĩ thể định nghiã tổng quát như sau: gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền chiếm một locus nhất định trên NST và xác định một tính trạng nhất định. Các gen là những đoạn vật chất di truyền mã hĩa cho những sản phẩm riêng lẻ như các RNA được sử dụng trực tiếp cho 23
  37. tổng hợp các enzym, các protein cấu trúc hay các mạch polypeptid để gắn lại tạo ra các protein cĩ hoạt tính sinh học. Tồn bộ những gen khác nhau của cơ thể, gọi là Idiotype. Ở Eukaryote nĩ bao gồm các gen trên nhiễm sắc thể (chromotype) và các gen ngồi nhân (plasmotype). Ở prokaryote, nĩ bao gồm bộ gen và plasmid. 2. Virus chứa DNA và virus chứa RNA Virus gây bệnh đốm thuốc lá (mosaic tobacco virus - MTV) là virus chứa RNA sợi đơn. Nĩ là một hạt hình que dài 300 nm, cĩ đường kính 18 nm. Bên ngồi cĩ một vỏ chứa 2130 phân tử và một vịng xoắn RNA ở bên trong. Chiều cao vịng xoắn: 23Ao, khối lượng phân tử = 2.106 đvC. Hình 1.20 Virus khảm thuốc lá a. Ảnh virus khảm thuốc lá chụp bằng kính hiển vi điện tử ở độ phĩng đại 37.428X b. RNA điều khiển sự hình thành tính trạng vỏ của virus Một số virus chứa DNA sợi đơi như các thực khuẩn thể T2, T4, T6 chứa DNA mạch đơi thẳng, dài. Cĩ chứa 2.105 đơi nucleotide, khối lượng 24
  38. phân tử: 130.10 đvC. Khi lực thẩm thấu của mơi trường thay đổi đột ngột, phân tử DNA này thốt ra khỏi vỏ protein, người ta chụp ảnh được ảnh DNA của tjực khuẩn thể T2 với chiều dài 0,05 mm (50µm), phân tử này xếp gọn ở phần đầu của thực khuẩn thể. Tất cả thực khuẩn thể T số chẵn chứa DNA với mạch polynucleotide giống nhau, nên khi trộn lẫn các DNA mạch đơn đã bị biến tính của chúng với nhau thì các mạch đơn này cĩ thể tạo thành phân tử lai. Phân tử DNA của T3, T7 khơng thể hình thành phân tử DNA lai với DNA của T số chẵn. Cịn virus ΦX174 cĩ chứa DNA sợi đơn gồm 5400 nucleotide với khoảng 9 gen. 3. Nhiễm sắc thể chính và plasmid của vi khuẩn DNA của vi khuẩn làm thành thể nhân, tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất, khơng cĩ màng nhân làm giới hạn. DNA của thể nhân là DNA mạch vịng, xoắn kép Ví dụ: DNA E.coli cĩ đường kính 350 µm, gồm 4.106 đơi nucleotide và chứa khoảng 500 gen xếp nối tiếp nhau thành chuỗi dài chi phối tất cả các hoạt động chức năng của sự sống. Plasmid cũng là phân tử DNA mạch kép, dạng vịng ở bên cạnh thể nhân. Khối lượng phân tử trung bình khoảng 1% DNA của thể nhân. Các plasmid cĩ thể gắn tạm thời hoặc vĩnh viễn ở trên NST chính của vi khuẩn. Cĩ thể tham gia sự tự nhân đơi và tham gia tiếp hợp khác như là một phần của NST chính. 4. Nhiễm sắc thể Eukaryota. 4.1 Các trình tự lặp lại và đơn độc DNA được cắt thành từng đoạn nhỏ, cho biến tính, sau đĩ hồi tinh thì các đoạn cĩ trình tự bổ sung dễ tái tổ hợp với nhau hơn các đoạn khác. Nhờ vậy cĩ thể nhận biết được các trình tự lặp lại. Dựa vào đĩ phân DNA thành ba loại: + DNA đơn độc (tái hợp rất chậm) + DNA lặp lại trung bình (tái hợp nhanh vừa) + DNA lặp lại cao (tái hợp rất nhanh) 25
  39. Mặc dù DNA mang thơng tin mã hĩa cho các protein nhưng trong thực tế chỉ cĩ khoảng 10% trong số 3 tỷ cặp nucleotide trong genome của người thực sự làm chức năng này. Căn cứ vào đặc điểm cấu trúc và phân, chia DNA thành các loại sau: - DNA đơn độc (Single copy DNA) Đây là loại phổ biến nhất, chiếm khoảng 75% genome. Các đoạn DNA này chỉ thấy 1 lần (hoặc vài lần) trong genome. Một phần nhỏ của DNA loại này là các gen mã hĩa cho protein. Hẫu hết các DNA đơn độc là các intron hoặc là các đoạn nằm xen giữa các gen. - DNA lặp lại (repetitive DNA) Chiểm 25% cịn lại của genome, đây là các đoạn DNA được lặp đi lặp lại hàng ngàn lần trong genome. DNA lặp lại gồm 2 loại: + DNA vệ tinh (satellite DNA): loại DNA tập trung ở 1 số vùng nhất định trên NST, ở đĩ chúng xếp đuơi nhau, cái này tiếp cái kia. Loại này chiếm 10% bộ gen. + DNA lặp lại rãi rác: loại DNA này chiếm khoảng 15% genome, gồm 2 loại: Các yếu tố rãi rác cĩ kích thước ngắn SINEs (short interspersed repetitive elements): kích thước từ 90-500 bp. Trong nhĩm này cĩ loại DNA lặp lại tên Alu với kích thước khoảng 300 bp, mang đoạn DNA cĩ thể bị enzyme hạn chế Alu I cắt (đây là enzyme cĩ nguồn gốc từ vi khuẩn Arthrobacter luteus). Đoạn lặp Alu là 1 họ bao gồm các đoạn DNA cĩ độ giống nhau cao, phân bố rãi rác khắp hệ gen với khoảng 300.000 bản sao, chiếm khoảng 2-3% tồn bộ DNA của người, chúng được xem như là các yếu tố vận động. Ở 2 đầu mỗi đoạn Alu cĩ các đoạn lặp cùng chiều ngắn khoảng 7-10 bp. Bên trong đoạn Alu cĩ các đoạn lặp dài khoảng 40 bp. Điểm đặc biệt của các đoạn lặp DNA này là cĩ thể tạo ra bản sao của mình và cĩ thể cài vào các phần khác của bộ gen. Hiện tượng này đơi khi cĩ thể làm gián đoạn một gen mã hĩa cho protein nào đĩ và gây ra tình trạng bệnh lý di truyền. Vai trị của các trình tự Alu đến nay chưa rõ. Một điều đáng kinh ngạc là cĩ sự tương đồng (homologus) từ 80-100% giữa phần 3' của Alu với đầu mút 5' và 3' của RNA 7SL, là phần tương tác với các tín hiệu peptid trước khi vận chuyển ra tế bào chất. Việc xác định trình tự nucleotide của 26
  40. Alu cho thấy cĩ ít nhất 6 nhĩm phụ và tất cả đều bắt nguồn từ DNA mã hĩa cho RNA 7SL. Các yếu tố rãi rác cĩ kích thước dài LINEs (long interspersed repetitive elements): bao gồm các họ LINE 1 (hay Kpn 1) và THE 1. Các trình tự LINE cĩ chiều dài khoảng 6000-7000 bp với gần 5.000 bản sao nguyên vẹn và 100.000 bản sao từng phần rãi rác khắp bộ gen người. Chúng là những trình tự lặp lại khơng mã hĩa dài nhất và thường ở vùng giàu AT. Các bản phiên mã trình tự LINE gắn với protein tạo thành phức hợp ribonucleoprotein. Ở một dịng tế bào người bị ung thư (teratocarcinome), người ta quan sát thấy cĩ các ribonucleoprotein này. Sự xen đoạn LINE vào các vị trí khác nhau cĩ thể gây hậu quả nhất định, như trong một trường hợp bệnh máu khơng đơng A (hemophilia). 4.2. Nhiễm sắc thể của Eukaryota Nhiễm sắc thể chứa một phân tử DNA thẳng, mạch kép. NST Eukaryote gồm DNA và protein, trong số đĩ histon là protein cốt lõi trong việc cuộn lại và điều hịa hoạt tính của DNA. Sự hình thành NST kỳ giữa từ chuỗi xoắn kép DNA qua hệ thống các bậc cấu trúc sau: + Nucleosome là đơn vị cấu trúc của NST được tạo nên do sợi DNA dài quấn quanh các protein histon thành sợi 11nm. Đơn vị này là phức hợp gồm 146 cặp nucleotide của DNA quấn quanh 8 phân tử histon: 2H2A, 2H2B, 2H3 ,2H4. Các nucleosome kề nhau được nối qua một phân tử histon trung gian H1. + Sợi chromatin dày 30nm: các nucleosome xếp sít nhau tạo thành phức hợp nucleoprotein. + Vùng xếp cuộn dày 300 nm do sợi chromatin sau nhiều lần xoắn uốn khúc tạo nên. + Chất dị nhiễm sắc 700 nm + Kỳ giữa 1400nm. 27
  41. Hình 1.21 DNA quấn quanh bởi protein histon 28
  42. Hình 1.22 Phức hợp nucleoprotein cuộn lại thành NST 4.3. Trình tự CEN: trình tự lặp lại cao CEN là của các tâm động. 4.4. Trình tự TEL: thuộc các telomer (đầu mút của NST) với nhiều vai trị khác nhau: bảo vệ đầu mút NST khỏi bị cắt bởi nuclease, giữ chiều dài của NST khi sao chép, gắn với màng nhân và kìm hãm sự biểu hiện của các gen ở đầu mút. Các trình tự TEL cĩ tính bảo tồn cao trong tiến hĩa. Chúng cĩ số lần lặp lại cao, giàu A và C. 29
  43. Câu hỏi ơn tập 1. Nêu chứng minh gián tiếp cho thấy DNA là vật chất di truyền. 2. Trình bày thí nghiệm biến nạp qua đĩ chứng minh DNA là vật chất di truyền. 3, Các đặc điểm của mơ hình cấu trúc của Watson và Crick (1953). 4. Mơ tả các dạng tồn tại của DNA trong tế bào. 5. Mơ hình vầ cấu trúc bộ gene của E. coli. 6. Cấu trúc và chức năng các loại RNA trong tế bào Eukaryote. 7. DNA và RNA khác nhau ở những cấu phần nào 8. Hãy nêu các tính chất của phân tử DNA. 9. Các trình tự lặp lại ở DNA Eukaryote 10. Trình bày các mức độ kết cuộn của DNA để hình thành nhiễm sắc thể. Tài liệu tham khảo Trịnh Văn Bảo, Phan Thị Hoan, Trần Thị Thanh Hương, Trần Thị liên, Trần Đức Phấn, Phạm Đức Phùng, Nguyễn Văn Rực, Nguyễn Thị Trang. 2002. Các nguyên lý sinh học. NXB Y học Hà Nội. Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục. Nguyễn Bá Lộc (2004). Acid nucleic và sinh tổng hợp protein. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo Dục. Hồng Trọng Phán (1995). Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart, David T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman Publishers. Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers. Toronto, Canada. Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Inc., New York. 30
  44. Chương 2 Sao chép DNA Mục tiêu của chương Giới thiệu về sao chép DNA, nguyên tắc của sao chép và các nhân tố tham gia vào quá trình sao chép DNA, các hệ thống sửa sai DNA nhằm duy trì tính chính xác của thơng tin di truyền qua các thế hệ. Số tiết: 3 Nội dung I. Sự bền vững của DNA với thời gian và qua nhiều thế hệ 1. DNA bị biến đổi ngay cả khơng sao chép Hình 2.1 Sự mất amin của các base (desamination) DNA là những phân tử rất dài, nhưng mảnh (đường kính: 20 Ao), lại thường xuyên chịu tác động mơi trường bên trong và bên ngồi tế bào nên dễ cĩ những đứt gãy, biến đổi ngay cả khi khơng cĩ sao chép. 31
  45. Người ta tính ra rằng DNA của tế bào người mỗi ngày mất 5000 purin do quá trình mất purin (depurination): dưới tác dụng của nhiệt liên kết N-glycosil bị thủy phân. Quá trình biến đổi làm mất amin (desamination): biến cytosin thành uracin. Mỗi ngày tế bào người cĩ khoảng 100 biến đổi như vậy. Con người cũng thường xuyên chịu tác động của tia tử ngoại làm tạo ra các dimer thymine. Hình 2.2 Sự hình thành dimer thymine dưới tác dụng của tia tử ngoại 2. Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ Dùng các nucleotid và các enzyme DNA polymerse để tổng hợp DNA in vitro. Sai sĩt trong trường hợp này là 10-5. Như vậy sao chép trong ống nghiệm cĩ mức chính xác cao, nhưng đối chiếu lên các sinh vật thì mức sai sĩt này hãy cịn quá lớn. 32
  46. Bằng cách đánh giá tần số các đột biến mới xuất hiện trong quần thể lớn và theo dõi biến đổi enzyme nào đĩ trong nuơi cấy mơ tế bào, người ta tính được rằng trong cơ thể sinh vật sai sĩt trong khi sao chép in vivo là 1.10-9. Đánh giá tốc độ biến đổi trong tiến hĩa cũng khẳng định mức chính xác rất cao trong sao chép in vitro. 3. Các hệ thống bảo vệ DNA Trong tế bào cĩ một loạt hệ thống để bảo vệ DNA: - Các sinh vật tiền nhân và nhân thực đều chứa các enzyme cĩ nhiệm vụ methyl hĩa ở những điểm nhất định. Các enzyme cắt hạn chế của mỗi dịng vi khuẩn khơng cắt DNA của chúng vì đã được methyl hĩa ở những điểm cần thiết, cịn DNA ngoại lai vì khơng được methyl hĩa ở những điểm nhất định nên bị cắt. Tế bào cịn cĩ các hệ thống sửa sai (repair system): + Sửa sai bắng cách cắt bỏ rồi tổng hợp sợi mới Các enzyme DNA polymerase I, II, III đều cĩ hoạt tính polymerase hĩa, cịn cĩ hoạt tính exonuclease theo hướng 5-3. Hình 2.3 Sửa sai bằng cắt bỏ và tổng hợp lại đoạn bị hỏng 33
  47. + Sửa sai nhờ cơ chế tái tổ hợp Ngay cả khi khơng cĩ sao chép vẫn cĩ hệ thống bảo vệ: do DNA cĩ hai mạch, khi sai hỏng trên một mạch, cĩ thể dựa vào mạch cịn lại để tổng hợp đoạn sai hỏng. Một số enzyme đặc hiệu phát hiện sự bắt cặp sai, như trong trường hợp mất purin. Cĩ khoảng 50 enzyme chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử DNA. Hình 2.4. Sửa sai nhờ enzyme 4. Sửa sai do phục quang hồi Dưới tác dụng của tia tử ngoại, làm các timin đứng gần nhau sẽ gắn lại tạo thành dimertimin. Khi trở lại ánh sáng, ánh sáng sẽ kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin tạo timin bình thường. Hiện tượng ánh sáng kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin gọi là quang phục hồi. 34
  48. 5. Hệ thống SOS Ở tế bào vi khuẩn hoặc tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng do chiếu tia UV, tia X hoặc do tác dụng của các hĩa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp được khởi động, tăng cường sửa sai. Ở E.coli, hệ thống này cĩ liên quan với 2 protein được mã hĩa bởi gene LexA và RecA. Protein LexA là một chất ức chế, nĩ gắn vào hộp SOS, chồng lấp các promotor của các gene SOS, ngăn cản sự mã nhĩm các gen của hệ thống SOS. Một vài sản phẩm của DNA bị tổn thương sẽ làm hoạt hĩa protease recA. Protein recA bị hoạt hĩa sẽ cắt bỏ protein lexA, cho phép các gen của hệ thống SOS phiên mã. Phẩn ứng của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhưng phức tạp. Nĩ bao gồm các quá trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi trong khởi sự sao chép, ức chế nuclease và kích thích phục hồi sao chép và chuyển sai hỏng thành sửa sai úp sấp (error-prone replication). Tế bào bây giờ sẽ xảy ra sự sao chép nhanh hơn bình thường. + Nếu sửa sai kịp, tế bào ổn định, sinh trưởng trở lại + Nếu khơng sửa sai kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc chết hoặc bị đột biến Hình 2.5 Sửa chữa do quang phục hồi 35
  49. II. Cơ chế phân tử của sao chép DNA 1. Nguyên tắc chung - DNA sao chép theo khuơn. Ưu điểm: + Với phân tử lớn như vậy thì việc tổng hợp theo khuơn sẽ chính xác hơn + Tiết kiệm được ezyme + Đạt hiệu quả nhanh - Sao chép theo nguyên tắc bán bảo tồn (semi-conservative) phân tử DNA mới được tổng hợp gồm một mạch cũ làm khuơn và một mạch mới tổng hợp - Quá trình tổng hợp DNA xảy ra địi hỏi phải cĩ “ mỗi “ (primer) - Quá trình tổng hợp xảy ra theo chiều 5 - 3. Hình 2.6 Sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo tồn 36
  50. 2. Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA Kornberg (1956) thực hiện phản ứng tổng hợp DNA in vitro. Trong quá trình tổng hợp ơng sử dụng DNA polymerase I, 4 loại desoxynucleotid triphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP), Mg2+ làm xúc tác. Ngồi ra cịn cĩ ít DNA làm khuơn mẫu. 3. Thí nghiệm chứng minh cĩ sự tự nhân đơi theo nguyên tắc bán bảo tồn Meselson, Stahl (1958) đã chứng minh kiểu sao chép bán bảo tồn. Nuơi E.coli nhiều thế hệ trên mơi trường cĩ nguồn nitơ đồng vị nặng N15. Như vậy tất cả DNA của vi khuẩn đều mang đồng vị nặng N15 thay cho N14 bình thường. Sau đĩ tế bào được chuyển sang mơi trường chỉ chứa N14 nhẹ, mẫu các tế bào được lấy ra theo những khoảng thời gian đều đặn và chiết tách DNA. Bằng phương pháp ly tâm trên thang nồng độ CsCl, các loại DNA nặng, nhẹ và lai được tách ra. Hình 2.7 Thí nghiệm của Meselson và Stahl 37
  51. Kết quả cho thấy DNA nặng ban đầu (thế hệ 0) chứa N15, sau một lần phân chia cho thế hệ I với DNA lai cĩ tỷ trọng nằm giữa DNA nặng N15 và DNA nhẹ N14. Nĩi cách khác sau một lần sao chép phân tử DNA mới chứa một nữa mang N15 và một nữa N14. Ở thế hệ II một nữa số phân tử DNA là lai, nữa cịn lại là DNA nhẹ N14. Thí nghiệm này khẳng định giả thuyết của Watson và Crick là đúng tức 2 mạch DNA mẹ tách ra, mỗi cái làm khuơn để tổng hợp nên mạch mới bổ sung. 4. Diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli Quá trình sao chép DNA ở E.Coli diễn ra qua hai giai đoạn: 4.1. Giai đoạn khởi sự (initiation) Hình 2.8 Sao chép DNA ở vi khuẩn E.coli 38
  52. + Mở xoắn: Ở E.coli quá trình bắt đầu khi một protein B đặc hiệu nhận biết điểm khởi sự sao chép (replication orgine) ori và gắn vào trình tự base đặc biệt đĩ. Tiếp theo enzyme gyrase (một loại topoisomerase) cắt DNA làm tháo xoắn ở 2 phía của protein B. Trong khi 2 phân tử enzyme gyrase chuyển động ngược chiều nhau so với điểm ori thì 2 phân tử của enzyme helicase tham gia tách mạch tạo chẻ ba sao chép. Helicase sử dụng năng lượng ATP làm đứt các liên kết hydro giữa 2 base bắt cặp với nhau. + Các protein làm căng mạch SSB (single-strand binding protein) gắn vào các mạch đơn DNA làm chúng tách nhau, thẳng ra và ngăn khơng cho chập lại hoặc xoắn để việc sao chép được dễ dàng. + Tổng hợp mồi (primer) dặc trưng cho quá trình kéo dài chuỗi là DNA polymerase chỉ hoạt động khi đã cĩ mồi, nên trước khi tổng hợp chuỗi thì phải cĩ qua trình tổng hợp mồi. Mồi là một đoạn khoảng 9 -10 nu, cĩ thể là DNA hoặc ARN. 4.2. Giai đoạn nối dài (elongation) Do tính chất đối song song nên khi tách ra thành 2 mạch đơn khuơn thì một mạch cĩ đầu 3’, mạch kia cĩ đầu 5’ nên để đảm bảo hướng sao chép của DNA theo chiều 5’ -3’ thì sự polymer hĩa dựa vào 2 mạch khuơn DNA diễn ra khác nhau. Mạch khuơn cĩ đầu 3’ được DNA polymerase III gắn vào và tổng hợp ngay mạch bổ sung 5’-3’ hướng vào chẻ ba sao chép. Mạch khuơn này được gọi là mạch khuơn trước, cịn mạch mới được tổng hợp gọi là mạch trước (leading strand). Ở mạch cĩ đầu 5’ (mạch khuơn sau) việc tổng hợp phức tạp hơn và thực hiện từ chẻ ba sao chép hướng ra ngồi để đảm bảo đúng hướng 5’-3’. Khi mạch kép tách ra ở gần chẻ ba sao chép , enzyme primase gắn mồi (primer) ARN khoảng 10 nucleotid cĩ trình tự bổ sung với mạch khuơn. DNA-polymerase III nối theo mồi ARN, theo hướng ngược với chẻ ba sao chép, tổng hợp các đoạn ngắn 1000-2000 nucleotid, gọi là các đoạn Okazaki (người phát hiện là Reiji Okazaki). DNA polymerase nối dài đoạn Okazaki đến khi gặp ARN mồi phía trước thì dừng lại, rồi lùi ra sau tiếp tục tổng hợp từ ARN mồi mới được tạo nên gần chẻ ba sao chép. Tiếp theo DNA- 39
  53. polymerase I nhờ hoạt tính exonuclease 5’-3’ cắt bỏ mồi ARN, lắp các nucleotid của DNA vào chỗ trống và thực hiện polymer hĩa hướng 5’-3’. Đoạn DNA ngắn 10 nucleotid này cịn hở 2 đầu, chỗ hở được nối nhờ enzyme ligase của DNA mạch được tổng hợp từ chẻ ba sao chép hướng ra ngồi được tổng hợp chậm hơn nên gọi là mạch sau (lagging strand). Quá trình sao chép DNA ở E.coli diễn ra với tốc độ rất nhanh, cĩ thể đạt đến 50.000 nucleotid/phút. III. Sao chép DNA trong tế bào 1. Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote Để theo dõi sao chép DNA đồng vị phĩng xạ Thymidin (tiền chất đặc hiệu cho DNA) được sử dụng. Quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori (điểm xuất phát sao chép) và triển khai ra cả 2 phía. Khi DNA vịng trịn đang sao chép, quan sát thấy dạng DNA hình con mắt. Chẻ ba sao chép lan dần cuối cùng tạo ra 2 phân tử DNA lai: một mạch cĩ mang dấu phĩng xạ (thymidin-H3). Cĩ trường hợp sao chép chỉ xảy ra về một phía. E.coli chỉ cĩ một điểm xuất phát sao chép ori nên cả phân tử DNA thành một đơn vị sao chép thống nhất được gọi là replicon. Bộ gen của sinh vật tiền nhân thường chỉ cĩ một replicon. Hình 2.9 Sao chép DNA từ một điểm về 2 phía và về một phía 40
  54. 2. Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào eukaryote Tế bào nhân thực cĩ số lượng DNA lớn hơn nhiều so với tế bào tiền nhân, tạo nên nhiều nhiễm sắc thể mà mỗi cái gồm một sợi DNA thẳng kết hợp với protein. Do đĩ sao chép DNA của tế bào nhân thực phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn (khoảng 50 nucleotid/giây). Hình 2.10 Sao chép của nhiều replicon 41
  55. Điểm khác căn bản là DNA của tế bào nhân thực cĩ nhiều replicon Ví dụ: Saccharomyces cerevisiae cĩ tới 500 replicon, tức cĩ 500 điểm xuất phát sao chép. Quá trình sao chép cũng bắt đầu từ ori rồi lan về 2 phía. Tế bào cĩ cơ chế kiểm sốt nghiêm ngặt quá trình sao chép, điểm ori nào đã sao chép qua một lần rồi thì khơng lặp lại trước khi tồn bộ DNA được sao chép hồn tồn. Ở các eukaryote cĩ 5 loại DNA polymerase được ký hiệu là pol α, pol β, pol γ, pol δ, pol ε. Các loại DNA polymerase này khơng đồng nhất về phân tử lượng và một số đặc tính hĩa học. Pol γ phân bố trong ty thể và tham gia tái bản DNA ở ty thể, các DNA polymerase cịn lại ở trong nhân. Trong nhân, DNA polymerase δ và DNA polymerase ε là 2 enzyme chính tham gia tổng hợp trên sợi khuơn dẫn đầu và sợi chậm. Pol β và tiểu đơn vị bé của pol δ cĩ hoạt tính đọc sửa. Câu hỏi ơn tập 1. Hãy trình bày thí nghiệm chứng minh sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo tồn 2. Sao chép DNA trên 2 mạch khuơn xảy ra như thế nào? 3. Các cơ chế nào đã đảm bảo sự ổn định rất cao của thơng tin di truyền 4. Hãy nêu các nhân tố tham gia vào sao chép DNA. 5. Trình bày diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli 6. Mục đích của cơ chế sao chép từ một phân tử DNA cho ra nhiều bản sao Tài liệu tham khảo Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục. Nguyễn Bá lộc (2004). Acid nucleic và sinh tổng hợp protein. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo Dục. Hồng Trọng Phán (1995). Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. 42
  56. Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart, David T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman Publishers. Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers. Toronto, Canada. Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Inc., New York. 43
  57. Chương 3 Cơ sở tế bào học của tính di truyền Mục tiêu của chương Giới thiệu các cấu trúc trong tế bào cĩ khả năng tự tái sinh, chu trình tế bào, các hình thức phân bào, các phương thức sinh sản. Số tiết: 3 Nội dung I. Các cấu trúc tế bào và khả năng tự tái sinh Tế bào của những sinh vật ở mức tiến hĩa thấp như vi khuẩn, vi khuẩn lam chưa cĩ nhân hồn chỉnh nên gọi là tế bào tiền nhân và những sinh vật này gọi là những sinh vật tiền nhân (Prokaryote). Các tế bào cĩ nhân hình thành rõ ràng được gọi là tế bào nhân thực, cĩ ở các sinh vật nhân thực (Eukaryote). Sự khác nhau giữa tế bào Prokaryote và Eukaryote lớn hơn sự khác nhau giữa tế bào động vật và thực vật. Các tế bào Prokaryote khơng cĩ phần lớn các bào quan và màng nhân, cĩ vùng tương tự nhân gọi là nucleoid. Ngồi ra bộ gen gồm DNA khơng kèm histon. Điểm nổi bậc để phân biệt tế bào Eukaryote là cĩ nhân (nucleus) điển hình với màng nhân bao quanh. Bên trong tế bào cĩ hệ thống màng phức tạp và các bào quan như lưới nội sinh chất, bộ golgi, lysosome, ty thể, lục lạp. Nhiễm sắc thể của Eukaryote thẳng, phức tạp được cấu tạo từ DNA và protein. 1. Các cấu trúc cĩ khả năng tự tái sinh Các tế bào Prokaryote cĩ vùng nhân chứa DNA được tái tạo và phân đều về các tế bào con khi sinh sản. Các tế bào Eukaryote cĩ nhiều bào quan nhưng chỉ cĩ nhân, ty thể, lục lạp cĩ chứa DNA và nhờ khả năng tự tái sinh nên tham gia vào các cơ chế di truyền. 44
  58. Nhân chứa thơng tin di truyền giữ vai trị chủ yếu trong sinh sản, chiếm khoảng 10% thể tích và hầu như tồn bộ DNA của tế bào (95%). Nĩ được giới hạn bởi màng nhân do 2 lớp màng xếp đồng tâm, bên trong cĩ 2 cấu trúc chủ yếu là hạch nhân (nucleolus) như một nhân nhỏ trong nhân và chất nhiễm sắc (chromatin) là dạng tháo xoắn của nhiễm sắc thể (chromosome). Sự phân chia đều NST về các tế bào con đảm bảo sự chia đều thơng tin di truyền cho thế hệ sau. 2. Nhiễm sắc thể 2.1. Hình thái NST Hình 3.1. Nhiễm sắc thể với vùng tâm động Khi nhuộm tế bào đang phân chia bằng một số màu base, cĩ thể nhìn thấy dưới kính hiển vi thường các cấu trúc hình que nhuộm màu đậm, nên được gọi là NST (chromosome). Mỗi NST cĩ hình dạng đặc trưng, rõ nhất ở kỳ giữa của nguyên phân. Tâm động là điểm thắt eo chia NST thành 2 vai với chiều dài khác nhau, vai ngắn hơn là vai p và vai dài hơn là vai q. Dựa vào vị trí của tâm động cĩ thể phân biệt hình thái các NST: - Tâm giữa (metacentric): 2 vai bằng nhau - Tâm đầu (acrocentric): 2 vai khơng bằng nhau - Tâm mút (telocentric): tâm động nằm gần cuối 45
  59. Ở các tế bào sinh dưỡng (soma), mỗi NST cĩ một cặp giống nhau về hình thái, được gọi là các NST tương đồng (homologous). Bộ NST cĩ cặp gọi là lưỡng bội và khi mỗi NST chỉ cĩ một chiếc gọi là đơn bội. Hình 3.2 Sơ đồ các kiểu nhiễm sắc thể ở kì giữa và kì sau 2.2. Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ: Tất cả các tế bào của một lồi nĩi chung cĩ số lượng NST đặc trưng cho lồi đĩ. Mỗi loại NST cĩ hình dáng đặc trưng. Sự mơ tả hình thái của NST gọi là kiểu nhân (Karyotype). Kiểu nhân cĩ thể biểu hiện ở dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) khi các NST được xếp theo thứ tự bắt đầu từ dài nhất đến ngắn nhất. 46
  60. Sau này kỹ thuật nhuộm màu (màu giemsa hay quinacrin) hồn chỉnh làm rõ hơn các vệt đặc trưng, hình thái của mỗi NST được xác định chi tiết hơn. Dựa vào nhiễm sắc đồ nhuộm màu, cĩ thể tìm thấy các đoạn tương đồng trên các NST cùng loại của các lồi cĩ họ hàng gần nhau. Ví dụ so sánh nhiễm sắc đồ của người và vượn cho thấy cĩ mối quan hệ họ hàng rất gần và NST thứ hai của người do sự nối lại của 2 NST khác nhau ở vượn người. Hình 3.3 Cặp nhiễm sắc thể tương đồng 2.3. Chất nhiễm sắc Vào những năm 1930, khi quan sát bằng kính hiển vi quang học ở gian kỳ nhận thấy trên NST cĩ vùng nhuộm màu đậm được gọi là chất dị nhiễm sắc (heterochromatin) phân biệt với phần cịn lại nhuộm màu nhạt là chất nguyên nhiễm sắc (euchromatin). Chất nguyên nhiễm sắc là chất nhiễm sắc ở trạng thái dãn xoắn, cịn chất dị nhiễm sắc là chất nhiễm sắc biểu hiện dạng cuộn xoắn cao. DNA chất nguyên nhiễm sắc ở trạng thái hoạt động, cịn ở chất dị nhiễm sắc thì DNA khơng phiên mã được và thường sao chép muộn hơn. 47
  61. Hình 3.4 Sự phân hĩa các phần trên nhiễm sắc thể 3. Các nhiễm sắc thể đặc biệt Bằng các kỹ thuật tế bào học hiện đại, căn cứ các mặt chức năng, cấu trúc, hình thái và đặc thù trong hoạt động, người ta đã phân biệt các loại NST khác nhau: - Nhiễm sắc thể thường (NST A: autosome): giống nhau ở cả 2 giới đực, cái. - Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome) khác nhau giữa giới đực và cái - Nhiễm sắc thể B (nhiễm sắc thể phụ): được phát hiện ở một số lồi thực vật như ngơ, mạch đen ngồi các NST A bình thường. Các NST B ít gặp hơn trong các giống đã được chọn lọc của các lồi nĩi trên Ở ngơ cĩ 20 NST A, ở một số cây cịn cĩ thêm NST B với số lượng biến động từ 1-20 hoặc nhiều hơn. Những cây cĩ NST B thì yếu hơn và kém hữu thụ hơn các cây khác. Ở mạch đen, những cây cĩ hơn 9 NST B thường khơng cĩ khả năng sống. NST B cĩ hiệu quả di truyền rất thấp. NST B cũng cĩ nhiều ở sâu bọ, giun dẹp nhưng bé và khơng cĩ hiệu quả di truyền rõ rệt. - NST khổng lồ (polytene chromosome): cĩ trong một số cơ quan, tế bào tuyến nước bọt, tuyến Manpighi, màng ruột một số cơn trùng bộ 2 cánh (Diptera): Drosophilidae, Chironomidae. 48
  62. Năm 1981, E. Balbiani phát hiện NST khổng lồ ở tuyến nước bọt ấu trùng Chironomus, chúng cĩ số lượng sợi nhiễm sắc nhiều gấp hàng ngàn lần so với NST thường, cĩ thể chứa tới 1500-1600 sợi nhiễm sắc. Nguyên nhân của hiện tượng này là do cơ chế nội nguyên phân (endomitosis). NST tự nhân đơi bình thường, nhưng khơng phân ly, nhân tế bào khơng phân chia, tạo NST cĩ dạng chùm nhiều sợi, bề ngang của NST tăng lên. Chiều dài của NST khổng lồ cĩ thể tới 250-300 µm (gấp 100-200 lần NST thường) do các NST thể này khơng đĩng xoắn. Dọc theo chiều dài của NST khổng lồphân hĩa thành những khoanh bắt màu xẫm, nhạt khơng đồng nhất như các đĩa sáng, tối xen nhau. Người ta cho rằng các đĩa xẫm màu là nơi tích lũy nhiều DNA, được tạo ra do độ xoắn định khu dày đặc hoặc do tập trung nhiều hạt nhiễm sắc. Hinh 3.5. Nhiêm săc thê khơng lơ cua ruơi giâm Ở ruồi giấm, NST khổng lồ ở tuyến nước bọt được hình thành do DNA tự nhân đơi 10 lần, tạo ra 210 = 1024 sợi dính liền nhau suốt dọc theo chiều dài. - NST chổi đèn (lambrush chromosome): NST này cĩ thể dài đến 800µm, cĩ ở tiền kì của giảm phân trong tế bào trứng của động vật cĩ xương sống nhất là ở giai đoạn Diplotene của trứng cĩ nhiều nỗn hồng (trứng gà, chim hoặc bị sát). 49
  63. a. c. b. Hinh 3.6 Nhiêm săc thê khơng lơ ruơi giâm (a) Nhiêm săc thê khơng lơ cua ruơi giâm tao tâm săc (chromocenter) (b) Bơ nhiêm săc thê cơ ban trong tê bao đang phân chia vơi cac nhanh đươc biêu hiên băng cac mau khac nhau (c) Anh chup nhiêm săc thê khơng lơ Hinh 3.7 Nhiêm săc thê chơi đen 50
  64. Đặc điểm của NST kiểu chổi đèn là từ trục của NST cĩ nhiều vịng DNA, cạnh các vịng DNA này là những loại ARN được tổng hợp từ các vịng DNA mở xoắn. II. Chu trình tế bào và phân bào ở Eukaryote 1. Chu trình tế bào Hình 3.8 Chu trình tế bào Các tế bào của sinh vật Eukaryote trải qua nhiều giai đoạn nối tiếp nhau và kết thúc bằng sự phân chia tạo ra tế bào mới. Tồn bộ quá trình từ tế bào đến tế bào thế hệ kế tiếp được gọi là chu trình tế bào, gồm 4 giai 51
  65. đoạn: M, G1, S và G2. Sự phân chia tế bào chỉ chiếm một phần của chu trình tế bào - M (Mitose) là giai đoạn nguyên phân - Giai đoạn G1 (Gap): kéo dài từ sau khi tế bào phân chia đến bắt đầu sao chép vật chất di truyền. Sự tích lũy vật chất nội bào đến một lúc nào đĩ đạt điểm tới hạn thì tế bào bắt đầu tổng hợp DNA - S (Synthesis) là giai đoạn tổng hợp DNA. Cuối giai đoạn này số lượng DNA tăng gấp đơi - G2 là giai đoạn được nối tiếp sau S đến bắt đầu phân chia tế bào. Khoảng thời gian gồm G1, S và G2 tế bào khơng phân chia và được gọi chung là gián kỳ hay kỳ trung gian (interphase). Trong kỳ này tế bào thực hiện các hoạt động sống chủ yếu khác và sao chép bộ máy di truyền. 2. Nguyên phân (Mitosis) Sự phân bào ở sinh vật nhân thực gồm 2 quá trình: chia nhân (mitosis) và chia tế bào chất (cytokinesis) Nguyên phân được chia thành 4 kì: a. Kì trước (Prophase) Các trung thể (centriole) chuyển động về 2 cực của nhân, các NST co lại thành sợi. Mỗi NST gồm 2 sợi chromatid gắn nhau nhờ tâm động (centromere). Các sợi vơ sắc tỏa ra từ tâm động và trung thể. Màng nhân và hạch nhân biến mất dần. Các tế bào thực vật khác với tế bào động vật là khơng cĩ trung thể và thoi vơ sắc. b. Kì giữa (Metaphase) Tâm động của mỗi NST đơi gắn với thoi vơ sắc và xếp ở mặt phẳng xích đạo của tế bào. Kỳ giữa chấm dứt khi mỗi tâm động của mỗi chromatid chị em bắt đầu tách ra. Như vậy tâm động là điểm chia cuối cùng của NST. Điều này cĩ ý nghĩa rất quan trọng, nhờ đĩ chất di truyền được chia đều và đồng bộ cho các tế bào con. c. Kì sau (Anaphase) Hai NST đơn tách nhau, mỗi cái chuyển động về một cực tế bào. Các sợi vơ sắc co ngắn lại kéo các NST. Sự phân chia tế bào chất thường bắt đầu ở kì này. 52
  66. d. Kì cuối (Telophase) Các NST di chuyển về các cực, màng nhân và hạch nhân lại hình thành, sự chia tế bào chất thực hiện xong, các NST dãn ra và mãnh dần. Sự phân chia tế bào chất: thường kèm theo ngay sau giảm phân. Ở tế bào động vật sự chia tế bào chất bắt đầu bằng nếp nhăn phân cách (cleavage furrow) bao vịng tế bào và mọc sâu dẫn đến chia tế bào thành hai. Ở tế bào thực vật, phiến tế bào (cell plate) hình thành ở trung tâm tế bào chất và lan rộng dần đến cắt tế bào thành hai. Nguyên phân tạo ra 2 tế bào con cĩ số lượng và chất lượng NST như tế bào mẹ. Hình 3.9 Phân bào nguyên nhiễm 3. Giảm phân (meiosis): là quá trình phân bào chuyên biệt trong đĩ số lượng NST giảm một nữa nhưng đủ bộ, xảy ra ở tế bào sinh dục. Giảm phân trải qua 2 lần phân chia nối tiếp nhau: 53
  67. Hình 3.10 Phân bào giảm nhiễm Giảm nhiễm I: a. Kì trước I (Prophase I) Các sự kiện xảy ra giống kì trước của nguyên phân chỉ khác căn bản ở chỗ các NST tương đồng cùng chuyển động với nhau và nằm kề sĩng đơi 54
  68. nhau trong quá trình bứt cặp hay tiếp hợp (synapsis). Các sợi nhiễm sắc chi em được gắn nhẹ nhau nhờ một cặp protein trục (protein axe). Các protein trục của 2 NST tương đồng nối nhau bởi cầu protein để tạo nên phức hợp bắt cặp (synaptonemal complex). Cặp NST tương đồng lúc này tạo thành đơi gọi là lưỡng trị (bivalent). Các NST sau khi tiếp hợp xong bắt đầu tách ra, cĩ thể quan sát thấy các đoạn đan chéo nhau gọi là hình chéo (chiasma). Các hình chéo giữa các chromatid cĩ thể xảy ra trao đổi chéo dính nhau. Hình 3.11 Các quá trình xảy ra trong kỳ đầu I phân bào giảm nhiễm b. Kì giữa I (Metaphase I) Hai NST của một cặp tương đồng gắn với cùng một sợi của thoi vơ sắc trên mặt phẳng xích đạo của tế bào. Các tâm động khơng tách ra. c. Kì sau I (Anaphase I) Hai NST của mỗi cặp tiếp hợp chuyển động về 2 cực đối nhau. d. Kì cuối I (telophase I) 55
  69. Hai nhân mới được hình thành, mỗi cái với nữa bộ NST (n) cĩ ở tế bào mẹ. Các nhân con cĩ số lượng NST bằng nhau nhưng kiểu gen khơng tương tự nhau. Tiếp theo là thời kì gián kì rất ngắn, trong kì này khơng xảy ra sao chép vật chất di truyền. Giảm nhiễm II: e. Kì trước II (Prophase II): Các NST co lại f. Kì giữa II (Prophase II): Các NST xếp trên mặt phẳng xích đạo, thường các chromatid đã tách nhau một phần g. Kì sau II (Anaphase II): Các tâm động phân chia, các chromatid đẩy nhau về các cực. h. Kì cuối II (Telophase II): 4 tế bào đơn bội chứa các NST đơn được tạo thành. Như vậy giảm nhiễm I tạo 2 tế bào đơn bội chứa NST đơi, mỗi tế bào đĩ lại chia lần nữa trong giảm nhiễm II để tạo ra 4 tế bào đơn bội chứa các NST đơn. - Phân bào giảm phân cĩ ý nghĩa rất quan trọng + Đảm bảo số lượng NST trong sinh sản hữu tính khơng thay đổi. + Đảm bảo cho sự tạo thành của các tế bào sinh dục khác nhau. +Tạo NST cĩ thành phần mới do tái tổ hợp giữa các NST bố mẹ. So sánh nguyên phân và giảm phân Giống nhau - Sao chép DNA trước khi vào phân bào - Đều phân thành 4 kỳ - Sự phân đều mỗi loại NST về các tế bào con - Màng nhân và nhân con biến mất cho đến gần cuối - Hình thành thoi vơ sắc 56
  70. Khác nhau So sánh các đặc tính chủ yếu của nguyên phân và giảm phân Nguyên phân (Mitose) Giảm phân (Meiose) 1. Xảy ra ở tế bào soma 1. Xảy ra ở tế bào sinh dục 2. Một lần phân bào: 2 tế bào con 2. Hai lần phân chia tạo 4 tế bào con 3. Số NST giữ nguyên: 1 tế bào 2n 3. Số NST giảm đi một nữa: 1 tế 2 tế bào 2n bào 2n 4 tế bào n 4. Một lần sao chép DNA , một lần 4. Một lần sao chép DNA , 2 lần chia chia 5. Thường các NST tương đồng 5. Các NST tương đồng bắt cặp ở khơng bắt cặp kỳ trước I 6. Thường khơng cĩ trao đổi chéo 6. nhất 1 trao đổi chéo cho 1 cặp tương đồng 7. Tâm động chia ở kỳ sau 7. Tâm động khơng chia ở kỳ sau I mà chia ở kỳ sau II 8. Duy trì sự giống nhau: tế bào con 8. Tạo sự đa dạng trong các sản cĩ kiểu gen giống kiểu gen tế bào phẩm của giảm phân mẹ 9. Giảm phân luơn luơn xảy ra ở tế 9. Tế bào chia nguyên phân cĩ thể là bào lưỡng bội (2n) hoặc đa bội lưỡng bội (2n) hay đơn bội (n) (>2n) Sự khác nhau thể hiện ở nhiều chi tiết. Đáng lưu ý là trong kỳ trước I của giảm phân, các NST tương đồng bắt cặp rồi sau đĩ đẩy nhau ra đi về các cực. Nhờ đĩ mỗi tế bào con trong giảm phân chỉ nhân 1 NST của cặp tương đồng. Sự kiên này tương đương với việc tâm động giữa 2 chromatid chị em cùng đi với nhau trong nguyên phân và khi tâm động chia thì mỗi tế bào con chỉ nhận 1 chromatid. Cơ chế thực hiện tuy cĩ khác nhau nhưng giống nhau ở chỗ chia đều một cách đồng bộ các NST về các tế bào con. 57
  71. Hình 3.12 So sánh nguyên phân và giảm phân Sự biến đổi trong quá trình phân bào 58
  72. - Hình thành NST khổng lồ: vào kì trước, sau khi DNA tự nhân đơi, hình thành các nhiễm sắc tử, nhưng sau đĩ chúng khơng tách rời nhau. - Nội nguyên phân: ở tiền kì, màng nhân khơng tiêu biến, quá trình phân chia sẽ xảy ra ở bên trong màng nhân. Kết quả tạo ra nhân mới cĩ bộ NST tăng gấp đơi. - Hình thành thể đa bội: Sau khi NST tự nhân đơi, màng nhân tiêu biến nhưng thoi vơ sắc khơng xuất hiện, tạo ra những tế bào cĩ số lượng NST tăng gấp bội. - Tế bào 2 nhân: sau khi phân chia nhân, tế bào chất khơng phân chia hình thành tế bào mới cĩ hai nhân. Trong giảm phân cũng xảy ra những biến đổi: do sự tiếp hợp và phân ly khơng bình thường của các NST, cĩ thể làm phát sinh các giao tử thừa hoặc thiếu NST. Cĩ trường hợp thoi vơ sắc khơng xuất hiện, sẽ tạo thành các giao tử khơng giảm nhiễm. III. Các kiểu sinh sản 1.Sinh sản vơ tính Sinh sản vơ tính là kiểu sinh sản từ một tế bào hoặc một nhĩm tế bào mẹ chỉ qua nguyên phân để tạo ra các cơ thể con. Kiểu sinh sản này giữ nguyên các đặc tính di truyền của cá thể mẹ ban đầu ở cơ thể con. Nguyên phân là cơ sở của sự tăng trưởng ở các sinh vật đa bào và sinh sản vơ tính ở các sinh vật nĩi chung. Sinh sản vơ tính cĩ ở cả sinh vật đơn bội và lưỡng bội, là cơ chế ổn định bộ gen qua nhiều thế hệ. Sự tăng số lượng tế bào của sinh vật đa bào nhờ nguyên phân. Ở người hợp tử sau nhiều lần nguyên phân hình thành nên cơ thể gồm nhiều tỉ tế bào. Nhờ đĩ, trừ tế bào sinh dục các tế bào của cơ thể đều cĩ bộ NST như nhau, tương ứng cĩ lượng thơng tin di truyền giống nhau. Sinh sản vơ tính được ứng dụng rộng rãi trong nhân giống và nuơi cấy mơ tế bào thực vật và động vật. 2. Sinh sản hữu tính Sinh sản hữu tính là kiểu sinh sản trong đĩ cĩ sự kết hợp các tế bào sinh dục của 2 cá thể khác nhau. Sinh sản hữu tính tạo sự đa dạng di truyền 59
  73. làm nguồn nguyên liệu cho tiến hĩa. Một trong những xu hướng tiến hĩa của sinh giới là sinh sản hữu tính. Sự đa dạng của các kiểu sinh sản hữu tính thể hiện một phần ở các kiểu xác định giới tính. Sự tiến hĩa tạo ra nhiều cơ chế để duy trì sự đa dạng. * Hướng tiến hĩa trong sinh sản hữu tính Theo sự phân hĩa tế bào, cĩ 3 hướng tiến hĩa: + Hình thái các giao tử: theo hình thái giao tử, sinh vật tiến hĩa từ chỗ giao tử đực và giao tử cái đều cĩ hình thái và chức năng giống nhau (đẳng giao) đến chỗ khác nhau: giao tử đực nhỏ cĩ khả năng di động, giao tử cái lớn chứa các chất dinh dưỡng (dị giao và nỗn giao) + Theo sự phân hĩa của các tế bào trong cơ thể: từ chỗ tế bào nào trong cơ thể cũng cĩ khả năng làm nhiệm vụ sinh sản đến chỗ phân hĩa thành tế bào sinh sục và tế bào sinh dưỡng. + Phân hĩa giới tính: ở đa số thực vật và động vật bậc thấp, cơ quan sinh dục đực, cái ở ngay trên một cơ thể, gọi là sinh vật lưỡng tính. Ở một số thực vật và động vật bậc cao, mỗi cơ thể chỉ mang một cơ quan sinh dục (hoặc đực hoặc cái) gọi là sinh vật đơn tính. Theo hình thức thụ tinh Ở các động vật bậc thấp đặc biệt là động vật thủy sinh, tinh trùng được thụ tinh với trứng ở ngồi mơi trường nên hiệu quả thụ tinh thấp. Hình thức thụ tinh này được gọi là thụ tinh ngồi. Ví dụ: ruột túi, cá chúng phĩng tinh vào nước để thụ tinh, lưỡng cư (ếch nhái) con đực rưới tinh trùng lên trứng của con cái. Hình thức thụ tinh cao hơn là thụ tinh trong. Phần lớn cấc lồi ở cạn, con đực đưa tinh trùng vào ống sinh dục cái nhờ cơ quan giao cấu, nhờ vậy hiệu suất thụ tinh cao hơn. Theo hình thức bảo vệ trứng Các lồi động vật bậc thấp đẻ trứng ở nước và ít cĩ khả năng bảo vệ trứng như cá, lưỡng cư. Các lồi bị sát như rắn đẻ trứng cĩ vỏ để bảo vệ bào thai. Các lồi chim cĩ bản năng bảo vệ trứng tốt hơn, làm tổ, đẻ trứng, ấp trứng và chăm sĩc chim non. Các lồi cĩ vú, trứng khơng đẻ ra ngồi, bào thai phát triển trong tử cung mẹ, phơi thai được bảo vệ chu đáo chống những tác hại của ngoại cảnh, sau khi đẻ, con được mẹ cho bú tới khi cĩ khả năng tự kiếm ăn. 60
  74. 3. Các hình thức sinh sản đặc biệt - Lưỡng tính sinh Phần lớn các lồi thực vật và những động vật lưỡng tính, trên một cơ thể cĩ cả cơ quan sinh dục đực và cơ quan sinh dục cái. Quá trình thụ tinh, thụ phấn cĩ thể là tự thụ tinh, tự thụ phấn hay thụ tinh, thụ phấn chéo. Ví dụ sán dây, trong ruột người bị mắc sán dây chỉ cĩ một con sán. Cơ thể sán dây cĩ nhiều đốt, mỗi đốt cĩ cả cơ quan sinh dục đực và cơ quan sinh dục cái. Các đốt ở gần đầu, cơ quan sinh dục đực phát triển mạnh, các đốt ở cuối cơ quan sinh dục cái phát triển mạnh. Khi thụ tinh, các đốt ở gần đầu áp vào các đốt ở gần cuối cơ thể để thụ tinh cho các đốt đĩ nhờ cơ quan giao cấu. Đa số động vật lưỡng tính khơng tự thụ tinh được mà hai cá thể khác nhau giao hợp chéo cho nhau như ở sán lá, giun đất. Đa số các lồi thực vật là các lồi lưỡng tính. Các lồi lưỡng tính này thường thụ phấn chéo nhưng cũng cĩ một số lồi cĩ cấu tạo thích nghi với tự thụ phấn. - Đơn tính sinh Đơn tính sinh (cịn gọi là trinh sản) là hình thức sinh sản trong đĩ trứng khơng thụ tinh vẫn phát triển thành cơ thể sinh vật. Đơn tính sinh khác với sinh sản vơ tính vì trứng ở đây vẫn được hình thành từ quá trình giảm phân của tế bào sinh dục. Về mặt di truyền, người ta phân ra 2 loại đơn tính sinh: là đơn tính sinh đơn bội trong đĩ cơ thể đơn tính sinh trưởng thành giữ nguyên bộ NST 1n ở trứng khơng thụ tinh; loại đơn tính sinh lưỡng bội cơ sự tạo bộ NST 2n nhưng bộ gen này đều lấy từ một nguồn từ mẹ (các gen thường đồng hợp tử). Liên quan đến giới tính, phân biệt 3 loại đơn tính sinh: + Đơn tính sinh nam Kiểu đơn tính sinh này gặp ở nhiều lồi ong nên cịn gọi là đơn tính sinh kiểu ong + Đơn tính sinh nữ Ở nhiều vùng, một số lồi động vật chỉ cĩ con cái khơng cĩ con đực như một số lồi ốc, tơm, cua chúng vẫn đẻ trứng và nở tồn cá thể cái. Cĩ nhiều cơ chế để tạo tế bào 2n của cơ thể mới trong đơn tính sinh: 61
  75. Tế bào sinh dục cái khi giảm phân tế bào chất khơng phân chia tạo tế bào 2n NST, nở ra cơ thể cái. Tế bào sinh dục cái giảm phân bính thường nhưng thể cực II lại hịa hợp với nỗn bào tạo tế bào 2n NST, nở ra cơ thể cái. + Đơn tính sinh chu kỳ Nhiều lồi sinh vật cĩ mùa sinh sản hữu tính, cĩ mùa sinh sản vơ tính. Ví dụ: luân trùng Rotatoria về mùa xuân, từ những trứng nằm suốt mùa đơng sẽ nở ra những con cái sinh sản đơn tính sinh nữ, trứng khơng thụ tinh của nĩ sẽ nở ra con cái. Về sau, đến thời kỳ sinh sản hữu tính, một thế hệ sẽ thay đổi lối sinh sản đẻ trứng nhỏ hơn, nở ra con đực (đơn tính sinh nam), con đực sẽ giao phối với những con cái thế hệ mẹ. Những con cái đĩ sẽ đẻ ra những trứng thụ tinh cĩ khả năng sống qua mùa đơng, trứng cĩ 2n NST, đến mùa xuân sẽ nở ra con cái tiếp tục sinh sản đơn tính sinh như trên. + Đơn tính sinh nhân tạo Trứng của các lồi khơng sinh sản đơn tính cĩ thể dùng phương pháp nhân tạo để cho trứng phát triển mà khơng cần thụ tinh. Trứng ếch cĩ thể kích thích bằng châm kim, trứng của cầu gai cĩ thể kích thích bằng cách lắc hoặc bằng chất hĩa học như thay đổi độ đậm muối của nước. Các lồi sinh sản đơn tính nhân tạo thường yếu, nhỏ hơn bình thường và khơng phát triển đầy đủ. + Đơn tính sinh ở người Ở người đã gặp trường hợp trứng khơng thụ tinh mà phân chia thành 50 phơi bào. Buồng trứng cĩ thể cĩ các u nang, bên trong chứa một số bộ phận của cơ thể phát triển khơng đầy đủ và sắp xếp lộn xộn như tĩc, răng, tay, mắt, chân những u này gọi là u quái. Người ta cho rằng nang đĩ sinh ra bởi sự phát triển bất thường của trứng khơng thụ tinh. - Mẫu sinh: Mẫu sinh là hiện tượng sinh sản dựa trên sự phát triển của trứng được thụ tinh nhưng sau đĩ nhân tinh trùng bị mất hoạt tính và bị loại bỏ, chỉ cĩ nhân của trứng tham gia vào quá trình phát triển tạo cơ thể mới. Hiện tượng này gặp ở một số lồi cá, ví dụ cá diếc bạc mẫu sinh tự nhiên tạo các cá diếc bạc cái. Để sinh sản cá diếc bạc cái phải giao phối với cá chép đực hoặc cá diếc 62
  76. vàng đực hoặc một số cá đực khác. Tinh trùng chỉ cĩ chức năng hoạt hĩa trứng, sau đĩ nhân tinh trùng thối hĩa và tiêu biến. Mẫu sinh nhân tạo được sử dụng trong chọn giống. - Phụ sinh: Phụ sinh là hình thức sinh sản dựa trên sự phát triển của trứng được thụ tinh nhưng sau đĩ nhân trứng bị thối hĩa, chỉ cĩ nhân tinh trùng tham gia vào quá trình phát triển tạo cơ thể mới. Phụ sinh nhân tạo được ứng dụng để tạo ra những giống tằm cao sản. 4. Chu trình sống hay vịng đời Nhiều sinh vật cĩ sự thay đổi thế hệ đơn bội và lưỡng bội nối tiếp nhau thành chu kì gọi là chu trình sống. Vịng đời điển hình của Eukaryote điển hình gồm: thụ tinh cĩ hợp tế bào chất và hợp nhân, sinh sản vơ tính của tế bào 2n nhờ nguyên phân, giảm phân cĩ giảm nhiễm và tái tổ hợp, các tế bào n sinh sản vơ tính hoặc kết hợp với nhau thụ tinh. Sự đa dạng các chu trình sống ở các nhĩm phân loại khác nhau cĩ thể do thời gian kéo dài khác nhau của các pha đơn bội và lưỡng bội. Các nhĩm chính thường gặp trong nghiên cứu di truyền: a. Các Eukaryote đơn bào: như chu trình sống của vi tảo như Chlamydomonas reinhardi. Điểm đặc biệt là các giai đoạn đơn bội và lưỡng bội cĩ thể tồn tại một thời gian dài. b. Các động vật bậc cao: cơ thể động vật bậc cao là lưỡng bội. Trong quá trình sinh sán phân bào giảm nhiễm tạo ra giao tử đơn bội, sự hợp nhất của chúng tạo thành hợp tử. Các giao tử là những tế bào đơn bội được chuyên hĩa cho sinh sản hữu tính. Ở con đực, quá trình sinh tinh (spermatogenesis) tạo ra 4 tinh tử. Ở con cái, quá trình sinh trứng (oogenesis) chỉ sinh ra một tế bào trứng trưởng thành, các thể phân cực khơng cĩ hoạt động chức năng. c. Chu trình sống của thực vật bậc cao. Chu trình sống của cây bắp được coi là điển hình của thực vật bậc cao. Phân bào giảm nhiễm ở thực vật tạo ra các tế bào đơn bội gọi là bào tử giai đoạn I, mà chúng thường phân chia nguyên nhiễm tạo tạo cây đa bào đơn bội (giai đoạn II). Các thực vật đơn bội này sản sinh ra các giao tử bằng chia nguyên nhiễm (giai đoạn III). Hai giao tử khác nhau tạo hợp tử lưỡng bội 63
  77. (giai đoạn IV), hợp tử phát triển thành cây đa bào lưỡng bội (giai đoạn V) và chu trình khép kín. Phần lớn các thực vật đa bào cĩ 5 giai đoạn trong chu trình sống của chúng. Nĩi chung, giai đoạn đơn bội chiếm ưu thế ở thực vật bậc thấp và giai đoạn lưỡng bội chiếm ưu thế ở các thực vật bậc cao. Khả năng các giao tử được sản sinh ra do một cây, kết hợp với nhau tạo thế hệ con cĩ sức sống và hữu thụ là đặc tính chung của nhiều họ cây cĩ hoa. Các hoa hồn chỉnh của một số thực vật đồng chu mở ra cho đến khi hạt phấn chín và tự thụ phấn. Tự thụ phấn là bắt buộc ở đại mạch, đậu, đậu nành, thuốc lá, cà chua, lúa mì lúa nước và nhiều cây trồng khác. Ở một số lồi khác, tự thụ phấn và thụ phấn chéo xảy ra với các mức dao động khác nhau. Ví dụ: cây bơng vải thường hơn 10% thụ phấn chéo. Trong khi đĩ, một số thực vật đồng chu cĩ sự phát triển các cơ chế di truyền ngăn trở sự tự thụ phấn, tức ngăn trở sự tạo thánh hợp tử của các giao tử giống nhau về kiểu gen, gây nên thụ phấn chéo bắt buộc. Sự tự bất dung hợp ở các lồi đồng chu là cơ chế tăng cường thụ phấn chéo. Câu hỏi ơn tập 1. Sự khác nhau giữa nhiễm sắc thể và nhiễm sắc tử 2. Sự khác nhau giữa chromatid chị em và chromatid khơng chị em, giữa nhiễm sắc thể tương đồng và nhiễm sắc thể khơng tương đồng 3, Trong suốt chu trình tế bào, sự sao chép nhiễm sắc thể xảy ra khi nào. Ý nghĩa của nĩ. 4. So sánh nguyên phân và giảm phân. 5. Ý nghĩa của các sự kiện diễn ra ở kỳ đầu của lần giảm phân thứ nhất. 6. Trình bày các hình thức sinh sản đặc biệt. Tài liệu tham khảo Trịnh Văn Bảo, Phan Thị Hoan, Trần Thị Thanh Hương, Trần Thị liên, Trần Đức Phấn, Phạm Đức Phùng, Nguyễn Văn Rực, Nguyễn Thị Trang. 2002. Các nguyên lý sinh học. NXB Y học Hà Nội. Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục. 64
  78. Nguyễn Bá lộc (2004). Acid nucleic và sinh tổng hợp protein. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo Dục. Hồng Trọng Phán (1995). Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart, David T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman Publishers. Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers. Toronto, Canada. Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Inc., New York. 65
  79. Chương 4 Các quy luật di truyền của Mendel Mục tiêu của chương Giới thiệu quy luật Mendel về sự di truyền, sự phân ly kiểu hình trong trường hợp tính trội hồn tồn và trội khơng hồn tồn và một số tính trạng di truyền kiểu Mendel. Số tiết: 3 Nội dung I. Phương pháp thí nghiệm của Mendel 1. Tính trạng hay dấu hiệu (character) Thơng thường, khi quan sát ở các sinh vật khác nhau sẽ cĩ những nét mà nhờ đĩ chúng ta dễ dàng nhận biết ta gọi nĩ là tính trạng (hay dấu hiệu) + Cĩ những tính trạng thuộc về hình thái: màu mắt , màu tĩc, màu da Hinh 4.1 Bay căp tinh trang ơ đâu Ha lan đươc Mendel chon đê nghiên cưu + Cĩ những tính trạng thuộc về sinh lý, sinh hĩa như: khả năng thực hiện của một phản ứng, khả năng thực thiện chuyển hĩa 66
  80. + Cĩ những tính trạng thuộc về tính chất: tính tình Mendel chọn ra 7 cặp tính trạng chất lượng cĩ biểu hiện rõ ràng để nghiên cứu. Hiện nay đã biết 7 cặp tính trạng mà Mendel nghiên cứu chỉ nằm trên 4 cặp NST của cây đậu Hà lan. Các gen xác định tính trạng màu nhân hạt và vỏ hạt, hình dạng quả và vị trí hoa thuộc 2 nhĩm liên kết gen, nhưng chúng nằm cách xa nhau nên kết quả thu được như trường hợp khơng liên kết. Hinh 4.2 Con lai thu đươc nhơ lai căp bố mẹ với các tinh trang tương phan 67
  81. 2. Cách tiến hành thí nghiệm: - Vật liệu thuần chủng và biết rõ nguồn gốc. Mendel cho các cây thí nghiệm tự thụ phấn trong 2-3 đời. - Theo dõi từng cặp tính trạng qua nhiều thế hệ nối tiếp nhau. Trong đĩ cĩ những tính trạng được đánh giá ngay nhưng cũng cĩ những tính trạng theo dõi tiếp ở thế hệ sau. - Đánh giá khách quan và tính số lượng chính xác. Mendel quan sát tất cả các hạt và con lai xuất hiện, thống kê số lượng và tính tỷ lệ từng loại - Dùng ký hiệu và cơng thức tốn học để biểu diễn kết quả thí nghiệm. Mendel đã tìm ra phương pháp đơn giản để biểu diễn các dạng bằng cơng thức số học. Hinh 4.3 Đối tương thi nghiêm cua Mendel (a) Cây co hoa trăng (b) Hat phân đươc tao thanh trong bao phân (c) Ngăn can sư tư thu phân, băng căt bo bao phân ơ cây me va cho thu phân vơi bao phân cua cây bơ Đến đầu thế kỉ 20, sự truyền thụ các tính trạng di truyền được phát biểu thành 3 quy luật Mendel: quy luật tính trội, quy luật phân ly tính trạng và quy luật phân li độc lập. Quy luật thứ nhất và thứ hai phát biểu theo cách này thiếu chính xác vì: + Phải cĩ các điều kiện như thuần chủng và trội hồn tồn. + Đúng một phần cho di truyền tương đương và trội khơng hồn tồn. 68
  82. + Khơng dùng được cho phân li giao tử và sinh vật đơn bội. Sau này đa số các nhà di truyền phát biểu lại thành 2 quy luật: + Quy luật thứ nhất: quy luật phân li hay quy luật giao tử thuần khiết + Quy luật thứ hai: quy luật phân li độc lập. II. Lai một tính trạng-Quy luật giao tử thuần khiết. Lai một tính là phép lai mà chỉ theo dõi một cặp tính trạng 1.Thí nghiệm : P lai đậu Hà Lan hạt vàng với hạt lục F1: 100% đậu hạt vàng. F2: 3 vàng : 1 lục Hình 4.4 Sơ đồ mơ tả phép lai một tính Tính trạng hạt vàng được biểu hiện ở thế hệ F1 được gọi là tính trạng trội (dominant) và gen quy định nĩ được kí hiệu bằng chữ A, tính trạng hạt lục gọi là lặn (recessive) và gen quy định nĩ được kí hiệu bằng chữ a. Để dễ dàng theo dõi F2, nhà di truyền học người Anh R.C Punnett đưa ra khung kẻ ơ được gọi là khung Punnett đến nay vẫn được sử dụng. 69
  83. 2. Giải thích của Mendel: Ơng cho rằng mỗi tính trạng do một cặp nhân tố kiểm tra và mỗi cá thể cĩ 2 nhân tố đĩ: một nhận từ cha và một nhận từ mẹ. Mendel dùng khái niệm nhân tố di truyền để chỉ các nhân tố này, giao tử chỉ chứa một nhân tố và con lai sẽ tạo ra 2 loại giao tử. Để chứng minh điều này, ơng đem lai phân tích (Test cross) F1 F1 : Aa x aa 1Aa : 1aa Hiện nay gen được hiểu là nhân tố di truyền xác định các tính trạng của sinh vật như hình dạng, màu sắc Khái niệm alelle được nêu ra để chỉ các trạng thái khác nhau của một gen. Các thể cĩ 2 alelle giống nhau như AA và aa được gọi là đồng hợp tử (homozygote), cịn cá thể mang hai alelle khác nhau gọi là dị hợp tử (heterozygote). - Kiểu gen: tập hợp các nhân tố di truyền của cơ thể - Kiểu hình: biểu hiện ra bên ngồi của tính trạng, nĩ là kết quả của sự tương tác giữa kiểu gen với mơi trường bên ngồi. 3.Tính trội khơng hồn tồn và sự di truyền tương đương. Ở cây hoa mom cho, khi lai cây co hoa đo vơi cây co hoa trăng co kết quả: P: hoa đỏ x hoa trắng AA aa F1: Aa (hoa hồng) F2: 1 AA : 2Aa : 1 aa 1 đỏ : 2 hồng : 1 trắng Ở trường hợp đồng trội, con lai F1 biểu hiện các tính trạng giống cả bố và mẹ. Trong trường hợp này tính trội khơng hồn tồn và tỉ lệ phân ly kiểu gen bằng tỉ lệ phân ly kiểu hình. Phép lai giữa hạt đậu lăng cĩ vết khoang thuần chủng với hạt cĩ nhiều đốm thuần chủng sinh ra con lai dị hợp tử cĩ cả các đốm và vết khoang. Bởi vì mỗi kiểu gen đều tự nĩ biểu hiện ra kiểu hình, tỷ lệ ở F2 là 1:2:1. 70
  84. Hinh 4.5 Sơ đồ phép lai một tinh với tinh trội khơng hoan toan ơ hoa mom cho Hinh 4.6 Sơ đồ phép lai một tinh với tinh trội khơng hoan toan ơ vo hat đâu lăng 71
  85. Sự di truyền tương đương: khi 2 alelle cĩ giá trị như nhau. Ở nhĩm máu ABO của người, IA và IB đều cĩ biểu hiện như nhau. Hinh 4.4 Các allele nhom máu IA và IB là đồng trội bởi vì tế bào hồng cầu chứa dị hợp tử IAIB chứa cả 2 dạng đường trên bề mặt của chúng 4. Cơ sở tế bào học Theo dõi sự truyền đạt alelle qua các thế hệ NST trong phân bào giảm nhiễm rồi các giao tử được thụ tinh thấy cĩ sự trùng hợp. 5. Thí nghiệm chứng minh trực tiếp sự phân ly ở mức giao tử Kết quả lai phân tích cho tỉ lệ 1:1 chứng tỏ cĩ sự phân li khi tạo thành giao tử. Những kết quả này gián tiếp vì ta chỉ quan sát kết quả ở cá thể lưỡng bội. Để chứng minh trực tiếp sự phân li khi tạo thành giao tử, cho lai bắp tẻ với bắp nếp rồi xem tỷ lệ phân li ở phấn hoa. Gen Wx (quy định bắp tẻ) tạo tinh bột sẽ cho màu xanh khi phản ứng với iod, cịn gen wx (bắp nếp) cho màu hồng nâu. Lấy phấn hoa của cây lai 72
  86. Wxwx thử iod và quan sát dưới kính hiển vi thấy tỷ lệ hạt nhân xanh và hồng nâu là 1:1. Kết quả này chứng tỏ các quy luật của Mendel cĩ cơ sở khoa học là sự phân li khi tạo thành giao tử. 6. Quy luật thứ nhất (quy luật giao tử thuần khiết): trong cơ thể các gen tồn tại theo từng đơi, khi tạo thành giao tử từng đơi gen phân li nhau và mỗi gen đi vào một giao tử. Sau khi 2 giao tử phối hợp nhau các gen tương ứng lại hợp thành từng đơi trong hợp tử. Quy luật này áp dụng cho các sinh vật lưỡng bội (2n NST). Đối với các sinh vật đơn bội thì tỷ lệ phân li giống như lai phân tích. III. Lai hai tính và nhiều tính 1. Lai hai tính - Quy luật phân ly độc lập và tổ hợp tự do Lai 2 tính là lai với 2 cặp tính trạng Thí nghiệm : P: hạt vàng trơn x hạt lục nhăn AABB aabb F1: vàng trơn AaBb F1 x F1: vàng trơn × vàng trơn AaBb AaBb F2: 4AaBb : 2 AaBB : 2Aabb : 2 AABb: 2aaBb : 1AABB : 1 Aabb: 1aaBB: 1aabb ( 9 kiểu gen) Kiểu hình: 9A -B- : 3A-bb : 3aaB- : 1aabb 9 vàng trơn : 3 vàng nhăn : 3 lục trơn : 1 lục nhăn Xét tỉ lệ: vàng / lục = 12 /4 =3/1 trơn / nhăn = 12/ 4 =3/1 Kết quả thí nghiệm cho thấy thế hệ F1 cũng đồng nhất và biểu hiện các tính trạng trội vàng trơn. Sang F2 tỉ lệ phân li kiểu hình là: 9 vàng trơn : 3 vàng nhăn : 3 lục trơn : 1 lục nhăn. Xét riêng từng cặp tính trạng, tỉ lệ phân li theo kiểu hình cũng là 3:1. Điều đĩ cho thấy sự di truyền từng cặp 73
  87. tính trạng độc lập nhau. Sự độc lập này cĩ thể chứng minh bằng tốn học và xác suất của 2 sự kiện độc lập với nhau cùng trùng hợp bằng tích xác suất của 2 sự kiện đĩ. Tỉ lệ phân li của cặp vàng - lục là 3/4 vàng : 1/4 lục và của cặp trơn - nhăn là 3/4 trơn : 1/4 nhăn. Tổ hợp của tính trạng trơn vàng sẽ cĩ xác suất là: 3/4 × 3/4 = 9/16, trơn xanh: 3/4 × 1/4 = 3/16, vàng nhăn: 3/4 × 1/4 = 3/16, lục nhăn: 1/4 × 1/4 = 1/16 Hình 4.5 Sơ đồ mơ tả phép lai hai cặp tính trạng 74
  88. Quy luật thứ hai của Mendel: (quy luật phân ly độc lập và tổ hợp tự do): Các gen của từng cặp trong phân bào giảm nhiễm phân ly nhau độc lập với các thành viên của các cặp gen khác và chúng hợp lại trong các giao tử đang được hình thành một cách ngẫu nhiên. 2. Lai với nhiều cặp tính trạng Cơng thức chung của lai nhiều tính: Số cặp gen số loại giao số loại tố số kiểu gen Số kiểu dị hợp tử F1 tử hợp ở F2 F2 hình F2 1 2 4 3 2 2 22 = 4 42 = 16 32 = 9 22 = 4 3 23 = 8 43 = 64 33 = 27 23 =8 n 2n 4n 3n 2n Cĩ thể lai với 3 cặp tính trạng hoặc nhiều hơn. P: AABBDD x aabbdd G: ABD abd F1: AaBbDd F1 × F1: AaBbDd x AaBbDd G: ABD, AbD, ABd, aBD, Abd, abD, aBd,abd. F2: Sự phân ly kiểu hình theo tỷ lệ: 27 A-B-D- : 9A-B-dd : 9A-bbD- : 9aaB-D-: 9A-bbdd : 3aaB-dd : 3aabbD- : 1aabbdd 3. Một số tính trạng Mendel ở người: Rất nhiều tính trạng của người cĩ sự di truyền theo các quy luật Mendel. Một số tính trạng thường gặp: khớp ngĩn cái ngược ra phía sau được hay khơng, tĩc mọc thành đỉnh nhọn ở trán, nhiều tàn nhan, lúm đồng tiền trên gị má, bạch tạng, dái tai người cĩ thể thịng hay liền (dái tai thịng là trội). Cĩ 2 gen trội ảnh hưởng đến khả năng cuốn lưỡi, một gen tạo khả năng cuốn lưỡi trịn và gen trội thứ hai cho phép gập ngược. 75
  89. * Đặc điểm của bệnh di truyền gen trội trên NST thường Các bệnh di truyền gen trội trên NST thường được gặp với tần số 1/200 cá thể. Ví dụ: tất thừa ngĩn sau trục (postaxial polydactyly) với biểu hiện thừa ngĩn cạnh ngĩn út. Tật này di truyền kiểu trội trên NST thường. Trong đĩ gen A quy định thừa ngĩn, a quy định ngĩn bình thường. Đặc điểm quan trọng của các bệnh di truyền do gen trội trên NST thường: - Cả 2 giới đều cĩ tỷ lệ mắc bệnh ngang nhau. - Khơng cĩ sự gián đoạn giữa các thế hệ. - Người mang gen bệnh ở trạng thái dị hợp kết hơn với người bình thường sẽ truyền cho con của họ với xác suất là 1/2. * Đặc điểm của bệnh di truyền gen lặn trên NST thường Ví dụ: Bệnh bạch tạng là một bệnh di truyền gen lặn gây ra do đột biến gen mã hĩa enzyme chuyển hĩa tyrosine. Sự thiếu hụt enzyme này làm đình trệ quá trình chuyển hĩa để tổng hợp sắc tố melanin. Người mắc bệnh sẽ cĩ rất ít sắc tố ở da, tĩc và mắt. Vì melanin cũng cần cho sự phát triển của các sợi thần kinh thị giác nên người mắc bệnh bạch tạng cũng cĩ thể bị tật rung giật nhãn cầu, lác mắt giảm thị lực. Đặc điểm chính của bệnh di truyền do gen lặn trên NST thường: - Bệnh thường được thấy ở một hoặc một số anh chị em ruột nhưng lại khơng cĩ ở thế hệ bố mẹ. - Một cặp vợ chồng mang gen bệnh sẽ cĩ trung bình 1/4 con cái mang mắc bệnh. - Nam và nữ đều cĩ khả năng mắc bệnh như nhau. - Hơn nhân giữa những người cĩ quan hệ họ hàng được gặp nhiều trong phả hệ của loại bệnh di truyền này. Nhiều bệnh di truyền gen trội thật ra cĩ biểu hiện ở những người đồng hợp tử nặng hơn so với những người dị hợp tử. Ví dụ: ở bệnh loạn sản sụn bẩm sinh (achondroplasia) là bệnh di truyền gen trội trên NST thường với biểu hiện lùn. Những người dị hợp tử gần như cĩ một cuộc sống bình thường với tuổi thọ trung bình ít hơn người bình thường 76
  90. khoảng 10 năm. Tuy nhiên những người đồng hợp cĩ biểu hiện nặng hơn và thường chết ở tuổi thiếu niên do suy hơ hấp. Cĩ thể phân biệt bệnh di truyền gen trội và gen lặn dựa trên biểu hiện lâm sàng của người dị hợp tử: bệnh di truyền trội cĩ biểu hiện trên lâm sàng, trong khi đĩ bệnh di truyền lặn luơn luơn bình thường trên lâm sàng. Một điểm cần lưu ý là thuật ngữ trội và lặn trong cách nĩi được dùng để chỉ kiểu di truyền chứ khơng phải để nĩi về gen. Xét trường hợp bệnh hồng cầu hình liềm, người đồng hợp tử đột biến này cĩ biểu hiện bệnh, người dị hợp tử bình thường về mặt lâm sàng nhưng cĩ nguy cơ bị nhồi máu lách rất cao. Rõ ràng là bệnh hồng cầu hình liềm cĩ đặc điểm của một bệnh di truyền gen lặn nhưng đặc điểm của người dị hợp làm bệnh này cĩ tính chất của một bệnh di truyền trội. 4. Các quy luật chung của tính di truyền Các quy luật di truyền Mendel gọi là các quy luật truyền đạt tính trạng từ thế hệ này sang thế hệ khác. Từ đĩ người ta rút ra được các quy luật của tính di truyền cho các sinh vật nhân thực bậc cao: - Tính di truyền cĩ tính gián đoạn do những nguyên tố riêng biệt đảm bảo (các gen). - Mỗi tính trạng được xác định bởi các nhân tố di truyền riêng biệt là các gen gen. các gen này truyền cho thế hệ sau qua tế bào sinh dục - Các gen được duy trì ở dạng thuần khiết qua nhiều thế hệ, khơng bị biến đổi và cũng khơng bị mất đi. - Cả hai giới đều tham gia như nhau vào việc truyền đạt các dấu hiệu di truyền. - Các gen cĩ cặp ở trong tế bào cơ thể, đơn độc trong tế bào sinh dục. Ở các con lai một cĩ nguồn gốc từ bố, một cĩ nguồn gốc từ mẹ, cĩ thể là trội hoặc lặn. Việc tìm ra các quy luật Mendel khơng những cĩ ý nghĩa lý thuyết mà cĩ nhiều ứng dụng trong việc lai tạo giống. Câu hỏi ơn tập 1. Đặc điểm của phương pháp thí nghiệm của Mendel là gì? 77
  91. 2. Mối quan hệ giữa nguyên phân, giảm phân và quy luật phân ly độc lập của Mendel. 3. Nêu thí nghiệm chứng minh trực tiếp sự phân ly ở mức giao tử. 4. Ý nghĩa của sự phân ly ở mức giao tử. 5. Khi cĩ hiện tượng trội khơng hồn tồn và di truyền tương đương thì tỷ lệ phân ly kiểu gen và kiểu hình như thế nào? Tài liệu tham khảo Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục. Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo Dục. Hồng Trọng Phán (1995). Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart, David T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman Publishers. Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers. Toronto, Canada. Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Inc., New York. 78
  92. Chương 5 Tương tac gen Mục tiêu của chương Giới thiệu vê tương tac gen allele, tương tac giưa cac gene khơng allele, nhưng phưc tap trong biêu hiện gen va tac đơng cua mơi trương đên sư hinh thanh kiêu hinh. Số tiết: 3 Nội dung I. Sự tương tác gen giữa các gen alen 1. Hiện tượng gây chết Sự tương tác giữa các alen trong trường hợp lai một tính đĩ là trường hợp gen gây chết. Đây là trường hợp làm biến đổi tỉ lệ theo định luật Mendel đơn giản nhất. Vi du: Ở chuơt , Ay: lơng vàng (trội) a: đen hoặc sơcơla (lặn) Khi người ta lai chuột vàng × vàng F1: thu được hai loại chuột: 2 lơng vàng : 1 lơng khác (sơ cơ la), đồng thời trong các lứa chuột đẻ ra thì số con của nĩ ít hơn 1/4 so với các tổ hợp lai khác. Các nhận xét này được đưa đến giả thiết là chuột lơng vàng cĩ kiểu gen dị hợp tử Aya khi chúng lai với nhau làm xuất hiện chuột AyAy khơng cĩ sức sống và chúng bị chết ở giai đoạn sớm của phơi. Người ta làm thí nghiệm giải phẫu chuột cái lơng vàng đang mang thai trong tổ hợp lai giữa lơng vàng × vàng đều xác định hiện tượng trên. Đĩ là trong dạ con của chuột mẹ cĩ một số bào thai lơng vàng khơng phát triển vì một số bộ phận trong cỏ thể mang đặc điểm dị hình. Như thế chuột đồng hợp tử AyAy khơng cĩ sức sống do alen Ay là alen gây chết khơng cho đồng hợp tử sống được. Tác động của alen Ay về màu lơng là trội so với alen a vì cơ thể dị hợp tử Aya cĩ màu lơng vàng. Nhưng về mặt sức sống thì 79
  93. Ay lại lặn so với a vì tổ hợp Aya vẫn sống bình thường do alen a lấn át sự gây chết của Ay. Đây là ví dụ về gen cĩ tác động này trội nhưng tác động kia là lặn so với alen tương ứng. Hình 5.1 Hiện tượng gen gây chết ở chuột Hinh 5.2 Kêt qua phep lai giưa cac chuơt di hơp tư lơng vang. Khơng phai tât ca cac chuơt ơ thê hê sau đêu sơng sot 80
  94. Hình 5.3 Sự tương tác giữa các alen của cùng một gen ở chuột lang agouti (1 allen dạng hoang dại và nhiều allen đột biến) a. Chuột lưng đen, bụng vàng (trên - trái), bụng đen (trên - phải) và chuột lang agouti (dưới). b. Kiểu gen và kiểu hình tương ứng của các allele của gen agouti. c. Lai giữa các dịng thuần tạo ra một dãy cĩ thể cĩ 3 allele theo một thứ tự trội. Cho các cá thể F1 giao phối với nhau cho ra thế hệ F2 cĩ tỷ lệ kiểu hình là 3:1. điều này cho thấy A, at và a là các allele khác nhau của cùng một gen 81
  95. Trường hợp này cịn gặp một số đối tượng khác như cá chép Khi lai cá chép kính với nhau F1 : 1/4 AA : 2/4 Aa : 1/4 aa chết : 2 chép kính : 1 chép vảy Ở người bệnh thiếu máu hồng cầu liềm do đột biến: Người cĩ kiểu gen SS: thiếu máu nặng chết trước khi trưởng thành. SA: sức khỏe bình thường nhưng đơi khi cĩ triệu chứng thiếu máu nhẹ. Hình 5.4 Bệnh hồng cầu lưỡi liềm ở người 2. Sự tương tác giữa các alen của cùng một gen Giữa các alen của cùng một gen cĩ mối quan hệ trội và lặn. Trong mối tương tác gen này người ta phát hiện ra hiện tượng một gen cĩ nhiều hơn 2 alen. Ví dụ: - Sự di truyền nhĩm máu A,B,O do 3 alen IA, IB, Io. Nhĩm máu của đại gia súc cĩ hơn 100 alen. - Sự di truyền màu mắt ruồi giấm do 1 gen gồm 1 dãy 12 alen quy định, alen cuối cùng mắt trắng (w) và tính trội giảm dần theo hướng sau: 82
  96. W+ > Wsat > Wco > WW > Wap3 > Wch > We > Wbl > Wap > Wi > Wt > W Tương ứng: đỏ dại - đỏ satsuma - san hơ (coral) - rượu nho (wine) - trái đào (apricot) - cheri - son (eosin) - máu (blood) - trái đào (apricot) - ngà voi (ivory) - trắng đục (tinged) - trắng (white) Sự biểu hiện tính trạng màu mắt do sự tương tác giữa hai alen với nhau: W+Wbl: hoang dại WcoWbl: đỏ san hơ - Dãy alen trong việc xác định nhĩm máu ở người Các alen làm xuất hiện nhiều nhĩm máu đặc trưng ở người, liên quan với đặc điểm kháng nguyên của thể máu, quy định sự xuất hiện kháng thể đặc hiệu trong huyết thanh máu. Sự phát hiện ra nhĩm máu là do Landsteiner, ơng thấy trong một số trường hợp nhất định, khi truyền hồng cầu người này vào huyết thanh người khác cĩ hiện tượng ngưng kết các thể máu. Khi truyền máu, hiện tượng này cĩ thể gây chết. Người ta đã xác định trong hồng cầu cĩ 2 kháng nguyên A và B, cịn trong huyết thanh cĩ 2 kháng thể làm ngưng kết chúng. Quần thể người được phân ra theo đặc tính của máu thành 4 nhĩm: nhĩm A cĩ kháng nguyên A và kháng thể kháng B, nhĩm B cĩ kháng nguyên B và kháng thể kháng A, nhĩm AB cĩ cả 2 kháng nguyên khơng cĩ kháng thể, nhĩm O khơng cĩ kháng nguyên và cĩ cả 2 kháng thể. Phản ứng của 4 nhĩm máu với huyết thanh cĩ kháng thể kháng B và kháng thể kháng A như sau: hồng cầu nhĩm máu AB ngưng kết với huyết thanh cĩ kháng thể kháng B và kháng thể kháng A. Hồng cầu nhĩm A chỉ bị ngưng kết bởi huyết thanh nhĩm B. hồng cầu nhĩm B chỉ bị ngưng kết bởi huyết thanh nhĩm máu A. Hồng cầu nhĩm O khơng bị ngưng kết trong cả 2 trường hợp. Phân tích quá trình di truyền các nhĩm máu ở người đã chứng minh rằng 4 nhĩm máu được quy định do sự di truyền của 3 alen (IA, IB, Io). Nhĩm máu AB là thể dị hợp cĩ kiểu gen IAIB, nhĩm A: IAIA, IAIO, nhĩm B: IBIB, IBIO, nhĩm O: IOIO. II. Sự tương tác giữa các gen khơng alen 1. Tương tác át chế - Tỉ lệ 13:3 83
  97. Ở gà 2 kiểu gen CCII và ccii đều xác định màu lơng trắng. Màu trắng ở kiểu gen CCII là do gen C tạo màu bị gen I át đi, cịn kiểu gen ccii cho kiểu hình trắng là do gen tạo màu ở trạng thái đồng hợp lặn P: gà trắng × gà trắng CCII ccii F1 CcIi (gà trắng) F2 9 C-I- : 3 C-ii : 3ccI- : 1 ccii 13 trắng: 3 màu - Tỉ lệ 12:3:1 Alen trội A kìm hãm sự biểu hiện của B ở locus khác. B chỉ biểu hiện ở aa. Aabb cĩ kiểu hình khác Thi nghiệm: Lai bi qua mau xanh co kiêu gen AABB với bi qua trăng co kiêu gen aabb thi bi F1 AaBb co mau trăng. Lai F1 với nhau cho F2 tỷ lệ 12 trăng : 3 vang : 1 xanh P Bi qua trăng × Bi qua trăng F1: AaBb (qua trăng) F2: 9 A-B- : 3A-bb : 3 aaB- : 1 aabb 12 qua trăng : 3 qua vang : 1 qua xanh Hình 5.5 Tương tác át chế Ưc chê trơi tao ra ty lê kiêu hinh 12:3:1 (a) va ty lê 13:3 (b) 84
  98. - Tỷ lệ 9 : 3 : 4 Kiểu gen aa cản trở sự biểu hiện của các alen locus B, gọi là át chế lặn đối với locus B Thí nghiệm: P: Chuột đen × Chuột trắng AAbb aaBB F1: AaBb (xám nâu) F2: 9 A-B- : 3 A-bb : 3 aaB : 1aabb 9 xám nâu : 3 đen : 4 trắng Hinh 5.6 Tương tac at chê do đơng hơp tư gen lăn 2. Tương tác bổ sung - Tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1 Ví dụ sự di truyền hình dạng mào gà P: gà mào hoa hồng × hạt đậu AAbb aaBB 85