Bài giảng Di truyền học - Trường ĐH Võ Trường Toản (Năm 2022)

Chia sẻ: Lôi Vô Kiệt | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Di truyền học được biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên những nội dung tổng quan về: di truyền tế bào học; di truyền phân tử; axit nucleic; protein – cơ chế sinh tổng hợp protein; đột biến gen và hậu quả; di truyền y học; di truyền đa yếu tố; di truyền tế bào học lâm sàng; di truyền học quần thể; di truyền học cổ điển; di truyền sau Menden;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Di truyền học - Trường ĐH Võ Trường Toản (Năm 2022)

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC VOÕ TRÖÔØNG TOAÛN KHOA DƢỢC  BÀI GIẢNG MÔN HỌC DI TRUYỀN HỌC Đơn vị biên soạn: KHOA DƢỢC Năm 2022 1
PHẦN I: DI TRUYỀN TẾ BÀO HỌC 1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC - ÐỜI SỐNG CỦA TẾ BÀO 1.1. ThÀNH phÇn hãa häc cña tÕ bÀO 1.1.1. Thành phần nguyên tố Trong tÕ bào ngừêi ta ®· t×m thÊy 74/103 nguyªn tè hãa häc cã trong tù nhiªn. Tuy nhiªn phÇn lín c¸c nguyªn tè này ë d¹ng tù do trong dÞch tÕ bào và chØ xÊp xØ 30 nguyªn tè liªn kÕt víi c¸c chÊt h÷u c¬ cña chÊt nguyªn sinh dưíi c¸c h×nh thøc liªn kÕt và cã ®é bÒn kh¸c nhau. C¸c nguyªn tè C, H, O, N, S, P là thành phÇn x©y dùng c¸c hîp chÊt h÷u c¬ cña tÕ bào (t¹o thành c¸c liªn kÕt ho¸ häc bÒn v÷ng). Trong chÊt nguyªn sinh hàm lưîng C vào kho¶ng: 43-48%, H: 7%, N: 8-12%. Ngoài ra c¸c nguyªn tè kh¸c như: K, Ca, Na, Fe, Mg, Cl, Si, Al còng thưêng chiÕm 0,05-1% träng lưîng kh« cña tÕ bào. Lưîng chøa cña 14 nguyªn tè nªu trªn (nguyªn tè ®a lưîng) ®· tíi 99,95% träng lưîng kh« cña tÕ bào. Bªn c¹nh ®ã, trong tÕ bào cßn chøa c¸c nguyªn tè vi lưîng (Cu, Zn, Co, B, Br…) và siªu vi lưîng (I, Ni, Pb, Ag, Au, Ra, ...) ≈ 0,1%. C¸c nguyªn tè vi lưîng và siªu vi lưîng ®ãng vai trß là cÇu nèi (b»ng liªn kÕt ho¸ trÞ) trong sù h×nh thành c¸c cao ph©n tö và c¸c tæ hîp ®a ph©n tö, chóng cßn gi÷ vai trß là t¸c nh©n ho¹t ho¸ c¸c hÖ enzym, ®iÖn ho¸ và thóc ®Èy c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt. Như vậy: C, H, O, N là 4 nguyªn tè cã nhiÒu trong khÝ quyÓn và vá tr¸i ®Êt. Sù sèng thÓ hiÖn ë c¸c mèi quan hÖ phøc t¹p gi÷a c¸c nguyªn tè th«ng thýêng và phæ biÕn ®ã. 1.1.2. Thành phần hợp chất của chất nguyên sinh C¸c hîp chÊt chøa trong Tế bào ®ưîc ph©n thành 2 nhãm lín: C¸c hîp chÊt v« c¬ và h÷u c¬.  Các chất vô cơ Bao gåm nước, muèi kho¸ng và mét sè chÊt ®¬n gi¶n kh¸c (HCO 3 ...) B B thường gÆp c¶ trong vËt thÓ v« sinh. Trong tÕ bào chøa nhiÒu lo¹i muèi v« c¬, c¸c muèi sÏ dÔ dàng ph©n ly trong nưíc t¹o thành ion ©m và ion dư¬ng gäi là dung dÞch ®iÖn ly. Trong néi bào và dÞch ngo¹i bào chøa nhiÒu lo¹i ion kh¸c nhau, c¸c cation quan träng như ion Na, K, Ca, Mg, .. c¸c anion quan träng như ion Clorit, bicacbonat, phèt ph¸t, sulph¸t,... Nång ®é c¸c lo¹i muèi cÇn thiÕt cho sù sèng lu«n lu«n æn ®Þnh. Trong tÕ bào muèi cã t¸c dông t¹o nªn ¸p suÊt thÈm thÊu liªn quan ®ªn sù thÈm thÊu trong trao ®æi chÊt cña tÕ bào víi m«i trưêng.  Các hợp chất hữu cơ C¸c hîp chÊt h÷u c¬ ®Òu là nh÷ng hîp chÊt cña cacbon. Nguyªn tö C cã thÓ t¹o 4 liªn kÕt céng ho¸ trÞ và dÔ dìng g¾n víi nhau thành m¹ch th¼ng (cã 2
lóc ph©n nh¸nh) và tËn cïng cña chóng l¹i cã thÓ tư¬ng t¸c víi nhau t¹o thành c¸c m¹ch vßng. C¸c nhãm chÊt h÷u c¬ quan träng nhÊt là protein, axit nucleic là nh÷ng chÊt trïng ph©n cao ph©n tö. Ngoài ra sacarit (gluxit), c¸c polyphotphat, c¸c chÊt cã ho¹t tÝnh sinh häc cao (vitamin, hormon, steroit...) còng cã vai trß quan träng. Thành phÇn hãa häc cña tÕ bào là c¬ së quan träng nhÊt ®Ó x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i cña tÕ bào. Nhê ®ã ta cã thÓ ph©n biÖt ®ýîc tÕ bào non víi tÕ bào già, TB lành víi tÕ bào bÞ bÖnh... Ví dụ:: Nưíc chiÕm kho¶ng 61%; c¸c hîp chÊt h÷u c¬ 33%; c¸c hîp chÊt v« c¬ 6%. TÝnh trung b×nh, chÊt sèng bao gåm 75-85% n−íc, 1,5% c¸c chÊt v« c¬, 10-20% protein, 2-3% lipit, 1% xacarit và 1,5% c¸c chÊt h÷u c¬ kh¸c. Nưíc là thành phÇn chiÕm nhiÒu nhÊt trong tÕ bào và protein là thành phÇn chñ yÕu trong sè c¸c hîp chÊt h÷u c¬ (chiÕm gÇn 2/3 chÊt kh« cña chÊt nguyªn sinh). Thành phÇn hãa häc chÊt sèng cña tÕ bào và cña toàn bé c¬ thÓ thưêng kh¸c biÖt nhau nhiÒu do trong c¬ thÓ thưêng chøa c¸c tæ chøc v« bào (c¸c lo¹i dÞch), c¸c thÓ vïi (h¹t tinh bét, h¹t al¬zon, giät dÇu, h¹t glycozen...) và c¸c s¶n phÈm thø cÊp trong c¸c m« ph©n hãa cña thùc vËt (lignin, cutin, s¸p, lib e, ...) và cña ®éng vËt (kitin, xư¬ng, sôn, l«ng,...). Bëi vËy, ®Ó nghiªn cøu thình phÇn hãa häc cña tÕ bào, ngýêi ta thưêng dïng c¸c huyÒn phï tÕ bào tù nhiªn như tÕ bào hång cÇu, hoÆc c¸c tÕ bào ®ưîc t¸ch ra khái m« và ph¸ vì b»ng c¸c m¸y vi thao t¸c. Thành phÇn hãa häc gi÷a c¸c lo¹i tÕ bào trong c¬ thÓ ®a bào cã sù kh¸c biÖt c¨n b¶n ë c¸c ®iÓm: hàm lưîng c¸c nguyªn tè trong tÕ bào; cã nh÷ng chÊt ®Æc trưng cho tõng lo¹i tÕ bào ®Ó phï hîp víi chøc n¨ng mà nã ®¶m nhiÖm. Ví dụ: tÕ bào c¬, gan, thÇn kinh và tÕ bào tiÕt.  Hợp chất hóa học §ã là nh÷ng chÊt ®ưîc cÊu t¹o tõ hai hoÆc mét sè lo¹i nguyªn tö ion kÕt hîp víi nhau t¹o thành ph©n tö. Ph©n tö là mét nhãm c¸c nguyªn tö kÕt hîp víi nhau bëi c¸c liªn kÕt hãa häc. NÕu ph©n tö cña mét chÊt cÊu t¹o tõ hai hoÆc tõ mét sè lín c¸c nguyªn tö kh¸c nhau sÏ t¹o nªn hîp hÊt hãa häc. Thưêng th× c¸c tÝnh chÊt cña hîp chÊt hãa häc hoàn toàn kh¸c víi tÝnh chÊt cña c¸c nguyªn tè t¹o nªn nã. ThÝ dô: Nưíc cã hai nguyªn tö hydro và mét nguyªn tö oxy, nhưng c¨n cø vào tÝnh chÊt hãa häc cña m×nh, nưíc hoàn toàn kh«ng gièng víi hydro và oxy. 1.2. ÐỜI SỐNG CỦA TẾ BÀO 1.2.1. Sự chết của tế bào có chương trình Sự sống và cái chết đi chung với nhau như hai mặt của cùng một đồng xu. Sinh học tế bào và sinh hoá đã củng cố cho luận điểm này, cho chúng 3
ta thấy rằng đã có sự sống ăt hẳng sẽ phải có cái chết và ngược lại. Các tế bào có thể chết vì già, vì khiếm khuyết, vì thừa so với nhu cầu của mô hay vì chúng gây ra vài hư hại. Điều chắc chắn là tất cả tế bào thật sự được lập trình để chết. Nhưng các tế bào sống được là nhờ một loạt những tín hiệu ngăn cản chúng thực hiện các chương trình chết của mình. Kết quả là, các tế bào sống sót, tăng sinh, biệt hoá, và thực hiện những chức năng của chúng. Các tín hiệu ngăn cản chương trình chết này có thể là các tín hiệu nội bào hay ngoại bào. Khi các tín hiệu này không được phát ra hay có một tín hiệu khác mạnh hơn nó được hoạt hóa, tế bào sẽ đi vào chu trình chết của chúng. Trong trường hợp này, sự sống là bất cứ điều gì mà không có cái chết. Điều này dẫn đến việc tế bào sinh ra rồi lại chết đi và có chết đi mới có tế bào tiếp tục được sinh trưởng và phát triển, cứ tiếp tục như thế cho đến hết cuộc đời hay nói khác hơn chết có chu trình đóng một vai trò chủ chốt trong việc phát triển và tăng trưởng của những sinh vật phức tạp. Một lượng lớn các tế bào chết trong quá trình phát triển của phôi, ví dụ trong giai đoạn tạo tác hình thành các cơ quan. Trong cuộc đời của các sinh vật trưởng thành, các tế bào chết đi với một số lượng lớn đối trọng với sự phân chia tế bào để: (1) cung cấp cho cơ thể những tế bào cần cho những giai đoạn khác nhau, (2) để diệt những tế bào già, hư hại hoặc gây hại trong tổng số tế bào hằng định nội môi. Sự mất cân bằng giữa sự phân chia tế bào và sự chết tế bào dẫn đến những bất thường về phát triển, những bệnh thoái hoá hay những biến đổi tân sinh. 1. 2.2. Những cách thức tế bào chết đi  Sự hoại tử Tác nhân gây bệnh là chấn thương nghiêm trọng như: bỏng, đứt hay đè nén, có thể gây chết tế bào hoại tử. Trong cái chết hoại tử này, tình trạng stress quá mức gây nên tình trạng sinh hóa không tương thích với sự tồn tại bình thường của tế bào. Trong trường hợp này, những khối các tế bào trong mô bị sưng phù và sau khi nghiên cứu người ta nhận thấy rằng các khối tế bào bào này không còn tồn tại hoạt động chuyển hóa ADN nhân ngưng tụ tập trung nhiều nhất ở rìa nhân và các thành phần tế bào bắt đầu phân hủy nhanh chóng và không kiểm soát được. Những chất quan trọng nội bào nhanh chóng rò rỉ ra khỏi tế bào, kích hoạt tình trạng viêm nhờ tế bào của hệ miễn dịch bẩm sinh. Những bằng chứng gần đây cho thấy rằng đáp ứng viêm được khởi phát bằng cách phóng thích một phổ đầy đủ của các phân tử được gọi chung là alarmins, mà cụ thể danh tính vẫn còn chưa được xác định chính xác. Đặc điểm chung của chúng là khả năng hoạt hóa các thụ 4
thể nhận dạng đại thực bào, tế bào đuôi gai và các tế bào diệt tự nhiên. Qua đo các alarmins này sẽ giúp các tế bào của hệ miễn dịch kích hoạt được tế bào T và bắt đầu đáp ứng miễn dịch, để ngăn chặn nhiễm trùng và loại bỏ tế bào ở các mô đang bị viêm.Tại thời điểm này, các mảnh vỡ tế bào bị nhấn chìm và được loại bỏ bởi các đại thực bào. Hình 1: Sự khác biệt giữa hoại tử và apoptosis Nét cơ bản là sự phá hủy màng bào tương phóng thích tất cả thành phần của tế bào ở hoại tử, điều này có thể khởi phát tiến trình viêm lan rộng. Trong apoptosis, màng bào tương nguyên vẹn của các thể apoptosis hầu như sẽ bị thực bào êm đềm không khởi phát tiến trình viêm.  Apoptosis Quá trình thứ hai của cái chết được đặt ra là apoptosis (trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là sự rụng lá cây cối). Năm 1972, một kiểu chết tế bào mới được định nghĩa đã được xác định bởi Kerr, Wyllie, và Currie.Ban đầu kiểu chết này được xem như không thoái hóa trong tự nhiên nhưng sau đó một bài nghiên cứu ấn tượng sau đó đã chứng minh điều ngược lại. Apoptosis là khôngchỉ là một quá trình hoạt động theo thứ tự, mà nó còn là một quá trình yên lặng bằng cách tháo dỡ các tế bào nhưng không lan truyền bừa bãi đến các tế bào xung quanh. Ở cấp độ tế bào, quá trình này đặc trưng bởi một sự 5
khởi phát làm thủng các tế bào và sau đó phá vỡ những mối liên hệ tế bào-tế bào. Các tế bào co tròn lại và màng nội bào và các bào quan cô đặc lại nhiều hơn trong tế bào chất, sau đó chúng sẽ tối hơn. Hình 2: tiến trình Apoptosis. Đáng chú ý là ở thời kì muộn của quá trình, các bào quan vẫn còn nguyên vẹn và bình thường, cho thấy hoạt động chuyển hóa vẫn còn quan trọng đối với tế bào trong thời gian đầu. Các thành phần tế bào chất không bị rò rỉ khỏi tế bào, vì vậy đáp ứng viêm không được tạo ra. Trong nhân, chất nhiễm sắc cô đặc tối đa và thường tạo ra các phần hình lưỡi liềm bao quanh màng nhân hoặc pycnosis. Sự kiện rất đặc biệt này không nhìn thấy trong bất kỳ trường hợp nào khác. Endonucleases tách một cách chính xác ADN giữa các nucleosome, cho ra những mảnh vỡ của 180 (hay nhiều hơn) đôi base. Mặc dù ít được chú ý hơn, những mạng lưới nội bào khác như Golgi, lưới nội chất và ty thể cũng bị phân mảnh đáng kể. Trong khi quá trình phân cắt DNA tiếp tục, nhân bắt đầu vỡ thành từng mảnh và tế bào tương tự cũng chia tách thành một số mảnh nhỏ còn nguyên vẹn hoặc các thể apoptosis không bắt màu thuốc nhuộm. Sau đó xảy ra sự thực bào, một quá trình trong đó các đại thực bào di cư hay các tế bào biểu mô khoẻ mạnh xung quanh nuốt các mảnh vỡ của tế bào. Sự kiện này đặc biệt đáng chú ý là ở trạng thái bình thường các thực bào này tham gia trong việc nhận và loại bỏ vật lạ hoặc các thực thể “không phải của bản thân”. Kết quả là, các thể apoptosis gắn vào một túi được bao bọc bởi màng trong một tế bào gọi là thể thực bào. Cuối cùng, tế bào chủ hay thể thực bào và chất chứa của nó dần dần bị suy thoái, và trong nhiều trường hợp, một tế bào mới thay thế tế bào cũ trong một vài giờ. Trong một số hệ thống tế bào, đặc biệt là trong nuôi cấy tế bào (in 6
vitro), apoptosis không xảy ra với đầy đủ các bước và theo đúng trình tự thời gian như ở trên. Lưu ý, sự cô đặc nhiễm sắc chất thành quả bóng đặc hình cầu tại một đầu của nhân không phải là bất thường. Trái lại, khi nuôi cấy trong ống nghiệm (in vitro), các tế bào trải qua quá trình apoptosis bị mất một phần màng plasma. Trong trường hợp không có đại thực bào, các tín hiệu apoptosis có vai trò thúc đẩy sự tự loại bỏ nhanh chóng bởi sự vắng mặt các đại thực bào nhận diện sự bất thường (ví dụ như sự ngoại bào hoá phosphatidylserine từ lớp trong ra lớp ngoài trên màng bào tương của chúng) không thể xảy ra. In vivo, sự nhận diện này loại bỏ hiện tương viêm và khởi động phản ứng đông máu. Hình 3: Scramblase hoán vị phosphatidyl serine từ lớp lipid trong ra lớp lipid ngoài, macrophage có thể nhận diện sự bất thường này, ngoài ra PS còn có thể tương tác với Annexin V (AV) và là vị trí gắn kết với phức hợp prothrombinase factor Xa,Va &II (ngăn chận tiến trình đông máu in vivo). 2. NHIỄM SẮC THỂ VÀ ĐỘT BIẾN NHIỄM SẮC THỂ 2.1. NHIỄM SẮC THỂ - Hình thái NST: Tâm động là điểm thắt eo chia NST thành hai vai với chiều dài khác nhau. Theo qui ước chung, vai ngắn hơn gọi là vai p và vai dài hơn gọi là vai q. Dựa vào vị trí tâm động người ta phân biệt: + NST tâm giữa: tâm động nằm giữa NST, hai vai dài bằng nhau. 7
+ NST tâm lệch: tâm động nằm lệch về một phía, hai vai không bằng nhau. + NST tâm đầu: tâm động nằm gần cuối NST. + NST tâm mút: tâm động nằm ở đầu mút NST Hình 4. Hình thái của NST ở tế bào chân hạch - Số lƣợng NST: Trong các tế bào dinh dưỡng, các NST thường tồn tại thành từng cặp, gọi là cặp NST tương đồng, trong đó một chiếc là của mẹ một chiếc là của cha, mỗi chiếc mang cùng một số gen phân bố theo cùng thứ tự. Vì vậy số lượng NST trong mỗi tế bào luôn là bội số của 2 và được gọi là lưỡng bội (2n). Trong tế bào giao tử (tinh trùng hoặc noãn), mỗi cặp NST tương đồng chỉ còn lại một chiếc, do đó số lượng NST trong mỗi giao tử là đơn bội (n). - Cấu trúc NST: • Ở tế bào chưa phân chia, khi quan sát dưới kính hiển vi quang học, người ta chỉ thấy các chất nhiễm sắc (chromatin) nằm trong nhân có dạng hạt bắt màu sậm. • Khi nhiễm sắc thể được thành lập, ADN quấn quanh 8 phân tử histone : H2A, H2B, H3 và H4 (mỗi loại gồm 2 phân tử) tạo nên một cấu trúc gọi là Nucleosome. Các nucleosomes nối với nhau nhờ ADN nối với histone H1 tạo thành sợi cơ bản có đường kính 100Å. • Sợi cơ bản tiếp tục xoắn tạo thành sợi nhiễm sắc (solenoid) có đường kính 300Å. Vòng xoắn được ổn định nhờ histone H1. • Sợi NS tiếp tục cuộn lại và được liên kết bởi các protein scaffold tạo thành một ống rỗng có đường kính 2400Å. Ống tiếp tục cuộn xoắn tạo thành chromatit. 8
Hình 5. Cấu trúc NST 2.2. ĐỘT BIẾN NHIỄM SẮC THỂ Đột biến nhiễm sắc thể (NST) là sự biến đổi về cấu trúc hoặc số lượng NST. Đột biến có thể xảy ra ở một cặp NST nào đó hoặc ở toàn bộ các cặp NST. Loại đột biến này phát sinh có thể là do các tác nhân mạnh trong ngoại cảnh (tia phóng xạ, hóa chất, sự biến đổi đột ngột của nhiệt độ) hoặc những rối loạn trong quá trình trao đổi chất nội bào, dẫn đến sự phân li không bình thường của các cặp NST. Nếu trong quá trình phát sinh giao tử, một cặp NST nào đó không phân li sẽ tạo giao tử có hai NST cùng cặp, qua thụ tinh sẽ hình thành hợp tử có 3 NST. Nếu trong quá trình nguyên phân thoi vô sắc không hình thành, tất cả các cặp NST không phân li sẽ tạo thành tế bào 4n. Trường hợp bộ NST trong tế bào sinh dưỡng tăng lên thành một bội số của n (nhiều hơn 2n) được gọi chung là thể đa bội. Tế bào đa bội có lượng ADN tăng gấp bội, quá trình tổng hợp các chất hữu cơ diễn ra mạnh mẽ, do đó kích thước tế bào lớn hơn. Cơ thể đa bội thường có cơ quan sinh dưỡng to, phát triển khỏe chống chịu tốt. Hiện tượng đa bội khá phổ biến ở thực vật và đã được ứng dụng có hiệu quả trong chọn giống cây trồng. Đột biến cấu trúc NST có các 9
dạng: mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn, chuyển đoạn có thể quan sát dưới kính hiển vi quang học. 2.2.1. Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể  Khái niệm Là những biến đổi về cấu trúc của NST do nhiều nguyên nhân  Nguyên nhân và cơ chế phát sinh - Nguyên nhân: Tương tự như đột biến gen - Cơ chế phát sinh: Do các tác nhân đã làm cho NST bị đứt gãy hoặc ảnh hưởng đến quá trình tự nhân đôi của NST, ảnh hưởng đến sự tiếp hợp và trao đổi chéo giưũa các crômtit.  Các dạng và hậu quả + Mất đoạn: - NST bị mất một đoạn không chứa tâm động, đoạn mất nằm ở đầu mút một cánh hoặc khoảng giữa đầu mút và tâm động - Thường gây chết hoặc làm giảm sức sống của sinh vật - Ở người mất đoạn NST số 21 gây bệnh ung thư máu + Lặp đoạn: - Một đoạn nào đó của NST được lặp đi lặp lại 1 hoặc nhiều lần. Làm tăng hoặc giảm cường độ biểu hiện của tính trạng. - Ở ruồi dấm lặp đoạn 2 lần trên X làm mắt lối thành dẹt, lặp 3 lần làm mắt càng dẹt hơn. - Ở lúa đại mạch lặp đoạn là tăng hoạt tính của enzim amilaza + Đảo đoạn: - Một đoạn của NST bị đứt ra rồi đảo ngược 1800 sau đó gắn vào vị trí cũ. - Đoạn đảo có thể có hoặc không có tâm động - Ít ảnh hưởng đến sức sống của cá thể, góp phần làm tăng cường sự sai khác giữa các NST tương ứng thuộc cùng một loài. + Chuyển đoạn: - Có thể diễn ra trong cùng một NST hoặc giữa 2 NST không tương đồng (gồm chuyển đoạn tương hỗ và chuyển đoạn không tương hỗ) - Chuyển đoạn dẫn đến sự phân bố lại gen giữa các NST khác nhau. - Chuyển đoạn lớn có thể gây chết hoặc mất khả năng sinh sản, chuyển đoạn nhỏ khá phổ biến (ở thực vật). 3.2.2. Đột biến số lượng nhiễm sắc thể  Khái niệm Là sự biến đổi số lượng ở một hay một số cặp NST (tạo nên thể dị bội) hoặc ở toàn bộ các cặp NST (tạo nên thể đa bội).  Nguyên nhân và cơ chế phát sinh - Nguyên nhân: Giống đột biến gen - Cơ chế phát sinh: Do các tác nhân gây đột biến đã gây ảnh hưởng đến sự phân li của cặp NST ở kì sau của phân bào. 10
 Cơ chế biểu hiện và hậu quả * Thể dị bội: - Khái niệm: Là nh÷ng biÕn ®æi liªn quan ®Õn sè lưîng cña 1 hoÆc 1 vài cÆp NST Thưêng gÆp 4 d¹ng: + ThÓ 3 nhiÔm (2n + 1); + ThÓ ®a nhiÔm (2n + 2); + ThÓ mét nhiÔm (2n - 1); + ThÓ khuyÕt nhiÔm (2n - 2). - Cơ chế: + Trong qu¸ tr×nh gi¶m ph©n h×nh thành giao tö, thoi t¬ v« s¾c kh«ng ®ưîc h×nh thành hoÆc h×nh thành nhưng bÞ ®øt dÉn ®Õn mét hoÆc 1 vài NST nh©n ®«i nhưng kh«ng ph©n ly ë lÇn gi¶m ph©n I, t¹o ra giao tö dÞ béi. + Trong qu¸ tr×nh thô tinh, c¸c giao tö này kÕt hîp víi nhau hoÆc kÕt hîp víi giao tö b×nh thưêng t¹o ra c¸c d¹ng dị bội. P : 2n x 2n Giao tö: n +1 ; n - 1 n Con lai: 2n + 1 ; 2n - 1 Ví dụ: Sù kh«ng ph©n ly cña cÆp NST 21 ë ngưêi sÏ g©y héi chøng §ao. ë c¬ thÓ ngưêi mÑ, gi¶m ph©n bÞ rèi lo¹n ®· t¹o lo¹i giao tö c¸i mang 2 NST 21, qua thô tinh sÏ t¹o hîp tö 3 NST 21. Ngưêi con mang 3 NST 21 cã nh÷ng triÖu chøng: cæ ng¾n, m¾t một mí, hai mắt cách xa nhau, lưỡi dài, ngón tay ngắn, si đần, vô sinh. * Thể đa bội: - Là hiÖn tưîng bé NST t¨ng lªn theo béi sè cña n. - Thưêng gÆp 2 d¹ng: thÓ ®a béi ch½n (4n, 6n, 8n…) và ®a béi lÎ (3n, 5n,7n…). - Cơ chế: Trong qu¸ tr×nh gi¶m ph©n h×nh thành giao tö, do t¸c ®éng cña c¸c t¸c nh©n g©y ®ét biÕn, làm cho thoi v« s¾c kh«ng ®ưîc h×nh thành hoÆc h×nh thành nhưng bÞ ®øt dÉn ®Õn NST nh©n ®«i nhưng kh«ng ph©n ly, t¹o ra giao tö 2n. Trong qu¸ tr×nh thô tinh, c¸c giao tö này kÕt hîp víi nhau hoÆc kÕt hîp víi giao tö b×nh thưêng t¹o ra các loại đa bội. P : 2n x 2n P : 2n x 2n Giao tử: 2n n Giao tử: 2n 2n Con lai: 3n Con lai: 4n 11
PHẦN II: DI TRUYỀN PHÂN TỬ CHƢƠNG I: AXIT NUCLEIC Quá trình sống được điều khiển bằng sự truyền thông tin chi tiết và chính xác. ADN chứa tất cả thông tin cần thiết để xây dựng và điều hành hoạt động cơ thể, làm cho từ một tế bào chưa chuyên hóa trở thành mô và cơ quan, trong đó các tế bào được chuyên hóa tùy theo chức năng. Sự truyền đạt thông tin di truyền diễn ra theo hai hướng. Một là các thông tin trong ADN được dùng để xây dựng tế bào và điều khiển các phản ứng sinh hóa. Hai là bộ thông tin nầy được nhân đôi và được chuyển vào mỗi tế bào con: hoặc tế bào dinh dưỡng hoặc tế bào sinh dục (tinh trùng và trứng). Như vậy chính thông tin nầy làm cho sự sống nối tiếp nhau trong đời sống của sinh vật và từ thế hệ nầy sang thế hệ khác. Ngày nay chúng ta biết rằng gen là các trình tự của ADN mã hóa cho protein. Các gen được xếp thành hàng trên một hoặc nhiều nhiễm sắc thể, tập hợp lại gọi là bộ gen (genome). Trong chương nầy, chúng ta sẽ bắt đầu từ cấu trúc của ADN, sau đó khảo sát quá trình nhân đôi của nhiễm sắc thể, gọi là sự sao chép (replication). Quá trình nầy bao gồm cả sự tự sữa chửa những khuyết điểm sao chép, làm cho mỗi tế bào con được tạo thành trong sự phân bào nhận được một bản sao của mỗi nhiễm sắc thể (và cũng là nguyên bộ gen) từ tế bào bố mẹ. 1. BẢN CHẤT CỦA VẬT LIỆU DI TRUYỀN 1.1. THÀNH PHẦN CỦA NHIỄM SẮC THỂ Năm 1868 F. Miescher (nhà sinh hóa học Thụy Sĩ) nhận thấy khi dùng pepsin để phân hủy các protein trong tế bào thì nhân tế bào bị co lại nhưng vẫn còn nguyên vẹn. Tiếp tục thí nghiệm với nhân nầy (đã xử lý men tiêu hóa pepsin) bằng cách dùng nhiều loại thuốc thử khác nhau thì thấy nó phản ứng không giống như protein và phát hiện nó có chứa P ngoài các nguyên tố C, H, O, N cấu tạo protein. Như vậy, những kết quả nầy cho thấy nhân chứa một lượng lớn vừa là protein vừa là hợp chất không phải protein. Miescher gọi hợp chất không phải protein nầy là nuclein, về sau được đặt tên là acid nhân (nucleic acid). Các nghiên cứu sau nầy cho thấy, acid nhân không chỉ có trong nhân tế bào mà còn có cả trong tế bào chất. Loại acid nhân do Miescher phát hiện là ADN (Deoxyribonucleic Acid). Năm 1914 R. Feulgen (nhà hóa học người Ðức) tìm ra phương pháp nhuộm nuclein bằng phẩm crimson sáng (brilliant crimson). Mười năm 12
sau Feulgen áp dụng phương pháp nầy nhuộm cả tế bào thì thấy rằng ADN của nhân có ở nhiễm sắc thể. Từ đó phương pháp Feulgen được dùng để xác định lượng ADN trong nhân của nhiều loại tế bào. Nhờ đó các nghiên cứu đã chứng minh rằng tất cả các tế bào dinh dưỡng của một cá thể có cùng một lượng ADN dù đó là tế bào của những mô khác nhau như gan, thận, tim, cơ... trong khi những chất khác hơn ADN có số lượng thay đổi rất lớn. Sau đó người ta cũng khám phá ra tế bào trứng và tinh trùng chỉ có 1/2 lượng ADN so với tế bào dinh dưỡng. Các khám phá nầy đã đưa đến nhận định rằng ADN là chất liệu chính của gen. Thật ra thì nhiễm sắc thể chứa cả protein và ADN và do cơ cấu hóa học của protein rất phức tạp nên nhiều người nghĩ rằng chỉ có protein mới đủ sức mã hóa cho mọi thông tin di truyền ở sinh vật. 1. 2. ADN LÀ VẬT LIỆU DI TRUYỀN 1.2.1 Thí nghiệm của Griffith Năm 1928 F. Griffith (nhà vi sinh vật y học người Anh) tiến hành các thí nghiệm với vi khuẩn Pneumococci gây bệnh sưng phổi (pneumonia). Ông thí nghiệm trên chuột để tìm hiểu ảnh hưởng của hai chủng gây bệnh và không gây bệnh. - Chủng gây bệnh: có vỏ bao bằng đường đa, tạo khuẩn lạc láng (smooth) nên được ký hiệu là chủng S. - Chủng không gây bệnh: không có vỏ bao, tạo khuẩn lạc sần (rough) nên được ký hiệu là chủng R. Griffith nghiên cứu ảnh hưởng của 2 chủng này khi tiêm chúng vào chuột. Kết quả là: - Chuột được tiêm chủng R sống (chuột còn sống). - Chuột được tiêm chủng S sống (chuột bị chết). - Chuột được tiêm chủng S chết (do xử lý nhiệt) (chuột còn sống). - Chuột được tiêm chủng S chết + chủng R sống (chuột bị chết). Kết quả thật khó hiểu! Làm thế nào một hỗn hợp của một chủng không gây bệnh với một chủng gây bệnh đã chết lại làm chết chuột? Griffith khảo sát các cơ thể chuột chết và phát hiện thấy chúng chứa đầy chủng S còn sống! Chủng nầy đến từ đâu ? Griffith cẩn thận lặp lại nhiều thí nghiệm và đi đến kết luận là bằng cách nào đó chủng R sống đã biến đổi thành 13
chủng S sống với nguyên liệu của tế bào chủng S chết. Ðem cấy chủng S nầy (đã biến đổi) chúng phát triển thành chủng S mới. Như vậy, có thể giả định rằng vật liệu di truyền từ chủng S chết đã thâm nhập vào chủng R sống (không gây bệnh) và biến đổi chúng thành chủng S gây bệnh. Hiện tượng nầy về sau được gọi là sự biến nạp (transformation). Năm 1931 một số tác giả khác đã cho thấy rằng sự biến nạp vi khuẩn không chỉ xảy ra trong cơ thể chuột mà còn thực hiện được trong ống nghiệm. Hai năm sau J. L. Alloway (viện Rockefeller) đã chứng minh rằng trong ống nghiệm, tế bào của chủng R sống có thể bị biến nạp thành chủng S bởi một chất trích từ chủng S. Như vậy, rõ ràng các đặc tính di truyền của chủng gây bệnh đã được chuyển sang chủng không gây bệnh bằng một số chất không bị ảnh hưởng bởi xử lý nhiệt và sự ly trích tế bào (hóa học, cơ học...). Ðến năm 1944 O.T. Avery, C. MacLeod và M. McCarty (viện Rockefeller) bằng kỹ thuật tinh khiết hóa ADN đã chứng minh rằng tác nhân gây ra sự biến nạp là ADN. Kết quả nầy là một bằng chứng rạch ròi rằng không phải protein hay một phức hệ nucleo-protein mà chính ADN mới là vật liệu di truyền. Tuy nhiên ở thời điểm đó điều nầy vẫn chưa thuyết phục được nhiều nhà sinh học. Họ cho rằng ADN của chủng gây bệnh có lẽ hoạt hóa gen tổng hợp protein của chủng không gây bệnh. 1.2.2 Thí nghiệm của Hershey và Chase Trong suốt 10 năm kế tiếp có ít nhất 30 thí nghiệm khác nhau về sự biến nạp vi khuẩn bằng ADN tinh khiết đã được mô tả. Nhưng bằng chứng vững vàng lại đến từ phòng thí nghiệm di truyền Carnegie với những nghiên cứu của A.D. Hershey và M. Chase (1952) trên một loại siêu khuẩn tấn công vi khuẩn Escherichia coli (E.coli). Loại siêu khuẩn nầy được gọi là thực khuẩn (bacteriophage), gọi tắt là phage (có nghĩa là ăn). Thực khuẩn là những ký sinh cực nhỏ nhưng chúng bắt buộc bộ máy tế bào của ký chủ sản sinh ra gen của chúng. Chúng có cấu tạo đơn giản gồm một lớp vỏ protein và một lõi acid nhân. Lớp vỏ protein của chúng được chia thành vùng đầu (chứa vật liệu di truyền) và vùng đuôi dài bao gồm 1 lõi rỗng, 1 bao và 6 sợi tận cùng (Hình 1). 14
Hình 6. Cơ cấu của một thực khuẩn Khi 1 phage tấn công một tế bào vi khuẩn, nó bám vào vách tế bào vi khuẩn bằng đầu mút của các sợi và đế. Sợi đuôi và đế chứa một protein gắn vào một thành phần đặc biệt của vách. Sau 1 giờ các phage mới xuất hiện bên trong vi khuẩn. Ở một thời điểm thích hợp, phage hoạt hóa gen mã hóa enzim tiêu hóa gọi là lysozim và các enzim khác. Kết quả là tế bào vi khuẩn vở ra, giải phóng hàng chục đến hàng trăm phage mới vào môi trường chung quanh. Các phage mới nầy đều có cấu trúc di truyền giống như phage ban đầu. Như vậy vật liệu di truyền phải được tiêm vào tế bào vi khuẩn khi Phage bám vào vách tế bào và chính vật liệu nầy điều khiển bộ máy biến dưỡng của vi khuẩn sản xuất các gen cho phage mới cũng như protein cần thiết cho vỏ phage và các enzim ngăn cản sự tổng hợp protein cho vật chủ và khi đúng lúc tiêu hủy tế bào vi khuẩn. Hershey và Chase bố trí một thí nghiệm để xác định xem phage chỉ tiêm vào vi khuẩn ADN hay protein hoặc cả hai. Chúng ta biết rằng ADN có chứa P mà không có S còn protein thì ngược lại nên có thể phân biệt ADN và protein khi dùng chất đồng vị phóng xạ của P và S. Ðó là P32 và S35 (Dùng chất đồng vị phóng xạ để theo dõi một chất nào đó trong quá trình sinh học, gọi là sự đánh dấu) Thí nghiệm nhƣ sau: Cho nhiễm phage vào vi khuẩn nuôi trên môi trường có P32 và S35 . Phage mới (trong vi khuẩn) có S35 ở protein và P32 ở ADN 15
16
- Lắc và sau đó ly tâm để tách rời vỏ của phage và vi khuẩn bị nhiễm. Kết quả cho thấy phần lỏng sau ly tâm chứa một lượng lớn và một ít . Ðó là vỏ protein của siêu khuẩn bỏ lại ngoài vách tế bào vi khuẩn, còn phần cặn có chứa một lượng lớn và một ít . Ðiều này chứng tỏ chỉ có ADN của phage được đưa vào trong tế bào vi khuẩn. Phage mới được sản xuất trong vi khuẩn nên chỉ ADN của phage đã đủ sức truyền mọi thông tin cần thiết để vi khuẩn tạo ra phage mới. Tóm lại thí nghiệm nầy là một bằng chứng mạnh mẽ hổ trợ cho các kết luận trước đó về sự biến nạp: chính acid nhân (chứ không phải protein) là vật liệu di truyền. 2. CẤU TRÖC PHÂN TỬ CỦA ADN 2.1. CẤU TRÖC HÓA HỌC CỦA ADN Phân tử ADN gồm những đơn vị gọi là nucleotid. Mỗi nucleotid gồm 1 phân tử đường 5C, 1 nhóm phosphat và 1 bazơ có N. Theo qui ước, 5 carbon của đường được đánh số từ 1 đến 5. Có 4 loại nucleotid khác nhau bởi các bazơ N. Hai bazơ Adenin và Guanin là các purin, có cấu trúc vòng đôi, còn Timin và Cytosin là các pyrimidin có cấu trúc vòng đơn. PURIN PYRIMIDIN 17
Hình 7. Công thức cấu tạo của 4 loại nucleotide Trong phân tử ADN các nucleotid được sắp xếp theo một trình tự đặc biệt: các phân tử đường nối với nhau bởi các nhóm phosphat liên kết với C3 của đường nầy và với C5 của đường kế tiếp thành chuỗi, các baz N được sắp xếp phía ngoài chuỗi. Phân tử ADN thường gồm 2 sợi được nối với nhau bằng liên kết hydro giữa các baz (cơ cấu bậc thang). Những liên kết nầy chỉ xảy ra giữa cytosin và guanin hoặc giữa timin và adenin. Do vậy, trình tự của các bazơ trên sợi nầy xác định trình tự bổ sung trên sợi còn lại (Hình 5). Cần lưu ý rằng sự phân cực của hai sợi là ngược chiều nhau: 1 sợi từ 5 đến 3, 1 sợi từ 3 đến 5. Phân tử sợi đôi xoắn lại làm thành cấu trúc xoắn kép nhờ các liên kết hydro. Hình 8. Liên kết hydro 2.2. CẤU TRÖC KHÔNG GIAN CỦA ADN Mô hình của Watson & Crich Việc xác định cấu trúc của một phân tử phức tạp và quan trọng như ADN đã trở thành một thách thức lớn đối với nhiều nhà khoa học. Trong năm 1950 hầu như người ta chưa biết gì về sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử trong phân tử ADN cũng như là không biết làm thế nào phân tử nầy có thể chứa đựng thông tin cần thiết để tự nhân đôi và điều khiển các chức năng của tế bào. Vào khoảng thời gian nầy nhiều nhà khoa học bắt đầu ứng dụng kỹ thuật phân tích sự nhiễu xạ tia X để nghiên cứu ADN. Nổi bật trong số đó là R. Franklin và M. H. F. Wilkins (Ðại học King, Anh quốc). Họ đã thành công trong việc tạo ra những mẫu nhiễu xạ tia X sắc nét hơn những mẫu đã có từ trước. F. H. C. Crick (Ðại học Cambridge) dùng phương pháp toán học để phân tích các ảnh nhiễu xạ ADN 18
(của Franklin và Wilkins) đã cho thấy tinh thể ADN phải là một xoắn với 3 chu kỳ chính có lặp lại là 0,34 nm ; 2,0 nm và 3,4 nm. Từ những gì đã biết về thành phần hóa học của ADN, những thông tin về nghiên cứu sự nhiễu xạ tia X của ADN, về khoảng cách chính xác giữa các nguyên tử liên kết nhau trong phân tử, các góc giữa các liên kết và kích thước của các nguyên tử, J. D. Watson và F. H. C. Crick (Ðại học Cambridge) quyết tâm xây dựng một mô hình cấu trúc của phân tử ADN. Họ xây dựng mô hình theo tỉ lệ của các thành phần cấu tạo ADN rồi tìm cách lắp đặt chúng với nhau sao cho phù hợp với các kết quả thu được từ tất cả các nghiên cứu trên. Họ xác định được chu kỳ 0,34 nm tương ứng với khoảng cách giữa 2 nucleotid kế tiếp nhau trong sợi ADN, chu kỳ 2,0 nm là chiều rộng của xoắn và chu kỳ 3,4 nm là khoảng cách giữa các xoắn trong sợi. Vì 3,4 nm bằng 10 lần khoảng cách giữa 2 nucleotid kế tiếp nhau nên mỗi xoắn có 10 cặp nucleotid. Trên những dữ liệu về nhiễu xạ tia X, Watson và Crick tính toán thấy rằng một sợi nucleotid quấn xoắn, chiều rộng của xoắn là 2,0 nm và mỗi xoắn dài 3,4 nm thì sợi có tỉ trọng bằng 1/2 tỉ trọng của ADN. Do vậy ADN phải gồm 2 sợi nucleotid hơn là một sợi. Họ sắp xếp lại mô hình tỉ lệ và sau cùng mô hình phù hợp với tất cả những dữ liệu được tìm ra là: phân tử ADN gồm 2 sợi nucleotid quấn theo 2 hướng ngược nhau quanh một trục giả định có đường kính chính xác, các bazơ purin và pyrimidin hướng về phía trong của trục. Theo cách nầy các liên kết hydro giữa các bazơ trên hai sợi quấn ngược chiều nhau mới đủ sức giữ 2 sợi ở trạng thái xoắn. Nói cách khác, khi phân tử ADN mở xoắn thì giống như một cái thang, 2 trụ thang tương đương với 2 sợi gồm đường và nhóm phosphat xen kẻ nhau còn các thanh ngang là các cặp bazơ liên kết nhau bằng cầu nối hydro (Hình 9). 19
Hình 9. Một phần của phân tử ADN Hình 10. Mô hình cấu trúc của ADN 3. CẤU TRÖC PHÂN TỬ CỦA ARN Về mặt cấu trúc, ARN cũng được cấu tạo từ các nucleotid, giống như trong sợi đơn của phân tử ADN. Mặc dù ARN và ADN là những hợp chất rất giống nhau, nhưng chúng vẫn khác nhau ở 3 điểm quan trọng : 20