Giáo trình Di Truyền học (Phần 2)

i tính là 1♂ : 1♀. Tỉ lệ này trùng với tỉ lệ phân li đơn tính khi lai phân tích Aa × aa hoặc Aa × AA. Như vậy giới tính có sự phân ly như một dấu hiệu Mendel. Sự phân li này cho thấy một giới tính đồng hợp tử, còn giới tính kia di hợp tử. Việc phát hiện ra các nhiễm sắc thể giới tính X và Y cho thấy bộ nhiễm sắc thể của cá thể đực và cái chỉ khác nhau ở một cặp nhiễm sắc thể giới tính, còn các nhiễm sắc thể thường đều giống nhau. Ví dụ bộ nhiễm sắc thể nhiễm sắc thể của ruồi giấm có 8 nhiễm sắc thể : ruồi cái: 6A + XX và ruồi đực: 6A + XY Sự kết hợp giữa đực và cái dẫn đến tỉ lệ phân chia 1 cái : 1 đực. Tuy nhiên tỉ lệ này còn phụ thuộc vào lứa tuổi. Thực tế ở người, trong mỗi gia đình tỉ lệ có dao động, tỉ lệ trên đúng khi thống kê với số lượng lớn. 2. Các gen liên kết với giới tính Các gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính sẽ có sự di truyền khác hơn so với các gen nằm trên nhiễm sắc thể thường. Thực tế cho thấy nhiễm sắc thể Y hầu như không chứa gen. 96 2.1. Lai thuận nghịch: - Lấy ruồi cái mắt đỏ lai với ruồi đực mắt trắng: P: cái mắt đỏ × đực mắt trắng XWXW XwY G: XW Xw , Y F1: XWXw XWY G: XW , Xw XW , Y F2: XW XW : XW X w : XW Y : Xw Y Kiểu hình: 3 đỏ : 1 trắng (đực) Tỷ lệ phân li trong trường hợp này không khác lắm so với quy luật Mendel - Lấy ruồi cái mắt trắng lai với ruồi đực mắt đỏ: P: cái mắt trắng × đực mắt đỏ XwXw XWY G: Xw XW , Y F1: XWXw XwY G: XW , Xw Xw , Y F2: XW Xw : Xw X w : XW Y : Xw Y 1♀ mđỏ : 1♀ mtrắng : 1♂ mđỏ : 1♂ mtrắng Ở thế hệ thứ nhất có sự di truyền chéo, tỉ lệ phân li ở F2 là 1: 1: 1: 1 Như vậy đối với các gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính chọn đực hay cái mang dấu hiệu nào để lai là có ý nghĩa 97 Hình 6.1 Lai thuận nghịch ruồi dấm mắt đỏ với ruồi mắt trắng 3. Các tính trạng liên kết với giới tính trong di truyền học người - Các gen liên kết với nhiễm sắc thể giới tính X Một số bệnh di truyền ở người như bệnh máu không đông hay mù màu đỏ đều là các tính trạng do các gen liên kết với nhiễm sắc thể giới tính. Sự di truyền chéo thể hiện rõ: ông ngoại bị bệnh truyền gen mầm bệnh cho mẹ, mẹ truyền bệnh cho con trai. Cho đến nay có ít nhất 50 bệnh và 200 dấu hiệu di truyền gắn với nhiễm sắc thể X của người đã được biết. 98 - Các nhiễm sắc thể X và Y có những phần tương đồng chung. Trong những phần này chứa các gen xác định những tính trạng di truyền theo cách như nhau ở cả nam và nữ, như: + Bệnh da khô sắc tố: Bệnh nhân siêu nhạy cảm với tia cực tím, dưới ảnh hưởng của các tia này trên phần hở của cơ thể xuất hiện những vết sắc tố thoạt đầu ở dạng tàn nhang, về sau ở các dạng u nhú lớn hơn (nốt ruồi) và cuối cùng là các u. Đối với 2/3 số người mắc bệnh thì bệnh da khô sắc tố kết thúc nguy hiểm vào lúc bước vào thời kỳ chín sinh dục. + Hội chứng Oguti: một bệnh hay gặp ở Nhật, biểu hiện ở viêm màng lưới sắc tố mắt và phát triển dị hình ở võng mạc. * Phần không tương đồng của nhiễm sắc thể Y có gen xác định nam tính và một số hội chứng: + Màng giữa ngón Hình 6.2 Tật màng giữa ngón + Tai rậm lông Hình 6.3 Tính trạng mọc lông ở vành tai đàn ông 99 * Phần không tương đồng của X có các hội chứng: + Bệnh máu khó đông (hemophilia): bệnh có thể được phát triển do kết quả không đủ chất globulin chống chảy máu. Bệnh máu khó đông đã được mô tả trong phả hệ các gia đình hoàng tộc châu Âu là một trường hợp điển hình, bắt đầu từ nữ hoàng Victoria, sau này gặp ở các hoàng tử Tây Ban Nha, Đức, Nga. + Bệnh không có gamma-globulin làm giảm sút rõ rệt sức đề kháng đối với các bệnh truyền nhiễm khác nhau. + Bệnh đái tháo nhạt: người bệnh bị giảm chức năng của tuyến yên, dẫn đến cơ thể bị mất nước rõ rệt. Trẻ em mắc bệnh này sinh trưởng chậm, rối loạn tâm thần, suy nhược cơ thể đôi khi chết. + Bệnh mù màu: rối loạn về khả năng nhìn màu sắc. Hiện tượng rối loạn thị giác này dựa trên cơ sở tác động của nhiều gen. Hiện tượng mù về màu đỏ xanh gọi là chứng mù màu đỏ. + Bệnh loạn dưỡng cơ Duchenne: bệnh do gen lặn liên kết với nhiễm sắc thể giới tính X. Bệnh xuất hiện từ lúc còn ít tuổi, dần dần dẫn đến tần phế và chết ở tuổi dưới 20. Do đó đàn ông bị loạn dưỡng cơ Duchenne không có con, còn phụ nữ dị hợp về gen này lại hoàn toàn bình thường * Các bệnh di truyền do gen trội liên kết với nhiễm sắc thể X có số lượng ít hơn và có ý nghĩa về mặt lâm sàng không bằng trường hợp di truyền gen lặn trên nhiễm sắc thể X, ngoại trừ trường hợp hội chứng nhiễm sắc thể X dễ gãy. Một số bệnh di truyền do gen trội liên kết với nhiễm sắc thể X: + Bệnh còi xương do giảm phosphat máu là bệnh mà thận bị suy giảm khả năng tái hấp thu phosphat, dẫn đến việc cốt hóa bất thường làm xương bị cong và bị biến dạng. Đây là bệnh di truyền gen trội liên kết nhiễm sắc thể X nên người nữ có khả năng mắc bệnh cao hơn người nam. + Hội chứng nhiễm sắc thể X dễ gãy: là hội chứng di truyền kiểu trội liên kết nhiễm sắc thể X, thể hiện sự chậm trí của người bệnh. Hội chứng được gặp với tỷ lệ 1/4.000 ở nam và 1/8.000 ở nữ. Ở người nữ, mức độ chậm trí có xu hướng nhẹ hơn và thay đổi mức độ biểu hiện nhiều hơn ở người nam. 100 4. Gen nam giới và gen nữ giới ở người 4.1. Gen xác định nam giới Gen nam tính SRY (Sex determining region Y) được phát hiện vào năm 1990 trong một số trường hợp ngoại lệ không tuân theo nguyên tắc XX là nữ và XY là nam. Đã tìm thấy người nam bình thường có XX (nhưng bất thụ) có SRY trên một trong 2 nhiễm sắc thể X và người nữ bình thường mang XY nhưng mất SRY trên nhiễm sắc thể Y. Hình 6.4 Sự phân hóa di truyền các đoạn của X và Y Gen SRY còn gọi là nhân tố xác định tinh hoàn TDF (Testis determining factor) nằm trên một đoạn của vai ngắn của nhiễm sắc thể Y ở người. Có giả thuyết cho rằng gen này sản sinh ra protein gắn ADN hoạt hóa một hay nhiều gen khác trong hệ thống các nhân tố hoạt hóa các gen điều khiển sự phát triển của tinh hoàn. Khi thiếu sự hiện diện của TDF mô sinh dục sẽ phát triển thành noãn hoàng. TDF có tính bảo tồn các ở động vật có vú, chúng có nhiều điểm giống nhau giữa các loài. 4.2. Gen xác định nữ giới Gen xác định nữ giới DSS (Dosage sensitive sex reversal) được phát hiện vào năm 1994 do G. Carmerino (Ý). Ở những người nam (XY) nhưng có cơ quan sinh dục nữ có gen SRY trên nhiễm sắc thể Y, đặc trưng bởi sự lặp lại 1 đoạn vai ngắn nhiễm sắc thể X. Sự bất thường này rất hiếm 101 (khoảng 1/20.000 người). Sự cố nhiễm sắc thể này không liên quan đến giảm phân. Những người mang gen này bất thụ. Trong số 8 người bệnh nghiên cứu, 3 người có Y bình thường và một có X với vai ngắn gấp đôi, còn 5 người có một X nguyên trạng và một Y có vai ngắn của X ghép thêm vào. Trong 2 trường hợp có sự hiện diện của 2 đoạn vai ngắn của X. Các nghiên cứu tiếp cho thấy đoạn vai ngắn của X gắn vào càng dài, giới tính càng lệch về tạo phái nữ. Gen DSS đã được tách ra. 5. Nhiễm sắc thể X bất hoạt ở người Trong phôi người, một nhiễm sắc thể X bắt nguồn từ mẹ hay cha trong mỗi tế bào soma sẽ bất hoạt ngẫu nhiên. Tất cả thế hệ tế bào con đều được truyền nhiễm sắc thể X bất hoạt. Thường thì nhiễm sắc thể X có cấu trúc không bình thường bất hoạt, trừ một số ngoại lệ liên quan đến các đột biến liên kết giới tính. Khi nhuộm màu nhân tế bào của người nữ, nhiễm sắc thể X bất hoạt thể hiện ở dạng tròn, được gọi là thể Barr. Trung tâm bất hoạt nằm ở vai dài q, gần tâm động. 6.Ví dụ ứng dụng sự di truyền các gen liên kết với giới tính - Ở gà: B: lông vằn, b: lông trắng, nằm trên X. P: ♀ lông vằn × ♂ lông trắng ZBY × ZbZb G: ZB, Y Zb F1: ZBZb : ZbY ♂ lông vằn : ♀ lông trắng Ứng dụng vào nông nghiệp, giúp phân đàn ngay khi lúc gà mới nở: muốn nuôi lấy trứng, chọn gà mái; muốn phát triển sản lượng, nuôi gà trống 102 Hình 6.5 Ứng dụng của di truyền liên kết với nhiễm sắc thể giới tính trong phân đan gà - Ở tằm: L: màu sẫm, l: màu sáng P: cái ZLW x đực ZlZl ♀ màu sẫm ♂ màu sáng F1 ZLZl : ZlW ♂ màu sẫm ♀ màu sáng Hình 6.6 Ứng dụng di truyền liên kết với nhiễm sắc thể giới tính trong phân loại trứng tằm Tằm đực cho nhiều tơ hơn tằm cái: 20-30%. Dựa vào tính chất liên kết với giới tính người ta có thể phân biệt được 2 loại tằm đực và cái ngay 103 từ giai đoạn trứng dựa vào màu sắc trứng: trứng màu sáng phát triển thành tằm cái, trứng màu sẫm phát triển thành tằm đực. Ý nghĩa: Dựa vào các dấu hiệu có thể phân biệt giới tính động vật ngay từ khi sinh vật còn bé. Trong công tác chọn giống gia súc thì vấn đề phân biệt giới tính ngay từ đầu có thể phân vùng hợp lý cho việc chăn nuôi. Một số thực vật có hiện tượng di truyền liên kết với giới tính : chà là. 6. Hiện tượng không chia ly của nhiễm sắc thể Ở thí nghiệm: ruồi cái mắt trắng x đực mắt đỏ F1 thu được cái mắt đỏ , đực mắt trắng Calvin Bridges đã phát hiện trường hợp ngoại lệ trong kết quả lai giữa ruồi cái mắt trắng với ruồi đực mắt đỏ: trong 2000 ruồi F1 thì xuất hiện 1 con cái mắt trắng và 1 con đực mắt đỏ. Quan sát tế bào học cho thấy ruồi cái có cặp nhiễm sắc thể XX đi cùng nhau do không chia ly (non- disjunction) trong giảm phân nên ruồi cái có kiểu gen XwXwY biểu hiện mắt trắng, ruồi đực XWO có mắt đỏ. P : XwXw × XWY Mắt trắng Mắt đỏ G : XwXw, O XW, Y F1 : XWXwXw : XwXwY : XWO : OY Siêu cái mắt đỏ : cái mắt trắng : đực đỏ : chết (thường chết) Từ kết quả này của Bridges cho thấy sự xác định giới tính ở ruồi giấm không do nhiễm sắc thể Y mà do tỉ số X/A quyết định Nếu X /A = 0,5 trở xuống : ruồi đực. X/A = 1,0 trở lên : ruồi cái X/A = 0,5 - 1,0 : giới tính trung gian 104 Hinh 6.7 Sư hinh thanh thê hê sau do sư không phân ly cua căp nhiêm săc thê giơi tinh Hinh 6.8 Sư không phân ly cua nhiêm săc thê (a) Sư không phân ly nhiêm săc thê ơ con cai XX (b) Sư không phân ly nhiêm săc thê ơ con cai XXY Giới tính của ruồi giấm Cấu trúc nhiễm sắc thể Tỷ lệ X/A 105 Siêu cái Ruồi cái bình thường + Tứ bội + Tam bội + Lưỡng bội + Đơn bội Giới tính trung gian Đực bình thường Siêu đực AAXXX AAAAXXXX AAAXXX AAXX AX AAAXX AAXY AAAXY 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 0,67 0,5 0,33 7. Xác định giới tính do số bội thể Ở côn trùng bộ Hymenoptera (ong , kiến): đực (n), cái (2n), ong thợ (2n) Ong đực được phát triển trinh sinh từ trứng không được thụ tinh có bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n). Trong kiểu xác định giới tính này không có nhiễm sắc thể giới tính. Còn giới tính cái thì xác định do những alen giới tính khác nhau phối hợp, ong thợ và ong chúa đều là ong cái. Sự khác nhau giữa ong thợ và ong chúa là do ngay từ những ngày đầu mới nở, thức ăn của ong thợ bị thiếu một số vitamin nên bất thụ. Ong thợ làm nhiệm vụ bảo vệ tổ. Ong đực được phát triển từ trứng không thụ tinh nên tế bào sinh dục là đơn bội, cơ thể phục hồi lại nhiễm sắc thể lưỡng bội nên có kích thước và sức sống bình thường. 8. Xác định giới tính do điều kiện môi trường Ở một số loài, sự xác định giới tính do điều kiện môi trường quyết định. Ở loài biển Bonellia viridis, các ấu trùng xuất hiện sau khi được thụ tinh sống tự do một thời gian rồi hoặc bám xuống đáy thành con cái hoặc bám vào con cái rồi chiu vào tử cung thành con đực và thụ tinh. Cả đực và cái đều có kiểu gen như nhau. 106 Ở cây Arisaema japonica, yếu tố quyết định giới tính là trọng lượng củ: những củ to nhất và chứa nhiều chất dinh dưỡng nhất sinh ra cây có hoa cái, trong khi đó các củ gầy chỉ cho cây có hoa đực. II. Sự di truyền liên kết Ở trong cơ thể sinh vật, số lượng gen rất nhiều nhưng số lượng nhiễm sắc thể lại ít nên nhiều gen cùng nằm trên nhiễm sắc thể. Khi 2 hay nhiều gen nằm trên một nhiễm sắc thể, chúng sẽ cùng di truyền với nhau gọi là sự di truyền liên kết. Các gen liên kết có xu hướng cùng di chuyển với nhau trong quá trình hình thành giao tử. 1. Hiện tượng liên kết Bateson và Punnet năm 1906 đã phát hiện ra hiện tượng liên kết khi thực hiện phép lai ở Đậu thơm (Lathyrus odoratus) với hai tính trạng: R : hoa đỏ thẩm r : hoa đỏ Ro: hạt phấn dài ro: hạt phấn tròn P : hoa đỏ thẩm hạt phấn dài × hoa đỏ hạt phấn tròn F1 : 100% hoa đỏ thẩm hạt phấn dài. F2 : 192 hoa đỏ thẩm hạt phấn dài; 182 đỏ, hạt phấn tròn; 23 đỏ thẩm, hạt phấn tròn; 30 đỏ, hạt phấn dài Hinh 6.9 Kiêu hinh ruôi hoang dai va ruôi đôt biên 107 2. Liên kết hoàn toàn B : thân xám b : thân đen Vg : Cánh dài vg : cánh cụt Thí nghiệm : P : ruồi giấm mình xám cánh dài × ruồi giấm thân đen cánh cụt BVg × bvg BVg bvg G : BVg bvg F1 : BVg bvg (100% xám dài) Lai phân tích ruồi đực F1 : BVg × bvg bvg bvg đực xám dài cái đen cụt G : BVg bvg bvg FB : BVg bvg bvg bvg 50% xám dài : 50 % đen cụt Tỷ lệ phân li 1:1 giống với lai một tính, hai gen b và vg đi cùng nhau như 1 gen. Một hiện tượng cho đến nay chưa rõ cơ chế là ở ruồi giấm đực không xảy ra tái tổ hợp di truyền, nên có sự liên kết hoàn toàn của các gen trên một nhiễm sắc thể. 3. Hiện tượng di truyền liên kết không hoàn toàn Dùng ruồi giấm cái F1 của thí nghiệm trên lai phân tích: F1 : Thân xám, cánh dài × thân đen, cánh cụt BVg × bvg bvg bvg G : BVg bvg bVg Bvg bvg 41,5% 41,5% 8,5% 8,5% 100% 108 FB : BVg bvg Bvg bVg bvg bvg bvg bvg 41,5% xám dài : 4,5% đen cụt : 8,5% xám cụt : 8,5% đen cụt. Kết luận: đã có hiện tượng hoán vị gen giữa gen quy định thân xám cánh dài với gen quy định thân đen cánh cụt trong quá trình phân bào 4. Các nhóm liên kết (Gene linkage) Các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể, cùng di truyền với nhau được xếp vào một nhóm gọi là nhóm liên kết gen. Số nhóm liên kết gen tối đa bằng số cặp nhiễm sắc thể. Ví dụ: Ruồi giấm 2n = 8, số nhóm liên kết gen tối đa = 4 Bắp : 2n =20, có 10 nhóm liên kết gen III. Hiện tượng tái tổ hợp 1. Tái tổ hợp và trao đổi chéo Khi các gen liên kết không hoàn toàn, xuất hiện các dạng giao tử mới không giống cha mẹ do có sự sắp xếp lai các gen. Hiện tượng này gọi là tái tổ hợp (recombination) và các dạng mới xuất hiện gọi là dạng tái tổ hợp (recombinant). Để đánh giá mức độ liên kết, dùng khái niệm tần số tái tổ hợp. % tái tổ hợp = Số cá thể tái tổ hợp / tổng số cá thể × 100% Nhiều thí nghiệm cho thấy tần số tái tổ hợp giữa 2 gen là một số tương đối ổn định từ lần lai này qua lần lai khác, không phụ thuộc vào cách sắp xếp. Hai alen trội cùng một phía trên nhiễm sắc thể gọi là vị trí cis(AB/ab), 2 alen trội nằm trên 2 nhiễm sắc thể gọi là vị trí trans (Ab/aB). Hiện tượng tái tổ hợp có được nhờ quá trình trao đổi chéo (crossing over). Trong đó 2 nhiễm sắc thể tương đồng hoán vị nhau hay đổi chéo nhau ở những điểm nhất định. Nhiễm sắc thể tương đồng tiếp hợp nhau và trao đổi chéo xảy ra giữa các chromatid không chị em. Các giao tử từ các chromatid không có trao đổi chéo (kiểu cha mẹ) được gọi là giao tử kiểu cha mẹ. Các giao tử từ 2 chromatid khác có xảy ra trao đổi chéo gọi là giao tử tái tổ hợp. 109 Hình 6.10 Trao đổi chéo giữa các chromatid Hình 6.11 Sự tạo thành các dạng tái tổ hợp 110 2. Cở sở tế bào học của trao đổi chéo Năm 1931, các thí nghiệm chứng minh cơ sở tế bào học của tái tổ hợp di truyền do Stern tiến hành ở Drosophila melanogaster và do Creighton và Mc Clintok tiến hành ở ngô. Cả 2 thí nghiệm đều dùng "dấu chuẩn" về hình dạng trên một trên hai nhiễm sắc thể tương đồng có thể nhìn thấy được khi quan sát tế bào học. Hai nhiễm sắc thể tương đồng được phân biệt với nhau về hình thái này, mang các alen tương ứng khác nhau về mặt di truyền của một số cặp gen. Tái tổ hợp di truyền sẽ tạo ra các kiểu hình độc đáo kèm theo các thay đổi tế bào học dễ quan sát và dự đoán được. Thí nghiệm lai ở ngô với các gen có biểu hiện rõ ràng nằm trên cặp nhiễm sắc thể số 9 có dấu đặc biệt nhiễm sắc thể có 1 đầu có gù lớn và phần sau dài ra, nhiễm sắc thể kia ngắn hơn không có gù. Các gen được sử dụng: C+ : có màu , c: không màu W+ : bắp tẻ (tinh bột), w: bắp nếp (hồ bột) Cho lai bắp có màu, tẻ với bắp không màu , nếp. Kết quả thu được 4 dạng: có màu, nếp; không màu, tẻ; có màu, tẻ; không màu, nếp. Hinh 6.12 Trao đôi cheo ơ nhiêm săc thê sô 9 cua băp đươc quan sat dưa trên "dâu chuân" 111 Dựa vào kết quả lai, đối chiếu với các quan sát nhiễm sắc thể về mặt hình thái: thu được dạng nhiễm sắc thể có gù nhưng ngắn, còn dạng kia không gù, dài và 2 dạng giống bố mẹ: có gù, dài và không gù, ngắn. Chứng tỏ đã có xảy ra trao đổi chéo của các đoạn nhiễm sắc thể. Stern đã dùng nhiễm sắc thể X ở một đầu mút có dính một đoạn nhiễm sắc thể Y. Các nhiễm sắc thể khác có độ dài tương tự, với tâm động. Hai cặp gen được dùng là carnation (car: lặn, mắt đỏ nhạt) - hoang dại (+, trội, mắt đỏ) và Bar (B: trội, mắt hình thỏi) và hoang dại (+, mắt bình thường). Ruồi cái mẹ dị hợp tử ở cả 2 gen, có kiểu hình mắt đỏ dạng thỏi (car+B) với ruồi đực mắt đỏ nhạt, dạng thường (car +). Thế hệ con nhận được cả 4 loại kiểu hình tương ứng với các dấu hiệu hình thái trên nhiễm sắc thể: ngoài 2 kiểu có ở cha mẹ còn có 2 kiểu hình tái tổ hợp là mắt đỏ nhạt, hình thỏi (car B) và mắt đỏ, dạng thường (car++). Hình 6.9 Sự trao đổi các đoạn nhiễm sắc thể tạo các dạng tái tổ hợp Hinh 6.13 Trao đôi cheo ơ ruôi dâm đươc quan sat dưa trên "dâu chuân" 3. Trao đổi chéo ở trong giai đoạn 4 sợi 112 Hình 6.14 Sơ đồ trao đổi chéo đơn và trao đổi chéo kép 113 Trao đổi chéo ở giai đoạn 4 cromatid, tức trao đổi chéo xảy ra sau khi nhiễm sắc thể đã tự nhân đôi (còn gọi là giai đoạn 4 sợi). Về nguyên tắc có thể cho rằng trao đổi chéo có thể xảy ra cả khi nhiễm sắc thể chưa tự nhân đôi (giai đoạn 2 sợi) Phân tích bộ bốn có thể giải quyết vấn đề này. Phân tích bộ bốn là phép phân tích di truyền học nghiên cứu bốn sản phẩm trực tiếp của giảm phân khi tế bào lưỡng bội dị hợp về một gen hay nhiều gen liên kết phân chia giảm phân. Năm 1925, C. Bridge và I. Anderson đã chứng minh trao đổi chéo các cromatid ở ruồi giấm. Tác giả sử dụng dòng ruồi có nhiễm sắc thể X mang thêm đoạn nhiễm sắc thể Y (X,XY) dị hợp về các gen của nhiễm sắc thể X: f (forked) - lông phân nhánh, g (garnet) - mắt đỏ rực. Khi cho lai con cái này với con đực bình thường thì chúng truyền trực tiếp 2 nhiễm sắc thể X cho thế hệ sau và chỉ một nửa thế hệ con của chúng sống sót. Khi ấy một phần cá thể con ở đời sau từ phép lai này là đồng hợp theo các gen của nhiễm sắc thể X. Các thể đồng hợp này chỉ có thể xuất hiện do trao đổi chéo ở giai đoạn 4 sợi trong đoạn gen - tâm động. 4. Trao đổi chéo nhiều lần Trao đổi chéo giữa 2 chromatid có thể xảy ra nhiều lần: 2, 3, 4 lần ... Nếu 2 trao đổi chéo xảy ra trên cùng 2 chromatid ở đoạn giữa 2 gen đánh dấu thì sản phẩm cuối cùng đều có kiểu cha mẹ, nên không phát hiện được. Kiểu trao đổi chéo này chỉ có thể phát hiện được khi sử dụng thêm một gen đánh dấu thứ ba nằm giữa 2 gen này. Nếu xác suất trao đổi chéo giữa A và C và giữa B và C tương ứng với x và y, thì xác suất xảy ra trao đổi chéo đôi là: 0,2 × 0,1 = 0,02 (2%) 5. Nhiễu (Interference) và trùng hợp (Coincidence) Thường thì sự trao đổi chéo ở một chỗ làm giảm xác suất trao đổi chéo thứ hai gần kề nó. Đó là hiện tượng nhiễu. Để đánh giá kết quả người ta dùng hệ số trùng hợp. 114 % trao đổi chéo đôi quan sát được Hệ số trùng hợp = % trao đổi chéo đôi theo lý thuyết Sự trùng hợp + nhiều = 100% = 1 Ví dụ: Biết khoảng cách A-B = 10 đơn vị (10%) và B-C = 20 đơn vị (20%), nếu không có nhiễu thì tần số trao đổi chéo đôi theo lý thuyết là 0,1 × 0,2 = 0,02 hay 2%. Giả sử quan sát được tần số trao đổi chéo đôi là 1,6%. Sự trùng hợp = 1,6/2,0 = 0,8. Điều này cho thấy trao đổi chéo đôi chỉ xảy ra có 80% và sự nhiễu 1,0 - 0,8 = 0,2 (hay 20%) IV. Xác định vị trí gen và bản đồ di truyền 1.Xác định vi trí gen Morgan cho rằng những gen đứng gần nhau thì liên kết chặt, còn các gen đứng xa nhau thì liên kết yếu. Những gen đứng gần nhau liên kết chặt nên ít xảy ra trao đổi chéo, tần số tái tổ hợp nhỏ, còn các gen đứng xa nhau thì mức liên kết yếu nên tần số tái tổ hợp lớn hơn. Nếu cho rằng các phần của nhiễm sắc thể có khả năng trao đổi chéo như nhau thì tần số tái tổ hợp phản ánh khoảng cách tương đối giữa các gen và tỷ lệ nghịch với mức liên kết gen. Số phần trăm tái tổ hợp được dùng làm số đo khoảng cách giữa 2 gen trên bản đồ di truyền. Một đơn vị bản đồ được coi là đơn vị đo khoảng cách giữa 2 cặp gen khi trong 100 sản phẩm của giảm phân có một dạng tái tổ hợp 1% tái tổ hợp = 1 đơn vị bản đồ, đơn vị này được gọi là centiMorgan (cM). Mỗi cM bằng khoảng 1000 kb hay 106 bp. Như vậy biết được tần số tái tổ hợp giữa các gen có thể xác định vị trí của chúng trên nhiễm sắc thể. Muốn xác định vị trí của một gen bất kỳ phải tiến hành lai và qua 2 bước: - Căn cứ tỷ lệ phân ly để xác định nhóm liên kết gen - Dựa vào tần số tái tổ hợp so với 2 gen khác để xếp vị trí trên nhiễm sắc thể. A B 115 + Nếu: C nằm giữa AB: AC + CB = AB C nằm ngoài phía A: CB - CA = AB C nằm ngoài phía B: CA - CB = AB So sánh cụ thể tần sô tái tổ hợp giữa C-A, C-B, A-B xác định được vị trí của C. 2. Bản đồ di truyền của nhiễm sắc thể và bản đồ di truyền tế bào Nhờ xác định được vị trí gen, bản đồ di truyền nhiễm sắc thể của nhiều đối tượng như ruồi dấm, cà chua, bắp,... đã được xây dựng. Hinh 6.15 Ban đô di truyên nhiêm săc sô 12 cua ca chua 116 Năm 1943, nhiễm sắc thể khổng lồ ở tuyến nước bọt ruồi dấm được phát hiện. Quan sát kính hiển vi có thể nhìn thấy các vệt nhuộm màu đặc trưng (khoảng 5.000 vệt của nhiễm sắc thể khổng lồ sau khi nhuộm. Nhiều dạng đột biến thường là đột biến nhiễm sắc thể gây nên những biến đổi hình thái quan sát rõ rệt trên nhiễm sắc thể khổng lồ. Điều này được sử dụng để lập bản đồ di truyền tế bào (cytogenetic map) mà không theo tần số tái tổ hợp do lai. Sự đối chiếu giữa bản đồ di truyền nhiễm sắc thể và bản đồ di truyền tế bào cho thấy có sự giống nhau về trình tự sắp xếp gen theo đường thẳng, tuy khoảng cách có khác nhau (do hiện tượng nhiễu). Điều này khẳng định thêm gen nằm trên nhiễm sắc thể. Hinh 6.16 Ban đô di truyên nhiêm săc sô 10 cua băp 117 Hinh 6.17 Thê di hơp mât đoan nhiêm săc thê cua ruôi dâm đươc sư dung đê lâp ban đô di truyên Hinh 6.18 Ban đô di truyên cua E.coli 118 * Đặc điểm chính của học thuyết di truyền nhiễm sắc thể - Các gen nằm trên nhiễm sắc thể sản xuất theo đường thẳng tạo thành các nhóm liên kết có số lượng bằng số cặp nhiễm sắc thể - Các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể có sự di truyền liên kết và mức liên kết phụ thuộc vào khoảng cách giữa các gen - Giữa các nhiễm sắc thể tương đồng có thể xảy ra trao đổi chéo dẫn đến tái tổ hợp các gen. Tái tổ hợp là một nguồn biến dị quan trọng cung cấp nguyên liệu cho quá trình chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo. - Sự liên kết các gen và sự tái tổ hợp giữa chúng do trao đổi chéo là những hiện tượng sinh học trong đó biểu hiện sự thống nhất giữa tính biến dị và tính di truyền. V. Nhiễm sắc thể người và bản đồ nhiễm sắc thể người 1. Nhiễm sắc thể người Năm 1956, J. H. Tjio và A. Levan mới xác định được chính xác số lượng nhiễm sắc thể của người là: 2n = 46. Sau đó nhờ kĩ thuật nhuộm màu bằng giemsa và quan sát hiển vi huỳnh quang mới phát hiện các vệt đặc trưng để xây dựng nên nhiễm sắc đồ. Sử dụng máu làm tiêu bản quan sát nhiễm sắc thể: Nuôi cấy tế bào bạch cầu máu ngoại vi của người bình thường và người mắc bệnh đã được áp dụng trong khoảng năm gần đây. Nhưng phương pháp này được ứng dụng rộng rãi nhất sau khi phát hiện được hợp chất polysacchyrid-protid lấy từ hạt cô ve dùng làm chất gây ngưng kết không đặc hiệu hồng cầu. Người ta dùng chất phytohemaglutinin này cùng với dung dịch nhược trương đã cho phép thu được kết quả của sự phân chia tế bào máu ngoại vi rất tốt. Phương pháp này đã được nhóm nghiên cứu của Moorhead sửa đổi và áp dụng. Cơ sở của phương pháp này là người ta trộn lẫn huyết thanh có lẫn bạch cầu vào môi trường dinh dưỡng với một tỷ lệ nhất định rồi cho thêm vào hỗn hợp đó chất phytohemaglutinin, sau đó cho vào lọ trung tính rồi nuôi cấy. Ngoài chất phytohemaglutinin chiết từ đậu cô ve còn nhiều chất khác cũng có tác dụng ngưng kết hồng cầu. Trong quá trình nuôi cấy bạch cầu cũng có thể tiến hành quan sát sự chuyển hóa các loại tế bào bạch cầu. Sự phân chia tế bào bạch cầu làm cơ sở cho nghiên cứu đặc điểm tế bào bạch cầu trong máu. Trên cơ sở nghiên cứu 119 tế bào máu bình thường và bệnh lý, có thể phát hiện ra trạng thái bệnh lý của tế bào bạch cầu ở người và động vật. 2. Kỹ thuật lai tế bào soma Đến giữa những năm 1960 chỉ mới xác định được một cách đáng tin cậy 3 nhóm liên kết (mỗi nhóm có 2 gen) trên nhiễm sắc thể thường và 4 gen trên nhiễm sắc thể X ở người, theo thống kê từ các phả hệ, nhưng chưa biết ở nhiễm sắc thể nào. Vào năm 1967, Mc Weiss và H. Green sử dụng kỹ thuật lai tế bào soma (somatic cell hybridisation) đã lần đầu tiên xác định được gen TK mã hóa cho enzyme thymidin kinase nằm trên nhiễm sắc thể 17. Các dòng tế bào soma của người và các động vật có vú, khi nuôi chung với sự hiện diện của virus Sendai có thể dung hợp hay lai với nhau. Các tế bào dung hợp này trong quá trình phân bào tiếp theo sẽ mất dần một số nhiễm sắc thể của tế bào cha mẹ. Ví dụ, tế bào người dung hợp với tế bào chuột, khi các tế bào phân chia, các nhiễm sắc thể của người bị mất nhanh. Sau khoảng 30 thế hệ tế bào, ở dòng tế bào lai giữa chuột nhắt và người còn lại toàn bộ nhiễm sắc thể của chuột và còn khoảng 7 nhiễm sắc thể của người ở một số tế bào chỉ còn 1-2 nhiễm sắc thể người. Sự xác định vị trí của một gen trên một nhiễm sắc thể nhất định được căn cứ vào sự tồn tại hay mất đi của gen đó khi đối chiếu với sự hiện diện hay văng mặt nhiễm sắc thể đó trong dòng tế bào. Kỹ thuật này đã giúp vượt qua khó khăn khi thống kê theo phả hệ và nhờ nó mà gần trăm gen được xác định vị trí trên 23 nhóm liên kết gen. Trong trường hợp gen TK, dòng tế bào chuột TK- được lai với tế bào người TK+. Sự dung hợp tạo tế bào lai chuột-người. Mặc dù phần lớn nhiễm sắc thể người bị loại mất nhanh trong các dòng tế bào lai, nhưng một số dòng còn một ít nhiễm sắc thể người. Khi các dòng tế bào này được nuôi trên các môi trường có chất aminopterin, các tế bào TK- sai hỏng hoạt tính thymidin kinase, không mọc được do mất khả năng chuyển hóa thymidine thành thymidylic acid cần cho tổng hợp ADN. Do vậy chỉ có tế bào lai có nhiễm sắc thể 17 này của người mới tạo được dòng ổn định. Chứng tỏ gen TK+ phải nằm trên nhiễm sắc thể này. Chứng cứ xác nhận thêm được thực 120 hiện bằng cách chọn các dòng trên môi trường có thêm chất bromodeoxyuridin riboside (BUDR) là chất đồng đẳng với nitrogenous base được chuyển hóa bởi thymidin kinase (TK+) gắn vào ADN làm tế bào chết. Hậu quả, nuôi trên môi trường có BUDR là các dòng tế bào sống được không có gen TK+ và tương ứng với điều đó, chúng không có nhiễm sắc thể 17 của người. Dựa vào phương pháp này, người ta lập bản đồ nhiễm sắc thể người trên cơ sở sự có mặt của một sản phẩm do một gen nào đó thì tương ứng với sự có mặt nhiễm sắc thể trong tế bào. - Điều kiện để thực hiện được việc lập bản đồ nhiễm sắc thể người nhờ phương pháp này + Tính trạng nghiên cứu được mã hóa bởi một gen trên nhiễm sắc thể của người, mà nó được phân biệt rõ ràng với tính trạng tương ứng của chuột. Ví dụ: Dòng tế bào người chứa Lactatdehydrgenase A đột biến, enzyme này phải được phân biệt với protein được mã hóa bởi một gen tương ứng của chuột (LDHA của người và chuột được phân biệt bằng phương pháp điện di). + Khả năng có thể xác định được nhiễm sắc thể của người còn lại ở dòng tế bào Ví dụ: gen LDHA của người được phát hiện trong các dòng tế bào lai mà trong đó chỉ còn lại độc nhất một nhiễm sắc thể. Đó là nhiễm sắc thể số 2. Chứng tỏ LDHA nằm trên nhiễm sắc thể số 2. Phần lớn các gen được xác định theo phương pháp trên liên quan đến các enzyme, mà việc phát hiện chúng căn cứ theo phản ứng do chúng xúc tác. Về sau một số thủ thuật khác được sử dụng như dùng các "mất đoạn" để xác định vị trí gen. - Xác định nhóm liên kết của các gen bệnh Dựa vào các nhóm liên kết gen đã được xác định bằng lai tế bào soma, nhiều gen bệnh được gắn vào các nhiễm sắc thể. Việc xác định này căn cứ theo nhiều phả hệ của các gia đình có các bệnh di truyền. Gần đây (1993) vài bệnh di truyền được xác định bằng cách sử dụng gen dự tuyển (canđiate gene approach). Một trong các ví dụ là các đột biến của gen fibrillin gây hội chứng Marfan. Gen gây hội chứng Marfan được lập 121 bản đồ ở nhóm liên kết 15, ngay giưa vai dài của nhiễm sắc thể. Gen mã hóa cho fibrillin cũng có vị trí tương tự khi sử dụng phương pháp FISH (fluorescent in situ hybridization - phát hiện bằng huỳnh quang khi lai tại chỗ). Câu hỏi ôn tập 1. Cơ chế xác định giới tính ở người và động vật. 2. Đặc điểm của sự di truyền liên kết với giới tính. 3. Cơ sở của sự hình thành các nhiễm sắc thể tái tổ hợp. 4. Nêu ứng dụng của sự di truyền liên kết với giới tính. 5. Chứng minh trao đổi chéo xảy ra ở giai đoạn 4 chromatid. 6. Cơ sở tế bào học của trao đổi chéo. 7. So sánh quy luật di truyền liên kết hoàn toàn và quy luật hoán vị gen. 8. Di truyền học Morgan đã bổ sung cho di truyền học Mendel như thế nào? 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. Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo Dục. Hoàng 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 Yo...t khuôn, kết quả lai với các đột biến mất đoạn lớn sẽ được xếp vào vùng A4. Bản đồ di truyền trong vùng A4 có thể được tạo ra bởi một bộ các đột biến 148 rII A cistron rII B cistron Khoảng cách từ 1 đến 47 được xác định bằng mất đoạn khoảng 1364 qua 1519 Khoảng cách từ A1 đến B được xác định bằng mất đoạn các khoảng 1272 qua 638 mất đoạn được trình bày ở phần dưới của hình 8.5. Xác định 7 tiểu vùng ở trong A4 (từ a qua g). Hình 8.6 Xác định vùng rII liên quan với các marker di truyền dạng thẳng của bản đồ di truyền phage T4 Ví dụ, một đột biến trong vùng A4 kết quả tái tổ hợp tạo dạng kiểu dại với đột biến mất đoạn r1368, nhưng lại không thể thực hiện được với đột biến r221 sẽ được sắp vào tiểu vùng c. Ở mức độ chi tiết hơn, các đột biến trong một tiểu vùng được sắp xếp nhờ lai giữa chúng với nhau. Ở phage T4, các điểm đột biến ở rất gần nhau, được tách nhau nhờ tái tổ hợp. 1% tái tổ hợp tương ứng với khoảng cách khoảng 100 bp. Vì vậy, bất kỳ hai đột biến không thể tái tổ hợp được với nhau có thể được xếp vào cùng vị trí trong gene. Bản đồ di truyền cho số lớn các đột biến rII có nguồn gốc độc lập được mô tả ở hình 8.6. Nghiên cứu đột biến ở vùng rII và lập bản đồ di truyền có vai trò quan trọng, qua đó có thể rút ra các kết luận sau: + Sự trao đổi di truyền có thể xảy ra trong gene và có thể giữa các nucleotide ở gần nhau. 149 rII A cistron rII B cistron Vùng xác định đột biến mất đoạn từ A1 đến A6 và B trong gen rII Đột biến ở trong vùng b sẽ tạo ra dạng tái tổ hợp hoang dại với tất cả các mất đoạn mà trong đó vùng b của dạng hoang dại có mặt Mất đoạn vùng xác định a đến g của vùng A4 + Các đột biến không được tạo ra ở cùng tần số với tất cả các điểm trong gene, chúng phân bố không đều nhau. Chẳng hạn, 2400 đột biến rII đã được xác định chỉ ở 304 điểm. Một trong những điểm này có thể có đến 474 đột biến (Hình 8.6). Nhũng điểm có tần số đột biến cao như thế được gọi là các điểm nóng (hotspot mutation). Ở những điểm khác, đột biến được phục hồi một lần hoặc vài lần. Hình 8.6 Bản đồ di truyền locus rII của phage T4 Kết quả phân tích vùng rII rất quan trọng, giúp cho chúng ta phân biết được 3 khái niệm về gene. Phổ biến nhất, gene liên quan với một đơn vị chức năng. Điều này tương ứng với một đoạn DNA mã hóa cho một phân tử protein. Benzer đưa ra thuật ngữ cistron để chỉ chức năng này, thuật ngữ cistron thỉnh thoảng vẫn được sử dụng. Đơn vị chức năng được xác định qua thử nghiệm bổ sung (complementation test), xác định được 2 đột biến có allele với nhau không. Trước thí nghiệm của ông rII được coi là một locus. Thí nghiệm cho thấy các đột biến xếp thành hai nhóm rIIA và rIIB. Lai các đột biến rIIA × 150 Mỗi hộp thể hiện sự xuất hiện ngẫu nhiên của các đột biến tại vị trí đó "Điểm nóng" đột biến Nhiều đột biến xuất hiện ở một điểm tạo thành một "điểm nóng" rIIB sẽ có r+, nhưng lai rIIA × rIIA và rIIB × rIIB thì thu được kiểu hình đột biến r. Ngoài nghĩa là đơn vị chức năng, gene còn là đơn vị tái tổ hợp (recon) và đơn vị đột biến (muton). Cả hai đơn vị này, đều tương ứng với những nucleotide riêng lẽ trong gene. 5. Tính tiềm tan (Lysogeny) và phage λ Chu trình tiềm tan bắt đầu khi phân tử DNA của phage λ gắn vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn và tiến hành sao chép như một phần nhiễm sắc thể vi khuẩn. Các hạt phage không được tạo thành. Phân tử DNA của phage được gắn vào bộ gen của vi khuẩn được gọi là prophage, tế bào vi khuẩn sống sót được gọi là tế bào tiềm tan (lysogen). Một chủng tiềm tan cho phage λ được ký hiệu theo tên của phage. Ví dụ chủng E. coli K12(λ) là chủng K12 trở thành tế bào tiềm tan của phage λ. Hình 8.7 Chu trình tan và tiềm tan ở phage λ Phân tử DNA của phage λ có đầu các đầu cuối chứa 12 nucleotide không kết cặp, mà ở dạng sợi đơn tạo đầu dính (cohesive end) bổ sung. Khi vào tế bào, đầu cuối bổ sung gắn lại tạo phân tử vòng tròn. Sự tạo vòng tròn xảy ra sớm ở cả chu trình tan và chu trình tiềm tan (Hình 8.7). Có khoảng 75% tế bào vi khuẩn bị nhiễm phage, phân tử DNA vòng tròn sao chép và 151 Phage Phage DNA Phage tấn công tế bào chủ và bơm DNA vào NST vi khuẩn Chu trình sinh tan Chu trình tiềm tan Nhiều tế bào phân chia tạo ra khuẩn lạc vi khuẩn có chứa prophage Một số prophage tồn tại trên NST vi khuẩn, khởi đầu cho chu trình sinh tan Tế bào vi khuẩn phân chia bình thường, sao chép prophage và truyền cho thế hệ sau Prophage Tái tạo vòng DNA phage Tế bào bị phân giải, giải phóng phage DNA và protein của phage được tổng hợp và lắp ghép tạo thành phage mới DNA của phage tích hợp vào NST vi khuẩn tạo thành dạng prophage chu trình tan xảy ra tiếp theo. Còn khoảng 25% tế bào bị nhiễm, phân tử DNA vòng tròn của phage λ và phân tử DNA vòng tròn của E. coli tương tác và xảy ra tái tổ hợp điểm chuyên biệt (site-specific recombination) và DNA của phage gắn vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Vị trí của tái tổ hợp điểm chuyên biệt ở DNA của vi khuẩn và phage được gọi là điểm gắn vào của vi khuẩn và phage (bacterial and phage attachment sites). Mỗi điểm gắn có chứa 3 đoạn: ở đoạn trung tâm có cùng trình tự nucleotide ở cả 2 vị trí gắn và là vùng mà sự tái tổ hợp thực sự xảy ra. Điểm gắn vào của phage được ký hiệu bởi POP’ (P: phage) và điểm gắn vào ở vi khuẩn được biểu diễn bằng BOB’ (B: bacteria). So sánh bản đồ di truyền của phage và prophage POP’ nằm gần vùng trung tâm của phân tử DNA dạng thẳng. Một protein của phage, integrase, xúc tác cho tái tổ hợp điểm chuyên biệt. Enzyme integrase nhận ra điểm gắn vào của phage và vi khuẩn, gây ra sự trao đổi vật lý, kết quả là phân tử DNA của phage gắn vào phân tử DNA của vi khuẩn. Kết quả của sự tái tổ hợp làm bản đồ di truyền của prophage khác với bản đồ di truyền của phage. Bản đồ di truyền prophage là sự chuyển đổi vòng tròn bản đồ di truyền phage tự do. Prophage được chèn vào nhiễm sắc thể của E. coli giữa gene gal và gene bio. Sự chèn vào của phage λ làm tăng khoảng cách giữa gene gal và gene bio. Khoảng cách giữa gene gal và gene bio ở tế bào tiềm tan với phage λ là khoảng hai phút so với một phút ở tế bào không tiềm tan. Hình 8.8 Mô hình gắn của phage λ vào NST của E.coli 152 Khi tế bào tiềm tan, các gene của phage trở thành một phần nhiễm sắc thể của vi khuẩn vì vậy có thể làm kiểu hình của vi khuẩn bị thay đổi. Nhưng hầu hết các gene của phage ở prophage đều được giữ ở trạng thái bất hoạt nhờ protein repressor - sản phẩm của gene ở phage. Protein repressor được bắt đầu tổng hợp nhờ sự nhiễm vào của phage và nó được tiếp tục tổng hợp nhờ prophage. Gene mã hóa cho repressor thường chỉ là gene của prophage được biểu hiện ở chu trình tiềm tan. Nếu tế bào tiềm tan bị nhiễm bởi phage giống với prophage, sự có mặt của repressor trong prophage ngăn cản sự biểu hiện các gene của phage nhiễm vào. Tính kháng với những phage giống với prophage được gọi là tính miễn nhiễm (immunity). Đây là tiêu chuẩn để xác định tế bào vi khuẩn chứa phage đặc biệt. Chẳng hạn phage λ không tạo đốm trên vi khuẩn chứa prophage λ. Trong tế bào tiềm tan, sự sao chép không giải phóng các phage mới. Tuy nhiên, các prophage đôi khi trở nên có hoạt tính, trải qua chu trình tan, tạo ra số lượng lớn phage ở thế hệ sau. Hiện tượng này được gọi là sự cảm ứng prophage (prophage induction), nó được bắt đầu bằng sự hư hại DNA của vi khuẩn. Đôi khi prophage có thể tách ra khỏi DNA của vi khuẩn một cách ngẫu nhiên nhưng thường nó được gây ra do các tác nhân của môi trường như hóa chất hoặc chiếu xạ. Khả năng bị cảm ứng là một thuận lợi cho phage bởi vì DNA của phage có thể thoát khỏi tế bào bị hư hại. Cơ chế sinh hóa của sự cảm ứng là phức tạp nhưng sự thoát ra của phage xảy ra dễ dàng. Sự cắt ra của phage là sự tái tổ hợp điểm chuyên biệt khác, ngược với quá trình gắn vào. Sự cắt này yêu cầu enzyme của phage, integrase thêm protein của phage là excisionase. Nghiên cứu di truyền của sự gắn vật lý cho thấy escisionase gắn với integrase và sau đó nhận ra điểm gắn vào của prophage BOP’ và POB’, gắn với các điểm này. Integrase cắt ở trình tự O và tạo ra lại BOB’ và POP’. Quá trình tách diễn ra ngược lại với sự gắn vào. II. Đặc tính của các virus 1. Tính đa dạng về cấu trúc và thành phần di truyền Virus có bộ gene rất đa dạng. Bộ máy di truyền của virus có thể là DNA mạch kép (double strand - dsDNA), DNA mạch đơn (single strand - ssDNA), RNA mạch kép (dsRNA) hay RNA mạch đơn (ssRNA). Bộ gene RNA của virus là một phân tử hoặc một đoạn, sợi đơn phân cực mạch (+) hoặc mạch (-), có thể ở dạng vòng tròn hay dạng thẳng. Virus nhỏ nhất có nhất có khoảng 4 gene, virus lớn có khoảng vài trăm gene. Bộ gene của 153 virus cấu trúc đa dạng nhưng đều đảm bảo yêu cầu chung là phải sao chép được trong tế bào chủ tạo ra cả genome cho lắp ráp virion thế hệ sau và các mRNA phải tổng hợp protein của virus. 2. Tính đặc thù về vật chủ (Host specificity) Mỗi kiểu virus có thể nhiễm và kí sinh chỉ ở một biên độ giới hạn của tế bào được gọi là biên độ chủ (host range). Các virus nhận biết tế bào chủ theo nguyên tắc “ống khóa và chìa khóa” các protein bên ngoài của virion lấp vừa các điểm nhận trên bề mặt tế bào. Một số virus có biên độ chủ rộng đủ để xâm nhập vào vài loài. Chẳng hạn, các virus bệnh dại có thể nhiễm nhiều loài có vú gồm gậm nhấm, chó và người. Biên độ có thể rất hẹp như nhiều phage chỉ nhiễm vi khuẩn E. coli. III. Tái bản của các virus Bản chất genome của virus xác định kiểu sao chép. Virus được phân loại dựa trên các đặc điểm: - Phân loại theo bệnh: chia ra virus gây bệnh ở người, động vật và cây trồng Vấn đề chủ yếu đối với hệ thống phân loại này là nhiều loại virus khác nhau lại gây ra cùng một triệu chứng. Chẳng hạn, sự nhiễm trùng hô hấp với sốt có thể được gây ra do nhiều virus khác nhau. - Phân loại theo hình thái: phân loại virus cơ bản dựa trên cấu trúc của hạt virus. Kiểu phân loại này có hạn chế trong phân biệt giữa các virus có hình thái tương tự nhưng gây ra triệu chứng bệnh khác nhau. - Phân loại theo chức năng: trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu được tiến hành dựa trên phương thức sao chép của virus. Cần xác định thành phần và cấu trúc genome của virus và từ đó xác định cách sao chép. Kiểu tế bào bị nhiễm bởi virus có ảnh hưởng quan trọng đối với quá trình sao chép. Đối với virus của prokaryote, sự sao chép phản ánh mối quan hệ mở rộng đơn giản của các tế bào chủ. Đối với virus của tế bào eukaryote, vấn đề phức tạp hơn. Khả năng mã hoá của genome buộc virus chọn một phương thức sao chép. Phương thức sao chép của virus phụ thuộc vào bản chất vật liệu di truyền của chúng. Về phương diện này, virus được chia thành 7 nhóm: Nhóm I: Virus chứa DNA sợi đôi. Nhóm này được chia nhỏ thành hai loại: 154 + Sao chép là chỉ của nhân. Sự sao chép của các virus này phụ thuộc tương đối vào các yếu tố của tế bào. + Sao chép xảy ra trong tế bào chất. Những virus này có liên quan với các yếu tố cần thiết cho phiên mã và sao chép genome của chúng và vì vậy phụ thuộc nhiều vào bộ máy tế bào. Nhóm II: virus chứa DNA sợi đơn. Sự sao chép xảy ra trong nhân liên quan sự tạo thành qua trung gian sợi kép được xem như là khuôn cho tổng hợp lại DNA sợi đơn thế hệ sau. Nhóm III: virus chứa RNA sợi kép. Những virus này có bộ gene được chia đoạn. Những đoạn này được phiên mã riêng để tạo ra các monocistronic mRNA. Nhóm IV: Virus chứa RNA sợi đơn mạch (+), có thể chia nhỏ thành 2 nhóm: + Virus với polycistronic mRNA. RNA genome tạo ra mRNA, phân tử này dịch mã tạo sản phẩm là một polyprotein, thường được phân cắt để tạo các protein trưởng thành. + Virus phiên mã phức tạp. Cách dịch mã (như Togavirus) hoặc các RNA của subgenome (Tobamovirus) cần thiết để tạo RNA của bộ gene. Nhóm V: Virus chứa RNA sợi đơn mạch (-), genome của virus này được chia thành 2 nhóm: - Genome không chia đoạn (Mononegvirales). Bước đầu tiên trong sao chép là phiên mã RNA sợi (-) của genome nhờ RNA polymerase phụ thuộc RNA của hạt virus để tạo ra monocistronic mRNA, được xem là khuôn cho sao chép genome. - Genome được chia đoạn (Orthomyxoviridae). Sao chép xảy ra trong nhân với monocistronic mRNA cho mỗi gene của virus được tạo ra nhờ enzyme transcriptase từ genome đầy đủ của virus. Nhóm VI: Virus chứa mRNA sợi đơn mạch (+) qua trung gian DNA. Bộ gene của retrovirus là mRNA mạch (+) nhưng ở dạng lưỡng bội. Chúng không trực tiếp tạo ra mRNA mà phiên mã ngược tạo DNA. Nhóm VII: DNA sợi đôi qua trung gian RNA. Virus nhóm này dựa vào enzyme phiên mã ngược, những khác với retrovirus, quá trình này xảy ra bên trong hạt virus trong suốt quá trình trưởng thành. 155 Sợi RNA (-) virus bị phân cắt Phân tử duy nhất Sợi RNA (+) virus Alphaviruses Flavi và picornaviruses Ambisence RNA virus RNA virus sợi đôi Hình 8.9 Sao chép RNA của virus 156 3' 5' 5' 3' Tổng hợp mRNA 5'C Tái bản C C Tổng hợp mRNA Tái bản C sợi RNA (-) genome sợi (+) có chiều dài đầy đủ 3' 5' 5' 3' 3' 5' 3' 5' sợi RNA (-) genome 5'C 3' 5' 5'C Tái bản 5'C 3' 5' 5'C Tái bản sợi RNA (+) genome (mRNA) sợi (-) có chiều dài đầy đủ 5'C sợi RNA (+) genome (mRNA) Tổng hợp mRNA 5'C Tổng hợp mRNA 3' 5' 5'C 5' C Tổng hợp mRNA RNA genome mRNA mRNA Anti -genome RNA 5' 3' 5'C sợi (+) sợi (-) Sợi (+) có chiều dài đầy đủ (mRNA) Tổng hợp mRNA 3' 5' C 3' 5' C 5' 3' 5'C Tái bản Protein Dịch mã sợi (+) sợi (-) RNA genome 1. Các virus của vi khuẩn Có 3 pha bắt đầu cho xâm nhiễm của virus. - Bắt đầu nhiễm - Sao chép và biểu hiện genome của virus - Giải phóng các virion trưởng thành từ tế bào bị nhiễm Bacteriophage được thêm vào nuôi cấy vi khuẩn đang sinh trưởng mạnh và sau một vài phút nuôi cấy bị giảm, ngăn cản tương tác giữa các hạt phage và tế bào. Ngay sau khi làm giảm nuôi cấy, có giai đoạn khoảng 10- 15 phút không phát hiện thấy các hạt phage, đây là giai đoạn che khuất (eclipse period). Điều này xảy ra một thời gian sau khi nhiễm vào tế bào, liên quan với genome của chúng như là điều kiện trước tiên cho sao chép. Ở giai đoạn này không có sự nhiễm nữa vì vậy không thể phát hiện nhờ vết đốm. Giai đoạn muộn là thời gian trước khi hạt virus mới đầu tiên xuất hiện và khoảng 20-25 phút cho hầu hết các bacteriophage. Khoảng 40 phút sau khi tế bào bị nhiễm, đường cong về số lượng hạt virus tổng số và virus ngoại bào hợp nhau thành một vì lúc này, tế bào bị nhiễm làm tan và giải phóng các hạt phage ngoại bào. Các bacteriophage làm chết tế bào chủ gọi là độc (virulent) và chúng sinh sản theo chu trình tan Các virus ôn hoà (temperate virus) có thể sinh sản mà không là chết tế bào chủ. Chúng có hai khả năng sinh sản: chu trình tan và chu trình tiềm tan không làm chết tế bào chủ. Chu trình sống bắt đầu khi phage gắn vào bề mặt tế bào E. coli và bơm DNA vào trong gây nhiễm. DNA của phage sau khi vào tế bào tạo DNA vòng tròn và sẽ tham gia vào một trong hai chu trình. DNA của phage có thể hoặc tham gia vào chu trình tiềm tan của phageT4 hoặc gắn vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn nhờ tái tổ hợp điểm chuyên biệt để bước vào chu trình tiềm tan. 2. Các virus thực vật Hầu hết virus thực vật có genome RNA, tuy nhiên 2 nhóm virus thực vật được nghiên cứu nhiều nhất có chứa genome DNA: Cauliflower mosaic virus (CaMV) và gemini virus. - Các virus RNA Phần lớn virus thực vật có bộ gene RNA sợi đơn mạch (+) và nhiều dạng có capsid hình que, các protein capsomer hình xoắn. 157 + Tobacco mosaic virus (TMV) Genome TMV là RNA sợi đơn. Genome của chúng mã hoá ít nhất 4 chuỗi polypeptid. Protein 130 và 180 kDal được dịch mã trực tiếp từ cùng một codon bắt đầu trên RNA bộ gene. Hai protein khác, 30 kDal và protein vỏ được dịch mã từ đoạn RNA. Protein 130 và 180 kDal liên quan với sao chép virus, trong khi đó protein 30 kDal cần cho sự di chuyển của virus từ tế bào này đến tế bào khác. Vì vậy 3 loại protein này cần cho sự nhân lên của virus trong toàn bộ cây. - Các virus DNA Virus thực vật có bộ gene DNA rất hiếm, chỉ gồm 2 nhóm: + Cauliflower mosaic virus: CaMV được nghiên cứu nhiều nhất trong nhóm Caulimovirus. Đây là nhóm virus dạng cầu, chứa genome DNA vòng tròn, mạch kép, kích thước khoảng 8 kb. Caulimovirus gây ra một số bệnh làm thiệt hại kinh tế cấy trồng. Chúng có phổ vật chủ hạn chế, chỉ nhiễm cây 2 lá mầm. DNA của CaMV có cấu trúc không bình thường, có 3 điểm gián đoạn trên sợi kép, hai điểm trên một sợi và một điểm trên sợi còn lại với những vùng trình tự overlap. Ngoài ra DNA CaMV có ribonucleotide gắn với đầu cuối 5’ của điểm gián đoạn. Từ các nghiên cứu ở CaMV, Hull và Covey (1983), Pfeiffer và Hohn (1983) cho rằng sao chép CaMV liên quan với phiên mã ngược qua trung gian RNA của bộ gene. Chu trình sao chép giống với retrovirus và hepatitis B virus. + Gemini virus: Gemini virus là nhóm virus có phổ xâm nhiễm rộng, cả cây một lá mầm và 2 lá mầm.Virus sọc vằn lá ngô (maiz streak virus – MSV) là một gemini virus lây nhiễm qua lá, được truyền do côn trùng. Bộ gene của geminivirus chứa phân tử DNA vòng tròn sợi đơn. Sao chép DNA virus được nghĩ là xảy ra nhờ trung gian DNA và genome của virus sao chép cho nhiều bản sao trong nhân của những tế bào tăng sinh nhanh. Virus gây ra sự ức chế sinh trưởng và lá có sọc vàng của những cây ngô bị nhiễm. 3. Các virus động vật Chu trình sao chép của virus động vật có nhiều điểm tương tự với các virus khác với nhiều biến dạng đáng kể. Virus động vật thường có promoter mạnh, có thể áp dụng cho biểu hiện gene. Trong nhiều trường hợp, chúng có khả năng sao chép genome của chúng với số lượng lớn bản sao trong tế bào. 158 Một số virus động vật như retrovirus gắn DNA của chúng vào nhiễm sắc thể tế bào chủ như là một phần chu trình sao chép của chúng. - Các virus RNA như retrovirus, paramyxo virus Retrovirus có phổ vật chủ rộng gồm chim, động vật có vú và những động vật khác. Sự nhiễm của retrovirus không dẫn đến làm chết tế bào. Biểu hiện gene của virus mạnh nhờ promoter mạnh. Retrovirus chứa genome RNA. Hạt virus chứa 2 bản sao RNA. Mỗi genome RNA có nhiều tính chất tương tự với mRNA eukaryote: có trình tự poly(A) khoảng 200 đơn vị ở đầu mút 3 và cấu trúc mũ ở đầu 5’. Virus xâm nhiễm vào tế bào kèm theo enzyme reverse transcriptase và intergrase. Enzyme reverse transcritase tham gia phản ứng tổng hợp cDNA, dẫn đến sự hình thành bản sao DNA mạch kép của RNA virus, được gọi là DNA provirus. DNA provirus được đóng vòng tròn nhờ protein intergrase và được xen vào genome tế bào chủ. Thường chỉ có một bản sao DNA provirus được gắn vào trong một tế bào chủ. Điểm gắn vào genome là ngẫu nhiên. Retrovirus là một tác nhân gây ung thư. Hầu hết chúng có cấu trúc genome chứa trình tự oncogene. Oncogene virus thường được tạo thành từ gene của tế bào và thường là kết quả của sự dung hợp gene tế bào với gene của virus. Kết quả là những virus gây ung thư như thế bị mất chức năng gene của virus. Chúng có thể sao chép trong lây nhiễm hỗn hợp với một helper virus cung cấp chức năng bị mất. - Các virus DNA: SV40, Bovine papilloma virus (BPV) Hạt virus SV40 chứa DNA mạch kép, vòng tròn, khoảng 5,2 kb được gắn với 4 phân tử histon: H4, H2a, H2b và H3. SV40 có thể tham gia vào hai kiểu chu trình sống phụ thuộc vào tế bào chủ. Trong tế bào cho phép virus xâm nhiễm (permissive cell) thường là các dòng tế bào ổn định có nguồn gốc từ khỉ châu Phi, sự sao chép virus xảy ra như các trường hợp nhiễm bình thường. Trong tế bào không cho phép (non-permissive cell), thường là những dòng tế bào chuột, không có sự nhiễm làm tan tế bào vì virus không thể sao chép toàn bộ DNA của chúng. Ở những tế bào khỉ bị nhiễm và làm tan do SV40, có thể phân ra 3 giai đoạn. Trong suốt 8 giờ đầu tiên, hạt virus không vỏ và DNA của chúng di chuyển đến nhân tế bào chủ. 4 giờ tiếp theo là pha sớm (early phase), có sự tổng hợp mRNA sớm và protein sớm và có sự kích thích tổng hợp DNA của tế bào chủ. Trong pha muộn xảy ra ở 36 giờ tiếp theo, trong giai đoạn này có sự tổng hợp DNA của virus, mRNA muộn và protein muộn, lắp ráp virus và làm tan tế bào. 159 + Bovine papilloma virus (BPV) BPV gây nên bệnh bướu (wart) ở trâu bò. BPV có genome DNA sợi kép, vòng tròn khoảng 7,9 kb. 4. Các virus gây ung thư, HIV/AIDS Khoảng 15% ung thư ở người có cơ chế hình thành liên quan với virus. Chúng có các nhóm sau : + DNA virus: họ Apovavirus (Papilloma virus), họ HepDNAavirus (Hepative-B virus), họ Herpesvirus (Eptein-Barr virus) + RNA virus: họ Retrovirus (HIV-1, virus AIDS) Các virus gây ung thư có thể tác động do xen đoạn DNA của chúng vào bộ gene chủ. Ngoài ra có thể thực hiện : + Hoạt hoá bộ máy sao chép DNA của tế bào chủ. + Kìm hãm tác động của các tumour suppressor gene chủ yếu để hoạt hoá sao chép DNA Như vậy bằng nhiều cách khác nhau các virus khi xâm nhập tế bào có thể làm tế bào mất sự kiểm soát bình thường. AIDS là hội chứng do virus làm suy giảm miễn dịch ở người (HIV). Hạt virus là một khối cầu, bờ ngoài gồ ghề, gồm vỏ bên ngoài, trong là chất nền protein bao quanh lõi có mặt cắt dạng nón. Trong lõi có genome gồm 2 sợi RNA giống nhau gắn với enzyme DNA polymerase là reverse transcriptase. Trong quá trình nhiễm, virus HIV bám và nhiễm lõi của nó vào tế bào hệ thống miễn dịch của người. Tiếp theo chúng sử dụng enzyme reverse transcriptase để sao RNA genome của chúng thành phân tử DNA sợi kép trong tế bào chất của tế bào chủ. Phân tử xoắn kép này chuyển đến nhân, gắn vào nhiễm sắc thể tế bào chủ nhờ một enzyme khác. Khi đã gắn vào nhiễm sắc thể của tế bào chủ, genome của virus. Một khi đã gắn vào nhiễm sắc thể của tế bào chủ, genome của virus có thể thực hiện một trong 2 quá trình. Nó có thể trưng dụng bộ máy tổng hợp protein của tế bào chủ để có thể tạo ra hàng trăm hạt virus mới sinh sản bằng nảy chồi, tách khỏi màng tế bào và đôi khi làm chết tế bào chủ. Nó cũng có thể tiềm tàng trong nhiễm sắc thể của tế bào chủ, rồi sao chép và truyền genome virus sang 2 tế bào mới khi tế bào phân chia. 160 Hình 8.10 Chu trình sinh sản của virus HIV Ngoài ra sinh học hiện đại còn phát hiện ra hai dạng sống đặc biệt là các viroid và prion - Viroid: là những phân tử RNA rất nhỏ (200-400 nucleotide), dạng que có mức độ cấu trúc bậc hai cao (Hình 8.11). Chúng không có capsid và vỏ bao (envelope) và chỉ chứa một phân tử acid nucleic đơn. Viroid gắn liền với bệnh thực vật. Viroid đầu tiên được phát hiện và nghiên cứu đầy đủ nhất là viroid ống thoi khoai tây (potato spindle tuber viroid-PSTVd). Viroid không mã hóa cho bất kì một protein nào và nó được sao chép nhờ RNA polymerase của tế bào chủ hoặc có thể nhờ một sản phẩm của một gene RNA polymerase phụ thuộc RNA trong một vài tế bào eukaryote. Chi tiết của sao chép đến nay người ta chưa rõ, dường như nó xảy ra nhờ cơ chế vòng tròn xoay có sự cắt (autocatalytic cleavage) và gắn (self-ligation) để tạo ra viroid trưởng thành. 161 Màng bao Glycoprotein Capsid Enzyme sao mã ngược RNA (2 sợi phân biệt) HIV xâm nhập vào tế bào Enzyme sao mã ngược TẾ BÀO CHỦ RNA virus Lai DNA-RNA DNA Protein virus DNA NST Provirus RNA NHÂN HIV mới a. Cấu trúc của HIV b. Sự sinh sản của HIV Hình 8.11 Các vùng chức năng của phân tử RNA viroid Giữa các viroid khác nhau có các trình tự khác nhau, nó được sử dụng trong phân loại để chia viroid thành giống (genera) và loài (species). Tuy nhiên, tất cả viroid đều có đặc điểm chung là vùng trung tâm có tính chất bảo thủ liên quan với sao chép của chúng (Hình 8.12). Một nhóm các viroid có khả năng tạo thành cấu trúc « đầu búa » (hammerhead) làm cho chúng có tính chất enzyme của một ribozyme. Hoạt tính này được sử dụng để cắt cấu trúc nhiều đơn phân tạo ra trong quá trình sao chép. Các viroid khác sử dụng các enzyme chưa được biết trong tế bào chủ để thực hiện điều này. Một vài viroid gây bệnh trầm trọng và gây chết thực vật chủ. Các viroid khác gồm các loại từ không có biểu hiện bệnh bên ngoài đến có triệu chứng bệnh nhẹ. Hình 8.12 Cấu trúc RNA viroid - Prion: Một nhóm bệnh lây nhiễm hệ thần kinh kinh niên, phát triển nhanh chóng và gây chết được biết như là bệnh xốp não lây nhiễm (Transmissible spongiform encephalopathics - TSE). Tác nhân lây nhiễm liên quan đến TSE không phải là acid nucleic (Tikvah Alper, 1967). Các bệnh TSE ở người như là bệnh Kuru và Creutzfeldt-Jacob có thể gây nên do các phần tử protein gây nhiễm và Standley Prusiner (1982) gọi chúng là prion (proteinacious infectious particle). Bản chất của prion là chưa được chứng minh một cách chắc chắn. Chúng là một hiện tượng mới vượt ra ngoài hiểu biết thông thường. Tất cả các bệnh prion đều có bệnh lý giống nhau cơ bản, mặc dù giữa chúng có sự khác biệt có ý nghĩa ở những điều 162 Vùng kết thúc bên trái Vùng gây bệnh Vùng kết thúc bên phải Vùng biến dị Vùng trung tâm có tính bảo thủ kiện khác nhau. Các bệnh khác nhau được đặc trưng bởi sự lắng (deposition) của các protein bất thường trong các mô khác nhau như thận, lách, gan hoặc não ... Sự lắng các « amyloid » này bao gồm sự tích luỹ các protein khác nhau ở dạng tấm hoặc dạng cuộn rối tạo ra protein β amyloid. Chúng là kết quả từ những sai hỏng của bộ gene trong trao đổi chất do nhiều loại nhân tố chưa được biết.. Mặc dù cơ chế phân tử liên quan với sự chết của tế bào là chưa rõ ràng, nhưng tác động gây ra xốp nào do tạo lỗ ở mô não đã được quan sát thấy dưới kính hiển vi. Những lỗ này gây ra do sự mất tế bào thần kinh và gliosid. Phép chẩn đoán xác định TSE không chỉ tiến hành trên lâm sàng mà yêu cầu chứng minh sự lắng protein prion (prp) bằng nhuộm hoá học miễn nhiễm mô não người sau khi chết. Câu hỏi và Bài tập 1. Hãy trình bày quá trình tái tổ hợp genome của bacteriophage. 2. Genome của vi khuẩn và virus tương tác vật lý theo cách nào? 3. Ý nghĩa của việc phân tích cấu trúc locus rII của phage T4. 4. Hãy nêu đặc điểm về chu trình sống của phage. 5. Virus thực vật có những nhóm nào? 6. Hãy trình bày phương thức sao chép của virus chứa RNA sợi đơn. 7. Đặc điểm chu trình sinh sản của virus HIV. 8. Hãy nêu tên các dạng sống chỉ có acid nucleic hoặc chỉ có protein. 9. Có bao nhiêu đốm tan của phage được tạo thành trên môi trường nuôi cấy từ một phage riêng lẽ ban đầu? 10. Bacteriophage có trật tự các gene là ABC att DEF. Hỏi trật tự của các gene này ở prophage 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. Hoàng Trọng Phán. 1995. Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế 163 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. Cann AJ. 2001. Priciple of molecular virolory. Academic Press. London, UK. Flint SJ, Enquist LW, Krug RM, Racaniello VR, Skalka AM. 2000. Principles of Virology. Molecular Biology, Pathogenesis, and Control. ASM Press, Washington DC. Printed in the United States of America. Harlt D.L., Jones E.W. 1998. Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers, Toronto, Canada. Hartwell et al. 2003. Genetics: From genes to genomes, Second editor. The McGraw-Hill Companies. Old RW & Primrose SB. 1989. Principles of gene manipulation. Blackwell Scientific Publication. Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Companies, Inc., United States of America. Watson D.J, Baker T.A., Bell S.P., Gann A., Levine M., Losick R. 2004. Molecular biology of the gene. Benjamine Cummings, San Francisco, United States of America. 164 Chương 9 Di truyền học Vi nấm và Vi tảo Mục tiêu của chương Phân tích di truyền ở một số vi tảo và vi nấm, chủ yếu tập trung nghiên cứu các đặc điểm của vi nấm, vi tảo như tính không dung hợp, phân tích bộ bốn, phân tích di truyền trong chu trình cận hữu tính, nhiễm sắc thể nhân tạo Số tiết: 3 Nội dung I. Đại cương về nghiên cứu di truyền ở một số vi tảo thông dụng Loài vi tảo được sử dụng sớm nhất và nghiên cứu di truyền chi tiết hơn cả là Chlamydomonas reinhardii. Ưu thế của đối tượng này là có thể tiến hành lai và phân tích bộ bốn không xếp theo thứ tự. Ở các loài này, các tế bào đơn bội có thể sinh sản vô tính một thời gian dài. Các tế bào đơn bội gồm 2 loại: mt (+) và mt (-), tế bào đơn bội của mỗi loại không kết hợp với nhau. Sự kết hợp hai tế bào khác kiểu bắt cặp mt (+) với mt (-) tạo ra hợp tử. Hợp tử qua giảm phân cho tỷ lệ phân ly của một gen là 2 tế bào mt (+) : 2 tế bào mt (-). Trong điều kiện thí nghiệm, có thể nuôi các tế bào Chlamydomonas reinhardii để nhận các tế bào đồng nhất (synchronous culture), khi thay đổi chu kì 12 giờ sáng 12 giờ tối đều đặn. Theo dõi tổng hợp DNA cho thấy DNA của lục lạp tổng hợp vào giờ thứ 5-6 ngoài sáng, còn DNA của nhân tổng hợp khoảng giờ thứ 16-18, sau đó chia tế bào đồng loạt. Một số đột biến kháng streptomycine đã được thu nhận và nhận thấy ở một số có sự di truyền trong nhân, số khác có sự di truyền ngoài nhân. 165 Hình 9.1 Gen nhân (yl) phân ly 2:2 trong quá trình tạo giao tử còn gen của lục lạp (sm) phân ly theo tỷ lệ 4:0 II. Phân tích di truyền ở vi nấm 1. Tính không dung hợp (incompatibility) ở vi nấm Khái niệm tính không dung hợp ở nấm được dùng để chỉ khả năng kết hợp với nhau giữa các dòng nấm trong sinh sản hữu tính. Cho đến nay gần 450 loài nấm đã được nghiên cứu về các kiểu không dung hợp. Sự không dung hợp được xác định về mặt di truyền. Theo kiểu dung hợp thì nấm được phân làm 2 loại: - Đồng tản (Homothallic) là khi có sự kết hợp với nhau giữa các tế bào (hay hệ sợi tơ-mycellium) giống nhau trong sinh sản hữu tính. Ví dụ,...ản (Hình 12.8). Transposon hỗn hợp và transposon đơn giản đều chứa các gene thêm vào liên quan đến chức năng mới ở tế bào vi khuẩn. Cả hai loại này thường được gọi chung là transposon. Transposon dài hơn yếu tố IS, thường chứa vài kb), chúng chứa các gene mã hóa cho protein thêm vào. 1.2. Cơ chế của sự chuyển vị Đầu tiên, transposase cắt vết hình chữ chi qua 5 cặp base (khác với sự cắt của enzyme restriction endonuclease) ở vi trí DNA mục tiêu (target site DNA) (Hình 12.9). Tiếp theo là sự hội nhập của transposon qua trung gian của transposase, transposon xen vào giữa các đầu mút của chữ chi. Đầu lồi ra của sợi đơn được sử dụng như là khuôn để tổng hợp sợi bổ sung thứ hai. Sự gắn vào tạo sự sao chép 5 cặp base, được gọi là sự sao chép điểm mục tiêu (target site duplication). Hầu hết các yếu tố di động của prokaryote đều sử dụng một trong 2 cơ chế chuyển vị: là sao chép (replicative) và bảo thủ (conservative) hay không sao chép. Trong con đường sao chép (như ở Tn3), một bản sao mới của yếu tố di động tạo ra khi chuyển vị, kết quả là một bản sao ở vị trí mới và bản sao còn lại ở vị trí cũ. Trong con đường bảo thủ (như ở trường hợp Tn10) không có sự sao chép. Thay vào đó, yếu tố được cắt ra từ nhiễm sắc thể hoặc plasmid và được gắn vào vị trí mới. Con đường này còn được gọi là con đường "cắt và dán" (cut and paste) 232 Hình 12.9. Sự nhân đôi đoạn trình tự DNA ngắn ở điếm xen vào (insertion site) 2. Các yếu tố di truyền vận động ở eukaryote Các yếu tố di truyền vận động ở eukaryote chia làm 2 nhóm: nhóm là các retrotransposon và nhóm 2 là các DNA transposon. 2.1. Các retrotransposon Gery Fink và cs. là những người đầu tiên sử dụng nấm men để nghiên cứu điều hoà hoạt tính gene ở eukaryote. Các tác giả này đã phân lập được hàng ngàn đột biến gene HIS4 mã hóa enzyme tham gia tổng hợp histidine. Trong số hơn 1.500 đột biến ngẫu nhiên HIS4 được tìm thấy có 2 đột biến có kiểu hình không bền vững. Các đột biến không bền vững này có tần số phục hồi lại dạng kiểu dại cao 1.000 lần hơn các đột biến HIS4 khác. 233 Những đột biến này cho đoạn DNA lớn xen vào gene HIS4, sự xen vào này được thực hiện do một trong các yếu tố là Ty của nấm men. Có 35 bản sao của yếu tố xen đoạn gọi là Ty1 ở genome của nấm men. Việc tạo dòng những yếu tố này từ các allele đột biến cho thấy xen đoạn này không giống với yếu tố IS hoặc transposon của vi khuẩn. Thay vào đó chúng có đặc tính của retrovirus (virus của động vật). Có sự giống nhau trong cấu trúc và thành phần gene của retrovirus và yếu tố Ty1 được phân lập từ đột biến HIS4. Giống với retrovirus, transposon của nấm men có lặp đoạn cuối dài (long terminal repeat sequence) LTRs, chứa hàng trăm cặp base, được gọi là trình tự δ nằm ở 2 phía đoạn mã hóa, cả hai đều chứa gene gag và gene pol. Retrovirus có ít nhất 3 gene mã hóa cho 3 protein trong quá trình sao chép: gene gag mã hóa cho một protein có vai trò làm biến tính RNA genome. Gene pol mã hóa enzyme reverse transcriptase. Gene env mã hóa cho protein vỏ. Yếu tố Ty chỉ chứa gene gag và gene pol, không chứa gene env. (Hình 12.10) Hình 12.10 Sự chuyển vị nhờ retrotransposition 234 Mô hình về sự chuyển vị nhờ retrotransposon. Một bản phiên mã RNA từ retrotransposon dưới tác dụng của enzyme phiên mã ngược tạo thành DNA nhờ enzyme reverse transcriptase được mã hóa bởi retrotransposon. Bản sao DNA được chèn vào vị trí mớI trên bộ gene. Vào năm 1985, J.Bocke và G. Fink đã chứng minh, yếu tố Ty1, giống với retrovirus, thực hiện việc di chuyển qua trung gian RNA. Chúng bắt đầu bằng biến đổi yếu tố Ty1 của nấm men được tạo dòng trên plasmid. Trước tiên ở một đầu mút của yếu tố, có sự xen vào một promotor được hoạt hóa nhờ thêm galactose vào môi trường. Thứ hai, một intron từ một gene khác của nấm men được đưa vào vùng mã hóa của transposon Ty. Sự thêm vào galactose làm tăng tần số chuyển vị của yếu tố Ty bi biến đổi. Điều này làm tăng số lượng RNA, vì galactose kích thích phiên mã RNA Ty bắt đầu từ promotor nhạy cảm galactose. Nhiều đột biến ngẫu nhiên được phân lập ở ruồi dấm cho thấy cũng chứa retrotransposon. Yếu tố copia của ruồi dấm cấu trúc tương tự với yếu tố Ty của nấm men. Chúng xuất hiện từ 10-100 vị trí trên bộ gene của ruồi dấm. Những đột biến nhất định của ruồi dấm là kết quả của sự xen vào của yếu tố copia và những yếu tố khác. Chẳng hạn, đột biến white-apricot (wa) về màu mắt của ruồi dấm tạo ra do sự xen vào yếu tố của họ copia ở locus white. Sự xen retrotransposon LTR vào các gene ở thực vật như ở ngô, cũng góp phần tạo ra các đột biến ngẫu nhiên. 2.2. DNA transposon Nhiều yếu tố di động được tìm thấy ở eukaryote chuyển vị bằng cơ chế giống với vi khuẩn. Bản thân yếu tố IS và transposon hoặc là bản sao của chúng có thể xen vào vị trí mới trên genome. Các yếu tố di chuyển theo cách này được gọi là yếu tố nhóm 2 hoặc DNA transposon. Yếu tố di động được McClintok phát hiện đầu tiên ở ngô là các DNA transposon. Tuy nhiên tính đặc trưng phân tử của DNA transposon đầu tiên lại là yếu tố p ở ruồi dấm. Yếu tố p được phát hiện khi nghiên cứu thể lai mất khả năng sinh sản (dysgenesis), hiện tượng xảy ra khi lai ruồi cái thuộc chủng phòng thí nghiệm với ruồi đực ở quần thể tự nhiên. Trong phép lai như thế, chủng phòng thí nghiệm được xem là có kiểu tế bào M (M cytotype) và giống gốc 235 tự nhiên được xem là có kiểu tế bào P (P cytotype). Phép lai của M (cái) x P (đực) cho thế hệ sau kiểu hình ở dòng mầm với gồm dạng bất thụ với tỷ lệ đột biến, tần số sai hình nhiễm sắc thể và không chia ly nhiễm sắc thể cao. Phép lai nghịch không xảy ra hiện tượng thoái hóa giống (dysgenics). Đột biến dysgenics không bền, chúng có thể phục hồi dạng kiểu dại hoặc biến đổi thành allele đột biến khác với tần số cao. Sự giống nhau về đột biến không bền vững ở ruồi dấm và ở ngô đưa đến giả thuyết đột biến dysgenic được gây ra do sự xen yếu tố di động vào những gene đặc biệt, làm chúng bị bất hoạt. Chẳng hạn hầu hết các đột biến trên ở ruồi dấm do xen yếu tố di động vào gene white. Những yếu tố như vậy gọi là yếu tố p, có từ 30-50 bản sao trên genome ở chủng P và hoàn toàn vắng mặt ở chủng M. Yếu tố P có chiều dài từ 0,5-2,9 kb. Kích thước khác nhau này do do nhiều yếu tố P không đầy đủ mà bị mất đoạn ở giữa. Yếu tố P với kích thước đầy đủ tương đương với transposon đơn giản ở vi khuẩn, có đầu mút là đoạn lặp đảo ngược ngắn (31 bp) và nó mã hóa cho transposase. Gene mã hóa cho transposase ở eukaryote chứa 3 intron và 4 exon. Ở ngô, yếu tố Ac và Ds có thể di chuyển trên nhiễm sắc thể , tác động lên các gene kiểm tra màu sắc của các hạt aleuron. Các yếu tố này được phân lập cho thấy có liên quan với DNA transposon của vi khuẩn và của các eukaryote khác. Giống với yếu tố P của ruồi dấm, yếu tố Ac có đoạn cuối lặp lại đảo ngược mã hóa cho transposase, yếu tố Ds lại không mã hóa cho transposase. Khi Ac trên genome, transposase của nó có thể bám vào đầu mút của cả yếu tố Ac và Ds và khởi động sự chuyển vị của chúng.. Yếu tố Ac và Ds là thành viện của họ transposon đơn giản. Ngoài ra, còn có các họ yếu tố di động khác ở ngô. Mỗi họ chứa yếu tố tự động mã hóa cho transposase có thể chuyển được yếu tố trong cùng một họ, nhưng không thể chuyển đến các họ khác vì transposase chỉ có thể bám vào đầu mút của các thành viên trong họ. Ở người, yếu tố di động chiếm một nữa genome người. Đa số yếu tố di động thuộc 2 dạng retrotransposon là yếu tố nhân rãi rác kích thước dài (long interspersed nuclear element) LINEs và yếu tố nhân rãi rác kích thước ngắn (short interspersed nuclear element) SINEs. LINE di chuyển nhờ retrotransposition đã sử dụng yếu tố mã hóa reverse transcriptase, nhưng lại thiếu một vài tính chất về cấu trúc của yếu tố giống retrovirus bao gồm LTR. 236 SINE được mô tả như là LINE không tự động, vì chúng có tính chất cấu trúc đặc trưng của LINE nhưng không mã hóa cho reverse transcriptase riêng. Người ta cho rằng chúng di chuyển được nhờ enzyme reverse transcriptase được mã hóa bởi LINE trong genome. SINE ở người được gọi là trình tự Alu vì nó chứa trình tự điểm cắt của enzyme cắt hạn chế Alu. Genome của người chứa hơn 1 triệu trình tự Alu chỉ một phần hoặc toàn bộ, chiếm hơn 10% genome của người. Trình tự Alu đầy đủ có kích thước 200 nucleotide. DNA genome mang yếu tố di động lớn hơn 20 lần DNA mã hóa cho tất cả protein người. Tần số đột biến ngẫu nhiên do xen vào yếu tố nhóm 2 là thấp chưa đến 0,2% trong tổng các đột biến ngẫu nhiên. Trong khi đó ở những tế bào động vật khác như chuột do xen retrotransposon lên đến 10% đột biến ngẫu nhiên, cao hơn 50 lần ở người có lẽ liên quan với hoạt tính của yếu tố retrotransposon cao hơn ở chuột. Câu hỏi ôn tập 1. Vì sao phần lớn các đột biến ảnh hưởng đến các gene cấu trúc thường là lặn so với các allele hoang dại? 2. Sự hình thành đột biến dịch khung diễn ra như thế nào? 3. Các hóa chất gây đột biến có đặc điểm gì? 4. Giải thích cơ sở đột biến của các tác nhân gây đột biến sau: 5- bromuracil, acid nitrơ và acridin. Xác định xem chúng tạo ra dạng đột biến nào (đồng hoán, đảo hoán hay dịch khung)? 5. Hãy mô tả một loại sai hỏng ngẫu nhiên dẫn đến đột biến. 6. Phân tích sự giống nhau và khác nhau giữa các kiểu transposition. 7. Các trình tự đảo ngược có vai trò gì trong transposition? 8. Cho một chuỗi trình tự nucleotid trên mRNA như sau: Dạng hoang dại: ... 5' AAUCCUUACGGA 3' ... Dạng đột biến: .... 5' AAUCCUACGGA 3' ... Hãy cho biết sai hỏng trên xảy ra do loại đột biến nào? 9. Đột biến xảy ra trong trình tự nucleotid do kết cặp nhầm như sau: 5' AGCTGCCTT 3' 237 3' ACGATGGAA 5' (mạch khuôn) ↓ mRNA Hãy cho biết acid amin nào sẽ được tìm thấy ở codon có nucleotid bị thay đổi như trên? 10. Ở bắp, tần số đột biến của locus R (màu cây) rất câo: 492 đột biến trên 106 giao tử. Gene tạo màu đỏ của nội nhủ Pr có tần số đột biến là 11 đột biến trên 106 giao tử. Hãy cho biết cần phải phân tích bao nhiêu cây mới tìm được 1 đột biến kép của 2 gen trên? 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. Hoàng 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, Companies, Inc., United States of America. Watson D.J, Baker T.A., Bell S.P., Gann A., Levine M., Losick R. 2004. Molecular biology of the gene. Benjamine Cummings, San Francisco, United States of America. 238 Chương 13 Đôt biên nhiêm săc thê Mục tiêu của chương Giới thiệu cac loai đôt biên câu truc nhiêm săc thê, bản chât của vật chất di truyền là DNA, thành phần, cấu trúc của phân tử DNA, dạng DNA khác nhau trong tế bào. Số tiết: 3 Nội dung I. Đột biến câu truc nhiêm săc thê Các đột biến cấu trúc NST hay còn gọi là sai hình NST (chromosome structure) hay cấu trúc lại NST (chromosome rearrangement) được phát hiện bằng phương pháp tế bào học. Các đột biến loại này thực chất là sắp xếp lại các gen hoặc giảm hay tăng liều lượng gen. Hình 13.1 Cơ chế phát sinh một số đột biến cấu trúc nhiễm sắt thể 239 Hinh 13.2 Cac dang đột biến nhiêm săc thê Các sai hình NST có thể chia thành 2 loại: Bên trong NST: mất đoạn, đảo đoạn, tăng đoạn Giữa các NST: chuyển đoạn 1. Biến đổi cấu trúc trên một NST: 1.1. Sự phát sinh các đột biến cấu trúc trên NST Sai hình NST liên quan đến sự đứt đoạn của NST. Có khi 1 NST bị đứt ra quá 2 đoạn và sau đó được nối lại nhưng thường không giữ cấu trúc cũ. Điều đó dẫn đến nhiều kiểu đột biến cấu trúc NST khác nhau. Các đoạn vòng tròn không tâm động thường bị mất đi trong phân bào. Có thể xảy ra trường hợp 2 đoạn có tâm động nối nhau, khi phân bào sẽ bị kéo căng ra 2 đầu thành cầu chromatid và sau đó bị đứt ra không đều tạo ra một cái mất đoạn và cái kia tăng đoạn. 1.2. Mất đoạn Sự thiếu một đoạn NST gồm 2 loại: mất đoạn (deletion) ở giữa NST và mất đỉnh (deficiency). Đoạn NST bị mất nếu nhỏ có thể mang 1 gen hoặc một phần gen. Trong trường hợp này hiệu quả kiểu hình có thể giống như xuất hiện alen đột biến ở locus đó. Các mất đoạn không có đột biến nghịch, bởi 240 vì đoạn NST bị mất khó ngẫu nhiên được gắn trở lại do đột biến. Nhờ đó mất đoạn có thể phân biệt với đột biến gen. Sự mất một đoạn dài NST thường gây chết do sự mất cân bằng di truyền của bộ gen. Hình 13.3 Sơ đồ mô tả hiện tương "giả trội" Sự mất đỉnh của đoạn NST mang gen trội A cho phép alen lặn a có biểu hiện kiểu hình. Khi một sinh vật dị hợp tử (Aa), sự mất đoạn có A thì alen lặn a trên NST kia có biểu hiện kiểu hình. Hiện tượng này gọi là "giả trội" (Pseudodominant), thật ra locus tương ứng ở trạng thái bán dị hợp tử (Hemizygote). Tiếp hợp ở giảm phân I khi có mất đoạn Sự mất đoạn ở cá thể dị hợp có thể phát hiện ở kì trước của giảm phân I khi các NST tương đồng bắt cặp. Nếu có mất đoạn sẽ thấy xuất hiện một vòng tròn do không có đoạn NST tương đồng. Ví dụ về đột biến mất đoạn ở người: khi mất vai ngắn của NST số 5, karyotype 46,XY,del(5p) dẫn đến hội chứng mèo kêu (Cri du chat). Trẻ sơ sinh bị hội chứng này có tiếng khác như mèo kêu. Bệnh được gặp với tần số 1/50.000 trẻ, biểu hiện chậm trí, đầu nhỏ và hiếm khi sống được tới lúc trưởng thành. Sự mất một phần vai dài của NST số 22 (được gọi là NST Philadelphia, lấy tên thành phố nơi phát hiện ra đầu tiên). Nó được tìm thấy ở tế bào tủy xương (cùng với các tế bào có NST bình thường) của 90% 241 những người bệnh bạch huyết myelocyt kinh niên (một dạng ung thư). Thường đoạn bị mất đó được chuyển đến một NST dài hơn (thường là NST số 9). 1.3. Lặp đoạn (tăng đoạn - Duplication) Các lặp đoạn NST có thể tăng lên bằng nhiều cách khác nhau. Nói chung sự lặp đoạn không gây hậu quả nặng nề như mất đoạn, thậm chí một số lặp đoạn có lợi cho tiến hóa là tạo vật liệu di truyền mới. Lặp đoạn có thể ở cạnh nhau, xa nhau trên cũng một NST hay ở vào các NST khác. Nhờ lặp đoạn có thể nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng và vị trí khác mức bình thường của một đoạn NST hay gen. Kiểu hình của lặp đoạn có khi trội, có khi lặn hay trung gian hoặc có tác động tích lũy. Trường hợp điển hình về lặp đoạn là đột biến trội mắt thỏi Bar (B) nằm trên NST X của Drosophila. Trường hợp tăng một đoạn, dị hợp tử +/Bar thì mắt bé hơn bình thường một ít, hẹp cạnh nên có dạng kéo dài. Ruồi đồng hợp BB có mắt nhỏ hơn. Nếu lặp đoạn đôi, tăng hơn bình thưòng 2 đoạn sẽ là đột biến Bar kép, có kiểu hình mắt nhỏ hơn nữa nên gọi là "thỏi kép". Số đoạn lặp lại có thể đến 7 đoạn thành "siêu Bar" mắt nhỏ nhất. Gen mắt thỏi B có tác động gia tăng theo chiều giảm kích thước mắt, số đoạn lặp càng nhiều, mắt càng bé. Có trường hợp khác, lặp đoạn tác động theo hướng ngược lại, số đoạn càng tăng thì kiểu hình càng trở về bình thường hơn. Các kiểu gen hoang dại, Bar và Bar kép tương ứng với các đoạn trên NST khổng lồ Sự tăng đoạn Bar như một nhân tố trội về mặt di truyền. Khi nuôi các ruồi Bar đồng hợp tử BB nhận thấy các ruồi hoang dại xuất hiện ở ruồi con với tần số1/1.600 và các ruồi Bar kép cũng xuất hiện với tần số tương tự. Sự xuất hiện các kiểu hình bất thường có thể giải thích bằng trao đổi chéo không cân bằng khi tiếp hợp ở giảm nhiễm I. 1.4. Đảo đoạn (Inversion) Đảo đoạn xảy ra lúc đoạn trong đứt đi quay 1800 rồi được nối lại. 242 Giả sử trình tự bình thường của đoạn NST là 1-2-3-4-5-6, hai chỗ bị đứt xảy ra ở vùng 2-3 và 5-6 và đoanh bị đứt nối đảo ngược. Như vậy NST có đoạn 1-2-5-4-3-6 Hình 13.4 Nguồn gốc của đảo đoạn Đảo đoạn mang tâm động (Pericentric inversion) Tâm động nằm bên trong đoạn bị đảo. Trong giảm nhiễm I các NST tương đồng khi tiếp hợp sẽ tạo vòng tròn kép. Nếu trao đổi chéo xảy ra giữa 2 sợi NST đơn trong vùng đảo đoạn thì 2 chromatid đó của mỗi NST thường có chiều dài không cân bằng nhau. Trong trường hợp này, một nữa sản phẩm của giảm phân vừa có lặp đoạn lại có mất đoạn nên mất sức sống. Nữa khác của các giao tử (không có trao đổi chéo) có sức sống bình thường gồm 1/4 có đoạn với trình tự gen bình thường và 1/4 có đảo đoạn. Ví dụ ở dị hợp tử có đảo đoạn xảy ra trao đổi chéo ở vùng 3-4. Các NST tái tổ hợp có đoạn trắng đoạn đen đều làm giao tử mất sức sống vì có gen thừa, có gen thiếu. + NST đen trắng bên trái có các gen (6-3-4-56) (2 gen 6, thiếu gen 1- 2) + NST đen trắng bên phải có các gen (1-2-5-4-3-2-1) (2 gen 1-2, lại thiếu gen 6) 243 Hình 13.5 Trao đổi chéo xảy ra ở đoạn đảo Hinh 13.6 Căp nhiêm săc thê di hơp do đao đoan hinh thanh vong trong giam phân (a) Sơ đô của sư tao vong (b) Anh chup hiên vi điện tư qua trinh tao vong 244 a b Đảo đoạn không mang tâm động (Paracentric inversion) Hinh 13.7. Trao đôi cheo xay ra ơ đoan bi đao Hinh 13.8 San phâm giam phân do kết qua trao đôi cheo đơn ơ vong đao đoan không mang tâm động 245 Tâm động nằm ngoài đoạn bị đảo. Trao đổi chéo xảy ra bên trong đoạn đảo tạo NST hướng tâm (có 2 tâm động - dêcntric chromosome) và trong kì sau I sẽ tạo nên cầu nối, nối 2 cực tế bào. Cầu nối sẽ bị đứt ở bất kì chỗ nào tạo ra các đoạn không cân bằng chứa lặp đoạn hoặc mất đoạn. Ví dụ trường hợp xảy ra trao đổi chéo giữa 4-5 Trao đổi chéo xảy ra ở đoạn không mang tâm động Các NST không có trao đổi chéo (trắng cả hay đen cả) tạo giao tử có sức sống, số khác tạo giao tử mất sức sống vì không cân bằng di truyền. Đoạn không tâm động (acentric fragment) tạo ra sẽ bị mất vì không di chuyển được về cực. Một nữa sản phẩm của giảm phân sẽ mất sức sống vì do thừa và thiếu gen, 1/4 có sức sống bình thường và 1/4 có sức sống với NST có đảo đoạn. Biến đổi cấu trúc giữa các NST 1.5. Chuyển đoạn (Translocation) Chuyển đoạn là sự trao đổi các đoạn giữa các NST không tương đồng. Trao đổi đoạn có thể xảy ra trong đôi NST tương ứng (thường khác chức năng) như giữa X và Y hoặc giữa các NST khác đôi. Sự chuyển đoạn thuận nghịch (reciprocal) xảy ra do sự tao đổi các đoạn giữa 2 NST không tương đồng. Trong giảm phân, các NST có chuyển đoạn tiếp hợp với nhau tạo nên hình chéo. Tiếp theo khi các NST đẩy nhau để về các cực, sẽ có 2 trường hợp: + Bốn NST vào cuối kỳ trước I đẩy nhau tạo nên vòng tròn. Sự phân ly trong trường hợp này sẽ tạo nên các giao tử không sức sống vì mang một số NST có dư hoặc thiếu gen. Ví dụ: 1-4-3-4 thiếu 2 và 1-2-2-3 thiếu 4. + Sự hình thành số 8 do đẩy chéo nhau giữa các NST. Trong trường hợp này các giao tử được tạo nên có sức sống vì có cân bằng gen (mỗi giao tử đều có 1-2-3-4). Hai trường hợp trên xảy ra với xác suất như nhau nên các dạng có chuyển đoạn thường nữa bất dụcc (50% giao tử chết). Tiêu chuẩn thứ hai để phát hiện các chuyển đoạn là có sự thay đổi nhóm liên kết gen. Một số gen của một nhóm liên kết gen có thể chuyển sang nhóm liên kết gen khác. Ngoài các hệ quả di truyền trên, chuyển đoạn có thể gây hiệu quả vị trí 246 (position effect). Các gen khi dời chỗ có thể có biểu hiện khác, ví dụ từ vùng đồng nhiễm sắc (euchromatin) chuyển sang vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin) ít có hoạt tính hơn. Hinh 13.9 Qua trinh giam phân xay ra ơ thê di hơp chuyên đoan Sự hình thành chuyển đoạn và sự tiếp hợp của chúng trong giảm phân I * Nhiễm sắc thể đều (Isochromosome) Các NST có hai vai dài không đều nhau có thể chuyển thành NST đều với 2 vai bằng nhau về chiều dài và tương đồng với nhau về mặt di truyền nhờ sự phân chia tâm động khác thường vuông góc với sự tách tâm động bình thường. NST X tâm mút của Drosophila có thể chuyển thành dạng"X dính" do sự phân chia tâm động theo chiều vuông góc với bình thường. Do sự phân chia khác thường đó, 2 chromatid thay vì phân li về 2 cựu lại dính nhau, có đoạn bị mất. 247 * Chuyển đoạn Robertson (Robertsonian translocation) Một chuyển đoạn đặc biệt được gọi là Robertson. Đây là trường hợp hình thành NST tâm giữa do sự nối lại của 2 NST. Chuyển đoạn thuận nghịch được thực hiện giưa 2 NST tâm đầu A và B, khi A bị đứt phía dưới tâm động tạo vai dài mất tâm động, còn B bị đứt ở đầu mút ngắn trên tâm động, 2 đoạn nối nhau tạo NST tâm đều mang tâm động của B. Đoạn có tâm động A với vai ngắn nối với đoạn ngắn của B hình thành NST con có tâm động A. NST con mới có nhiều châtss dị nhiễm sắc không quan trọng nên thường mất đi. Chuyển đoạn Robertson có hậu quả làm giảm số lượng NST. Hinh 13.10 Chuyên đoan Roberson Sự hình thành NST tâm giữa do sự nối lại của 2 NST tâm đầu (chuyển đoạn Robertson) Người có 46 NST, các vượn người (hắc tinh tinh, khỉ đột, đười ươi) có 48 NST. NST thứ hai của người gồm hai đoạn giống 2 NST khác nhau của các vượn người. Rất có thể từ tổ tiên chung, một chuyển đoạn Robertson đã tạo nên loài người do sự nối lại của 2 NST khác nhau, làm giảm số lượng còn 46 thay vì 48 như ở các loài vượn người. II. Đột biến số lượng NST. Đa bội thể (polyploidy): hiểu theo nghĩa rộng là sự thay đổi số lượng NST. Sự thay đổi số lượng NST có nhiều kiểu: đa bội nguyên (euploidy), đa bội lai (alloploidy) và đa bội lệch (aneuploidy) 1. Đa bội nguyên 248 Sự tăng nguyên lần bộ NST đơn bội của một loài, được gọi là đa bội thể nguyên hay đa bội thể thuần. Đây là đa bội hiểu theo nghĩa hẹp, nếu có cá thể 2n NST thì dạng 3n, 4n, 5n ... là các dạng đa bội thể. - Thể đơn bội (Monoploid): một số sinh vật Eukaryote bậc thấpnhư vi nấm, vi tảo có nhân dơn bội. Các cơ thể đơn bội ở sinh vật bậc cao thường ít hơn và có sức sống kém hơn dạng lưỡng bội bình thường. Các thực vật đơn bội đã được tìm thấy nhưng thường bất thụi. Một số ít động vật tồn tại ở dạng đon bội. Một ngoại lệ đáng lưu ý là ong đực và ong vò vẽ. - Thể tam bội (Triploid): tam bội NST (3n) có thể được tạo nên do sự kết hợp giữa các giao tử đơn bội với giao tử lưỡng bội. Bộ NST đon bội thứ ba của thể tam nhiễm thường phân bố vào các tế bào sinh dục với nhiều loại tổ hợp khác nhau, tạo nên các giao tử mất cân bằng di truyền. Các thể tam bội có độ bất thụ cao nên trong thiên nhiên, chúng thường ở dạng sinh sản vô tính như cây chuối. - Thể tứ bội (Tetraploid): tứ bội NST (4n) có thể xuất hiện trong các tế bào cơ thể do sự tăng đôi số NST của tế bào soma. Sự tăng đôi số NST có thể xảy ra nhờ tác động của alkaloid colchicine vào tế bào hoặc do sự hợp nhất của các giao tử 2n. Trong cơ thể lưỡng bội, tế bào một số mô chuyên biệt trở thành đa bội. Ví dụ một số tế bào gan của người là thể đa bội, nội nhủ của hạt nhiều loài thực vật là thể tam bội. Hinh 13.11 Thê lương bội (phia trai) va thê tư bội (phia phai) cua nho 249 2. Đa bội thể lai: còn gọi là thể dị bội Đa bội thể lai có được khi cả 2 bộ NST của 2 loài khác nhau cùng đứng chung trong một tế bào (2nA + 2nB). Hình 13.12 Thể đa bội lai ở lúa mì 250 Hinh 13.13 Thê đa bội lai tao thanh khi lai giưa hai loai Raphanus vơi Brassica 3. Đa bội lệch hay đa nhiễm Sự thay đổi số lượng NST chỉ liên quan đến một cặp hoặc một số cặp NST được gọi là đa bội thể lệch. Các dạng đa bội thể lệch: + Thể đơn nhiễm hay thể một (2n - 1) + Thể tam nhiễm hay thể ba (2n + 1) + Thể tứ nhiễm hay thể bốn (2n + 2) + Thể tam nhiễm kép (2n + 1 + 1) + Thể vô nhiễm hay thể không (2n - 2) Hinh 13.14 Cơ chế hinh thanh cac giao tư thưa hoc thiếu nhiêm săc thê do sư không chia ly cua nhiêm săc thê trong giam phân 251 Các thể đa bội lệch ở người: Ở người nhiều hội chứng di truyền do các thể đa bội lệch làm thay đổi số lượng cặp NST giới tính, đưa đến các dạng: XXX (siêu nữ), XXY (Klinefelter), OX (Turner), OY (chết) + Hội chứng Turner do Henry Turner mô tả đầu tiên ở người nữ mất một NST X (OX), có công thức 2n - 1 = 45. Hội chứng có nhiều biểu hiện đặc trưng như lùn (chiều cao < 1,5 m), cơ quan sinh dục kém phát triển (không dậy thì), kém thông minh ... Hình 13.15 Đặc điểm hội chứng Turner (XO) + Hội chứng Klinefelter do Henry Klinefelter mô tả ở những người nâm dư 1 NST X (XXY), công thức 2n + 1 = 47. Hội chứng có những biểu hiện đặc trưng như bất thụ, ngón tay, chân dài, phát triển ngực, có tính nữ và suy giảm trí tuệ. 252 + Người siêu nữ (XXX)_ do dư một NST X, bộ gen 2n + 1 = 47, thoái hóa, suy giảm trí tuệ. + Hội chứng Down do Langdon Down phát hiện, thường là tam nhiễm ở cặp NST số 21 của người. Tỷ lệ xuất hiện khoảng 1/600 ở trẻ sơ sinh. Người bệnh có một số biểu hiện đặc trưng như: thoái hóa trí tuệ, mắt giống mắt người Mông cổ. Có mối liên hệ thuận giữa số trẻ sinh ra mắc bệnh Down và tuổi của các bà mẹ. Tỷ lệ đó là 1/500 ở các bà mẹ 20 - 30 tuổi, 1/300 ở các bè mẹ 40-45 tuổi và 1/60 ở các bà mẹ lớn hơn 45 tuổi. Tuổi cha hầu như không ảnh hưởng. Ở người các đơn nhiễm ít thấy hơn, có lẽ do mang nhiều gen lặn nguy hiểm, nên ở trạng thái bán hợp tử khó sống. Hình 13.16 Đặc điểm hội chứng Clinefelter (XXY) 253 Hinh 13.16 Nguôn gôc Hội chưng Down 254 Hình 13.17 Đặc điểm hội chứng Down III. Đột biến gây tạo hay cảm ứng 1. Tác động gây đột biến của bức xạ ion hóa Tia X, các tia phóng xạ α, β, γ, các neutron và cả tia tử ngoại đều là các tác nhân gây đột biến. Trừ tia tử ngoại có khả năng xuyên thấu yếu nên chỉ tác động lên các sinh vật đơn bào và giao tử, các tia khác đều có tác dụng gây đột biến lên tất cả các dạng sinh vật. Tác dụng gây đột biến của phóng xạ có 2 đặc điểm: - Không có ngưỡng tác dụng, tức không có liều vô hại - Số lượng đột biến tỷ lệ thuận với liều lượng phóng xạ, không phụ thuộc cường độ và thời gian chiếu xạ 1.1. Bức xạ ion hóa Ánh sáng nhìn thấy chỉ là một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ. Sóng có bước sóng càng ngắn thì chứa năng lượng càng lớn và khả năng xuyên thấu càng mạnh. So với ánh sáng nhìn thấy (bước sóng khoảng 10-4 µ m), các tia X, tia γ, tia vũ trụ có bước sóng từ 1 nm và ngắn hơn, được gọi là bức xạ ion hóa. Các bức xạ này được tạo ra nhờ các máy chiếu tia X, proton, neutron và được phát ra từ các nguồn phóng xạ như radium, cobalt 60, ... tạo các tia anpha, beta và gamma 1.2. Ảnh hưởng của liều lượng (dose) và cường độ bức xạ (radiation intensity) Các thí nghiệm sau năm 1927 với bức xạ năng lượng cao cho thấy các đột biến gây tạo (đột biến cảm ứng) phụ thuộc rất lớn vào liều lượng, liều càng lớn tần số đột biến càng cao. Khi liều lượng quá cao, sự phụ thuộc có phức tạp hơn, có thể do nhiều tế bào bị chết. Điểm đáng lưu ý, nhiều nghiên cứu cho thấy các bức xạ ion hóa có hiệu quả gây đột biến ở tất cả các sinh vật và không có liều lượng ngưỡng, có nghĩa là dù liều lượng thấp vẫn có khả năng gây đột biến. 2. Tác động của tia tử ngoại 255 Tia tử ngoại có bước sóng dài (10-5-10-6 cm) nên khó tạo ion, có lẽ chỉ tác động đến những chất hấp thu nó trực tiếp. Trong tế bào các chất hữu cơ mạch vòng chủ yếu như purin và pyrimidin hấp thu trực tiếp tia tử ngoại. Mối liên quan chặt chẽ giữa tia tử ngoại và các cấu phần ADN đã được chứng minh. ADN hấp thu tia tử ngoại mạnh nhất ở bước sóng 2537 Ơ, đây chính là bước sóng làm tăng tần số đột biến ở hạt phấn cây bắp. Dưới tác dụng của tia tử ngoại, cytosine gắn thêm phân tử nước vào liên kết C=C của mạch vòng và thymine bị đứt liên kết C=C mạch vòng nối 2 phân tử thành dimer thymine. 3. Các tác nhân gây đột biến hóa chất Có nhiều hóa chất gây biến dị di truyền, đến nay đã tìm ra những hóa chất cho hiệu quả đột biến cao hơn phóng xạ. Các hóa chất gây đột biến có đặc điểm là chỉ có thể gây hiệu quả đột biến đối với một số ít đối tượng. Các tác nhân gây đột biến hóa học có thể chia thành các nhóm sau: Nhóm 1: Các chất ức chế tổng hợp bazơ nitơ trong cấu trúc ADN như cofein, ethyl uretan ... Nhóm 2: các chất đồng đẳng với bazơ nitơ như cofein, 5-bromuracil, các chất này gần giống với bazơ nitơ nên ADN gắn nhầm khi tổng hợp. Nhóm 3: Các chất alkyl hóa làm đứt mạch ADN như ethyl methanesulfonate (EMS), methyl methanesulfonate (MMS), ethylene imine (EI) ... Nhóm 4: Các chất khác như chất oxy hóa - khử như HNO2, hydroxygenlamine (H2NOH). Nhóm 5: Các chất chêm vào ADN gồm proflavin, chất màu acridin. Tất cả tác nhân gây đột biến đều là tác nhân gây ung thư, nhưng các tác nhân gây ung thư không phải đều gây đột biến. Hiện nay nhiều tác nhân gây đột biến được sử dụng trong chọn giống nhằm tăng nguồn biến dị. Câu hỏi và Bài tập !. Bản chất và hậu của của đứt gãy và nối lại của nhiễm sắc thể. 2. Hậu quả của đảo đoạn. 256 3. Các hình dạng quan sát được trong giảm nhiễm của đồng hợp chuyển đoạn. 4. Hậu quả của trao đổi chéo đơn ở quá trình hình thành bộ bốn ở thể dị hợp chuyển đoạn là gì? 5. Mô tả sự kiện di truyền dẫn đến sự hình thành ngưới nam XYY. 6. Sự không phân ly của nhiễm sắc thể giới tính xảy ra ở người nữ trong lần giảm phân thứ hai đã tạo ra những loại trứng nào? 7. Giải thích sự tăng độ hứu thụ ở thể lai khác loài khi có sự nhân đôi số lượng nhiễm sắc thể của chúng. 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. Hoàng 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, Companies, Inc., United States of America. Watson D.J, Baker T.A., Bell S.P., Gann A., Levine M., Losick R. 2004. Molecular biology of the gene. Benjamine Cummings, San Francisco, United States of America. 257