Một số vấn đề di truyền học

Chia sẻ: Dinh Tuan | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

73
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Một số vấn đề di truyền học dưới đây được biên soạn nhăm trang bị cho các bạn những kiến thức về gen, mã di truyền, bệnh di truyền, phân tích gen và sản phẩm của gen và một số kiến thức khác. Với các bạn yêu thích Sinh học thì đây là tài liệu hữu ích.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Một số vấn đề di truyền học

Mét sè vÊn ®Ò di truyÒn häc I. GEN I. 1. VÒ kh¸i niÖm C¸c th«ng tin di truyÒn sinh vËt cÇn cho qu¸ tr×nh sinh trëng, ph¸t triÓn vµ sinh s¶n n»m trong ph©n tö ADN cña nã. Nh÷ng th«ng tin nµy n»m trong tr×nh tù nucleotit cña ADN vµ ®îc tæ chøc thµnh c¸c gen. Mçi gen thêng chøa th«ng tin ®Ó tæng hîp mét chuçi polypeptit hoÆc mét ph©n tö ARN cã chøc n¨ng riªng biÖt. XÐt vÒ cÊu tróc, mçi gen lµ mét ®o¹n ADN riªng biÖt mang tr×nh tù baz¬ thêng m· ho¸ cho tr×nh tù axit amin cña mét chuçi polypeptit. C¸c gen rÊt kh¸c nhau vÒ kÝch thíc, cã thÓ tõ díi 100 cÆp ®Õn vµi triÖu cÆp baz¬. ë sinh vËt bËc cao, c¸c gen hîp thµnh c¸c ph©n tö ADN rÊt dµi n»m trong c¸c cÊu tróc ®îc gäi lµ nhiÔm s¾c thÓ. ë ngêi cã kho¶ng 30.000 - 40.000 gen ph©n bè trªn 23 cÆp NST, trong ®ã cã 22 cÆp NST thêng (autosome) vµ 1 cÆp NST giíi tÝnh (X vµ Y). Nh vËy, ë ngêi cã 24 lo¹i NST kh¸c nhau. Trªn nhiÔm s¾c thÓ, c¸c gen thêng n»m ph©n t¸n vµ c¸ch biÖt nhau bëi c¸c ®o¹n tr×nh tù kh«ng m· hãa. C¸c ®o¹n tr×nh tù nµy ®îc gäi lµ c¸c ®o¹n ADN liªn gen. ADN liªn gen rÊt dµi, nh ë ngêi c¸c gen chØ chiÕm díi 30% toµn bé hÖ gen. XÐt ë mçi gen, chØ mét m¹ch cña chuçi xo¾n kÐp lµ mang th«ng tin vµ ®îc gäi lµ m¹ch khu«n dïng ®Ó t¹o ra ph©n tö ARN mang tr×nh tù bæ trî ®Ó ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh tæng hîp chuçi polypeptit. M¹ch kia ®îc gäi lµ m¹ch kh«ng lµm khu«n. C¶ hai m¹ch trªn ph©n tö ADN ®Òu cã thÓ ®îc dïng lµm m¹ch ®Ó m· ho¸ cho c¸c gen kh¸c nhau. Ngoµi ra, ngêi ta cßn dïng mét sè thuËt ng÷ kh¸c ®Ó chØ m¹ch khu«n vµ m¹ch kh«ng lµm khu«n, nh m¹ch ®èi nghÜa / m¹ch mang nghÜa, m¹ch kh«ng m· ho¸ / m¹ch m· ho¸. CÇn chó ý lµ, m¹ch ®èi nghÜa vµ m¹ch kh«ng m· hãa chÝnh lµ m¹ch khu«n ®Ó tæng hîp ph©n tö ARN. Kh¶ n¨ng lu gi÷ th«ng tin di truyÒn cña ADN lµ rÊt lín. Víi mét ph©n tö ADN cã n baz¬ sÏ cã 4n kh¶ n¨n g tæ hîp tr×nh tù baz¬ kh¸c nhau. Trong thùc tÕ, chØ mét sè lîng h¹n chÕ c¸c tr×nh tù mang th«ng tin cã Ých (th«ng tin m· hãa c¸c ph©n tö ARN hoÆc protein cã chøc n¨ng sinh häc). I. 2. VÒ tæ chøc cña gen HÇu hÕt c¸c gen ph©n bè ngÉu nhiªn trªn nhiÔm s¾c thÓ, tuy nhiªn cã mét sè gen ®îc tæ chøc thµnh nhãm, hoÆc côm. Cã hai kiÓu côm gen, ®ã lµ c¸c operon vµ c¸c hä gen. Operon lµ c¸c côm gen ë vi khuÈn. Chóng chøa c¸c gen ®îc ®iÒu hoµ ho¹t ®éng ®ång thêi vµ m· ho¸ cho c¸c protein thêng cã chøc n¨ng liªn quan víi nhau. VÝ dô nh operon lac ë E. coli chøa ba gen m· ho¸ cho c¸c enzym mµ vi khuÈn cÇn ®Ó thñy ph©n lactose. Khi cã lactose lµm nguån n¨ng lîng (vµ v¾ng mÆt glucose) th× vi khuÈn cÇn ba enzym do operon lac m· ho¸. Sù dïng chung mét tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (promoter) cña c¸c gen trong operon (h×nh 1) cho phÐp c¸c gen ®ã ® îc ®iÒuADNkhiÓn biÓu hiÖn ®ång thêilacvµZ sinh vËt cã thÓ sö lac lac Y dôngA nguån n¨ng lîng mét c¸ch hiÖu qu¶. Tr×nh tù ®iÒu hßa H×nh 1. Operon Lac. Ba gen (lac Z, lac Y vµ lac A) xÕp liÒn kÒ nhau vµ ®îc ®iÒu khiÓn chung a) C¸c gen m· hãa ARN ribosom ADN (rARN) C¸c tr×nh tù liªn gen (ADN b) ®Öm) Nhãm gen m· ADN G A hãa β globin ë 1 ngêi H×nh 2. Mét hä gen ®¬n gi¶n (a), vµ mét hä gen phøc t¹p (b) 1
ë c¸c sinh vËt bËc cao kh«ng cã c¸c operon, c¸c côm gen ®îc gäi lµ c¸c hä gen. Kh«ng gièng nh c¸c operon, c¸c gen trong mét hä gen rÊt gièng nhau, nhng kh«ng ®- îc ®iÒu khiÓn biÓu hiÖn ®ång thêi. Sù côm l¹i cña c¸c gen trong hä gen cã lÏ ph¶n ¸nh nhu cÇu cÇn cã nhiÒu b¶n sao cña nh÷ng gen nhÊt ®Þnh vµ xu híng lÆp ®o¹n cña nhiÒu gen trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa. Mét sè hä gen tån t¹i thµnh nhiÒu côm riªng biÖt trªn nhiÒu nhiÔm s¾c thÓ kh¸c nhau. HiÖn tîng nµy cã lÏ lµ do sù t¸i cÊu tróc ADN trong qu¸ tr×nh tiÕn ho¸ ®· ph¸ vì c¸c côm gen. C¸c hä gen cã thÓ cã cÊu tróc ®¬n gi¶n hoÆc phøc t¹p. ë c¸c hä gen ®¬n gi¶n, c¸c b¶n sao cña gen gièng hÖt nhau. VÝ dô nh hä gen m· hãa ARN ribosom 5S (rARN 5S). ë mçi tÕ bµo ngêi, cã kho¶ng 2000 côm gen cña gen nµy, ph¶n ¸nh tÕ bµo cÇn sè lîng lín s¶n phÈm cña gen nµy (h×nh 2a). Trong khi ®ã, c¸c hä gen phøc t¹p chøa c¸c gen t¬ng tù nhng kh«ng gièng hÖt nhau. VÝ dô nh hä gen globin ë ngêi m· hãa cho cho c¸c chuçi polypeptit t¬ng øng víi c¸c lo¹i globin , , , , vµ (h×nh 2b) chØ kh¸c nhau vµi axit amin. C¸c chuçi polypeptit globin t¬ng t¸c víi nhau thµnh mét phøc hÖ, vµ kÕt hîp víi c¸c ph©n tö hem ®Ó t¹o ra hemoglobin (mét lo¹i protein vËn chuyÓn oxy trong m¸u). I. 3. Tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (promoter) Sù biÓu hiÖn cña gen ®îc ®iÒu khiÓn rÊt chÆt chÏ. Kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c gen cã trong ADN cña tÕ bµo ®Òu ®îc biÓu hiÖn ®ång thêi. Nh÷ng gen kh¸c nhau ®îc ho¹t ho¸ biÓu hiÖn vµo nh÷ng thêi ®iÓm vµ ë nh÷ng tÕ bµo kh¸c nhau. TÊt c¶ c¸c gen ®îc biÓu hiÖn trong mét tÕ bµo sÏ x¸c ®Þnh ®Æc tÝnh vµ chøc n¨ng cña tÕ bµo ®ã. VÝ dô, c¸c gen biÓu hiÖn trong tÕ bµo c¬ kh¸c víi c¸c gen ® îc biÓu hiÖn trong tÕ bµo m¸u. Sù biÓu hiÖn cña gen ®îc ®iÒu khiÓn b¾t ®Çu tõ mét ®o¹n tr×nh tù ADN ®øng tríc (n»m ngîc dßng vÒ phÝa ®Çu 5’) so víi ®o¹n tr×nh tù m· hãa ®îc gäi lµ tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (promoter, cßn gäi lµ tr×nh tù khëi ®éng). §o¹n tr×nh tù khëi ®éng chøa tr×nh tù ®Æc hiÖu ®îc ARN polymerase vµ c¸c protein ®Æc biÖt gäi lµ c¸c yÕu tè phiªn m· nhËn biÕt ®Ó g¾n vµo trong qu¸ tr×nh phiªn m· cña gen. Møc ®é biÓu hiÖn cña gen trong tÕ bµo ®îc x¸c ®Þnh b»ng møc ®é g¾n kÕt (¸i lùc) cña ARN polymerase vµ c¸c yÕu tè phiªn m· víi promoter. I. 4. Exon vµ Intron ë c¸c sinh vËt bËc cao (sinh vËt nh©n chuÈn), th«ng tin di truyÒn m· ho¸ trªn c¸c NST thêng bÞ ph©n c¾t thµnh nhiÒu ®o¹n tr×nh tù ADN c¸ch biÖt ®îc gäi lµ c¸c exon. C¸c exon bÞ ng¨n c¸ch bëi nh÷ng tr×nh tù kh«ng mang th«ng tin cã Ých ®îc gäi lµ c¸c intron (h×nh 3). Sè lîng c¸c intron trong mét gen biÕn ®éng lín, cã thÎ tõ 0 ®Õn trªn 50 ph©n ®o¹n. §é dµi cña c¸c intron vµ exon còng rÊt biÕn ®éng, nhng c¸c intron thêng dµi h¬n vµ chiÕm phÇn lín tr×nh tù cña gen. Tríc khi th«ng tin trong gen ®îc sö dông ®Ó tæng hîp ph©n tö protein t¬ng øng, th× c¸c intron ph¶i ®îc c¾t bá khái ph©n tö ARN nhê qu¸ tr×nh ®îc gäi lµ qu¸ tr×nh c¾t bá (qu¸ tr×nh hoµn thiÖn ph©n tö mARN). Trong qu¸ tr×nh ®ã, c¸c exon ®îc gi÷ l¹i vµ nèi l¹i víi nhau thµnh mét tr×nh tù m· ho¸ liªn tôc. ADN Promoter Intron Exon Exon Intron H×nh 3. CÊu tróc cña gen. ViÖc x¸c ®Þnh c¸c intron trong tr×nh tù mét gen cã thÓ thùc hiÖn ® îc nhê c¸c intron ®iÓn h×nh cã tr×nh tù b¾t ®Çu lµ 5’-GU vµ kÕt thóc lµ AG-3’. Tuy vËy, thùc 2
tÕ ngoµi nh÷ng dÊu hiÖu nµy, viÖc c¾t bá c¸c intron cßn cÇn c¸c tr×nh tù kh¸c ë vïng nèi gi÷a intron vµ exon (xem thªm môc III.1). 3
I. 6. Gen gi¶ (pseudogene) Cã mét sè gen gièng víi c¸c gen kh¸c nhng tr×nh tù baz¬ cña chóng cã nh÷ng sai sãt lµm cho chóng kh«ng cã kh¶ n¨ng chøa nh÷ng th«ng tin sinh häc h÷u Ých. Nh÷ng gen ®ã ®îc gäi lµ nh÷ng gen gi¶ vµ nh÷ng sai sãt hoÆc ®ét biÕn trong tr×nh tù ADN cña chóng xuÊt hiÖn trong qu¸ tr×nh tiÕn ho¸ lµm th«ng tin bÞ lÉn lén ®Õn møc kh«ng cßn ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh sinh tæng hîp protein b×nh thêng ®îc n÷a. Nh÷ng gen gi¶ lµ dÊu vÕt cña qu¸ tr×nh tiÕn ho¸. Tr¶i qua tiÕn ho¸, nh÷ng sù biÕn ®æi ban ®Çu c¸c baz¬ g©y mÊt th«ng tin ®îc lÆp ®i lÆp l¹i ®Õn møc thËm trÝ tr×nh tù baz¬ cña c¸c gen gi¶ kh¸c h¼n víi tr×nh tù gen gèc ban ®Çu. VÝ dô nh c¸c gen globin gi¶ trong c¸c côm gen globin. II. M· DI TRUYÒN II. 1. Khung ®äc Ngoµi viÖc quy ®Þnh ®iÓm b¾t ®Çu qu¸ tr×nh tæng hîp protein, bé ba m· khëi ®Çu (AUG) cßn x¸c ®Þnh khung ®äc cña tr×nh tù ARN. Cã thÓ cã ba bé ba cho bÊt kú mét tr×nh tù baz¬ nµo, phô thuéc vµo baz¬ nµo ®îc chän lµm baz¬ b¾t ®Çu cña codon. Thùc tÕ trong qu¸ tr×nh tæng hîp protein, thêng chØ cã mét khung ®äc ®îc sö dông. Cßn hai khung ®äc kia thêng chøa mét sè bé ba kÕt thóc ng¨n c¶n chóng ®îc sö dông ®Ó tæng hîp trùc tiÕp nªn ph©n tö protein (h×nh 4). Khung ®äc 1. 5’ - AUG ACU AAG AGA UCC GG - 3’ Met Thr Lys Arg Ser Khung ®äc 2. 5’ - A UGA CUA AGA GAU CCG G - 3' Stop Leu Arg Asp Pro Khung ®äc 3. 5’ - AU GAC UAA GAG AUC CGG - 3’ Asp Stop Glu Ile Arg H×nh 4. Mçi tr×nh tù ADN cã thÓ ®äc theo ba khung ®äc kh¸c nhau, phô thuéc vµo baz¬ nµo ®îc chän lµm baz¬ khëi ®Çu. Trªn mçi ph©n ®o¹n ADN m¹ch kÐp vÒ lý thuyÕt cã thÓ cã tèi ®a s¸u khung ®äc më (ORF) kh¸c nhau. §o¹n tr×nh tù n»m gi÷a mét bé ba khëi ®Çu vµ mét bé ba kÕt thóc t ¬ng øng cïng khung ®äc ®îc gäi lµ khung ®äc më (ORF = open reading frame). §Æc ®iÓm nµy ®îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh c¸c tr×nh tù ADN m· ho¸ protein trong c¸c dù ¸n gi¶i m· hÖ gen. II.2. TÝnh v¹n n¨ng cña m· di truyÒn Ban ®Çu, ngêi ta tin r»ng m· di truyÒn lµ v¹n n¨ng. NghÜa lµ ë mäi sinh vËt, c¸c codon gièng nhau ®Òu quy ®Þnh nh÷ng axit amin nh nhau. Tuy vËy, thùc tÕ cho thÊy cã mét sè trêng hîp ngo¹i lÖ. VÝ dô, ë hÖ gen ty thÓ cã sù kh¸c biÖt vÒ bé ba khëi ®Çu vµ bé ba kÕt thóc. Cô thÓ, AUG b×nh thêng lµ bé ba kÕt thóc, th× ë ty thÓ nã l¹i m· ho¸ cho tryptophan; AGA vµ AGG b×nh thêng quy ®Þnh arginin, ë ty thÓ l¹i cã vai trß lµ c¸c bé ba kÕt thóc; AUA b×nh thêng m· hãa cho isoleucin th× ë ty thÓ l¹i x¸c ®Þnh methionin. Ngêi ta cho r»ng nh÷ng thay ®æi nµy cã thÓ tån t¹i ®îc lµ nhê ty thÓ lµ mét hÖ thèng kÝn. Ngoµi hÖ gen ty thÓ, mét sè trêng hîp ngo¹i lÖ kh¸c còng ®îc t×m thÊy ë mét sè sinh vËt ®¬n bµo. VÝ dô ë mét sè ®éng vËt nguyªn sinh, c¸c bé ba UAA vµ UAG b×nh thêng lµ c¸c bé ba kÕt thóc th× l¹i m· ho¸ cho axit glutamic. III. sù hoµn thiÖn marn ë eukaryote III.1. C¾t bá c¸c intron Qu¸ tr×nh nµy x¶y ra trong nh©n nh»m c¾t bá c¸c tr×nh tù intron kh«ng m· hãa khái ph©n tö tiÒn-mARN ®Ó h×nh thµnh nªn ph©n tö mARN hoµn chØnh chØ 4
chøa c¸c tr×nh tù m· ho¸ liªn tôc t¬ng øng víi c¸c exon. Sau ®ã, ph©n tö mARN hoµn chØnh ®îc chuyÓn ra tÕ bµo chÊt ®Ó lµm khu«n tæng hîp protein. Qu¸ tr×nh c¾t bá intron phô thuéc vµo tr×nh tù tÝn hiÖu ë c¸c ®o¹n nèi gi÷a c¸c intron vµ exon. C¸c intron ®iÓn h×nh ®îc giíi h¹n bëi ®Çu 5’-GT vµ 3’-AG. §o¹n tr×nh tù tÝn hiÖu ®Çy ®ñ ë ®Çu 5’ gÆp ë phÇn lín c¸c gen lµ: 5’-AGGTAAGT-3’ vµ ë ®Çu 3’ lµ 5’-YYYYYYNCAG-3’ (Y = pyrimidin, N = nucleotit bÊt kú). ViÖc c¾t bá c¸c intron ®îc thùc hiÖn bëi mét phøc hÖ gäi lµ spliceosom, gåm ph©n tö tiÒn-mARN liªn kÕt víi c¸c h¹t ribonucleoprotein nh©n kÝch thíc nhá snRNP (small nuclear ribonucleoprotein particle, ®îc ®äc t¾t lµ sníp). snRNP ®îc t¹o thµnh tù sù liªn kÕt gi÷a snARN vµ protein. Cã 5 lo¹i snARN phæ biÕn ®îc kÝ hiÖu lµ U1, U2, U4, U5 vµ U6. Mçi lo¹i liªn kÕt víi mét sè ph©n tö protein ®Ó h×nh thµnh nªn snRNP. Trõ U4 vµ U6 thêng t×m thÊy trong cïng mét snRNP, cßn c¸c lo¹i kh¸c t×m thÊy trong c¸c snRNP riªng biÖt. Qu¸ tr×nh c¾t intron tr¶i qua mét sè bíc nh sau (h×nh 5 vµ 6): 1) U1 snRNP g¾n vµo vÞ trÝ c¾t ®Çu 5’ cña intron. ViÖc g¾n nµy dùa trªn nguyªn t¾c bæ trî cña U1 snARN cã trong snRNP víi tr×nh tù ë ®o¹n nèi víi exon ë gÇn ®Çu 5’ cña intron. 2) U2 snRNP g¾n vµo mét tr×nh tù gäi lµ ®iÓm ph©n nh¸nh n»m ngîc dßng so víi ®o¹n nèi víi exon vÒ phÝa ®Çu 3’ cña intron. §iÓm ph©n nh¸nh lµ vÞ trÝ ®Æc thï cña c¸c intron, t¹i ®ã chøa mét adenyl lµ vÞ trÝ g¾n vµo cña ®Çu 5’ tù do cña intron trong qu¸ tr×nh c¾t bá intron. 3) Phøc hÖ U4/U6 snRNP t¬ng t¸c víi U5 snRNP råi g¾n vµo c¸c phøc hÖ U1 vµ U2 snRNP lµm hai ®Çu 5’ vµ 3’ cña intron tiÕn l¹i gÇn nhau, t¹o thµnh cÊu tróc thßng läng. 4) U4 snRNP t¸ch ra khái phøc hÖ, lóc nµy spliceosome chuyÓn thµnh d¹ng cã ho¹t tÝnh c¾t (exonuclease). 5) snRNP c¾t intron ë ®Çu 5’ t¹o ra mét ®Çu 5’ tù do. §Çu nµy sÏ liªn kÕt víi nucleotit A t¹i ®iÓm ph©n nh¸nh vµo vÞ trÝ nhãm 2’-OH (liªn kÕt phosphodieste 5’-2’). Nhãm 3’-OH cña adªnyl nµy vÉn liªn kÕt b×nh thêng víi nucleotit kh¸c trong chuçi. 6) Intron ®îc c¾t ë phÝa ®Çu 5’ (intron vÉn ë d¹ng thßng läng) vµ c¸c exon liÒn kÒ ë hai ®Çu 5’ vµ 3’ cña intron liªn kÕt víi nhau. Lóc nµy phøc hÖ snRNP rêi khái ph©n tö ARN. Vµ qu¸ tr×nh c¾t intron nh vËy ®îc lÆp ®i lÆp l¹i. VÞ trÝ c¾t ®Çu VÞ trÝ c¾t ®Çu 5’ Tr×nh tù ®iÓm ph©n 3’ nh¸nh TiÒnmARN Exon 1 Intron Exon 2 Sù h×nh thµnh cÊu tróc thßng läng C¾t ®Çu 3’ vµ nèi c¸c exon C¸c exon ®îc nèi víi nhau CÊu tróc thßng läng (intron) H×nh 5. Qu¸ tr×nh c¾t bá intron cña ph©n tö mARN tiÒn th©n ë sinh vËt nh©n chuÈn. 5
VÞ trÝ c¾t ®Çu VÞ trÝ c¾t ®Çu 5’ 5’ Exon 1 Tr×nh tù ®iÓm ph©n Exon 2 nh¸nh TiÒn mARN Intron U1, U2 U1 U2 U5, U4/6 Exon 2 Exon 1 3’ 5’ U1 U2 U5 Intron U6 U4 Phøc hÖ c¾t intron (spliceosom) H×nh 6. Sù h×nh thµnh phøc hÖ c¾t intron (spliceosom). Qu¸ tr×nh c¾t intron nh trªn ®îc t×m thÊy ë c¸c gen ®îc phiªn m· nhê ARN polymerase II. Ngoµi c¬ chÕ trªn ®©y, mét sè lo¹i ph©n tö ARN cã thÓ tù c¾t bá intron. Qu¸ tr×nh c¾t bá intron nµy kh«ng phô thuéc vµo protein vµ ®îc gäi lµ c¸c intron nhãm I. C¬ chÕ tù c¾t cña c¸c intron nhãm I ®îc t×m thÊy ë c¸c gen rARN, mét sè gen m· hãa protein trong ti thÓ vµ mét sè gen m· hãa mARN vµ tARN ë thùc khuÈn thÓ. Mét vÝ dô vÒ qu¸ tr×nh tù c¾t cña intron nhãm I (ë Tetrachynema) ®îc m« t¶ nh sau: 1) Ph©n tö tiÒn-mARN ®îc c¾t ë vÞ trÝ nèi víi exon ë phÝa ®Çu 5’ vµ mét nucleoit G g¾n vµo vÞ chÝ c¾t nµy. 2) Intron ®îc c¾t ë vÞ trÝ nèi t¹i ®Çu 3’. 3) Hai exon liÒn kÒ ®îc nèi l¹i víi nhau. 4) PhÇn intron ®îc c¾t ra ®ãng vßng t¹o thµnh mét ph©n tö ADN d¹ng vßng. S¶n phÈm t¹o ra lµ intron ë d¹ng m¹ch vßng cßn ph©n tö ADN chøa c¸c exon ë d¹ng m¹ch th¼ng. Qu¸ tr×nh tù c¾t cña intron nhãm I do chÝnh ARN tù xóc t¸c, vµ c¸c ARN cã ho¹t tÝnh nh vËy ®îc gäi lµ ribozym. Tuy vËy, ho¹t tÝnh tù xóc t¸c cña ARN kh«ng nªn coi lµ ho¹t tÝnh enzym. Bëi, kh«ng gièng nh enzym protein, c¸c ph©n tö ARN kh«ng trë vÒ d¹ng ban ®Çu sau khi ph¶n øng kÕt thóc. ViÖc t×m ra ARN cã ho¹t tÝnh xóc t¸c gÇn gièng víi protein ®· lµm thay ®æi quan ®iÓm vÒ nguån gèc sù sèng. Tríc ®©y, ngêi ta cho r»ng protein lµ yÕu tè thiÕt yÕu ®Ó qu¸ tr×nh sao chÐp c¸c nucleotit cã thÓ x¶y ra. Nhng lý thuyÕt míi gÇn ®©y cho r»ng c¸c axit nucleic ®Çu tiªn cã kh¶ n¨ng tù sao chÐp th«ng qua ho¹t tÝnh kiÓu ribozym. III.2. L¾p mò §Çu 5’ cña ph©n tö mARN ë sinh vËt nh©n chuÈn ®îc söa ®æi b»ng c¸ch g¾n thªm mét nucleotit bÞ c¶i biÕn lµ 7-methylguanosin (7-mG); qu¸ tr×nh ®ã ®îc gäi lµ sù l¾p mò. Mò 7-mG ®îc g¾n nhê enzym guanyltransferase nèi GTP víi nucleotit ®Çu tiªn cña mARN b»ng liªn kÕt triphotphat 5’ 5’ kh¸c thêng. Sau ®ã enzym 6
methyl transferase sÏ g¾n thªm nhãm -CH 3 vµo nit¬ sè 7 cña vßng guanin; ®ång thêi thêng g¾n thªm c¶ vµo nhãm 2’-OH cña ®êng ribose cña hai nucleotit kÕ tiÕp. ViÖc t¹o mò gióp b¶o vÖ ®Çu 5’ cña mARN kh«ng bÞ ph©n hñy bëi exonuclease trong tÕ bµo chÊt, ®ång thêi lµm tÝn hiÖu cho ribosom nhËn biÕt ®iÓm b¾t ®Çu cña ph©n tö mARN. III.3. G¾n ®u«i poly(A) §Çu 3’ cña ph©n tö tiÒn-mARN cña hÇu hÕt c¸c sinh vËt nh©n chuÈn ®îc söa ®æi b»ng c¸ch thªm vµo mét ®o¹n tr×nh tù poly A (cßn ®îc gäi lµ ®u«i polyA) cã thÓ dµi tíi 250 baz¬ adenin. Sù söa ®æi nµy ®îc gäi lµ ®a adenin hãa vµ cÇn cã mét tr×nh tù tÝn hiÖu trªn ph©n tö tiÒn-mARN. §ã lµ tr×nh tù 5’-AAUAAA-3’ n»m gÇn ®Çu 3’ cña ph©n tö tiÒn-mARN. Kho¶ng 11 - 20 baz¬ tiÕp theo cã tr×nh tù lµ YA (Y = pyrimidin), råi tiÕp ®Õn lµ ®o¹n tr×nh tù giµu GU n»m xu«i dßng. Cã nhiÒu protein ®Æc hiÖu cã kh¶ n¨ng nhËn biÕt vµ g¾n vµo ®o¹n tr×nh tù tÝn hiÖu t¹o thµnh mét phøc hÖ c¾t mARN ë vÞ trÝ kho¶ng 20 nucleotit phÝa sau cña tr×nh tù 5’-AAUAAA- 3’. Sau ®ã, enzym poly(A) polymerase sÏ bæ sung thªm c¸c adenin vµo ®Çu 3’ cña mARN. Môc ®Ých t¹o ®u«i A cßn cha râ, nhng cã thÓ nã cã vai trß b¶o vÖ cho mARN kh«ng bÞ ph©n hñy ë ®Çu 3’ bëi exonuclease. Tuy nhiªn, mét sè mARN, nh mARN m· ho¸ c¸c protein histon, kh«ng cã ®u«i polyA (nhng thêng cã thêi gian tån t¹i ng¾n).. III.4. TÝnh bÒn v÷ng cña mARN Kh«ng gièng nh rARN vµ tARN cã tÝnh bÒn v÷ng kh¸ cao trong tÕ bµo, c¸c mARN cã vßng ®êi t¬ng ®èi ng¾n. §iÒu ®ã cã thÓ do tÕ bµo cÇn ®iÒu tiÕt møc ®é tæng hîp c¸c lo¹i protein trong tÕ bµo tïy theo yªu cÇu th«ng qua sù thay ®æi møc ®é phiªn m·. Sù thay ®æi lîng mARN ®ang dÞch m· ph¶n ¸nh sù thay ®æi møc ®é phiªn m·. ë c¸c tÕ bµo vi khuÈn, mARN cã thêi gian b¸n ph©n hñy kho¶ng vµi phót. Trong khi, ë c¸c tÕ bµo nh©n chuÈn, mARN cã thêi gian b¸n ph©n hñy cã thÓ lªn ®Õn h¬n 6 giê. MÆc dï mét sè mARN, nh c¸c mARN m· ho¸ globin cÊu t¹o nªn hemoglobin, cã thÓ tån t¹i rÊt l©u trong tÕ bµo. III.5. C¸c ph©n tö mARN ®îc hoµn thiÖn theo c¸c c¸ch kh¸c nhau Mét tr×nh tù ADN phiªn m· chØ cho ra mét ph©n tö tiÒn-mARN, nhng ph©n tö tiÒn-mARN cã thÓ ®îc hoµn thiÖn b»ng c¸c c¸ch kh¸c nhau ®Ó t¹o ra nhiÒu lo¹i ph©n tö mARN hoµn chØnh kh¸c nhau tríc khi ®îc sö dông lµm khu«n tæng hîp protein. §ã lµ c¸c c¬ chÕ c¾t bá tiÒn-mARN kh¸c nhau, trong ®ã tÕ bµo sö dông nh÷ng ®iÓm c¾t kh¸c biÖt ®Ó lo¹i bá hay gi÷ l¹i c¸c exon trong qu¸ tr×nh c¾t bá. Ngoµi ra, viÖc tån t¹i c¸c tÝn hiÖu poly(A) kh¸c nhau trªn ph©n tö tiÒn-mARN còng cã thÓ dÉn ®Õn viÖc sinh ra c¸c ph©n tö mARN cã tr×nh tù dµi ng¾n kh¸c nhau ë ®Çu 3’. VÝ dô, viÖc sö dông ®iÓm poly(A) n»m phÝa tríc ®iÓm kÕt thóc ®o¹n tr×nh tù m· ho¸ cã thÓ lo¹i bá mét sè exon n»m sau nã vµ sinh ra mARN m· hãa cho mét lo¹i protein ng¾n h¬n. Mét ph©n tö tiÒn-mARN cã thÓ ®îc c¾t bá c¸c intron theo nh÷ng c¸ch kh¸c nhau cïng lóc hoÆc ë nh÷ng giai ®o¹n ph¸t triÓn kh¸c nhau cña mét tÕ bµo, hoÆc kh¸c nhau gi÷a c¸c tÕ bµo kh¸c nhau. C¸c protein ®îc sinh ra theo c¸c c¬ chÕ nµy th- êng cã quan hÖ víi nhau, song chóng thêng biÓu hiÖn chøc n¨ng hoÆc cã ®Æc ®iÓm riªng. VÝ dô, qu¸ tr×nh hoµn thiÖn ph©n tö tiÒn-mARN cña globulin miÔn dÞch dÉn ®Õn viÖc tæng hîp c¸c protein cã thÓ chøa hoÆc kh«ng chøa c¸c tr×nh tù axit amin kþ níc cho phÐp nã liªn kÕt ®îc vµo mµng tÕ bµo. §iÒu nµy gióp t¹o ra nhiÒu d¹ng globulin miÔn dÞch cã thÓ liªn kÕt víi mµng vµ c¸c d¹ng ®Ó tiÕt ra khái tÕ bµo. C¸c ph©n tö tiÒn-mARN còng cßn cã thÓ tr¶i qua qu¸ tr×nh söa ®æi tr×nh tù ARN. Trong qu¸ tr×nh ®ã, tr×nh tù cña ph©n tö tiÒn-mARN bÞ biÕn ®æi b»ng c¸ch thªm vµo, bít ®i hay thay thÕ c¸c baz¬. Sù söa ®æi tr×nh tù ARN ®îc x¸c ®Þnh ®Çu tiªn ë mét sè nguyªn sinh ®éng vËt ký sinh. ë nh÷ng loµi nµy, ngêi ta thÊy c¸c b¶n 7
phiªn m· cña nhiÒu gen ty thÓ bÞ söa ®æi b»ng c¸ch ®îc bæ sung thªm c¸c gèc uracil. Qu¸ tr×nh nµy còng gÆp ë ®éng vËt cã x¬ng sèng, nhng møc ®é söa ®æi Ýt h¬n nhiÒu. ë ngêi, ph©n tö tiÒn-mARN cña gen apolipoprotein B bÞ söa ®æi ë tÕ bµo ruét non b»ng c¸ch thay thÕ baz¬ C b»ng U ®Ó t¹o nªn mét bé ba kÕt thóc, dÉn ®Õn viÖc tæng hîp mét ph©n tö protein ng¾n h¬n. Trong khi ®ã ë tÕ bµo gan, n¬i tr×nh tù ARN kh«ng bÞ söa ®æi, protein ®ã cã ®é dµi ®Çy ®ñ. IV. VÒ bÖnh di truyÒn VI.1. C¸c d¹ng bÖnh di truyÒn Cã mét nhãm ®a d¹ng c¸c bÖnh lý vµ rèi lo¹n g©y ra do c¸c ®ét biÕn gen vµ sù thay ®æi bÊt thêng cña nhiÔm s¾c thÓ. C¸c rèi lo¹n cã b¶n chÊt di truyÒn vµ cã thÓ chia lµm 3 nhãm chÝnh: C¸c sai háng ®¬n gen C¸c sai háng ®¬n gen cßn ®îc gäi lµ c¸c rèi lo¹n di truyÒn Mendel (Mendelian disorders), c¸c rèi lo¹n ®¬n gen (monogenic disorders), hay c¸c rèi lo¹n ®¬n locut (single locus disorders). §©y lµ mét nhãm c¸c d¹ng bÖnh lý g©y ra do sù cã mÆt cña mét gen ®ét biÕn trong c¬ thÓ bÞ bÖnh. §ét biÕn gen lµm thay ®æi th«ng tin m· hãa cña gen ®ã vµ, hoÆc dÉn ®Õn viÖc t¹o ra ph©n tö protein bÞ sai háng vÒ chøc n¨ng, hoÆc thËm trÝ øc chÕ hoµn toµn sù tæng hîp protein mµ gen ®ã m· hãa. Sù thiÕu hôt protein do ®ét biÕn gen g©y nªn sù biÓu hiÖn cña c¸c tr¹ng th¸i bÖnh lý. §ét biÕn gen cã thÓ ®îc di truyÒn gi÷a c¸c thÕ hÖ (tõ bè, mÑ sang con, ch¸u) hoÆc xuÊt hiÖn mét c¸ch tù ph¸t (de novo) trong tÕ bµo sinh dôc (tinh trïng hoÆc trøng) trong c¬ thÓ bè hoÆc mÑ, vµ sau thô tinh, ®øa trÎ h×nh thµnh mang ®ét biÕn trong mäi tÕ bµo. C¸c rèi lo¹n nhiÔm s¾c thÓ Cã c¸c d¹ng bÖnh lý g©y ra do sù mÊt ®i hoÆc thªm vµo mét hoÆc mét sè nhiÔm s¾c thÓ, hay do sù thay ®æi cÊu tróc cña nhiÔm s¾c thÓ. PhÇn lín c¸c rèi lo¹n bÊt thêng vÒ nhiÔm s¾c thÓ xuÊt hiÖn ngay trong c¸c tÕ bµo sinh dôc cña c¬ thÓ bè hoÆc mÑ, nhng còng cã nh÷ng trêng hîp g©y ra do di truyÒn tõ thÕ hÖ tríc. C¸c d¹ng bÊt thêng vÒ sè lîng nhiÔm s¾c thÓ (biÕn dÞ sè lîng nhiÔm s¾c thÓ) cã thÓ biÓu hiÖn b»ng sù t¨ng lªn sè lîng bé nhiÔm s¾c thÓ ®¬n béi (hiÖn tîng ®a béi thÓ), hoÆc do sù thªm vµ hoÆc mÊt ®i cña tõng nhiÔm s¾c thÓ riªng lÎ (hiÖn tîng lÖch béi). C¸c d¹ng bÊt thêng vÒ cÊu tróc nhiÔm s¾c thÓ cã thÓ g©y ra do sù ®øt gÉy nhiÔm s¾c thÓ liªn quan ®Õn c¸c hiÖn tîng mÊt ®o¹n, lÆp ®o¹n hoÆc ®¶o ®o¹n nhiÔm s¾c thÓ. C¸c rèi lo¹n ®a nh©n tè §©y lµ mét nhãm gåm nhiÒu bÖnh phæ biÕn, vÝ dô nh ®¸i th¸o ®êng, c¸c bÖnh m¹ch vµnh vµ phÇn lín c¸c dÞ tÊt bÈm sinh. C¸c bÖnh nµy g©y ra do ¶nh hëng cña nhiÒu gen theo c¸c c¬ chÕ bÖnh lý phøc t¹p cho ®Õn nay cha ®îc hiÓu biÕt ®Çy ®ñ, nhng ®îc biÕt cã liªn quan ®Õn sù t¬ng t¸c cña nhiÒu gen víi nhau, hoÆc gi÷a c¸c gen víi c¸c yÕu tè m«i trêng. Trong kho¶ng 20 n¨m qua, nhê sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ ADN t¸i tæ hîp, ®· cã nhiÒu ph¸t hiÖn míi mang tÝnh bíc ngoÆt liªn quan ®Õn c¸c bÖnh lý do rèi lo¹n ®¬n gen g©y ra. Th«ng tin ®îc nªu trong phÇn díi ®©y liªn quan ®Õn mét sè rèi lo¹n bÖnh lý nh vËy. VI.2. H×nh thøc di truyÒn C¸c rèi lo¹n di truyÒn ®¬n gen ®îc truyÒn tõ thÕ hÖ bè, mÑ sang thÕ hÖ con, ch¸u. Cã ba h×nh thøc di truyÒn phæ biÕn: di truyÒn tréi trªn nhiÔm s¾c thÓ th- êng, di truyÒn lÆn trªn nhiÔm s¾c thÓ thêng vµ di truyÒn liªn kÕt nhiÔm s¾c thÓ X (B¶ng 1). 8
Trong trêng hîp bÖnh di truyÒn do alen tréi n»m trªn nhiÔm s¾c thÓ thêng quy ®Þnh, viÖc truyÒn mét alen g©y bÖnh tõ bè hoÆc mÑ sang con lµ ®ñ ®Ó c¸ thÓ con biÓu hiÖn bÖnh. C¸c c¸ thÓ bÞ bÖnh cã mét alen b×nh thêng vµ mét alen ®ét biÕn g©y bÖnh ®îc gäi lµ c¸c thÓ dÞ hîp tö. C¸c c¸ thÓ nµy cã nguy c¬ truyÒn cho 50 % sè con alen ®ét biÕn vµ biÓu hiÖn bÖnh (h×nh 7a). Trong trêng hîp bÖnh di truyÒn do alen lÆn n»m trªn nhiÔm s¾c thÓ thêng quy ®Þnh, c¸ thÓ biÓu hiÖn bÖnh ph¶i mang ®ñ mét cÆp alen ®ét biÕn g©y bÖnh, mét b¾t nguån tõ bè, mét tõ mÑ. C¸ thÓ biÓu hiÖn bÖnh trong trêng hîp nµy gäi lµ c¸ thÓ ®ång hîp tõ vÒ alen ®ét biÕn. C¸c c¸ thÓ dÞ hîp tö víi mét alen g©y bÖnh kh«ng biÓu hiÖn bÖnh nhng cã kh¶ n¨ng truyÒn alen g©y bÖnh sang 50% sè c¸ thÓ con. §èi c¶ bè vµ mÑ lµ c¸c c¸ thÓ dÞ hîp tö mang alen lÆn g©y bÖnh trªn nhiÔm s¾c thÓ thêng, mét phÇn t sè con biÓu hiÖn bÖnh, mét phÇn t b×nh thêng vµ mét nöa sè c¸ thÓ con lµ thÓ mang alen g©y bÖnh nhng kh«ng biÓu hiÖn bÖnh (h×nh 7b). Trong trêng hîp bÖnh di truyÒn liªn kÕt víi nhiÔm s¾c thÓ X, gen ®ét biÕn g©y bÖnh chØ xuÊt hiÖn trªn nhiÔm s¾c thÓ X. Do con ®ùc chØ cã mét nhiÔm s¾c thÓ X duy nhÊt, viÖc truyÒn alen ®ét biÕn sang c¸ thÓ con giíi ®ùc lµ ®ñ ®Ó c¸ thÓ nµy biÓu hiÖn bÖnh. C¸c c¸ thÓ ®ùc biÓu hiÖn bÖnh gäi lµ c¸c c¸ thÓ dÞ giao tö. C¸c con c¸i cã hai nhiÔm s¾c thÓ X v× vËy thêng kh«ng biÓu hiÖn bÖnh do phÇn lín c¸c gen ®ét biÕn g©y bÖnh n»m trªn nhiÔm s¾c thÓ X lµ c¸c alen lÆn. §èi víi c¸c con c¸i lµ c¸ thÓ mang gen g©y bÖnh nhng kh«ng biÓu hiÖn bÖnh, 50% con ®ùc thÕ hÖ con cã nguy c¬ bÞ bÖnh vµ 50% con c¸i lµ thÓ mang gen g©y bÖnh nh- ng kh«ng biÓu hiÖn bÖnh (h×nh 7c). (a) Alen b×nh th êng ®ét biÕn Alen BÞ bÖnh B×nh th C¸ thÓ ®ùc êng C¸ thÓ c¸i (b) BÞ bÖnh B×nh th BÞ bÖnh B×nh th êng êng (c) ThÓ mang ThÓ mang B×nh th ThÓ mang êng BÞ bÖnh ThÓ ThÓ B×nh th BÞ bÖnh B×nh th ThÓ B×nh th mang mang êng êng mang êng H×nh 7. (a) Alen tréi trªn NST thêng. Sù di truyÒn cña mét alen ®ét biÕn duy nhÊt (a) ®Òu dÉn ®Õn sù biÓu hiÖn cña bÖnh. (b) Alen lÆn trªn NST thêng. C¸c c¸ thÓ bÞ bÖnh ph¶i mang hai alen ®ét biÕn (aa). C¸c c¸ thÓ dÞ hîp tö (Aa) lµ c¸c thÓ mang. (c) Alen liªn kÕt NST X, ®èi víi c¸c thÓ mang lµ c¸i, 50% sè c¸ thÓ con giíi ®ùc bÞ bÖnh, vµ 50% sè c¸ thÓ con giíi c¸i lµ thÓ mang. B¶ng 1. Mét sè bÖnh lý di truyÒn ®¬n gen BÖnh lý TÇn sè trªn 1000 H×nh thøc di truyÒn Gen ®ét biÕn §Æc ®iÓm trÎ M¸u khã ®«ng 0,1 Liªn kÕt NST X Nh©n tè VIII Ch¶y m¸u bÊt thêng d¹ng A M¸u khã ®«ng 0,03 Liªn kÕt NST X Nh©n tè IX Ch¶y m¸u bÊt thêng d¹ng B Lo¹n dìng c¬ 0,3 Liªn kÕt NST X Dystrophin Hao mßn c¬ Duchene Lo¹n dìng c¬ 0,05 Liªn kÕt NST X Dystrophin Hao mßn c¬ Becker 9
Héi chøng NST X 0,5 Liªn kÕt NST X FMR1 ChËm ph¸t triÓn trÝ tuÖ yÕu BÖnh móa giËt 0,5 Tréi, trªn NST thêng Hungtingtin Chøng t©m thÇn ph©n liÖt Huntington U s¬ thÇn kinh 0,4 Tréi, trªn NST thêng NF-1,2 Ung th Héi chøng 0,05 LÆn, trªn NST thêng C¸c gen globin ThiÕu m¸u thalassemi ThiÕu m¸u hång 0,1 LÆn, trªn NST thêng - globin ThiÕu m¸u; ThiÕu m¸u côc cÇu h×nh liÒm bé Phenylketo niÖu 0,1 LÆn, trªn NST thêng Phenylalanine- Kh«ng cã kh¶ n¨ng hydroxylase chuyÓn hãa phenylalanin Hãa x¬ nang 0,4 LÆn, trªn NST thêng CFTR BÖnh háng phæi tÝch lòy vµ c¸c triÖu chøng kh¸c §Ó cã sù c©n b»ng gi÷a con ®ùc vµ con c¸i vÒ lîng s¶n phÈm do gen n»m trªn nhiÔm s¾c thÓ X m· hãa, trong tù nhiªn cã hiÖn tîng mét trong hai nhiÔm s¾c thÓ X trong tÕ bµo con c¸i bÞ bÊt ho¹t. Qu¸ tr×nh nµy ®îc gäi lµ hiÖn tîng Lyon hãa (gi¶ thiÕt Lyon) vµ thêng diÔn ra trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña ph«i. Trong mçi tÕ bµo, nhiÔm s¾c thÓ X bÞ bÊt ho¹t ®îc “chän” mét c¸ch ngÉu nhiªn. Tuy vËy, mét sè con c¸i lµ thÓ mang gen g©y bÖnh n»m trªn nhiÔm s¾c thÓ X cã thÓ biÓu hiÖn bÖnh ë møc ®é nhÑ do sù bÊt ho¹t cña nhiÔm s¾c thÓ X b×nh thêng. VI.3. Sai háng ®¬n gen Cã nhiÒu bÖnh di truyÒn do gen ®¬n quy ®Þnh xuÊt hiÖn ë ngêi (B¶ng 7). C¸c bÖnh nµy cã c¸c ®Æc ®iÓm biÓu hiÖn ®a d¹ng kh¸c nhau vµ hËu qu¶ ®èi víi c¸c c¸ thÓ bÞ bÖnh còng kh¸c nhau tïy thuéc vµo møc ®é quan träng cña gen bÞ ®ét biÕn vµ b¶n chÊt cña lo¹i ®ét biÕn xuÊt hiÖn. Mét sè bÖnh, nh bÖnh m¸u khã ®«ng, g©y nªn c¸c triÖu chøng bÖnh cã thÓ ®iÒu trÞ ®îc, nhng c¸c bÖnh kh¸c ch¼ng h¹n nh héi chøng móa giËt Huntington, ®Õn nay cha cã biÖn ph¸p ®iÒu trÞ triÖt ®Ó vµ ngêi bÖnh thêng chÕt khi cßn trÎ. C¸c bÖnh di truyÒn do ®¬n gen quy ®Þnh thêng xuÊt hiÖn víi tÇn sè t¬ng ®èi thÊp n»m trong kho¶ng gi÷a 0,01 ®Õn 5,0 trêng hîp trong 1000 em bÐ s¬ sinh. TÇn sè c¸c rèi lo¹n di truyÒn nµy thêng kh¸c nhau trong c¸c chñng téc ngêi kh¸c nhau. Ch¼ng h¹n, tÇn sè bÖnh nh©n bÞ x¬ nang lµ cao nhÊt ë c¸c níc B¾c ¢u, bÖnh thiÕu m¸u hång cÇu h×nh liÒm x¶y ra víi tÇn sè cao nhÊt ë Ch©u Phi vµ bÖnh - thalassemia phæ biÕn h¬n c¶ trong c¸c quÇn thÓ Ch©u ¸. §èi víi c¸c bÖnh di truyÒn ®¬n gen phæ biÕn nhÊt ë ngêi ®Õn nay ®· x¸c ®Þnh vµ t¸ch dßng ®îc gen g©y bÖnh ®ång thêi x¸c ®Þnh ®îc c¸c ®ét biÕn g©y bÖnh. VI.4. C¸c ®ét biÕn trong sai háng ®¬n gen Cã thÓ chia c¸c lo¹i ®ét biÕn t¹o ra c¸c alen g©y bÖnh thµnh hai lo¹i chÝnh: c¸c ®ét biÕn ®iÓm liªn quan ®Õn sù thay ®æi cña mét baz¬ nit¬ duy nhÊt vµ c¸c ®ét biÕn lín liªn quan ®Õn sù thay ®æi tr×nh tù ADN víi kÝch thíc lín h¬n. §èi víi mçi lo¹i bÖnh, cã thÓ cã vµi d¹ng ®ét biÕn kh¸c nhau. Ngoµi ra, c¸c c¸ thÓ bÞ bÖnh còng cã thÓ cïng lóc mang c¸c gen ®ét biÕn kh¸c nhau. VÝ dô, cã kho¶ng 20% trêng hîp bÞ bÖnh m¸u khã ®éng d¹ng A do kÕt qu¶ cña ®ét biÕn lín g©y ra. C¸c trêng hîp cßn l¹i lµ do c¸c d¹ng ®ét biÕn ®iÓm mµ ®Õn nay c¸c nhµ nghiªn cøu ®· t×m ra vµ m« t¶ 250 kiÓu ®ét biÕn kh¸c nhau. C¸c ®ét biÕn ®iÓm C¸c ®ét biÕn ®iÓm g©y nªn c¸c bÖnh di truyÒn cã thÓ chia thµnh mét sè kiÓu sau: (1) C¸c ®ét biÕn sai nghÜa (misense mutations). §©y lµ nh÷ng thay ®æi cña c¸c nucleotit trªn ph©n tö ADN g©y nªn sù thay ®æi bé ba m· hãa cho mét axit amin dÉn ®Õn sù thay thÕ bëi mét lo¹i axit amin kh¸c trªn ph©n tö protein. C¸c ®ét biÕn sai 10
nghÜa g©y nªn nh÷ng hËu qu¶ kh¸c nhau ®èi víi ph©n tö protein ®îc m· hãa. Do hiÖn tîng tho¸i hãa cña m· di truyÒn, nh÷ng thay ®æi liªn quan ®Õn vÞ trÝ baz¬ thø ba trong bé ba m· hãa thêng kh«ng cã ¶nh hëng ®Õn ph©n tö protein. Ngoµi ra, nhiÒu sù thay ®æi thµnh phÇn baz¬ nit¬ dÉn ®Õn sù thay thÕ cña axit amin cã ®Æc tÝnh t¬ng tù cã thÓ kh«ng lµm thay ®æi chøc n¨ng vµ ho¹t tÝnh cña ph©n tö protein. Ch¼ng h¹n nh ®ét biÕn ë bé ba m· hãa CTT thµnh ATT lµm thay thÕ axit amin kÞ níc lµ leucin b»ng isoleucin còng lµ mét axit amin kÞ níc kh¸c. Tuy vËy, cã nhiÒu vÝ dô cho thÊy c¸c ®ét biÕn sai nghÜa lµm thay ®æi râ rÖt chøc n¨ng cña ph©n tö protein ®îc m· hãa vµ v× vËy g©y nªn c¸c bÖnh di truyÒn. Trong sè nµy cã thÓ kÓ ®Õn ®ét biÕn thay thÕ A b»ng T trong gen m· hãa -globin, mét trong c¸c chuçi polypeptit h×nh thµnh nªn ph©n tö hemoglobin. §ét biÕn nµy lµm thay ®æi bé ba sè s¸u cña gen thay ®æi tõ GAG m· hãa cho axit glutamic thµnh GTG m· hãa cho valin. §ét biÕn nµy g©y nªn bÖnh thiÕu m¸u hång cÇu h×nh liÒm do c¸c tÕ bµo hång cÇu bÞ biÕn d¹ng thµnh h×nh liÒm do thay ®æi sù kÕt dÝnh cña c¸c ph©n tö hemoglobin. C¸c tÕ bµo hång cÇu h×nh liÒm cã tuæi thä ng¾n g©y nªn hiÖn tîng thiÕu m¸u vµ n»m trong c¸c mao m¹ch lµm gi¶m kh¶ n¨ng cung cÊp m¸u tíi c¸c c¬ quan (chøng thiÕu m¸u côc bé). (2) C¸c ®ét biÕn v« nghÜa. §©y lµ nh÷ng thay ®æi cña c¸c nucleotit trªn ph©n tö ADN lµm chuyÓn mét m· bé ba m· hãa axit amin thµnh mét m· bé ba kÕt thóc v× vËy qu¸ tr×nh phiªn m· sÏ kÕt thóc sím h¬n b×nh thêng vµ dÉn ®Õn sù h×nh thµnh ph©n tö protein cã kÝch thíc ng¾n h¬n. C¸c ®ét biÕn v« nghÜa thêng g©y hËu qu¶ nghiªm träng ®èi víi ph©n tö protein ®îc m· hãa, ®Æc biÖt khi nã xuÊt hiÖn gÇn ®Çu 5’ cña gen. NhiÒu bÖnh di truyÒn kh¸c nhau ®· ®îc x¸c ®Þnh cã liªn quan ®Õn c¸c ®ét biÕn v« nghÜa. VÝ dô nh ®ét biÕn C thµnh T ë bé ba sè 39 trong gen m· hãa -globin lµm thay ®æi m· bé ba b×nh thêng CAG quy ®Þnh glutamin thµnh TAG lµ mét bé ba m· kÕt thóc. §ét biÕn nµy g©y nªn sù kÕt thóc phiªn m· sím cña ph©n tö mARN m· hãa cho -globin dÉn ®Õn sù thiÕu hôt mét chuçi polypeptit vµ g©y nªn d¹ng bÖnh lý gäi lµ -thalassemia víi triÖu chøng bÖnh thiÕu m¸u do ph©n tö hemoglobin b×nh thêng kh«ng ®îc t¹o thµnh. (3) C¸c ®ét biÕn dÞch khung. Nh÷ng ®ét biÕn nµy x¶y ra do sù thªm vµo hay mÊt ®i cña mét hay mét sè baz¬ nit¬ lµm thay ®æi khung ®äc vµ mét tËp hîp c¸c bé ba m· hãa míi ®îc h×nh thµnh kÓ tõ ®iÓm ®ét biÕn x¶y ra. §ét biÕn dÞch khung còng thêng g©y nªn hËu qu¶ nghiªm träng ®èi víi ph©n tö protein ®îc m· hãa, ®Æc biÖt khi ®ét biÕn xuÊt hiÖn gÇn ®Çu 5’ cña gen. NhiÒu bÖnh lý ®îc m« t¶ liªn quan ®Õn ®ét biÕn dÞch khung. Ch¼ng h¹n ®ét biÕn dÞch khung ®· ®îc t×m thÊy lµ nguyªn nh©n g©y nªn bÖnh m¸u khã ®«ng ë nhiÒu bÖnh nh©n m¾c c¨n bÖnh nµy. Trong ®ã bao gåm c¸c trêng hîp do mÊt ®i 4 baz¬ nit¬ g©y nªn sù thay ®æi khung ®äc tõ bé ba m· hãa thø 50 vµ mét ®ét biÕn thªm 10 baz¬ lµm thay ®æi khung ®äc tõ bé ba m· hãa thø 38. C¶ hai kiÓu ®ét biÕn nµy ®Òu g©y triÖu chøng bÖnh nghiªm träng. (4) §ét biÕn vÞ trÝ c¾t intron. §©y lµ nh÷ng ®ét biÕn lµm thay ®æi tr×nh tù tÝn hiÖu ë gÇn ®Çu 3’ hoÆc 5’ cña c¸c ®o¹n intron dÉn ®Õn viÖc c¾t intron sai trong qu¸ tr×nh hoµn thiÖn ph©n tö mARN ë sinh vËt nh©n chuÈn. C¸c ®ét biÕn kiÓu nµy còng cã thÓ x¶y ra bªn trong intron t¹o nªn ®iÓm c¾t intron míi vµ v× vËy còng dÉn ®Õn sù c¾t sai tr×nh tù intron. Mét lo¹t c¸c ®ét biÕn vÞ trÝ c¾t intron ®îc t×m thÊy liªn quan ®Õn ®ét biÕn gen -globin lµm thiÕu hoµn toµn c¸c chuçi -globin trong c¸c c¬ thÓ ®ång hîp tö vµ g©y bÖnh -thalassemia. (5) §ét biÕn tr×nh tù gen ®iÒu hßa. C¸c ®ét biÕn nµy x¶y ra t¬ng ®èi hiÕm vµ ¶nh hëng ®Õn viÖc ®iÒu hßa ho¹t ®éng cña gen, thêng hoÆc lµm gi¶m hoÆc lµm t¨ng møc ®é biÓu hiÖn cña gen. Mét ®ét biÕn nh vËy ®· ®îc x¸c ®Þnh trong tr×nh tù chØ huy cña gen m· hãa protein ®«ng m¸u (lµ protein yÕu tè IX) còng lµ mét nguyªn nh©n g©y nªn bÖnh m¸u khã ®«ng. C¸c c¸ thÓ mang ®ét biÕn nµy kh«ng t¹o ®îc 11
protein yÕu tè IX vµ bÞ ch¶y m¸u mét c¸ch bÊt thêng. Th«ng thêng, triÖu chøng bÖnh thêng mÊt ®i sau tuæi dËy th× nhê hãcm«n steroid kÝch thÝch sù biÓu hiÖn cña gen nµy. C¸c ®ét biÕn lín Cã nhiÒu bÖnh lý g©y ra do c¸c ®ét biÕn liªn quan ®Õn mét tr×nh tù dµi c¸c nucleotit trªn ph©n tö ADN. PhÇn lín c¸c ®ét biÕn nµy cã ¶nh hëng nghiªm träng ®Õn chøc n¨ng cña gen vµ g©y bÖnh nÆng. (1) C¸c ®ét biÕn mÊt ®o¹n. Sù mÊt ®i cña gen cã thÓ biÓu hiÓn víi møc ®é kÝch thíc kh¸c nhau, tõ mét vµi baz¬ nit¬ ®Õn toµn bé gen, thËm trÝ nhiÒu gen cïng lóc. Sù mÊt ®i hoµn toµn cña c¸c gen m· hãa -globin g©y nªn bÖnh -thalassemia (bÖnh mÊt kh¶ n¨ng s¶n xuÊt hemoglobin b×nh thêng). VÝ dô nh, sù mÊt mét phÇn gen m· hãa dystrophin g©y nªn bÖnh mßn c¬, bÖnh lo¹n dìng c¬; hay sù mÊt ®i mét bé ba m· hãa duy nhÊt trong gen tæng hîp protein ®iÒu hßa ®é dÉn xuyªn mµng trong bÖnh x¬ nang CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) lµ nguyªn nh©n g©y bÖnh gÆp ph¶i ë 70% sè bÖnh nh©n bÞ bÖnh x¬ nang. (2) C¸c ®ét biÕn thªm ®o¹n. NhiÒu ®ét biÕn thªm ®o¹n ®· ®îc ghi nhËn. VÝ dô nh mét trêng hîp mét bÖnh nh©n bÞ m¸u khã ®«ng d¹ng A hiÕm gÆp cã nguyªn nh©n g©y bÖnh lµ do sù thªm vµo gen m· hãa yÕu tè VIII mét tr×nh tù lÆp l¹i gäi lµ yÕu tè LINE. (3) C¸c ®ét biÕn thay thÕ ®o¹n gen. Còng cã nhiÒu ®ét biÕn thay thÕ ®o¹n gen g©y nªn bÖnh di truyÒn ®· ®îc ghi nhËn. VÝ dô nh mét ®ét biÕn g©y bÖnh m¸u khã ®«ng d¹ng A x¶y ra do sù t¸i tæ hîp gi÷a c¸c tr×nh tù n»m trong vïng intron thø 22 cña gen m· hãa yÕu tè VIII vµ c¸c tr×nh tù lÆp l¹i kÐp däc theo nhiÔm s¾c thÓ X. Do mét lçi x¶y ra trong qu¸ tr×nh t¸i tæ hîp, gen m· hãa yÕu tè VIII bÞ c¾t thµnh 2 m¶nh t¸ch biÖt nhau bëi hµng triÖu cÆp baz¬ nit¬, lµm mÊt hoµn toµn chøc n¨ng cña gen nµy. (4) C¸c ®ét biÕn lÆp l¹i bé ba nucleotit. Mét d¹ng ®ét biÕn gen hiÕm gÆp liªn quan ®Õn c¸c tr×nh tù lÆp l¹i tõng bé ba nucleotit kÐm bÒn v÷ng. Trong qu¸ tr×nh gi¶m ph©n x¶y ra hiÖn tîng sè lîng b¶n sao c¸c tr×nh tù lÆp l¹i tõng bé ba nucleotit t¨ng lªn trong c¸c tÕ bµo sinh dôc dÉn ®Õn sù biÓu hiÖn cña bÖnh trong c¸c thÕ hÖ sau. C¬ chÕ dÉn ®Õn hiÖn tîng lÆp l¹i nhiÒu lÇn cña c¸c tr×nh tù nucleotit vµ nguyªn lý g©y bÖnh cho ®Õn nay cha ®îc biÖt râ. Sù t¨ng lªn sè lîng c¸c tr×nh tù lÆp l¹i t×m thÊy liªn quan ®Õn mét sè bÖnh di truyÒn bao gåm bÖnh móa giËt Hungtington. VI.5. VÒ mét sè bÖnh di truyÒn 1) Trao ®æi chÐo trong nguyªn ph©n cã thÓ t¹o ra thÓ kh¶m vÒ di truyÒn vµ mét sè bÖnh ung th ë ngêi Trao ®æi chÐo lµ mét ®Æc tÝnh quan träng cña qu¸ tr×nh gi¶m ph©n. Phøc hÖ trao ®æi chÐo “x¸c ®Þnh” vÞ trÝ t¸i tæ hîp ®ång thêi gi÷ cho c¸c NST t¬ng ®ång g¾n kÕt víi nhau, cho phÐp chóng thµnh tõng cÆp tiÕn vÒ mÆt ph¼ng xÝch ®¹o t¹i kú gi÷a cña gi¶m ph©n I, råi sau ®ã ph©n ly vÒ hai cùc ®èi diÖn cña tÕ bµo. Ngoµi ra, T§C trong gi¶m ph©n lµ mét c¬ chÕ gãp phÇn lµm t¨ng tÝnh ®a d¹ng cña c¸c d¹ng cña c¸c lo¹i giao tö. V× vËy, kh«ng cã g× lµ ng¹c nhiªn khi c¸c c¬ thÓ sinh vËt nh©n chuÈn biÓu hiÖn mét sù ®a d¹ng lín vÒ c¸c lo¹i enzym tham gia khëi ®Çu ®Æc hiÖu sù T§C trong gi¶m ph©n. T§C còng cã thÓ xuÊt hiÖn trong nguyªn ph©n. Tuy vËy, kh«ng gièng sù kiÖn diÔn ra trong gi¶m ph©n, T§C trong nguyªn ph©n th - êng x¶y ra do lçi xuÊt hiÖn trong qu¸ tr×nh t¸i b¶n NST hoÆc do bÞ chiÕu x¹ dÉn ®Õn sù ®øt g·y cña c¸c ph©n tö ADN, chø kh«ng ph¶i lµ mét ch¬ng tr×nh ®îc ®iÒu hßa b×nh thêng cña tÕ bµo nh trong gi¶m ph©n. V× vËy, T§C trong nguyªn ph©n lµ mét sù kiÖn hiÕm khi x¶y ra, chØ xuÊt hiÖn víi tÇn sè thÊp h¬n 10 -6 lÇn ph©n bµo 12
nguyªn nhiÔm. Tuy vËy, viÖc nu«i cÊy c¸c tÕ bµo nÊm men vµ qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña mét c¬ thÓ ®a bµo phøc t¹p cã sè lÇn ph©n chia tÕ bµo ®ñ lín ®Ó c¸c nhµ di truyÒn häc cã thÓ hµng ngµy ph¸t hiÖn vµ theo dâi ®îc hiÖn tîng T§C trong nguyªn ph©n vèn x¶y ra víi tÇn sè thÊp nµy. Kh¸c víi trong gi¶m ph©n, T§C x¶y ra trong nguyªn ph©n x¶y ra ngÉu nhiªn ë mét sè Ýt c¸c tÕ bµo soma, t¹o nªn nh÷ng tÕ bµo soma mang “hÖ gen” kh¸c nhau. Do vËy, nh÷ng c¸ thÓ mang nh÷ng tÕ bµo soma chøa c¸c NST bÞ T§C ®îc gäi lµ c¸c thÓ kh¶m. ë ngêi, mét sè T§C x¶y ra trong nguyªn ph©n cã thÓ g©y nªn sù h×nh thµnh khèi u (vÝ dô: mét sè bÖnh u m¾t). ë mét sè quÇn thÓ ngêi, sè trÎ s¬ sinh cã bÈm chÊt di truyÒn cã nguy c¬ bÞ ung th cã tÇn sè vµo kho¶ng 1/20.000 trÎ s¬ sinh. Gen g©y khèi u vâng m¹c (RB) n»m trªn NST sè 13, trong khi alen kiÓu d¹i b×nh thêng (RB+) m· hãa cho mét lo¹i protein ®iÒu hßa sù ph¸t triÓn vµ biÖt hãa cña vâng m¹c. C¸c tÕ bµo trong m¾t cÇn Ýt nhÊt mét b¶n sao cña alen kiÓu d¹i ®Ó duy tr× sù ®iÒu hßa ho¹t ®éng ph©n chia cña tÕ bµo. Mét ®ét biÕn trong alen RB+ cã thÓ dÉn ®Õn lµm háng chøc n¨ng cña alen kiÓu d¹i vµ ®îc ký hiÖu lµ RB-. Nõu mét tÕ bµo mÊt ®i c¶ hai b¶n sao cña RB+, th× nã mÊt ®i kh¶ n¨ng ®iÒu hßa ho¹t ®éng ph©n chia tÕ bµo b×nh thêng vµ g©y nªn sù h×nh thµnh khèi u. VÝ lý do nµy, alen kiÓu d¹i RB+ cã ®îc xem lµ mét gen øc chÕ sù h×nh thµnh khèi u. Nh÷ng c¸ thÓ cã bÈm chÊt di truyÒn cã nguy c¬ ung th vâng m¹c ®îc sinh ra mang mét alen RB+ duy nhÊt. NST sè 13 thø hai cña hä hoÆc chØ mang alen RB- hoÆc hoµn toµn kh«ng cã gen RB. NÕu mét t¸c nh©n ®ét biÕn (vÝ dô: chiÕu x¹) hay mét lçi x¶y ra trong qu¸ tr×nh nguyªn ph©n lµm mÊt ®i alen RB+ cßn l¹i duy nhÊt ë mét tÕ bµo trong mét hoÆc hai m¾t th× khèi u vâng m¹c sÏ b¾t ®Çu ph¸t triÓn tõ vÞ trÝ tÕ bµo sai háng. Mét nghiªn cøu ë c¸c bÖnh nh©n bÞ bÖnh u vâng m¹c cho thÊy sù xuÊt hiÖn cña c¸c tÕ bµo m¾t víi kiÓu gen ®ång hîp tö RB-/RB-, trong khi tÕ bµo b¹ch cÇu cña ngêi bÖnh lµ d¹ng dÞ hîp tö RB+/RB-. Nh minh häa ë h×nh A, mét T§C trong nguyªn ph©n gi÷a gen RB vµ t©m ®éng cña nhiÔm s¾c thÓ mang gen lµ c¬ chÕ g©y nªn sù h×nh thµnh tÕ bµo mang kiÓu gen RB-/RB-. Khi tÕ bµo nµy h×nh thµnh, nã ®îc ph©n chia mét c¸ch kh«ng ®îc kiÓm so¸t vµ dÉn ®Õn sù h×nh thµnh khèi u. ChØ cã 40% trêng hîp bÞ bÖnh ung th vâng m¹c lµ cã c¬ chÕ g©y bÖnh nh trªn, cßn 60% cßn l¹i khi sinh ra cã kiÓu gen b×nh thêng lµ RB+/RB+. ë nh÷ng ngêi nµy, hai ®ét biÕn ph¶i cïng x¶y ra ë c¶ hai b¶n sao cña gen RB míi g©y nªn ung th . §ét biÕn ®Çu tiÕn cã thÓ dÉn ®Õn alen RB+ bÞ chuyÓn thµnh RB-, cßn sau ®ã c¸c tÕ bµo con x¶y ra T§C trong qu¸ tr×nh nguyªn ph©n vµ dÉn ®Õn sù ph¸t triÓn ung th do alen ®ét biÕn bÞ “®ång hîp tö” hãa. §¸ng chó ý lµ T§C trong nguyªn ph©n g©y nªn sù h×nh thµnh mét sè bÖnh ung th vâng m¹c ®· gióp gi¶i thÝch sù biÓu hiÖn møc ®é bÖnh lý kh¸c nhau. Nh÷ng trÎ s¬ sinh cã kiÓu gen RB+/RB- cã thÓ kh«ng bÞ bÖnh. HoÆc khi m¾c bÖnh, sù ph¸t triÓn cña khèi u cã thÓ x¶y ra ë c¶ hai m¾t, nhng còng cã thÓ chØ x¶y ra ë mét m¾t. TÊt c¶ nh÷ng hiÖn tîng ®ã phô thuéc vµo viÖc tÕ bµo nµo trong c¬ thÓ x¶y ra hiÖn tîng T§C trong nguyªn ph©n. 2) §ét biÕn gen m· hãa c¸c protein c¶m thô ¸nh s¸ng vµ thÞ lùc Nh÷ng nghiªn cøu ®Çu tiªn m« t¶ sù bÊt thêng trong kh¶ n¨ng c¶m thô ¸nh s¸ng ë ngêi ®îc b¾t ®Çu tõ kho¶ng 200 n¨m tríc. Thêi ®ã, ngêi ta ph¸t hiÖn ra nhiÒu ®ét biÕn cã thÓ g©y ¶nh hëng ®Õn thÞ lùc ë ngêi. B»ng viÖc ph©n tÝch c¸c kiÓu h×nh liªn quan ®Õn mçi lo¹i ®ét biÕn vµ sau ®ã kiÓm tra sù biÕn ®æi cña ADN. Ngµy nay, chóng ta ®· cã nh÷ng hiÓu biÕt chi tiÕt h¬n vÒ c¬ chÕ di truyÒn ph©n tö cña tÝnh tr¹ng c¶m nhËn ¸nh s¸ng, mµu s¾c vµ c¸c lo¹i protein mµ nh÷ng gen nµy m· hãa. 13
Cã mét sè d¹ng bÖnh rèi lo¹n c¶m nhËn mµu s¾c kh¸c nhau ë ngêi ®· gióp viÖc ph©n tÝch vµ lµm s¸ng tá c¬ chÕ c¶m nhËn mµu s¾c ë ngêi. §Çu tiªn, c¸c nhµ nghiªn cøu nhËn biÕt vµ m« t¶ sù kh¸c biÖt trong c¸ch nh÷ng ngêi cã rèi lo¹n vÒ c¶m nhËn mµu s¾c nh×n thÊy sù vËt tõ sù kh¸c biÖt nhá khi nh×n thÊy møc ®é mµu ®á, tíi viÖc kh«ng ph©n biÖt ®îc mµu ®á vµ mµu xanh lôc, ®Õn viÖc kh«ng nh×n thÊy bÊt cø mµu nµo. Thø hai, sù ph¸t triÓn khoa häc t©m- sinh lý häc cung cÊp c¸c phÐp thö ®Ó x¸c ®Þnh vµ so s¸nh chÝnh x¸c c¸c kiÓu h×nh. Ch¼ng h¹n, mét phÐp ph©n tÝch dùa trªn sù kiÖn lµ mäi ngêi cã thÓ c¶m nhËn mçi mét mµu nh sù hßa trén cña ba d¶i bíc sãng c¬ b¶n t¬ng øng víi mµu ®á, xanh d¬ng (xanh lam) vµ xanh lôc vµ cã thÓ ®iÒu chØnh tØ lÖ cêng ®é s¸ng cña ba mµu nµy ®Ó thu ®îc mét d¶i bíc sãng t- ¬ng øng víi mét mµu thø t, ch¼ng h¹n mµu vµng. Mét ngêi víi thÞ lùc b×nh thêng, sÏ chän mét tØ lÖ mµu thÝch hîp cña mµu ®á vµ mµu xanh lôc ®Ó t¹o nªn mµu vµng ®Æc thï, nhng nÕu mét ngêi kh«ng cã kh¶ n¨ng ph©n biÖt mµu ®á víi mµu xanh lôc th× mäi sù kÕt hîp gi÷a hai mµu nµy sÏ chØ cho ra mét mµu gièng nhau. Cuèi cïng, do nh÷ng biÕn dÞ di truyÒn liªn quan ®Õn thÞ gi¸c hiÕm khi g©y ¶nh hëng ®Õn ho¹t ®éng sinh s¶n hay tuæi thä trong c¸c x· héi ngêi hiÖn ®¹i, nh÷ng ®ét biÕn nµy cã thÓ t¹o ra nhiÒu alen míi lµm thay ®æi kh¶ n¨ng c¶m nhËn mµu s¾c vµ nh÷ng alen ®ét biÕn nµy ®îc duy tr× l©u dµi trong quÇn thÓ. a) C¬ së ph©n tö vµ tÕ bµo cña sù c¶m nhËn mµu s¾c ë m¾t C¸c tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng vµ mµu s¾c Chóng ta c¶m nhËn ®îc h×nh ¶nh qua c¸c n¬ron thÇn kinh ë vâng m¹c phÇn phÝa sau nh·n cÇu (h×nh 8a). Nh÷ng n¬ron nµy cã hai lo¹i: tÕ bµo h×nh nãn vµ tÕ bµo h×nh que. C¸c tÕ bµo h×nh que chiÕm 95% sè lîng c¸c tÕ bµo c¶m nhËn ¸nh s¸ng vµ ®îc kÝch thÝch bëi c¸c ¸nh s¸ng yÕu trong c¸c bíc sãng ¸nh s¸ng. ë cêng ®é s¸ng lín h¬n, c¸c tÕ bµo h×nh que bÞ b·o hßa vµ kh«ng cßn chøc n¨ng göi c¸c tÝn hiÖu thªm n÷a ®Õn n·o bé. Lóc nµy, c¸c tÕ bµo h×nh nãn sÏ tiÕp qu¶n chøc n¨ng nµy, xö lý c¸c bíc sãng ¸nh s¸ng cña cêng ®é s¸ng m¹nh vµ gióp chóng ta cã thÓ ph©n biÖt ®îc c¸c mµu s¾c. C¸c tÕ bµo h×nh nãn cã ba lo¹i. Lo¹i thø nhÊt chuyªn hãa ®Ó c¶m nhËn ¸nh s¸ng ®á, lo¹i thø hai c¶m nhËn ¸nh s¸ng xanh lôc vµ lo¹i thø ba c¶m nhËn ¸nh s¸ng xanh d¬ng. §èi víi mçi tÕ bµo thô quan ¸nh s¸ng nh vËy, ho¹t ®éng c¶m nhËn ¸nh s¸ng bao gåm sù hÊp thô c¸c photon tõ ¶nh s¸ng ë mét d¶i b íc sãng nhÊt ®Þnh, chuyÓn c¸c th«ng tin vÒ sè lîng vµ n¨ng lîng cña c¸c photon thµnh c¸c tÝn hiÖu ®iÖn, vµ chuyÓn c¸c tÝn hiÖu ®ã qua tÕ bµo thÇn kinh thÞ gi¸c tíi bé n·o. 14
a C¸c tÕ bµo h×nh ) nãn vµ h×nh que BiÓu m« s¾c tè Bèn gen m· hãa bèn Vâng m¹c chuçi polypeptit c¶m nhËn mµu s¾c TÕ bµo thô C¸c protein c¶m nhËn ¸nh s¸ng photon vµ khëi ®Çu c¶m ¸nh H×nh que s¸ng qu¸ tr×nh truyÒn tÝn hiÖu trong c¸c tÕ bµo H×nh nãn h×nh nãn lµ rhodopsin. Protein nµy lµ mét chuçi polypeptit Vâng duy nhÊt gåm 348 axit ¸nh s¸ng m¹c amin xÕp thµnh mét Rhodopsin chuçi zigzag xuyªn mµng tÕ bµo (h×nh b 1- Protein Rhodopsin 2- Protein c¶m nhËn mµu xanh 8.b.1). Mét axit amin ) d¬ng lysine n»m trong chuçi liªn kÕt víi mét ph©n tö carotenoid s¾c tè 3-Protein c¶m nhËn mµu lôc4-Protein c¶m nhËn trªn vâng m¹c cã kh¶ mµu ®á n¨ng hÊp thô photon. C¸c axit amin ë gÇn vïng liªn kÕt vâng m¹c d Sù tiÕn hãa cña c¸c cÊu tróc nªn vÞ trÝ c C¸c gen m· hãa protein c¶m gen c¶m nhËn mµu ) ho¹t ®éng cña ) nhËn mµu ®á (1) vµ lôc (2) s¾c Gen tiÒn th©n trªn NST X rhodopsin. B»ng viÖc thay ®æi vÞ trÝ vâng m¹c qua mét c¬ chÕ 1 2 2 2 §á Lôc Xanh d Rhodopsin ®Æc biÖt, c¸c ¬ng rhodopsin x¸c ®Þnh H×nh 8. C¬ s ë ph©n tö vµ tÕ bµo cña s ù c¶m nhËn mµu s ¾c. sù ®¸p øng l¹i ¸nh s¸ng (a) c¸c tÕ bµo h×nh nãn vµ h×nh que ë vâng m¹c chøa hµng triÖu cña c¸c tÕ bµo vâng protein thô thÓ c¶m nhËn ¸nh s¸ng liªn kÕt trªn mµng tÕ bµo. (b) m¹c. Mçi mét tÕ bµo c¸c thô thÓ c¶m nhËn ¸nh s¸ng ë c¸c tÕ bµo h×nh que lµ h×nh que thêng chøa rhodopsin. C¸c protein thô thÓ c¶m nhËn mµu ®á, xanh d¬ng vµ lôc cã ë c¸c tÕ bµo h×nh nãn gièng víi rhodopsin ë phÇn lín tr×nh kho¶ng 100 triÖu tù, nhng vÉn ®ñ kh¸c biÖt dÉn ®Õn kh¶ n¨ng thô c¶m mµu s¾c ph©n tö rhodopsin trªn kh¸c nhau. (c) c¸c gen m· hãa protein c¶m nhËn mµu ®á (1) vµ lôc líp mµng ®Æc thï cña (2) n»m thµnh chuçi trªn NST X. Ngêi b×nh thêng cã 1 b¶n sao nã. Gen m· hãa tæng gen m· hãa protein c¶m nhËn mµu ®á vµ tõ 1 ®Õn 3 b¶n sao cña hîp rhodopsin ë ngêi gen m· hãa protein c¶m nhËn mµu lôc. (d) sù tiÕn hãa cña c¸c protein c¶m nhËn mµu s¾c cho thÊy chóng cïng xuÊt ph¸t tõ mét n»m trªn NST sè 3. gen tiÒn th©n tr¶i qua ba ®ét biÕn lÆp ®o¹n gen ®éc lËp tiÕp Protein cã vai trß c¶m theo ®ã lµ sù ph©n ly vÒ chøc n¨ng cña c¸c gen. nhËn vµ khëi ®Çu qu¸ tr×nh truyÒn tÝn hiÖu trong c¸c tÕ bµo h×nh nãn ®èi víi photon mµu xanh d¬ng cã liªn quan ®Õn rhodopsin. Protein nµy còng lµ mét chuçi polypeptit duy nhÊt gåm 348 axit amin vµ bao quanh mét ph©n tö s¾c tè cña vâng m¹c. GÇn 50% trªn ph©n tö protein c¶m nhËn ¸nh s¸ng xanh d¬ng lµ gièng hÖt tr×nh tù cña rhodopsin; phÇn cßn l¹i cã sù kh¸c biÖt gi÷a hai protein nµy vµ lµ phÇn ®Æc thï cho sù c¶m nhËn ¸nh s¸ng mµu xanh d¬ng (h×nh 8.b.2). Gen m· hãa protein c¶m nhËn ¸nh s¸ng xanh d¬ng n»m trªn NST sè 7. Còng cã quan hÖ víi protein rhodopsin lµ c¸c protein c¶m nhËn ¸nh s¸ng mµu ®á vµ xanh lôc n»m trong c¸c tÕ bµo h×nh nãn mµu ®á vµ xanh lôc. Hai protein nµy còng chØ gåm mét chuçi polypeptit duy nhÊt, gåm 364 axit amin, còng liªn kÕt víi 15
vâng m¹c vµ n»m xuyªn qua mµng tÕ bµo (c¸c h×nh 8.b.3 vµ 4). Còng gièng nh protein c¶m nhËn mµu xanh d¬ng, c¸c protein c¶m nhËn mµu ®á vµ xanh lôc cã kho¶ng gÇn 50% tr×nh tù axit amin gièng víi rhodopsin; c¸c protein nµy chØ kh¸c biÖt nhau trung b×nh 4 / 100 axit amin. MÆc dï chØ kh¸c biÖt nhau nhá nh vËy, nh÷ng protein nµy ®ñ ®Ó ®Ó biÖt hãa hai lo¹i tÕ bµo h×nh nãn mÉn c¶m víi c¸c photon ¸nh s¸ng thuéc bíc sãng kh¸c nhau, lµ c¸c tÕ bµo h×nh nãn mµu ®á vµ xanh lôc. C¶ hai gen m· hãa cho c¸c protein mµu ®á vµ xanh lôc ®Òu n»m trªn NST X thµnh mét chuçi kÕ tiÕp nhau. PhÇn lín mçi NST X trong tÕ bµo ë ngêi mang mét gen duy nhÊt m· hãa protein c¶m nhËn ¸nh s¸ng ®á, cßn cã tõ mét ®Õn ba b¶n sao gen m· hãa protein c¶m nhËn ¸nh s¸ng xanh lôc. Hä gen rhodopsin h×nh thµnh do hiÖn tîng lÆp ®o¹n vµ ph©n ly Sù gièng nhau vÒ cÊu tróc vµ chøc n¨ng gi÷a bèn lo¹i protein rhodopsin cho thÊy c¸c gen m· hãa c¸c chuçi polypeptit nµy xuÊt hiÖn do hiÖn tîng lÆp ®o¹n cña mét gen thô thÓ c¶m nhËn ¸nh s¸ng tiÒn th©n, råi sau ®ã ph©n ly do sù tÝch lòy cña nhiÒu ®ét biÕn. C¸c ®ét biÕn thóc ®Èy kh¶ n¨ng c¶m nhËn mµu s¾c ®· ®îc u tiªn chän läc qua qu¸ tr×nh tiÕn hãa hµng triÖu n¨m. C¸c protein c¶m nhËn ¸nh s¸ng ®á vµ xanh lôc gièng nhau h¬n c¶, vµ chØ kh¸c nhau kho¶ng 15 axit amin. §iÒu nµy cho thÊy hai gen nµy chØ ph©n ly trong thêi gian gÇn ®©y. Sù kh¸c biÖt cña hai protein nµy so víi protein c¶m nhËn mµu xanh d¬ng vµ rhodopsin cho thÊy c¸c protein nµy ph©n ly sím h¬n trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa tõ gen m· hãa thô thÓ c¶m nhËn ¸nh s¸ng tiÒn th©n (h×nh 8.d). b) C¸c ®ét biÕn ë hä gen rhodopsin g©y ¶nh hëng ®Õn thÞ lùc vµ kh¶ n¨ng c¶m nhËn mµu s¾c NhiÒu ®ét biÕn thay thÕ axit amin ë gen rhodopsin g©y nªn bÖnh mï mét phÇn hay mï hoµn toµn Ngêi ta ®· ph¸t hiÖn ®îc Ýt nhÊt 29 lo¹i ®ét biÕn axit amin duy nhÊt trong gen m· hãa rhodopsin g©y nªn mét nhãm bÖnh di truyÒn tréi n»m trªn NST thêng ®îc gäi chung lµ c¸c bÖnh lo¹n s¾c tè vâng m¹c (retinitis pigmentosa) víi nh÷ng triÖu chøng ®Çu tiªn lµ sù mÊt chøc n¨ng cña c¸c tÕ bµo h×nh que, råi dÉn ®Õn sù tho¸i hãa dÇn dÇn cña c¸c tÕ bµo vâng m¹c ngo¹i vi. Nh÷ng ®ét biÕn nµy thêng g©y nªn sù h×nh thµnh protein rhodopsin kh«ng ®îc gÊp nÕp theo ®óng cÊu tróc kh«ng gian th«ng thêng, hoÆc trë nªn kÐm bÒn v÷ng. Do protein rhodopsin b×nh thêng lµ thµnh phÇn cÊu tróc quan träng cña mµng tÕ bµo h×nh que, nh÷ng protein ®ét biÕn mÊt chøc n¨ng nµy ®îc duy tr× trong tÕ bµo nh÷ng kh«ng ®îc g¾n vµo mµng tÕ bµo nh b×nh thêng. C¸c tÕ bµo h×nh que kh«ng cã ®ñ rhodopsin ë trªn mµng thêng bÞ chÕt sau ®ã. Tïy thuéc vµo sè tÕ bµo h×nh que bÞ chÕt, mµ ngêi bÖnh cã thÓ bÞ mï hoµn toµn hay mï mét phÇn. C¸c ®ét biÕn kh¸c ë gen m· hãa rhodopsin g©y nªn mét d¹ng bÖnh lý Ýt nghiªm träng h¬n lµ bÖnh mï ban ®ªm. C¸c ®ét biÕn cã møc ®é ®a h×nh cao nµy lµm thay ®æi tr×nh tù cña c¸c axit amin trong ph©n tö protein theo híng lµm t¨ng ngìng ¸nh s¸ng kÝch thÝch cÇn thiÕt ®Ó khëi ®Çu chuçi truyÒn tÝn hiÖu c¶m nhËn ¸nh s¸ng. Víi nh÷ng thay ®æi nµy, khi cêng ®é ¸nh s¸ng yÕu, m¾t kh«ng c¶m nhËn ®îc mµu s¾c. C¸c ®ét biÕn trong gen m· hãa c¸c s¾c tè cña tÕ bµo h×nh nãn lµm thay ®æi thÞ lùc theo mét sè c¸ch cã thÓ pháng ®o¸n ®îc C¸c rèi lo¹n thÞ lùc g©y ra bëi c¸c ®ét biÕn liªn quan ®Õn c¸c gen s¾c tè thuéc tÕ bµo h×nh nãn Ýt nghiªm träng h¬n so víi c¸c rèi lo¹n thÞ lùc g©y ra bëi c¸c ®ét biÕn t¬ng tù x¶y ra víi c¸c gen rhodopsin trong c¸c tÕ bµo h×nh que. Nguyªn nh©n chñ yÕu cã lÏ bëi v× c¸c tÕ bµo h×nh que chiÕm ®Õn 95% sè n¬ron thÇn kinh c¶m nhËn mµu s¾c ë ngêi, trong khi c¸c tÕ bµo h×nh nãn chØ chiÕm 5%. Mét sè ®ét biÕn liªn quan ®Õn gen m· hãa protein c¶m nhËn mµu xanh d¬ng n»m trªn NST sè 7 g©y nªn héi chøng rèi lo¹n thÞ lùc s¾c tè xanh (tritanopia). C¸c ®ét biÕn ë gen m· 16
hãa protein c¶m nhËn s¾c tè ®á trªn NST X cã thÓ lµm mÊt chøc n¨ng c¶m nhËn mµu ®á cña c¸c tÕ bµo h×nh nãn vµ g©y bÖnh mï mµu ®á. Víi mét sè ®ét biÕn nhá kh¸c liªn quan ®Õn gen quy ®Þnh protein c¶m nhËn mµu ®á cã thÓ g©y nªn bÖnh mï mµu ®á mét phÇn hoÆc hoµn toµn tïy vµo vÞ trÞ ®ét biÕn. Trao ®æi chÐo kh«ng c©n b»ng gi÷a c¸c gen m· hãa protein xanh lôc vµ ®á g©y nªn phÇn lín c¸c biÕn dÞ vÒ tÝnh tr¹ng c¶m nhËn mµu s¾c Mét ngêi cã thÞ lùc b×nh thêng th«ng thêng cã mét gen m· hãa protein c¶m nhËn mµu ®á. Mét sè trong nh÷ng ngêi b×nh thêng nµy cã mét gen xanh lôc n»m gÇn kÒ, cßn mét sè ngêi kh¸c cã sè gen xanh lôc dao ®éng tõ hai ®Õn n¨m b¶n sao. C¸c gen ®á vµ xanh lôc gièng nhau ®Õn 96% vÒ tr×nh tù ADN. C¸c gen mµu xanh lôc kh¸c nhau gièng nhau ®Õn 99,9%. Do sù gièng nhau vµ n»m gÇn nhau cña nh÷ng gen nµy nªn hiÖn tîng trao ®æi chÐo kh«ng t¬ng ®ång dÔ x¶y ra víi nh÷ng gen nµy. Hµng lo¹t c¸c d¹ng T§C kh¸c nhau ë vïng gen nµy cã thÓ t¹o ra c¸c kiÓu h×nh ®ét biÕn thiÕu v¾ng hoµn toµn gen mµu ®á, hoÆc gen mµu xanh lôc, cã sù tæ hîp kh¸c nhau cña c¸c gen mµu xanh lôc, mang gen lai xanh lôc - ®á. Do kh¶ n¨ng c¶m nhËn mµu ®á vµ xanh lôc phô thuéc vµo tØ lÖ ¸nh s¸ng ®á vµ xanh lôc ®îc ph¶n chiÕu tõ h×nh ¶nh, nh÷ng ngêi thiÕu c¸c gen ®á vµ xanh lôc sÏ c¶m nhËn mµu ®á vµ xanh lôc lµ mét mµu gièng nhau. Mét sè ®ét biÕn cã thÓ lµm mÊt hoµn toµn kh¶ n¨ng nh×n mµu ®á vµ xanh lôc §Õn nay, c¸c nhµ di truyÒn häc ®· t×m thÊy b¶y lo¹i ®ét biÕn mÊt ®o¹n g©y bÖnh mï mµu ®á vµ xanh lôc liªn kÕt víi NST giíi tÝnh X. BÖnh lý nµy ®îc gäi lµ héi chøng tÕ bµo h×nh nãn ®¬n s¾c xanh d¬ng (blue cone monochromacy), bëi nh÷ng ngêi nµy chØ c¶m nhËn ®îc mµu liªn quan ®Õn mµu xanh d¬ng. Nghiªn cøu ph©n tö cho thÊy c¶ b¶y ®ét biÕn mÊt ®o¹n nµy ®Òu liªn quan ®Õn mét ®o¹n tr×nh tù gåm 600 bp n»m ngoµi vïng m· hãa cña c¸c gen ®á vµ xanh lôc. §iÒu nµy cho thÊy kh¶ n¨ng tr×nh tù nµy lµ mét ®o¹n tr×nh tù (gen) ®iÒu hßa dµi cÇn thiÕt cho sù biÓu hiÖn cña chuçi c¸c gen ®á vµ xanh lôc. Tãm l¹i, chóng ta nh×n ®îc vµ c¶m nhËn ®îc c¸c mµu s¾c ®a d¹ng, phong phó cña v¹n vËt mét phÇn lµ nhê bèn gen trùc tiÕp t¹o ra bèn lo¹i ph©n tö protein trong c¸c tÕ bµo h×nh que vµ h×nh nãn ë vâng m¹c m¾t. C¸c ®ét biÕn lµm thay ®æi nh÷ng chuçi polypeptit nµy hoÆc sè lîng cña chóng ®Òu cã thÓ lµm thay ®æi hoÆc lµm háng thÞ lùc hoÆc kh¶ n¨ng c¶m nhËn mµu s¾c cña m¾t. V. Ph©n tÝch gen vµ s¶n phÈm cña gen V.1. C¸c kü thuËt ph©n tÝch axit nucleic V.1.1. §iÖn di ph©n tÝch ADN vµ ARN Cã nhiÒu ph¬ng ph¸p kh¸c nhau cã thÓ ®îc sö dông ®Ó ph©n tÝch ADN vµ ARN, nhng cho ®Õn nay ®iÖn di trªn gel lµ ph¬ng ph¸p ®îc sö dông phæ biÕn h¬n c¶ nhê u ®iÓm nhanh vµ t¬ng ®èi ®¬n gi¶n. Nguyªn t¾c cña ph¬ng ph¸p lµ do: díi t¸c ®éng cña ®iÖn trêng, c¸c ph©n tö ADN (thêng tÝch ®iÖn ©m) kh¸c nhau vÒ kÝch thíc, ®iÖn tÝch, møc ®é cuén xo¾n vµ d¹ng ph©n tö (m¹ch th¼ng hay m¹ch vßng) sÏ di chuyÓn qua hÖ m¹ng cña gel tõ cùc ©m (cathode) sang cùc d¬ng (anode) víi tèc ®é di chuyÓn kh¸c nhau. V× vËy, chóng dÇn dÇn t¸ch nhau ra trªn trêng ®iÖn di, qua ®ã ngêi ta cã thÓ thu thËp vµ ph©n tÝch ®îc tõng ph©n ®o¹n ADN hoÆc gen riªng rÏ. Trªn ®iÖn trêng c¸c ph©n ®o¹n ADN cã kÝch thíc cµng nhá cµng cã tèc ®é di chuyÓn trªn ®iÖn trêng nhanh h¬n. Sau khi ®iÖn di kÕt thóc, c¸c ph©n tö ADN cã thÓ quan s¸t thÊy nhê sö dông c¸c thuèc nhuém ph¸t huúnh quang, ch¼ng h¹n nh ethidium (chÊt nµy g¾n kÕt víi ADN b»ng c¸ch cµi vµo khe ë gi÷a c¸c nucleotit). Mçi mét b¨ng ®iÖn di thêng ph¶n ¸nh mét tËp hîp c¸c ph©n tö ADN cã cïng kÝch thíc. Cã hai lo¹i vËt liÖu lµm gel ®îc sö dông phæ biÕn trong ®iÖn di, ®ã lµ agarose vµ polyacrylamid. Trong ®ã, gel polyacrylamid cã kh¶ n¨ng ph©n t¸ch cao, nhng kho¶ng kÝch thíc ADN cã thÓ ph©n tÝch hÑp. V× vËy, ®iÖn di trªn gel polyacrylamid cã thÓ ph©n t¸ch ®îc c¸c ph©n ®o¹n ADN kh¸c nhau thËm trÝ chØ 17
mét cÆp nucleotit (1 bp) duy nhÊt, nhng thêng chØ ®Ó ph©n tÝch c¸c ®o¹n ADN kÝch thíc vµi tr¨m bp. Cßn gel agarose cã kh¶ n¨ng ph©n t¸ch thÊp h¬n ®èi víi c¸c ph©n ®o¹n ADN kÝch thíc nhá, nhng rÊt hiÖu qu¶ khi ph©n t¸ch c¸c ph©n ®o¹n ADN kÝch thíc lín tíi hµng chôc hoÆc hµng tr¨m kb (1 kb = 1000 bp). C¸c ph©n ®o¹n ADN kÝch thíc lín kh«ng thÓ “lät” qua c¸c lç cã kÝch thíc nhá §iÖn cùc trªn c¸c b¶n gel, kÓ c¶ gel agarose. Thay vµo ®ã, chóng sÏ “trên” qua m¹ng líi cña gel b»ng viÖc ®Çu nµy cña ph©n tö ®i tríc, cßn ®Çu kia theo sau. KÕt qu¶ lµ c¸c ph©n ®o¹n ADN kÝch thíc lín (tõ 30 ®Õn 50 kb) cã tèc ®é di chuyÓn trªn ®iÖn trêng gÇn nh t¬ng ®¬ng vµ khã ph©n t¸ch ®îc b»ng ph¬ng ph¸p ®iÖn di th«ng thêng. §èi víi c¸c ph©n ®o¹n ADN kÝch thíc lín nh vËy, ngêi ta cã thÓ ph©n t¸ch b»ng viÖc sö dông ph- ¬ng ph¸p ®iÖn di xung trêng (pulsed-field gel electrophoresis). Trong ph¬ng ph¸p nµy, ngêi ta sö dông 2 cÆp ®iÖn cùc n»m chÐo H×nh 9. Ph¬ng ph¸p ®iÖn di xung trêng. gãc trªn b¶n ®iÖn di (h×nh 9). ViÖc “bËt” vµ A vµ B lµ hai bé ®iÖn cùc. Chóng ®îc bËt vµ “t¾t” lu©n phiªn 2 cÆp ®iÖn cùc sÏ lµm cho t¾t mét c¸ch lu©n phiªn. Khi bËt A, ph©n tö c¸c ph©n ®o¹n ADN lín thay ®æi chiÒu di ADN di chuyÓn vÒ gãc ph¶i phÝa díi. Khi A chuyÓn nh m×nh häa trªn h×nh vÏ. C¸c t¾t vµ B bËt, ph©n tö ADN di chuyÓn vÒ gãc tr¸i phÝa díi. Mòi tªn m« t¶ híng di ph©n ®o¹n ADN cã kÝch thíc cµng lín cµng chuyÓn cña ph©n tö ADN trong ®iÖn di chËm h¬n trong qu¸ tr×nh thay ®æi chiÒu di xung trêng. chuyÓn. Nhê vËy, c¸c ph©n ®o¹n cã kÝch thíc kh¸c nhau sÏ ph©n t¸ch ra khái nhau trong qu¸ tr×nh di chuyÓn. Kü thuËt ®iÖn di xung trêng trong thùc tÕ cã thÓ sö dông ®Ó x¸c ®Þnh ®îc kÝch thíc ®Çy ®ñ cña nhiÔm s¾c thÓ vi khuÈn, hoÆc nhiÔm s¾c thÓ c¸c loµi sinh vËt nh©n chuÈn bËc thÊp, nh nÊm men. Nh÷ng loµi nµy cã kÝch thíc hÖ gen kho¶ng vµi Mb. §iÖn di kh«ng nh÷ng cã thÓ ph©n t¸ch c¸c ph©n ®o¹n ADN kh¸c nhau vÒ kÝch thíc mµ c¶ vÒ h×nh d¹ng vµ cÊu h×nh kh«ng gian cña chóng. C¸c ph©n tö ADN ë d¹ng m¹ch vßng gi·n xo¾n hoÆc bÞ “®øt g·y” ë mét sè nucleotit di chuyÓn chËm h¬n trªn trêng ®iÖn di so víi c¸c ph©n tö ADN ë d¹ng m¹ch th¼ng cã cïng khèi lîng. T- ¬ng tù nh vËy, c¸c ph©n tö ADN ë d¹ng siªu xo¾n, kÝch thíc vµ thÓ tÝch thu nhá th- êng di chuyÓn nhanh h¬n trªn trêng ®iÖn di so víi c¸c ph©n tö ADN d¹ng m¹ch vßng gi·n xo¾n hoÆc cã møc ®é cuén xo¾n thÊp h¬n cã cïng khèi lîng. Kü thuËt ®iÖn di còng ®îc sö dông ®Ó ph©n t¸ch c¸c ph©n tö ARN. C¸c ph©n ®o¹n ADN sîi kÐp m¹ch th¼ng cã cÊu tróc bËc hai ®ång nhÊt nªn tèc ®é di chuyÓn trªn trêng ®iÖn di t¬ng quan tØ lÖ thuËn víi khèi lîng ph©n tö cña chóng. Còng gièng nh ADN, c¸c ph©n tö ARN còng thêng tÝch ®iÖn ©m, nhng ngoµi cÊu tróc c¬ b¶n ë d¹ng m¹ch ®¬n, c¸c cÊu tróc bËc 2 vµ 3 cña ph©n tö ARN cã ¶nh hëng ®Õn tèc ®é di chuyÓn cña chóng trªn trêng ®iÖn di. §Ó h¹n chÕ ®iÒu nµy, th«ng thêng ngêi ta ph¶i xö lý ARN víi mét sè hãa chÊt ng¨n c¶n sù h×nh thµnh c¸c liªn kÕt côc bé trong ph©n tö ARN, ch¼ng h¹n nh glyoxal. Hîp chÊt nµy liªn kÕt víi nhãm -NH 2 trong c¸c baz¬ nit¬ vµ ng¨n c¶n sù kÕt cÆp cña c¸c nucleotit. C¸c ph©n tö ARN ® îc xö lý glyoxal kh«ng h×nh thµnh ®îc c¸c cÊu tróc bËc 2 vµ 3 v× vËy cã tèc ®é di chuyÓn trªn trêng ®iÖn di dêng nh ®¬n thuÇn phô thuéc vµo khèi lîng ph©n tö cña chóng. V.1.2. Sö dông enzym giíi h¹n trong ph©n tÝch ADN HÇu hÕt c¸c ph©n tö ADN trong tù nhiªn ®Òu lín h¬n nhiÒu so víi kÝch thíc cã thÓ thao t¸c vµ ph©n tÝch mét c¸ch thuËn lîi trong phßng thÝ nghiÖm. Trong c¸c tÕ bµo, phÇn lín c¸c nhiÔm s¾c thÓ thêng lµ mét ph©n tö ADN dµi chøa hµng tr¨m 18
thËm trÝ hµng ngh×n gen kh¸c nhau. V× vËy, ®Ó cã thÓ ph©n lËp vµ ph©n tÝch tõng gen, ngêi ta ph¶i c¾t c¸c ph©n tö ADN kÝch thíc lín thµnh c¸c ph©n ®o¹n nhá. C«ng viÖc nµy ®îc thùc hiÖn bëi mét nhãm c¸c enzym ®Æc biÖt gäi lµ enzym giíi h¹n. TÊt c¶ c¸c enzym giíi h¹n ®Òu cã hai ®Æc tÝnh: 1) nhËn biÕt mét tr×nh tù ®Æc hiÖu trªn ph©n tö ADN (gäi lµ tr×nh tù giíi h¹n); vµ 2) c¾t bªn trong ph©n tö ADN t¹i vÞ trÝ ®Æc hiÖu (hoÆc ngay t¹i vÞ trÝ giíi h¹n nh ®èi víi nhãm enzym giíi h¹n lo¹i II; hoÆc c¸ch vÞ trÝ giíi h¹n mét sè nucleotit nhÊt ®Þnh nh ®èi víi c¸c nhãm enzym giíi h¹n thuéc c¸c nhãm I vµ III). Trong c¸c nhãm enzym giíi h¹n, nhãm thêng ®îc dïng trong c¸c nghiªn cøu di truyÒn ph©n tö vµ kü nghÖ gen lµ nhãm II nhê vÞ trÝ vµ tr×nh tù c¾t cña chóng ®îc x¸c ®Þnh râ. Trong ph¹m vi gi¸o tr×nh nµy, v× vËy chóng ta chØ ®Ò cËp ®Õn viÖc øng dông cña nhãm enzym giíi h¹n nµy. C¸c tr×nh tù giíi h¹n cña enzym nhãm II thêng gåm 4 - 8 bp, th«ng thêng cã tÝnh ®èi xøng vµ vÞ trÝ c¾t thêng n»m trong tr×nh tù giíi h¹n nµy. VÝ dô nh enzym giíi h¹n EcoRI ®îc t×m thÊy ë vi khuÈn E. coli cã tr×nh tù giíi h¹n lµ 5’-GAATTC-3’ víi vÞ trÝ c¾t ë gi÷a G vµ A. Tªn enzym gåm 3 ký tù ®Çu chØ tªn loµi vi khuÈn mµ tõ ®ã enzym ®îc t×m thÊy (Eco = Escherichia coli), c¸c ký tù sau chØ tªn cña chñng vi khuÈn vµ sè thø tù cña enzym ®îc t×m thÊy ë loµi vi khuÈn ®ã (EcoRI lµ enzym giíi h¹n ®Çu tiªn ®îc t×m thÊy ë E. coli). Mét enzym giíi h¹n cã tr×nh tù giíi h¹n gåm 6 bp gièng EcoRI th«ng thêng ®îc tr«ng ®îi sÏ cã trung b×nh mét vÞ trÝ c¾t trong mét ®o¹n tr×nh tù cã kÝch thíc kho¶ng 4 kb (bëi theo nguyªn t¾c x¸c suÊt t¹i mét vÞ trÝ nhÊt ®Þnh x¸c suÊt ®Ó cã mét lo¹i nucleotit nhÊt ®Þnh lµ 1/4, v× vËy x¸c suÊt ®Ó cã mét tr×nh tù nhÊt ®Þnh gåm 6 bp sÏ lµ 1/46 = 1/4096). Gi¶ sö cã mét ph©n tö ADN m¹ch th¼ng cã 6 vÞ trÝ c¾t cña enzym EcoRI. ViÖc c¾t ph©n tö ADN nµy b»ng EcoRI sÏ cho ra 7 ph©n ®o¹n ADN kh¸c nhau. Do ®ã, khi ®iÖn di trªn gel s¶n phÈm c¾t, 7 ph©n ®o¹n ADN sÏ ph©n t¸ch nhau ra do chóng kh¸c nhau vÒ khèi lîng (v× chóng kh¸c nhau vÒ thµnh phÇn vµ tr×nh tù c¸c nucleotit). Nh vËy, mét ph©n ®o¹n ADN sÏ t¬ng øng víi mét vïng cña ph©n tö ADN ban ®Çu. ViÖc sö dông mét enzym giíi h¹n kh¸c, ch¼ng h¹n HindIII còng cã tr×nh tù giíi h¹n gåm 6 bp, nhng cã tr×nh tù giíi h¹n thay ®æi (5’-AAGCTT-3’) sÏ cho ra c¸c s¶n phÈm c¾t kh¸c víi khi sö dông EcoRI (víi cïng ph©n tö ADN ban ®Çu). Nh vËy, viÖc sö dông ®ång thêi nhiÒu enzym giíi h¹n sÏ t¹o ra mét kiÓu h×nh phæ ®iÖn di c¸c ph©n ®o¹n c¾t giíi h¹n ®Æc thï ®èi víi tõng gen ph©n tÝch. §èi víi mét sè enzym giíi h¹n kh¸c, ch¼ng h¹n nh Sau3A1 (t×m thÊy ë vi khuÈn Staphylococcus aureus) cã tr×nh tù giíi h¹n ng¾n h¬n (5’-GATC-3’), nªn tÇn sè c¾t cña chóng thêng cao h¬n c¸c enzym cã tr×nh tù giíi h¹n dµi. Theo x¸c suÊt, Sau3A1 cã trung b×nh 1 vÞ trÝ c¾t trong mét ®o¹n tr×nh tù kho¶ng 250 bp (1/4 4 = 1/256). Ngîc l¹i, enzym NotI cã tr×nh tù giíi h¹n dµi (5’-GCGGCCGC-3’) trung b×nh cø mét ®o¹n tr×nh tù dµi kho¶ng 65 kb, míi cã 1 vÞ trÝ c¾t (1/48 = 1/65536). C¸c enzym giíi h¹n kh«ng chØ kh¸c nhau vÒ tr×nh tù giíi h¹n vµ ®é dµi ®o¹n tr×nh tù giíi h¹n ®Æc trng cña chóng, mµ chóng cßn kh¸c nhau vÒ c¸ch “c¾t” ph©n tö ADN. Ch¼ng h¹n nh enzym HpaI t¹o ra c¸c ph©n tö ADN d¹ng ®Çu b»ng (®Çu tï), cßn c¸c enzym EcoRI, HindIII vµ PstI c¾t ph©n tö ADN t¹o ra c¸c ph©n ®o¹n cã ®Çu dÝnh. Së dÜ gäi lµ “®Çu dÝnh” bëi phÇn c¸c tr×nh tù ë hai ®Çu sau khi ®îc enzym c¾t ra bæ trî víi nhau theo nguyªn t¾c Chargaff vµ v× vËy chóng cã xu h íng “dÝnh” trë l¹i víi nhau, hoÆc víi c¸c ph©n tö ADN ®îc c¾t bëi cïng mét lo¹i enzym giíi h¹n. TÝnh chÊt nµy ®îc øng dông réng r·i trong c«ng nghÖ ADN t¸i tæ hîp vµ c¸c kü thuËt t¸ch dßng ph©n tö. V.1.3. C¸c ph¬ng ph¸p lai ph©n tö vµ mÉu dß C¸c ph©n tö ADN sîi kÐp cã mét tÝnh chÊt ®Æc biÖt lµ kh¶ n¨ng biÕn tÝnh (ph©n t¸ch thµnh hai m¹ch ®¬n) vµ håi tÝnh (hai m¹ch ®¬n cã tr×nh tù bæ trî cã xu h- 19
íng liªn kÕt trë l¹i khi v¾ng mÆt c¸c t¸c nh©n g©y biÕn tÝnh). Kh¶ n¨ng liªn kÕt bæ trî gi÷a c¸c baz¬ nit¬ còng cho phÐp hai m¹ch ADN cã nguån gèc kh¸c nhau nhng cã tr×nh tù bæ trî liªn kÕt víi nhau trong ®iÒu kiÖn phï hîp (vÒ nhiÖt ®é, ®é pH, ion hãa …) ®Ó t¹o nªn mét ph©n tö ADN míi. HiÖn tîng liªn kÕt nh vËy còng cã thÓ x¶y ra gi÷a hai m¹ch ADN víi nhau, hoÆc gi÷a hai m¹ch ARN hoÆc gi÷a ADN vµ ARN. Ph©n tö axit nucleic sîi kÐp míi h×nh thµnh ®îc gäi lµ ph©n tö lai vµ qu¸ tr×nh kÕt cÆp gi÷a c¸c baz¬ thuéc hai m¹ch ®¬n axit nucleic cã nguån gèc kh¸c nhau theo nguyªn t¾c bæ trî nh vËy ®îc gäi lµ qu¸ tr×nh lai ph©n tö. NhiÒu kü thuËt trong nghiªn cøu di truyÒn ph©n tö ®îc dùa trªn nguyªn t¾c lai ph©n tö. Ch¼ng h¹n, b»ng nguyªn t¾c nµy ngêi ta cã thÓ dïng mét tr×nh tù ADN biÕt tríc ®Ó x¸c ®Þnh mét tr×nh tù bæ trî t¬ng øng cã trong hÖ gen cña mÉu ph©n tÝch. Ph©n ®o¹n ADN cã tr×nh tù biÕt tríc dïng trong ph¶n øng lai nh vËy ®îc gäi lµ mÉu dß. C¸c mÉu dß cã thÓ cã nguån gèc tõ c¸c ph©n ®o¹n ADN trong tù nhiªn hoÆc ®îc tæng hîp theo nguyªn t¾c hãa häc, vµ ®Ó nhËn biÕt ®îc chóng, c¸c mÉu dß thêng ®îc ®¸nh dÊu víi c¸c chÊt phãng x¹ hoÆc ph¸t huúnh quang (ë ®©y, gäi t¾t lµ chÊt ph¸t quang). Cã hai ph¬ng ph¸p ®¸nh dÊu mÉu dß ADN. Ph¬ng ph¸p thø nhÊt dïng nguyªn t¾c tæng hîp hãa häc ph©n tö ADN míi víi tiÒn chÊt lµ c¸c ph©n tö ®¸nh dÊu. Ph¬ng ph¸p thø hai lµ g¾n mét ph©n tö ®¸nh dÊu vµo ®u«i cña mét tr×nh tù ADN cã s½n. Ch¼ng h¹n, b»ng viÖc sö dông enzym polynucleotide kinase, ngêi ta cã thÓ bæ sung nhãm phosphat cña ATP vµo nhãm 5’-OH cña mét ph©n tö ADN ®Þnh ®¸nh dÊu. NÕu nhãm phosphat nµy ®îc ®¸nh dÊu b»ng ®ång vÞ phãng x¹ 32P th× ph©n tö ADN sÏ ®îc d¸nh dÊu phãng x¹. Ph¬ng ph¸p ®¸nh dÊu ADN thø hai (sö dông c¸c tiÒn chÊt ®¸nh dÊu) thêng ®îc thùc hiÖn dùa trªn ph¶n øng PCR, hoÆc ®«i khi chØ cÇn sö dông c¸c ®o¹n måi ng¾n råi cho enzym ADN polymerase thùc hiÖn ph¶n øng kÐo dµi chuçi. C¸c tiÒn chÊt ®¸nh dÊu ®îc sö dông thêng lµ 1 trong 4 lo¹i nucleotit ®îc c¶i biÕn thµnh d¹ng ®îc ®¸nh dÊu b»ng c¸ch g¾n víi c¸c nhãm chÊt ph¸t quang hoÆc nguyªn tö phãng x¹. Víi ph¬ng ph¸p nµy, kho¶ng 25% nucleotit trong ph©n tö ADN ®îc ®¸nh dÊu vµ ®iÒu ®ã ®ñ ®¸p øng hÇu hÕt c¸c nhu cÇu nghiªn cøu kh¸c nhau. C¸c ph©n tö ADN ®¸nh dÊu víi c¸c tiÒn chÊt ph¸t quang ®îc ph¸t hiÖn b»ng c¸ch chiÕu x¹ mÉu ADN víi ¸nh s¸ng UV cã bíc sãng phï hîp vµ ®o ë bíc sãng ph¸t x¹ t¬ng øng. C¸c ph©n tö ADN ®îc ®¸nh dÊu phãng x¹ thêng ®îc ph¸t hiÖn b»ng c¸ch chôp mÉu ADN víi phim tia X, hoÆc ®o b»ng m¸y khuÕch ®¹i tÝn hiÖu h¹t tõ c¸c nguyªn tè phãng x¹ 32P vµ 35S (®©y lµ hai nguyªn tè phãng x¹ ®îc sö dông phæ biÕn ®Ó d¸nh dÊu ADN). Trong c¸c nghiªn cøu di truyÒn häc ph©n tö hiÖn nay, cã nhiÒu c¸ch ®Ó x¸c ®Þnh c¸c ph©n ®o¹n ADN vµ ARN ®Æc hiÖu dùa trªn c¸c ph¬ng ph¸p lai. ë ®©y, chóng ta chØ ®Ò cËp ®Õn hai ph¬ng ph¸p ®îc dïng phæ biÕn: X¸c ®Þnh c¸c ph©n ®o¹n ADN vµ ARN b»ng ®iÖn di vµ mÉu dß Ph¬ng ph¸p sö dông mÉu dß kÕt hîp víi ®iÖn di lµ mét ph¬ng ph¸p c¬ b¶n cã thÓ gióp x¸c ®Þnh møc ®é phæ biÕn hoÆc kÝch thíc cña mét ®o¹n tr×nh tù ADN ho¨c ARN ®îc quan t©m nghiªn cøu. Ch¼ng h¹n nh b»ng kü thuËt nµy, ngêi ta cã thÓ x¸c ®Þnh vµ so s¸nh ®îc møc biÓu hiÖn cña mét gen ë c¸c lo¹i tÕ bµo vµ m« kh¸c nhau th«ng qua ®Þnh lîng b¶n phiªn m· mARN t¬ng øng cña gen ®ã t¹i c¸c tÕ bµo vµ m« t¬ng øng; hay nh ®Ó x¸c ®Þnh kÝch thíc cña mét ®o¹n ADN c¾t giíi h¹n mang tr×nh tù gen ®îc quan t©m nghiªn cøu. Gi¶ sö chóng ta c¾t hÖ gen cña nÊm men b»ng enzym giíi h¹n EcoRI vµ cÇn x¸c ®Þnh ®îc kÝch thíc cña ph©n ®o¹n ADN c¾t giíi h¹n mang tr×nh gen A. S¶n phÈm ADN tæng sè sau khi ®îc c¾t b»ng EcoRI sÏ t¹o ra mét sè lîng lín c¸c ph©n ®o¹n cã kÝch thíc xÊp xØ 4 kb (v× 46 = 4096 bp). V× vËy, nÕu ®em s¶n phÈm c¾t giíi h¹n nhuém víi EtBr, th× s¶n phÈm ®iÖn di sÏ lµ mét d¶i c¸c ph©n ®o¹n liªn tôc cã 20