GEN LÀ GÌ?
Gen có thành phần là ADN hoặc ARN
Thành phần hóa học của hầu hết các gen là ADN Cấu trúc của ADN (Axit DeoxyriboNucleic) gồm bốn đơn vị cơ sở gọi là các nucleotid (hình 1a).
Hình 1 Cấu trúc phân tử của ADN a) Bốn loại nucleotid của ADN; b) Cấu trúc mạch đơn ADN
Mỗi nucleotid cấu thành từ đường deoxyribose, nhóm phosphat, và một trong bốn bazơ nitơ: adenin (A), thymin (T), guanin (G), và cytosin (C) Các nucleotid kết nối với nhau qua nhóm phosphat và đường pentose, tạo thành bộ khung ADN với sự luân phiên giữa hai nhóm này Đồng thời, các bazơ nitơ A liên kết với T và G liên kết với C, tạo nên cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN, giống như cầu thang xoắn.
Hình 2 Kết cặp đặc hiệu A-T, G-C
Như vậy, các bazơ nằm ngoài bộ khung ADN và chúng gắn với các bazơ ở sợi đơn bên kia của chuỗi xoắn kép ADN
ADN có cấu trúc phân cực 5' – 3', với đầu 5' chứa nhóm phosphat và đầu 3' mang nhóm hydroxyl (OH) Điều này tạo ra sự khác biệt trong hai đầu của phân tử ADN, ảnh hưởng đến chức năng và quá trình sao chép của nó.
Mỗi nhiễm sắc thể chứa một phân tử ADN duy nhất, với hơn 3 tỷ cặp bazơ, đòi hỏi phải được tổ chức một cách hiệu quả để phù hợp trong nhân tế bào nhỏ bé Để đạt được điều này, ADN kết hợp với histon, một loại protein đặc biệt, giúp cuốn quanh và làm cho ADN trở nên cô đặc hơn Quá trình này dẫn đến việc hình thành sợi chromatin, sau đó tự cuộn lại để tạo thành nhiễm sắc thể.
Khi một tế bào ở người phân chia thành hai tế bào con, ADN của 46 nhiễm sắc thể cần phải được sao chép hoàn toàn Sự đặc hiệu trong việc kết cặp giữa A - T và C - G đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Phần I Gen là gì? 15 để tổng hợp sợi ADN mới giống hệt sợi ADN ban đầu Vì mỗi sợi này được dùng làm khuôn để tổng hợp ADN theo nguyên tắc bổ trợ giữa hai sợi: sợi cũ làm khuôn và sợi mới được tổng hợp trên sợi khuôn
Khi xảy ra sự cố trong quá trình sao chép ADN, chức năng của gen có thể bị ảnh hưởng, ví dụ như khi một bazơ sai xâm nhập, dẫn đến đột biến và có thể gây ra protein không hoạt động May mắn thay, quá trình tiến hóa đã trang bị cho chúng ta những cơ chế phát hiện và sửa chữa đột biến, ngăn chặn việc nhân lên của chúng Tuy nhiên, đôi khi các cơ chế này có thể bị hỏng, dẫn đến những đột biến không được sửa chữa và gây ra sự hủy hoại trong quá trình chuyển hóa hoặc cấu trúc, từ đó gây ra bệnh tật.
Hình 3 Phiên mã ngược tạo ra virut mới
Một số virus lưu trữ thông tin di truyền trong ARN thay vì ADN, nhưng vẫn tạo ra protein giống như các sinh vật bậc cao Khi xâm nhập vào vật chủ, ARN được phiên mã ngược thành ADN, sau đó chuyển đổi thành ARN và cuối cùng là protein Quá trình này được gọi là phiên mã ngược, và các virus thực hiện cơ chế này được gọi là retro-virus Một enzyme đặc biệt, transcriptase ngược, sử dụng ARN làm khuôn để tổng hợp ADN mạch kép bổ sung.
1 Phân tử ADN có cấu trúc như thế nào? Nêu cấu trúc của bazơ nitơ, đường deoxyribose và nhóm phosphat?
2 Gen có thành phần hóa học là ADN hay ARN? Retro-virut là gì?
3 Phiên mã ngược là gì, diễn ra như thế nào và ở sinh vật nào?
Gen có thể tự sinh ra gen
Một đặc tính quan trọng của vật chất di truyền là khả năng tự nhân lên cùng với sự phát triển của tế bào hoặc cơ thể chứa ADN ADN có khả năng tự tái tạo bản sao với trình tự nucleotid giống hệt nhau, đảm bảo thông tin di truyền được duy trì Thông thường, ADN tồn tại dưới dạng hai sợi kép, và khi bắt đầu quá trình nhân đôi, hai sợi đơn tách ra Trình tự nucleotid trên mỗi sợi đóng vai trò là khuôn mẫu để tổng hợp sợi mới Trong quá trình này, các nucleotid tự do kết hợp với sợi khuôn theo nguyên tắc: A kết cặp với T và C kết cặp với G, điều này giúp giải thích sự chính xác trong việc sao chép ADN.
Trình tự các nucleotid trong sợi ADN mới tổng hợp giống hệt như trong sợi cũ, với sợi cũ đóng vai trò làm khuôn Các enzym mở xoắn kép ADN bằng cách cắt đứt các mối liên kết hydro giữa các cặp bazơ, tách hai sợi đơn ra Các nucleotid không còn kết cặp giờ đây có thể tự do kết cặp với nucleotid bổ trợ trên sợi khuôn Quá trình nhân ADN bắt đầu khi enzym primase tổng hợp các đoạn mồi ARN ngắn.
ADN polymerase kết hợp các nucleotid vào đầu của đoạn mồi ARN, giúp kéo dài sợi bổ trợ của ADN chưa kết cặp Quá trình này diễn ra khi các nucleotid được bổ sung, dẫn đến sự tổng hợp sợi ADN mới.
Hình 4 Sơ đồ sinh tổng hợp ADN (chạc Y)
Quá trình sao chép ADN diễn ra liên tục trên sợi dẫn đầu, trong khi ở sợi theo sau, tổng hợp diễn ra gián đoạn với các đoạn ngắn gọi là Okazaki Enzym ligase sẽ nối các đoạn Okazaki lại với nhau để hình thành sợi mới Sự khác biệt trong quá trình tổng hợp ADN xuất phát từ việc sợi ADN mới chỉ có thể tổng hợp theo chiều từ đầu 5' sang đầu 3', trong khi hai sợi đơn trong mỗi mạch ADN kép có hướng ngược nhau Tại chạc Y, chỉ có một sợi ADN mới, sợi tổng hợp theo chiều mở xoắn, có thể tổng hợp liên tục, trong khi sợi còn lại phải tổng hợp gián đoạn, dẫn đến sự hình thành các đoạn Okazaki.
Kết quả của quá trình tổng hợp ADN là hai phân tử ADN kép, mỗi phân tử bao gồm một sợi gốc ban đầu và một sợi mới được tổng hợp Cả hai sợi đều có trình tự sắp xếp nucleotid giống hệt nhau, mang thông tin di truyền tương tự.
1 Yếu tố nào giúp thông tin di truyền được sao chép chính xác trong quá trình tổng hợp ADN?
2 Mở xoắn là gì? Vì sao mở xoắn lại cần thiết trong quá trình tổng hợp ADN?
3 Trình bày các khái niệm: sợi dẫn đầu, sợi theo sau, đoạn Okazaki?
4 Các đầu 3’ và 5’ của ADN là gì? Vì sao các đoạn Okazaki chỉ xuất hiện trên sợi theo sau?
Ngôn ngữ di truyền đơn giân nhưng chứa đầy thông tin
NHƯNG CHỨA ĐẦY THÔNG TIN
Thông tin di truyền có thể được so sánh với một ngôn ngữ, trong đó các chữ cái của bảng chữ cái tạo thành từ ngữ Những từ này được kết hợp để hình thành câu, đoạn văn và cuối cùng là các cuốn sách Trong ngôn ngữ ADN, mỗi yếu tố di truyền đóng vai trò quan trọng trong việc truyền đạt thông tin.
Bảng alphabet chỉ có bốn chữ cái: C, G, A và T, tức bốn loại nucleotid có trong phân tử ADN
Mỗi chữ cái trong di truyền đại diện cho một hợp chất hóa học gọi là bazơ, là một trong ba thành phần của nucleotid Hai thành phần còn lại trong nucleotid là giống nhau, chỉ có bazơ là khác nhau Bốn chữ cái này kết hợp để tạo thành các từ di truyền, được gọi là cụm mã.
Khác với ngôn ngữ thông thường, các từ di truyền chỉ gồm ba chữ cái Những từ này kết hợp theo một trình tự nhất định để tạo thành các câu gọi là gen, có chức năng xác định trình tự axit amin trong protein.
Cuối mỗi câu trong văn bản có một từ đặc biệt được gọi là cụm mã dừng, hay bộ ba vô nghĩa Những câu này liên kết với nhau để tạo thành một cuốn sách chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền của một sinh vật, được gọi là hệ gen.
Chúng ta hãy làm một phép so sánh tiếng Việt với ngôn ngữ di truyền:
Bảng 1 So sánh hai ngôn ngữ
Ngôn ngữ di truyền của ADN chứa thông tin quan trọng cho việc tổng hợp protein, giúp thực hiện các quá trình trao đổi chất cần thiết cho sự sống Các protein sử dụng một ngôn ngữ riêng với bảng "chữ cái" gồm 20 axit amin.
ARN đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi ngôn ngữ di truyền từ ADN sang ngôn ngữ protein Nó thu thập thông tin từ gen trên sợi ADN để tổng hợp các protein cần thiết cho sự sống.
Dọc theo gen, thông tin mã hóa cho các axit amin được lưu trữ dưới dạng các cụm mã, mỗi cụm gồm ba chữ cái.
Mỗi cụm mã trên ADN chỉ định một axit amin cụ thể, và việc "đọc" các bộ cụm mã này dẫn đến sự hình thành các protein đặc thù từ mã di truyền Mỗi cụm mã này đóng vai trò quan trọng trong việc mã hóa cho các axit amin riêng biệt.
Bảng 2 Mã di truyền: mỗi bộ ba nucleotid xác định một axit amin
Phần bên phải của bảng 2 là một đoạn trong ngôn ngữ của gen
Ngôn ngữ di truyền không chỉ giới hạn ở những sản phẩm đầu tiên mà còn phản ánh sự đa dạng sinh học phong phú, bao gồm hàng triệu loài Mỗi cơ thể sống thể hiện một hoạt động sống đa dạng và phức tạp, cho thấy sự hiệu quả biểu hiện của ngôn ngữ di truyền trong tự nhiên.
1 Hãy trình bày các bộ phận cấu thành ngôn ngữ di truyền?
2 Chứng minh sự tương đồng giữa ngôn ngữ di truyền và tiếng Việt như hai hình thức lưu trữ thông tin?
3 Nêu những khác biệt giữa “ngôn ngữ di truyền” và tiếng Việt:
- Về hình thức, ngôn ngữ nào đơn giản hơn?
- Về nội dung, ngôn ngữ nào phong phú hơn?
Gen bị biến đổi trở thành đột biến
ADN của hai cá thể thuộc cùng một loài có độ giống nhau rất cao
Mỗi 1.000 nucleotid có khoảng 1 nucleotid khác nhau, và đột biến là sự thay đổi trên ADN có thể ảnh hưởng đến protein mà gen xác định Nếu thay đổi không làm biến đổi trình tự axit amin trong protein, nó được gọi là hiện tượng đa hình và là phần của biến dị bình thường trong hệ gen người Tuy nhiên, nhiều biến đổi trong ADN có thể làm hỏng chức năng của gen, dẫn đến các biểu hiện lâm sàng Protein bị biến đổi do đột biến có thể gây ra sự gián đoạn trong hoạt động bình thường của gen, từ đó dẫn đến bệnh tật Cách mà các đột biến này biểu hiện phụ thuộc vào khả năng di truyền của từng cá nhân và mối tương tác với môi trường.
Biến đổi gen có thể được truyền cho các thế hệ sau hoặc không Nếu bệnh ung thư không phải do di truyền mà là do đột biến xảy ra trong tế bào soma, thì nó sẽ không được truyền lại Chỉ những đột biến xảy ra trong ADN của giao tử (tinh trùng hoặc tế bào trứng) mới có khả năng di truyền cho thế hệ tiếp theo Nếu đột biến được truyền cho thế hệ con, thì đột biến đó sẽ hiện diện trong tất cả các tế bào của cơ thể con.
Bảng 3 Cơ chế xuất hiện đột biến Gen bị biến đổi là đột biến
CAC ANH CHI HAY HOC NUA HOC MAI Đột biến nhầm nghĩa (Missense)
CAC ANH CHA HAY HOC NUA HOC MAI Đột biến vô nghĩa (Nonsense)
CAC ANH CHI Đột biến dịch khung (Frameshif)
CAC NHC HIH AYH OCN UAH OCM AI
Cơ chế xuất hiện đột biến ở mức phân tử được minh họa qua ví dụ tiếng Việt, cho thấy sự tương đồng với ngôn ngữ di truyền, trong đó tất cả các từ đều có ba ký tự: "CÁC ANH CHỊ HÃY HỌC NỮA HỌC MÃI" Đột biến nhầm nghĩa xảy ra khi một nucleotide bị thay thế.
Đột biến vô nghĩa xảy ra khi một sự thay đổi trong gen dẫn đến việc hình thành các bộ ba STOP, khiến quá trình tổng hợp protein bị dừng lại đột ngột Điều này có thể dẫn đến các đột biến dịch khung nghiêm trọng, đặc biệt khi có sự mất mát của một nucleotide.
- 2 nucleotid ở ngay đầu gen (ở đây bị mất nucleotid A trong từ ANH và khung đọc bị dịch đi một chữ, nên mất hết nghĩa trên phần còn lại của gen)
Ngoài các đột biến ở mức phân tử, còn có những đột biến ở mức nhiễm sắc thể như đảo đoạn, chuyển đoạn, mất đoạn và thay đổi số lượng nhiễm sắc thể Tất cả các đột biến này đều xuất phát từ sự thay đổi trong phân tử ADN và hiện nay có thể được phát hiện dễ dàng bằng các chỉ thị phân tử, cả trước sinh và sau sinh Hậu quả của những đột biến này thường rất nghiêm trọng, ví dụ như một số dạng ung thư máu là kết quả của các đột biến chuyển đoạn nhiễm sắc thể.
Đột biến hóa sinh, bao gồm đột biến khuyết dưỡng, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng đối với vi sinh vật Những đột biến này dẫn đến việc mất khả năng tổng hợp một số chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sống của tế bào.
Đột biến ức chế là một loại đột biến có cơ chế tác động đặc biệt, không ảnh hưởng trực tiếp đến gen mà xảy ra, mà thay vào đó, nó tác động đến sự biểu hiện của các gen khác.
1 Trên phân tử ADN, nếu bị mất ba nucleotid gần nhau ở cuối gen thì hậu quả có nghiêm trọng không?
2 Nêu khái niệm về những đột biến: nhầm nghĩa, vô nghĩa, dịch khung?
3 Đột biến xảy ra ở đâu trên cơ thể thì di truyền, ở đâu thì không di truyền sang thế hệ sau? Vì sao?
4 Nêu bản chất của các đột biến ở mức nhiễm sắc thể: mất đoạn, thêm đoạn, đảo đoạn, chuyển đoạn, đa bội thể? Đặc điểm chung của các thể đột biến này? Vì sao?
5 Nêu khái niệm về các đột biến khuyết dưỡng, đột biến ức chế?
Con đường từ gen đến tính trạng
Gen trong nhân tế bào biểu hiện chức năng ra tính trạng ở ngoài cơ thể Có thể tóm tắt quá trình từ gen đến tính trạng như ở hình 5
Hình 5 Con đường từ gen đến tính trạng
Quá trình đầu tiên trong di truyền là sự sao chép gen (ADN), trong đó ADN tự tổng hợp chính mình bằng cách sao chép thông tin nguyên bản Quá trình này đảm bảo rằng các tế bào con nhận được đủ số lượng ADN để chuyển giao khi tế bào mẹ phân chia, giúp chúng có thông tin di truyền giống hệt tế bào mẹ.
Khâu thứ hai trong quá trình tổng hợp protein là phiên mã, trong đó thông tin di truyền từ trình tự nucleotid trên ADN được chuyển đổi thành sợi ARN thông tin (mARN) với trình tự ribonucleotid tương ứng Phiên mã có những đặc điểm riêng biệt, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền đạt thông tin di truyền.
1 Sản phẩm phiên mã là một sợi đơn ARN
2 Để phiên mã diễn ra thì ADN phải dãn xoắn cục bộ Với mỗi gen chỉ có một trong hai sợi ADN được dùng làm khuôn để tổng hợp ARN, sợi này gọi là sợi có nghĩa (sense strand)
3 Tiền chất của ARN (các phân tử được trùng hợp để tạo nên ARN) là các ribonucleosid tự do Enzym xúc tác cho phản ứng trùng hợp này là ARN polymerase
4 Phản ứng trùng hợp ARN tương tự như phản ứng trùng hợp ADN: ribonucleotid tiếp theo đính vào chuỗi được lựa chọn bởi ARN polymerase vì enzym này có khả năng tạo nên cặp bazơ bổ trợ với bazơ trên sợi khuôn ADN
5 Cũng như ADN, ARN được tổng hợp theo chiều 5‟ – 3‟ Thí dụ, nếu sợi khuôn là 3‟-TCGGAT-5‟, thì chuỗi ARN sẽ là 5‟- AGCCUA-3‟
Kết quả của quá trình phiên mã là sự hình thành phân tử ARN thông tin mARN, có trình tự ribonucleotid bổ trợ với trình tự nucleotid trên sợi có nghĩa của ADN trong gen Qua đó, thông tin di truyền từ ADN trong gen được truyền đạt sang mARN.
Dịch mã là quá trình mà trình tự ribonucleotid của mARN được chuyển đổi thành trình tự axit amin trong protein Quá trình này có sự tham gia của nhiều thành phần, trong đó yếu tố khởi đầu dịch mã đóng vai trò quan trọng.
Trong 64 cụm mã có thể có, AUG nổi bật là cụm mã đặc biệt vì nó không chỉ xác định axit amin methionin mà còn đóng vai trò là tín hiệu khởi đầu cho quá trình dịch mã, tức là tổng hợp protein.
Một loại phân tử đặc biệt có cụm đối mã ở một đầu để nhận diện cụm mã bổ trợ trên phân tử mARN, trong khi ở đuôi có một axit amin riêng biệt trong số 20 axit amin thông thường Điều này đảm bảo rằng trình tự axit amin của protein được tổng hợp sẽ tương ứng với trình tự ribonucleotid trên mARN.
Phần I Gen là gì? 27 c Các ribosom
Ribosom đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định sự kết hợp giữa mARN và tARN, đồng thời xúc tác quá trình hình thành mối liên kết peptid Là một cơ quan tế bào nằm trong tế bào chất, ribosom là nơi diễn ra quá trình tổng hợp protein thông qua dịch mã.
Quá trình dịch mã tạo ra protein với trình tự axit amin tương ứng với ribonucleotid trên mARN, phản ánh chính xác trình tự nucleotid trên ADN của gen liên quan Đây là nguyên lý cơ bản trong việc truyền thông tin di truyền từ gen đến protein và ảnh hưởng đến các tính trạng.
20 axit amin thường gặp trong protein tự nhiên có tên gọi và tên viết tắt như sau
Protein đóng vai trò quan trọng và đa dạng trong cơ thể, chịu trách nhiệm vận chuyển, lưu giữ và xây dựng cấu trúc tế bào Chúng tạo ra kháng thể và enzym, xúc tác các phản ứng hóa học cần thiết cho hoạt động trao đổi chất Ngoài ra, protein là thành phần thiết yếu trong nhiều hormon và tham gia vào quá trình co duỗi cơ bắp, cùng với sự vận động của tế bào.
Các protein quan trọng bao gồm hemoglobin, collagen, hormone, thyroid, insulin và myosin Bệnh tật thường xuất phát từ sự rối loạn chức năng của protein, bị ảnh hưởng bởi yếu tố di truyền, môi trường hoặc sự kết hợp của cả hai.
1 Viết sơ đồ phác họa con đường từ gen đến tính trạng
2 Các phản ứng sau diễn ra ở các công đoạn nào trên con đường từ gen đến tính trạng: sao chép, phiên mã, dịch mã Nêu rõ cơ chế của mỗi phản ứng và hiệu quả đạt được?
3 Quy tắc nào giúp cho hai sợi của mạch kép ADN mới sinh ra sau quá trình sao chép có trình tự nucleotid giống hệt hai sợi ban đầu trước sao chép?
4 Nêu hai loại chức năng chính của protein trong tế bào sinh vật?
Sửa đổi và chuyển gen
Ngày nay, di truyền phân tử là nền tảng của công nghệ sinh học hiện đại, được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các phòng thí nghiệm sinh học toàn cầu Công nghệ này nổi bật ở chỗ dễ sử dụng cho từng nhà khoa học, không đòi hỏi thiết bị quy mô lớn hay nguồn tài chính vượt quá khả năng của các phòng nghiên cứu vừa và nhỏ.
Nguyên lý cơ bản của thao tác di truyền là đơn giản, mặc dù có nhiều kỹ thuật phức tạp liên quan Các công nghệ này dựa vào thông tin di truyền trong ADN, được tổ chức thành các gen, cho phép thao tác để đạt được các mục tiêu cụ thể.
Những phương pháp và công nghệ chủ yếu dùng hàng ngày tại các phòng thí nghiệm di truyền học hiện đại là:
Bước đầu tiên để đạt được ADN phù hợp với mục tiêu thí nghiệm là xác định rõ loại ADN cần thiết Nguyên lý chung trong quy trình này tương tự nhau, mặc dù có những khác biệt nhỏ giữa ba loại đối tượng: động vật, thực vật và tế bào nhân sơ như vi khuẩn.
- Các phương pháp lai phân tử
Dựa trên tính chất bổ trợ giữa ADN mạch kép và ARN, có thể áp dụng các phương pháp như Southern blotting, Northern blotting và lai huỳnh quang tại chỗ (FISH) Những kỹ thuật này giúp tách biệt các gen quan tâm từ hỗn hợp nhiều đoạn ADN và ARN.
- Sửa đổi ADN bằng enzym
Các enzym đặc hiệu cho phép cắt ADN tại những vị trí mong muốn, tạo ra ADN tái tổ hợp bằng cách nối các đoạn ADN khác nhau với enzym ADN ligase Ngoài ra, còn nhiều loại enzym khác có khả năng phân hủy ADN từ một đầu hoặc từ giữa sợi ADN Hiện nay, các nhà khoa học sở hữu nhiều công cụ phong phú để tạo ra các đoạn ADN với chức năng đáp ứng nhu cầu đa dạng của con người.
Để chuyển ADN được tạo ra, cần gắn ADN vào các cấu trúc ADN mạch vòng nhỏ như plasmid, cosmid hoặc virus, giống như việc đưa hàng lên xe để vận chuyển Sau đó, số lượng các vector này sẽ được nhân lên để chuẩn bị cho các thí nghiệm chuyển gen đến cá thể vật chủ thích hợp, do đó kỹ thuật này thường được gọi là tách dòng gen.
Tách dòng gen là một kỹ thuật quan trọng trong việc nhận diện gen đặc hiệu, lập bản đồ hệ gen, sản xuất protein tái tổ hợp và phát triển các sinh vật chuyển gen.
Năm 1973, Stanley Cohen và Herbert Boyer đã thực hiện thành công việc chuyển gen giữa các loài, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong di truyền học Do mã di truyền là "ngôn ngữ" chung cho tất cả các loài, enzym polymerase của một sinh vật có khả năng phiên mã chính xác gen từ một sinh vật khác Điều này cho thấy rằng gen của một loài có thể thực hiện chức năng của nó khi được đưa vào cơ thể của loài khác Chẳng hạn, các loài vi khuẩn có thể trao đổi gen kháng thuốc kháng sinh thông qua các đoạn ADN nhỏ gọi là plasmid.
Vào năm 1973, Stanley Cohen và Herbert Boyer đã thực hiện thí nghiệm đầu tiên về kỹ thuật di truyền, chứng minh rằng gen từ ếch có thể được chuyển vào các tế bào vi khuẩn E coli và vẫn có thể biểu hiện trong đó.
Vào những năm 1970, các nhà nghiên cứu ở California đã thành công trong việc chuyển một phân tử ADN tái tổ hợp giữa hai loài khác nhau Đến đầu những năm 1980, kỹ thuật này được cải tiến, cho phép các nhà khoa học đưa gen người vào vi khuẩn E coli để sản xuất insulin và hormone sinh trưởng của con người.
Công nghệ ADN tái tổ hợp, một kỹ thuật di truyền quan trọng trong công nghệ sinh học hiện đại, cho phép con người khám phá cách thức hoạt động của gen Khi không thể kiểm tra chức năng gen trên động vật mô hình, gen có thể được biểu hiện trên vi khuẩn hoặc tế bào nuôi cấy Hơn nữa, kiểu hình của đột biến gen và hiệu quả của thuốc cũng như các tác nhân khác có thể được kiểm nghiệm thông qua các hệ thống tái tổ hợp Ngoài ra, sự truyền gen giữa các loài có thể xảy ra tự nhiên qua hiện tượng biến nạp.
Hiện nay, trong các phòng thí nghiệm di truyền học hiện đại, hai kỹ thuật quan trọng là PCR nhân ADN và Giải trình tự ADN đã trở thành công cụ không thể thiếu, thay thế cho nhiều phương pháp sinh học phân tử phức tạp trước đây.
- Phản ứng chuỗi trùng hợp (PCR)
Phương pháp PCR cho phép nhân lên hàng triệu lần đoạn ADN chỉ trong hơn một giờ, được TS James Watson, người phát hiện cấu trúc chuỗi xoắn kép của ADN, nhận định là đã cách mạng hóa công nghệ sinh học Đặc biệt, đối với các nước nghèo như Việt Nam, kỹ thuật này mở ra cơ hội quý giá để theo kịp các nước tiên tiến mà không cần đầu tư lớn, vẫn có thể thực hiện nghiên cứu khoa học và công nghệ ở mức độ cao.
Phương pháp PCR, được phát minh bởi Kary Mullis vào giữa những năm 1980, dựa trên nguyên lý tổng hợp ADN tự nhiên trong tế bào Quy trình bao gồm ba bước chính: đầu tiên, tách sợi ADN mạch kép thành hai sợi đơn bằng nhiệt độ cao; thứ hai, gắn hai đoạn mồi (ADN ngắn dài 18 - 30 nucleotid) vào hai sợi ADN khuôn ở nhiệt độ thích hợp; và cuối cùng, tổng hợp hai sợi ADN mới từ vị trí các mồi đã gắn Quá trình này được lặp lại 20 - 40 lần, dẫn đến việc tổng hợp một đoạn ADN mới nằm giữa hai mồi PCR có nhiều ứng dụng quan trọng trong nghiên cứu sinh học phân tử và chẩn đoán y học.
1 Chẩn đoán bệnh trong di truyền y học, vi sinh vật y học và y học phân tử
2 Định typ HLA trong ghép tạng
3 Phân tích ADN trong vật liệu cổ sinh
4 Xác định đặc trưng cá thể trong hình sự và trong xét nghiệm huyết thống
5 Sản xuất mẫu dò axit nucleic
6 Sàng lọc dòng và xây dựng bản đồ
7 Nghiên cứu đa dạng di truyền của các loài
Công nghệ hiện đại cho phép giải trực tiếp trình tự nucleotid trên ADN, vượt qua các phương pháp truyền thống kém hiệu quả như phân tích RFLP và nhiễm sắc thể di chuyển Ngày nay, giải trình tự ADN đã được tự động hóa và trở thành công cụ phổ biến trong nhiều phòng thí nghiệm sinh học, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
1 Thông tin di truyền nằm trên ADN có thể biến đổi theo ý muốn bằng những cách nào?
2 Sau khi tách chiết được ADN từ các tế bào thì dùng các kỹ thuật cắt, dán nào để sửa đổi thông tin chứa trên đó
DI TRUYỀN NHIỄM SẮC THỂ
Nguyên phân sao chép nguyên bân thông tin di truyền
Nguyên phân là quá trình mà ở đó các nhiễm sắc thể trong nhân của tế bào được chia thành hai phần giống hệt nhau về mặt di truyền
Trước khi quá trình nguyên phân diễn ra, mỗi nhiễm sắc thể sẽ được nhân đôi, bao gồm cả tâm động Sau đó, hai nhiễm sắc thể mới sẽ được tâm động kéo về hai tế bào con, đảm bảo rằng mỗi nhiễm sắc thể đều được nhân đôi một cách chính xác.
Nguyên phân có thể được coi là quá trình photocopy, khi từ một tế bào ban đầu hình thành hai tế bào mới có cấu trúc di truyền hoàn toàn giống nhau Thực tế, mỗi cơ thể đa bào là kết quả của nhiều lần nguyên phân liên tiếp từ một tế bào duy nhất.
Khi quan sát phân bào dưới kính hiển vi quang học, để dễ mô tả người ta chia nguyên phân thành bốn giai đoạn (hình 9):
- Kỳ đầu: Các nhiễm sắc thể hiện rõ dần, màng nhân chưa vỡ
- Kỳ giữa: Màng nhân bị vỡ, các nhiễm sắc thể hiện rõ nhất, tập trung ở mặt phẳng giữa tế bào Hình 18
Hình 9 Bốn giai đoạn nguyên phân
- Kỳ sau: Các tâm động tách nhau ra, kéo các nhiễm sắc thể mới tách ra từ nhiễm sắc thể mẹ đi về hai cực của tế bào
Kỳ cuối của quá trình nguyên phân diễn ra khi các nhiễm sắc thể mờ dần, màng nhân bao bọc lại, tạo thành hai tế bào con Một điểm quan trọng là vào cuối kỳ giữa và đầu kỳ sau, mỗi tâm động tách đôi, hoàn thành việc tách dọc các nhiễm sắc thể mẹ thành hai nhiễm sắc thể con giống hệt nhau, chuyển về hai tế bào con Do đó, sau mỗi lần nguyên phân, từ một tế bào mẹ (lưỡng bội hoặc đơn bội) sẽ tạo ra hai tế bào con có cấu trúc di truyền giống nhau, bao gồm cả số lượng nhiễm sắc thể và loại gen.
- Tâm động là cấu trúc buộc phải có trên mỗi nhiễm sắc thể Thiếu tâm động thì nhiễm sắc thể sẽ biến mất khi phân bào
- Trong kỳ giữa nguyên phân tâm động tách đôi cùng với nhiễm sắc thể mang nó ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN PHÂN
Nguyên phân đã được người nông dân sử dụng từ xa xưa trong sản xuất nông nghiệp, với sắn được trồng từ hom và khoai lang từ những đoạn dây ngắn Các cây ăn quả như cam, quít, chanh, bưởi cũng được nhân giống bằng cách chiết cành, là sản phẩm của nguyên phân với thông tin di truyền giống nhau Hiện nay, kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào cũng phổ biến, cho phép trồng cây từ tế bào nuôi cấy mang đặc điểm di truyền đồng nhất Nhờ đó, cây trồng từ các phương pháp này đảm bảo đúng chủng loại và các đặc tính nông sinh học đã được lựa chọn.
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 37
1 Bốn giai đoạn của nguyên phân là gì? Đặc điểm của chúng?
2 Vai trò của tâm động đối với sự vận động của nhiễm sắc thể trong nguyên phân?
3 Chứng minh nguyên phân là cơ chế sao chép nguyên bản thông tin di truyền?
4 Nêu các ứng dụng thực tế của nguyên phân?
Giâm phân tạo ra các tổ hợp nhiễm sắc thể mới
Giảm phân là cơ chế phân bào quan trọng trong chu trình sinh sản hữu tính của sinh vật nhân chuẩn, diễn ra khi một tế bào lưỡng bội phân chia thành bốn giao tử đơn bội Quá trình này bao gồm hai lần phân chia nhân tế bào, được gọi là giảm phân I và giảm phân II Cả hai giai đoạn này đều chia thành bốn giai đoạn, có tên gọi và đặc điểm hình thái tương tự như nguyên phân.
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 39
Trong kỳ đầu I của quá trình phân bào, số lượng nhiễm sắc thể lưỡng bội tăng dần khi diễn ra quá trình cuộn xoắn Các nhiễm sắc thể tương đồng kết đôi thành từng cặp, sau đó mỗi nhiễm sắc thể chia đôi, hình thành hai nhiễm sắc tử chị em.
2 Kỳ giữa Ở thời điểm bắt đầu kỳ giữa I hạch nhân và màng nhân biến mất Các tâm động không phân chia đính với các sợi thoi và các nhiễm sắc tử còn kết với nhau nằm trong vùng của tấm kỳ giữa
Trong giai đoạn giữa của quá trình phân bào II, các tâm động bắt đầu phân chia và hình thành bộ máy thoi Các sợi thoi gắn kết với tâm động, trong khi các nhiễm sắc thể (NST) được sắp xếp trên mặt phẳng cắt giữa tế bào.
3 Kỳ sau Ở giảm phân I các NST của mỗi thể lưỡng trị, tức các cặp NST tương đồng, tách nhau ra tiến về hai cực đối diện Kết quả là hình thành các tổ hợp mới của các NST có nguồn gốc từ cha và từ mẹ Tại kỳ sau II các tâm động chuyển dịch về hai cực đối diện của thoi, kéo theo các nhiễm sắc tử mà lúc này đã trở thành các NST con
4 Kỳ cuối và kỳ nghỉ
Trong quá trình giảm phân I, tế bào chất phân chia để tạo ra hai tế bào con, mỗi tế bào chứa một bộ nhiễm sắc thể đơn bội hoàn chỉnh, với mỗi nhiễm sắc thể bao gồm hai nhiễm sắc tử liên kết bởi tâm động Các nhiễm sắc thể này có thể xuất phát từ cha hoặc mẹ với xác suất bằng nhau Sau đó, trong kỳ nghỉ ngắn, các nhiễm sắc thể kéo dài ra và màng nhân hình thành trở lại Tiếp theo, trong giảm phân II, mỗi tế bào con từ giảm phân I tiếp tục phân chia, dẫn đến sự hình thành bốn tế bào đơn bội từ một tế bào lưỡng bội ban đầu Cuối cùng, các nhiễm sắc thể dần nhạt màu và màng nhân lại hình thành.
Mỗi tế bào đơn bội mới sinh ra chứa một nửa số nhiễm sắc thể (NST) của tế bào lưỡng bội bình thường, tức là một chiếc NST từ mỗi cặp tương đồng Quá trình giảm phân tạo ra các tế bào đơn bội với sự kết hợp ngẫu nhiên của NST có nguồn gốc từ cha và mẹ.
Hoạt động của nhiễm sắc thể (NST) trong giảm phân có liên quan trực tiếp đến sự phân ly của các gen, với hai điểm quan trọng cần lưu ý Đầu tiên, hai NST tương đồng phải tách nhau để di chuyển về hai cực, trong khi hai NST không tương đồng có thể cùng đi về một cực hoặc phân tách về hai cực khác nhau với xác suất bằng nhau Tuy nhiên, giữa nguyên phân và giảm phân có sự khác biệt rõ rệt trong quy luật vận động của NST Cụ thể, ở cuối kỳ giữa và đầu kỳ sau của giảm phân I, tâm động không tách nhau mà chỉ các NST của mỗi cặp tương đồng phân tách, dẫn đến số lượng NST trong các tế bào con giảm đi một nửa, đồng thời số lượng tâm động cũng giảm Tại thời điểm này, các NST phân tách và phân bổ về các tế bào con theo hai nguyên tắc khác nhau.
Hai nhiễm sắc thể tương đồng, một từ cha và một từ mẹ, cần phải tách ra và phân chia cho hai tế bào con trong quá trình phân bào.
Hai nhiễm sắc thể không tương đồng, thuộc các cặp khác nhau, có khả năng di chuyển về cùng một tế bào con hoặc phân tách thành hai tế bào khác nhau với xác suất tương đương Hiện tượng này diễn ra với tất cả các cặp nhiễm sắc thể trong quá trình giảm phân của tế bào.
Giảm phân I là quá trình quan trọng trong việc tạo ra các tổ hợp nhiễm sắc thể mới, dẫn đến sự hình thành các giao tử.
Hình 11 So sánh cuối kỳ giữa của nguyên phân và giảm phân I
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 41 cấu trúc di truyền khác nhau Còn giảm phân II trên thực tế là một nguyên phân mà ở đó tế bào mẹ ban đầu là đơn bội
Khái quát lại, sự khác biệt về mặt di truyền học giữa nguyên phân và giảm phân được minh họa rõ nhất trên hình 12
Hình 12 So sánh nguyên phân và giảm phân
Mỗi tế bào lưỡng bội chứa hai bộ nhiễm sắc thể, một từ mẹ và một từ bố Cặp nhiễm sắc thể tương đồng bao gồm một chiếc từ mẹ và một chiếc từ bố, đóng vai trò là các đơn vị di truyền Mendel, thể hiện sự phân ly và tổ hợp độc lập Mặc dù các nhiễm sắc thể tương đồng mang những gen giống nhau, nhưng chúng có thể chứa các alen khác nhau.
Các gen trên các nhiễm sắc thể khác nhau tuân theo quy luật tổ hợp độc lập từ cha mẹ Điều này dẫn đến việc các giao tử được hình thành từ quá trình giảm phân sẽ có sự kết hợp khác nhau của các alen, nhờ vào hiện tượng tái tổ hợp và sự sắp xếp độc lập của các nhiễm sắc thể.
Khác với nguyên phân, trong quá trình giảm phân, các cặp nhiễm sắc thể tương đồng tách ra và phân chia về hai tế bào con, mà không tách đôi các tâm động Điều này dẫn đến việc giảm phân làm giảm số lượng nhiễm sắc thể xuống một nửa.
Các định luật Mendel
Chúng ta đã tìm hiểu hai bài nòng cốt của Di truyền nhiễm sắc thể, được gọi là "nòng cốt" vì những nguyên lý cơ bản từ hai bài này sẽ là nền tảng cho các khái niệm di truyền tiếp theo.
"Sợi chỉ đỏ" trong Di truyền nhiễm sắc thể liên kết các nguyên lý nguyên phân và giảm phân, tạo nền tảng cho nội dung các bài học còn lại Học sinh sẽ tự học với sự hướng dẫn và tương tác từ giáo viên, thông qua thảo luận Phương pháp biên soạn sách cho các bài học này cũng sẽ được điều chỉnh cho phù hợp.
1 Vài nét về lịch sử và đặc điểm thí nghiệm của Mendel
Vào năm 1865, thầy tu người Áo Gregor Mendel đã phát hiện ra rằng các tính trạng đặc trưng của sinh vật được xác định bởi những nhân tố riêng biệt, hiện nay được gọi là gen.
Mendel, được coi là cha đẻ của Di truyền học, đã đạt được thành công nhờ vào việc tiến hành các thí nghiệm lai sau khi tách được các dòng thuần (cây đồng hợp tử) ở cây đậu thông qua phương pháp nội phối.
Mendel đã áp dụng một thuật toán thông qua bảng Punnet để xử lý kết quả thí nghiệm của mình, cho thấy sự khớp hoàn hảo với các quy luật di truyền liên quan đến nhiễm sắc thể trong quá trình giảm phân và giao phối tự do Điều này chứng tỏ rằng Mendel đã phát hiện ra quy luật giảm phân thông qua một phương pháp thuật toán chính xác.
2 Vai trò của giảm phân trong các định luật Mendel
Hình 13 a) Sơ đồ lai b) Bảng Punnet
- Sơ đồ lai của Mendel dẫn đến định luật 1 (định luật tính trội) được ký hiệu và có dạng hình 13a
- Bảng Punnet minh họa phép lai của Mendel dẫn đến định luật 2 (định luật phân ly) (hình 13b)
- Sơ đồ lai của Mendel dẫn đến định luật 3 (định luật di truyền độc lập) được ký hiệu và có dạng hình 14
Hình 14 Định luật di truyền độc lập: a) Sơ đồ lai; b) Bảng Punnet; c) Tỉ lệ phân ly
3 Vai trò của nguyên phân trong các thí nghiệm Mendel
- Cái Mendel quan sát được trong thí nghiệm là hình thái hạt đậu gồm rất nhiều tế bào;
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 45
- Nhân tố di truyền (gen) mà Mendel phát hiện ra nhỏ hơn tế bào hàng nghìn lần (không nhìn thấy được bằng mắt thường);
Thông tin di truyền trong gen được nhân lên qua quá trình nguyên phân, dẫn đến việc hạt đậu chứa hàng tỉ tế bào giống hệt nhau Điều này cho phép Mendel phát triển các định luật di truyền một cách chính xác.
1 Những đặc điểm nào trong thí nghiệm của Mendel đã giúp ông phát hiện ra gen?
2 Giảm phân đóng vai trò gì trong các thí nghiệm Mendel? Vì sao bảng Punnet lại giúp minh họa quy luật của giảm phân?
3 Có thể phát biểu cả ba định luật Mendel trong một - hai câu không? Tức nêu một bản chất sự việc phản ánh cả ba định luật này
4 Nguyên phân đóng vai trò gì trong các thí nghiệm của Mendel?
Gen - tế bào - hệ gen
ADN trong tế bào quấn quanh protein histon, tạo thành cấu trúc thể nhân (nucleosome) nằm trong nhiễm sắc thể Các thể nhân kết nối với nhau qua sợi ADN, hình thành sợi chromatin dài bên trong nhiễm sắc thể.
Các quá trình tổng hợp ADN (sao chép), tổng hợp ARN trên ADN (phiên mã) đều diễn ra trong nhân tế bào, nơi tập trung các nhiễm sắc thể
Như đã trình bày ở trên, dịch mã là quá trình tổng hợp protein trên sản phẩm phiên mã mARN
Axit nucleic được chứng minh là vật chất di truyền qua nhiều bằng chứng xác thực Một trong những ví dụ quan trọng là vào năm 1928, F Griffith đã phát hiện nòi S (khuẩn lạc nhẵn, có vỏ bọc tế bào) của vi khuẩn.
Diplococcus pneumoniae gây chết chuột khi tiêm vào, trong khi nòi R (khuẩn lạc nhăn, không có vỏ bọc) không gây hại Khi tiêm hỗn hợp vi khuẩn R sống với vi khuẩn S đã chết vào chuột, chuột chết và vi khuẩn S sống được phân lập từ máu của chúng Điều này cho thấy có tác nhân biến nạp từ vi khuẩn chết đã biến đổi vi khuẩn R thành vi khuẩn S, quá trình này được gọi là biến nạp Năm 1944, T Avery, C M Macleod và M McCarty đã chứng minh rằng tác nhân biến nạp trong thí nghiệm của Griffith là ADN.
Hình 15 Cấu trúc ADN-histon
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 47
Các công trình những năm 1960 - 1970 đã cho thấy, mỗi nhiễm sắc thể là một cấu trúc chỉ gồm một sợi ADN liên tục và rất dài
Toàn bộ gen có trong một tế bào nhân chuẩn đơn bội (giao tử) gọi là hệ gen
Những loài khác nhau có kích thước hệ gen khác nhau Sự khác biệt này không liên quan với tính đa dạng di truyền (bảng 4)
Hình 16 Vị trí của ADN trong tế bào Bảng 4 Kích thước hệ gen đã biết của một số sinh vật
Virut ϕX174 5.386 Giải trình tự xong năm 1977
Vi khuẩn C ruddii 160 Hệ gen vi khuẩn nhỏ nhất
Vi khuẩn E coli 4.600 Mô hình nhân sơ ưa thích
Amip A dubia 670.000.000 Hệ gen lớn nhất
Cây A thaliana 157.000 Giải trình tự xong năm 2000
Nấm men S cerevisiae 12.100 Mô hình nhân chuẩn đơn bào Giun tròn C elegans 98.000 Giải trình tự xong năm 1998
D melanogaster 130.000 Mô hình động vật nhân chuẩn
Cá T nigroviridis 385.000 Nhỏ nhất ở ngành có xương sống Người Homo sapiens 3.200.000 Quan trọng nhất
Cá P ethiopicus 130.000.000 Lớn nhất ở ngành có xương sống
1 Histon là gì? Nó đóng vai trò gì trong cấu trúc của nhiễm sắc thể trong mối liên hệ với ADN?
2 Những yếu tố gì chứng tỏ ADN tập trung trong nhân tế bào?
3 Nêu các khái niệm sao chép, phiên mã, dịch mã, hệ gen?
4 Các thí nghiệm nào đã chứng minh ADN là vật chất di truyền?
5 Mỗi nhiễm sắc thể ở người có bao nhiêu sợi ADN?
6 Kích thước hệ gen của các loài có tỉ lệ với tính đa dạng di truyền không?
Liên kết gen khi các gen nằm trên cùng một nhiễm sắc thể
Khi các gen nằm trên cùng một nhiễm sắc thể, chúng được gọi là nhóm liên kết và di truyền cùng nhau Để phát hiện các gen liên kết, phương pháp lai phân tích được sử dụng Ví dụ, trong phép lai AaBb x AaBb, tỉ lệ kiểu hình của thế hệ sau là 9AB : 3Ab : 3aB : 1ab Khi lai dị hợp tử kép AaBb với đồng hợp tử lặn aabb, tỉ lệ kiểu hình của thế hệ sau là 1AB : 1Ab : 1aB : 1ab Từ tỉ lệ kiểu hình của thế hệ con lai, ta có thể xác định liệu hai gen nghiên cứu có liên kết hay không Lai phân tích là một phương pháp hữu ích trong di truyền học.
Trong phép lai phân tích, nếu tỉ lệ phân ly không đạt 1 : 1 : 1 : 1, mà hai nhóm AB và ab có số lượng gần bằng nhau, trong khi hai nhóm Ab và aB có số lượng ít hơn nhiều, điều này cho thấy đã xảy ra trao đổi chéo giữa hai gen A và B Trao đổi chéo là sự kiện ngẫu nhiên dọc theo NST, và tần số trao đổi chéo tỉ lệ thuận với khoảng cách giữa hai gen Hai gen càng xa nhau thì tần số trao đổi chéo càng cao, do đó, tần số này có thể được sử dụng để xây dựng bản đồ di truyền.
T.H Morgan và cộng sự với thí nghiệm trên ruồi giấm đã tìm ra nhiều gen liên kết ở đối tượng này Chúng phân thành bốn nhóm liên kết, tức bốn nhiễm sắc thể Sau này, các nhà tế bào học làm tiêu bản NST trên ruồi giấm này và cũng nhìn thấy bốn chiếc trong bộ đơn bội
Liên kết giới tính xảy ra khi các gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính Ở người, các gen này phân bố trên ba phần khác nhau của nhiễm sắc thể giới tính nam và di truyền theo ba cách khác nhau.
Liên kết giới tính có hai trường hợp chính: liên kết giới tính toàn phần, xảy ra khi gen nằm trên nhiễm sắc thể X mà không có tương đồng trên nhiễm sắc thể Y, và liên kết giới tính từng phần, khi gen nằm trên nhiễm sắc thể X có tương đồng trên nhiễm sắc thể Y.
Các gen liên kết, bao gồm cả gen liên kết giới tính, di truyền theo quy luật giảm phân và nguyên phân Bản đồ di truyền là sơ đồ thể hiện các nhiễm sắc thể đơn bội và vị trí các gen trên mỗi nhiễm sắc thể Để xây dựng bản đồ di truyền, cần thực hiện phép lai hai tính nhằm xác định sự hiện diện của các gen trên cùng một nhiễm sắc thể hay trên các nhiễm sắc thể khác nhau Phân tích nhiều cặp gen sẽ giúp xác định số nhóm liên kết và số nhiễm sắc thể của sinh vật được nghiên cứu.
Hình 17 Nhiễm sắc thể (NST) giới tính a) NST giới tính ở nam giới; b) Di truyền liên kết giới tính toàn phần; c) Di truyền liên kết giới tính từng phần
Tần số trao đổi chéo trong các thí nghiệm lai phân tích giúp xác định khoảng cách tương đối giữa hai gen nghiên cứu, từ đó xác định vị trí của chúng Thực hiện thí nghiệm với nhiều gen sẽ cho phép xác định vị trí của nhiều gen khác nhau.
Do vậy, lập được bản đồ di truyền
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 51
1 Đóng góp lớn nhất của T.H Morgan và cộng sự cho sự phát triển di truyền học là gì?
2 Nêu bật sự khác biệt giữa các thí nghiệm của Morgan và Mendel, khiến hai ông đã có những khám phá khác nhau, nhưng đều rất quan trọng đối với sự phát triển của di truyền học
3 Vì sao có thể coi trao đổi chéo là phương pháp lập bản đồ di truyền? Cần đặt thí nghiệm như thế nào để xây dựng bản đồ này?
4 Phân biệt nhiễm sắc thể thường và nhiễm sắc thể giới tính?
5 Phân biệt liên kết gen, liên kết giới tính toàn phần và liên kết giới tính từng phần?
Đa bội thể khi số lượng nhiễm sắc thể khác 2n
Đa bội thể là hiện tượng sinh vật hoặc tế bào có nhiều hơn hai bộ nhiễm sắc thể đơn bội, với các mức bội thể từ đơn bội (n) đến tứ bội (4n) Trong đó, dạng đơn bội chỉ có một bản sao nhiễm sắc thể, thường chỉ có ở giao tử, trong khi dạng lưỡng bội (2n) phổ biến ở thực vật, động vật và cả vi sinh vật như nấm men Các dạng tam bội và tứ bội có 3 hoặc 4 bản sao nhiễm sắc thể trong mỗi tế bào, thường gặp ở thực vật bậc cao, đặc biệt là ở các cây trồng được thuần hóa hoặc chọn giống Những dạng đa bội này rất quý giá trong việc chọn giống thực vật.
Có ba dạng đa bội chính Dạng tự đa bội (autopolyploid) mang nhiều bộ NST của cùng một loài Dạng dị đa bội
Allopolyploid là dạng sinh vật có nhiều bộ nhiễm sắc thể (NST) từ các loài khác nhau Trong khi đó, dạng lệch bội (aneuploid hoặc heteroploid) có sự thay đổi về số lượng NST, với việc thêm hoặc bớt một hoặc một vài NST riêng lẻ, mà không làm mất đi toàn bộ bộ NST nguyên vẹn.
Khác với sinh vật lưỡng bội, các dạng đa bội có đặc điểm chung là kích thước sinh khối lớn hơn nhờ vào tốc độ phân chia tế bào nhanh hơn và khả năng chống chịu bệnh tốt hơn Chẳng hạn, khối lượng nghìn hạt của lúa mạch tứ bội cho thấy sự khác biệt này.
55 – 56 g trong khi chỉ tiêu đó của giống lưỡng bội là 29 g Củ cải tam
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 53 bội cho năng suất cao hơn dạng lưỡng bội 20% Các dạng tam bội được tạo ra bằng cách lai các dạng lưỡng bội với tứ bội Đặc điểm chung về mặt di truyền đối với các dạng đa bội là bất thụ Bất thụ là khả năng sinh sản hữu tính bị rối loạn và không sinh hạt Nguyên nhân bất thụ là do các nhiễm sắc thể không tạo thành được các cặp tương đồng trong giảm phân Do vậy giảm phân diễn ra không bình thường Hiện tượng này có thể khắc phục được bằng cách tạo ra dạng dị tứ bội
Dị tứ bội là dạng hữu thụ, tạo thành các cặp nhiễm sắc thể tương đồng trong quá trình giảm phân, điều này là cần thiết để giảm phân diễn ra bình thường Công trình nổi bật về dị tứ bội được thực hiện bởi G Karpechenko vào năm 1823, khi ông lai hai giống lưỡng bội củ cải và bắp cải với số nhiễm sắc thể tương ứng là 2nR (R Sativus) và 2nB (B Oleracea) Con lai có bộ nhiễm sắc thể 2n là 9R+9B Sau khi xử lý bằng một số tác nhân vật lý, bao gồm cả nhiệt độ lạnh, ông thu được một số giao tử không phân chia trong giảm phân 9R+9B Khi lai chúng với nhau, ông đã tạo ra dạng dị tứ bội hữu thụ 18R+18B, có khả năng tạo ra các cặp tương đồng trong giảm phân, từ đó minh chứng cho nguyên lý tạo ra dạng đa bội hữu thụ.
Sử dụng đa bội thể trong chọn giống là một phương pháp hiệu quả, đặc biệt phổ biến ở thực vật, với các loài hạt kín chiếm tới 50% Colchicin, một tác nhân đột biến, thường được sử dụng để tạo ra đa bội thể bằng cách gây rối loạn quá trình giảm phân, từ đó ngăn cản sự phân ly bình thường của các nhiễm sắc thể.
Đa bội thể có thể làm tăng hàm lượng các chất dinh dưỡng quý giá như vitamin A ở ngô và các chất dinh dưỡng trong vừng, đồng thời giảm hàm lượng các hợp chất có hại như hợp chất nitơ ở cây củ cải đa bội Nhiều dạng đa bội thể có giá trị kinh tế đã được phát triển, bao gồm củ cải đường, vừng, đay và cây cảnh.
Việc sử dụng các dạng dị đa bội cho phép kết hợp được biến dị tổ hợp với những ưu điểm của các dạng đa bội Công trình của
V.E Pisaev về dạng song nhị bội lúa mì (2n = 42) x lúa mạch (2n = 14) là một thí dụ Các cây song nhị bội (2n = 56) hữu thụ, phát triển tốt, cho hàm lượng protein cao và chống chịu bệnh tốt
1 Đa bội thể là gì?
2 Đặc điểm của đa bội thể là gì? Vì sao các cây đa bội thường bất thụ?
3 Tại sao các dạng dị tứ bội lại hữu thụ và là tiềm năng chọn giống hữu hiệu ở thực vật?
4 Giảm phân liên quan gì đến sự hình thành các dạng đa bội thể và tính bất thụ ở chúng?
Cõn bằng di truyền của quần thể khi tợ lệ cỏc nhúm cỏ thể khỏc nhau được duy trì ổn định qua các thế hệ
KHI Tẻ LỆ CÁC NHểM CÁ THỂ KHÁC NHAU ĐƯỢC DUY TRÌ ỔN ĐỊNH QUA CÁC THẾ HỆ
Quần thể là tập hợp các cá thể cùng loài với cơ chế thích ứng chung, tạo nên hệ thống di truyền đồng nhất và ổn định, có khả năng tham gia vào tiến hóa Có ba loại quần thể chính dựa trên cách sinh sản: quần thể sinh sản vô tính, quần thể tự phối và quần thể ngẫu phối Trong đó, quần thể ngẫu phối, với sự giao phối ngẫu nhiên, là hình thức di truyền tiêu biểu nhất, và bài viết này sẽ tập trung vào các vấn đề liên quan đến quần thể ngẫu phối.
Cân bằng di truyền trong quần thể ngẫu phối là kết quả của quá trình giảm phân, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của quần thể qua các thế hệ Sự ổn định này cũng ảnh hưởng đến các giống cây trồng và vật nuôi ngẫu phối, vì giống là hình thức tồn tại cụ thể của quần thể Để hiểu rõ hơn về cấu trúc di truyền của thế hệ sau trong một quần thể ngẫu phối đang phát triển, ta có thể xem xét tần số alen tại một thời điểm cụ thể, chẳng hạn như 0,8A và 0,2a, và sử dụng bảng Punnet để phân tích.
Bảng 5 Cân bằng di truyền trong quần thể
Tỉ lệ kiểu gen ở thế hệ sau được xác định là 0,64AA : 0,32Aa : 0,04aa, từ đó dẫn đến tần số alen trong quần thể là 0,8A và 0,2a Cụ thể, số cá thể 0,64AA khi giảm phân sẽ cung cấp 0,64A.
Số cá thể 0,32Aa sẽ tạo ra 0,16A và 0,16a, trong khi số cá thể 0,04aa sẽ cho 0,04a Tổng tần số alen trong quần thể là 0,8A và 0,2a Khi đưa tần số này vào bảng Punnet, ta có tỷ lệ kiểu gen ở thế hệ sau là 0,64AA : 0,32Aa : 0,04aa, giống như các thế hệ trước Như vậy, tỷ lệ này được duy trì qua các thế hệ, phản ánh trạng thái cân bằng di truyền của quần thể.
Trạng thái cân bằng di truyền của quần thể được G Hardy và W Weinberg công thức hóa vào năm 1908, trong đó họ sử dụng ký hiệu q và 1 - q để biểu thị các tần số alen trên bảng Punnet.
Bảng 6 Định luật Hardy-Weinberg qA (1 - q)a qA q 2 AA q(1 - q)Aa
Công thức Hardy-Weinberg, được phát triển bởi hai nhà khoa học, mô tả mối quan hệ giữa tần số kiểu gen và kiểu hình trong quần thể Công thức này có thể được biểu diễn dưới dạng nhị thức Newton: [qA + (1 - q)a]² Định luật Hardy-Weinberg có ứng dụng thực tiễn trong việc xác định sự phân bố các kiểu gen và tần số gen dựa trên tần số kiểu hình quan sát được Ví dụ, trong quần thể thú có sừng, tỷ lệ con có bộ lông khoang là 36% (0,36) và con lông đỏ là 64% (0,64), cho thấy màu lông đỏ là trội so với bộ lông khoang, được xác định bởi một cặp alen.
Áp dụng công thức Hardy-Weinberg, chúng ta có thể xác định tần số các kiểu gen và alen trong quần thể Cụ thể, tần số kiểu gen aa có thể được tính toán để hiểu rõ hơn về sự phân bố gen trong quần thể.
Tần số alen a được tính toán là 0,6, dẫn đến tần số alen trội A là 0,4 Tần số các kiểu gen trội đồng hợp tử chiếm 16% trong quần thể, tương ứng với q² = 0,16 Từ tần số các đồng hợp tử trội và lặn, ta xác định được tần số các cá thể dị hợp tử là 48%, tính theo công thức 2q(1 - q) Như vậy, từ tần số kiểu hình trong quần thể, ta có thể suy ra sự phân bố các kiểu gen tương ứng.
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 57
1 Nói chung quần thể là một khái niệm trừu tượng, đặc điểm gì của quần thể khiến khái niệm này trở nên cụ thể, dễ hiểu?
2 Kiểu gen của các cá thể trong quần thể có giống nhau không?
3 Hãy chứng minh công thức Hardy-Weinberg là hệ quả của giảm phân và nguyên phân
4 Vì sao có thể coi định luật Hardy-Weinberg là khái niệm nòng cốt về quần thể?
5 Nêu ví dụ về ứng dụng thực tiễn của định luật Hardy-Weinberg.
Di truyền ngoài nhiễm sắc thể khi các gen nằm ngoài nhân
DI TRUYỀN NGOÀI NHIỄM SẮC THỂ
KHI CÁC GEN NẰM NGOÀI NHÂN
Cho đến nay, chúng ta đã nghiên cứu sự di truyền của các tính trạng do gen trong nhân kiểm soát, và có thể dự đoán cách di truyền của chúng dựa vào cơ chế phân ly và tái tổ hợp của nhiễm sắc thể Tuy nhiên, còn tồn tại những tính trạng khác không tuân theo các quy luật di truyền này, mà chịu sự kiểm soát của các gen nằm ngoài nhân tế bào Ở sinh vật nhân sơ như vi khuẩn, các gen này nằm trong các cấu trúc như episom và plasmid Trong khi đó, ở sinh vật nhân chuẩn như con người, động vật và thực vật bậc cao, các gen này được tìm thấy trong các cơ quan tử của tế bào như ty thể và lạp thể.
Khi các gen nằm trong tế bào chất thay vì trong nhiễm sắc thể, sự di truyền của chúng không còn bị chi phối bởi quy luật nguyên phân và giảm phân Đây là hiện tượng di truyền theo dòng mẹ, có thể được phát hiện thông qua phép lai thuận-nghịch.
Di truyền theo dòng mẹ là hiện tượng mà các tính trạng do gen xác định chỉ được truyền từ mẹ sang con, không phải từ bố Điều này xảy ra do gen nằm trong tế bào chất của giao tử cái, trong khi giao tử đực hầu như không có tế bào chất, do đó không có môi trường cho gen tồn tại.
Di truyền màu sắc hoa của cây hoa loa kèn là một minh chứng điển hình cho di truyền qua tế bào chất Nghiên cứu phép lai giữa hai loại cây hoa xanh và vàng đã làm sáng tỏ kiểu di truyền này.
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 59
Trong nghiên cứu về di truyền, hai phép lai giữa cá thể cái có hoa xanh và cá thể đực hoa vàng, cùng với phép lai ngược lại, cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong kết quả Cụ thể, phép lai thuận cho ra hoa xanh, trong khi phép lai nghịch lại cho hoa vàng Điều này chứng tỏ rằng gen xác định màu hoa không nằm trong nhân tế bào mà nằm trong tế bào chất.
Tính trạng bất thụ đực ở ngô là một ví dụ điển hình về di truyền qua tế bào chất, được phát hiện ở nhiều loại thực vật như hành, củ cải, đay và lúa, nhưng nghiên cứu sâu nhất là ở ngô Tình trạng này đặc trưng bởi các bao phấn bị lép, dẫn đến thụ phấn không hiệu quả Khi thụ phấn cho cây bất thụ đực bằng hạt phấn từ cây khác, phần lớn cây thế hệ sau vẫn mang tính trạng bất thụ đực Qua nhiều thế hệ lai, tính trạng này không mất đi mà tiếp tục di truyền theo dòng mẹ Đặc biệt, ngay cả khi thay thế toàn bộ 10 cặp NST của ngô bất thụ đực bằng NST từ cây có hạt phấn hữu thụ, tính trạng bất thụ đực vẫn tồn tại, chứng minh rằng di truyền này xảy ra qua tế bào chất.
Hiện nay, tính trạng bất thụ đực bào chất được áp dụng hiệu quả trong sản xuất ngô lai và lúa lai trên diện tích lớn Nhờ hiểu biết về cơ chế di truyền của tính trạng này, các giống ngô và lúa bị bất thụ đực bào chất đã được đưa vào canh tác, đảm bảo rằng hạt phấn của chúng không được sử dụng để lai Trong khi đó, giao tử cái của chúng vẫn có khả năng thụ phấn với hạt phấn hữu thụ từ cây không bị bất thụ Cần lưu ý rằng, trong sản xuất đại trà cây lai, việc lai giống không thể thực hiện bằng tay do quy mô công việc quá lớn.
Sử dụng tính trạng bất thụ đực bào chất như trên là cách tốt nhất để giải quyết việc lai đại trà
1 Vì sao có thể coi bài này là một phản diện đối với tất cả các bài còn lại của phần Di truyền nhiễm sắc thể?
2 Khi các gen không nằm trên nhiễm sắc thể thì sự di truyền của chúng có còn chịu tác động của các quy luật nguyên phân và giảm phân?
3 Nêu ví dụ về sự di truyền ngoài nhân?
4 Ý nghĩa thực tiễn của tính trạng bất thụ đực bào chất trong sản xuất đại trà ngô lai và lúa lai?
Các sinh vật khác nhau có nhiều gen chung
Nghiên cứu chỉ ra rằng các sinh vật khác nhau chia sẻ nhiều gen chung, chủ yếu là những gen liên quan đến chức năng chuyển hóa, được thừa hưởng từ tổ tiên Những đặc điểm chung của các gen này bao gồm: thông tin di truyền được lưu trữ trong ADN hoặc ARN, mã di truyền tương đồng, và sự tồn tại của tổ tiên chung.
Trong quá trình tiến hóa, ở mỗi loài có phát sinh những gen riêng, nhưng số lượng không nhiều
Bảng 7 cho thấy rằng nhiều sinh vật bậc thấp sở hữu bộ gen lớn hơn nhiều lần so với con người, tuy nhiên, các chức năng sinh học của chúng lại không phong phú hơn.
Hình 20 Các sinh vật khác nhau bắt nguồn từ một tổ tiên chung
Bảng 7 Các sinh vật khác nhau có nhiều gen chung
Gen chung của các sinh vật với con người % gen chung
Khỉ Chimpanzee , 30.000 gen Hầu hết các gen như ở người Nhưng không biết nói, có thể do gen FOXP2 bị mất vài đoạn
Nhờ chuột người ta xác định được các gen hệ xương, gen béo phì và gen Parkinson
Cá vằn Danio rerio , 30.000 gen Cá vằn được dùng để nghiên cứu các gen bệnh về máu và tim
Ruồi giấm Drosophila melanogaster , 13.600 gen 36%
Cây Arabidopsis thaliana , 25.000 gen Được dùng để nghiên cứu các cây có hoa và bệnh copper ở gan người
Nấm men Saccharomyces cerevisiae , 6.275 gen Dùng làm nở bột mì, làm bia, rượu và nghiên cứu sự chuyển hóa đường, phân bào và ung thư
19.000 gen Được dùng để nghiên cứu tuổi thọ, các bệnh Alzheimer, ung thư và bệnh thận
Vi khuẩn Escherichia coli , 4.800 gen, sống trong hệ tiêu hóa của người Được nghiên cứu để tìm hiểu về phiên mã và dịch mã
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 63
1 Vì sao những sinh vật rất khác nhau lại có nhiều gen chung đến như vậy?
2 Vì sao những sinh vật rất khác nhau lại ít gen khác nhau đến như vậy?
3 Nêu ứng dụng thực tiễn của các sinh vật có gen chung với con người, cho thí dụ?
4 Kích thước hệ gen có tỉ lệ với tính đa dạng di truyền ở những sinh vật khác nhau không?
5 Việc những sinh vật khác nhau có nhiều gen chung có thể có những ứng dụng thực tiễn nào?
Kiểu gen + môi trường = kiểu hình
Các nghiên lý thuyết và kinh nghiệm ứng dụng di truyền học cho thấy rằng kiểu hình và tính trạng là kết quả của sự tương tác giữa gen và môi trường Môi trường có thể tác động mạnh mẽ, như trong trường hợp các tác nhân đột biến làm thay đổi thành phần hóa học của gen Ngoài ra, các yếu tố môi trường cũng có thể ảnh hưởng nhẹ hơn đến biểu hiện tính trạng thông qua các giai đoạn như phiên mã và dịch mã, hoặc gây ra những biến đổi hóa học nhẹ hơn thông qua các cơ chế ngoại di truyền.
Mức độ tác động của môi trường đến các tính trạng khác nhau là không đồng đều Theo hình 21, tính trạng "Tai nạn giao thông" chịu ảnh hưởng mạnh mẽ nhất từ môi trường, trong khi bệnh thiếu máu và bệnh sơ nang CF có mức độ tác động thấp nhất Các bệnh như ung thư vú, ung thư trực tràng, Alzheimer, đột quỵ, tiểu đường và bệnh tim mạch nằm ở mức độ ảnh hưởng trung gian.
Hình 21 Tương tác gen - môi trường
Phần II Di truyền nhiễm sắc thể 65
Tóm lại về mối tương tác gen – môi trường có thể khái quát thành công thức:
Kiểu gen + Môi trường = Kiểu hình
Gen quy định tính trạng và sự biểu hiện của chúng phụ thuộc vào các điều kiện môi trường nhất định Môi trường ở đây bao gồm nội môi, tức là môi trường bên trong cơ thể, và ngoại môi, tức là môi trường bên ngoài xung quanh cơ thể.
Kết quả tương tác giữa gen và môi trường có thể rất đa dạng, như trường hợp giống thỏ Hymalaya Thỏ sống ở vùng núi Hymalaya có màu lông trắng, trong khi các bộ phận như mũi, tai, đuôi và tứ chi lại có màu đen do sinh trưởng ở nhiệt độ lạnh hơn Khi thí nghiệm nuôi thỏ con ở nhiệt độ lạnh, toàn thân thỏ phát triển với màu đen, ngược lại, nếu nuôi ở nhiệt độ ấm, thỏ sẽ có màu trắng.
Cây Anh thảo bình thường có hoa màu đỏ khi ở nhiệt độ 25 độ C Tuy nhiên, nếu chuyển nụ hoa sang môi trường ấm 35 độ C ngay khi mới sinh nụ, hoa sẽ nở ra màu trắng.
Như vậy, ở một mức độ nhất định, với những tính trạng nhất định, chúng ta có thể thay đổi điều kiện môi trường để hạn chế kiểu hình
“xấu” và thúc đẩy kiểu hình “tốt”
1 Nêu công thức tương tác cơ bản giữa kiểu gen và môi trường?
2 Nội môi và ngoại môi là gì?
3 Vai trò của gen và môi trường đối với sự biểu hiện của tính trạng?
