ADN, gen, nhiÔm s¾c thÓ, c«ng nghÖ ®¸nh dÊu
di truyÒn vµ chiÕn l−îc c¶i tiÕn
di truyÒn
B.M.Burns, A.D. Henrring vµ J.D. Bertram
Më ®Çu
VËt liÖu di truyÒn bao gåm tÊt c¶ c¸c th«ng tin vÒ
cÊu tróc cña tÕ bµo, chøc n¨ng cña tæ chøc vµ
chóng ®−îc t¸i b¶n chÝnh x¸c sao cho c¸c tÕ bµo
con còng cã c¸c th«ng tin di truyÒn nh− thÕ tÕ
bµo mÑ. H¬n thÕ n÷a, vËt liÖu di truyÒn cã thÓ
biÕn ®æi, ®ã lµ mét trong nh÷ng c¬ së cña sù thay
®æi cña tiÕn hãa.
Ch−¬ng nµy ®−îc viÕt trªn c¬ së c¸c ®Þnh nghÜa
®· tr×nh bµy trong ch−¬ng tr−íc vµ sÏ th¶o luËn
vÒ ADN, c¸c gen, c¸c nhiÔm s¾c thÓ mét c¸ch
s©u s¾c h¬n.
Trong ch−¬ng tr−íc chóng ta ®· ®Þnh nghÜa ADN
hoÆc axit Dezoxyribonucleic (axit nh©n) lµ cÊu
t¹o sinh hãa cña gen-vËt mang th«ng tin di
truyÒn. H¬n n÷a, c¸c d¹ng thay ®æi cña gen ®·
biÕt-c¸c alen-n»m t¹i nh÷ng n¬i nhÊt ®Þnh hoÆc
nh÷ng vÞ trÝ trªn nhiÔm s¾c thÓ, nh÷ng n¬i chøa
c¸c gen.
Chóng ta ®· x¸c ®Þnh ë bß cã 30 cÆp nhiÔm s¾c
thÓ, trong ®ã cã 29 ®«i nhiÔm s¾c thÓ th−êng vµ 1
cÆp nhiÔm s¾c thÓ giíi tÝnh (XX ë con c¸i vµ XY
ë con ®ùc).
Do vËy, genom cña bß chøa toµn bé l−îng vËt
liÖu di truyÒn trong nh©n tÕ bµo, bao gåm 60
nhiÔm s¾c thÓ (30 ®«i-l−ìng béi) hoÆc 2N nhiÔm
s¾c thÓ. Chóng ta còng cÇn nhí r»ng trong tÕ bµo
sinh dôc nh− tinh trïng hoÆc trøng chØ cã mét
b¶n cña gen vµ nhiÔm s¾c thÓ. §iÒu nµy xÈy ra
trong qu¸ tr×nh ph¸t sinh giao tö-trøng, tinh
trïng; b×nh th−êng ë ®ã chØ cã mét chiÕc trong
cÆp nhiÔm s¾c thÓ t−¬ng ®ång ®−îc ®−a vµo
trong giao tö (®¬n béi). Sè nhiÔm s¾c thÓ 2N l¹i
®−îc kh«i phôc ngay sau khi thô tinh, khi mµ
tinh trïng thô tinh cho trøng.
ADN vµ ARN
ADN vµ ARN hoÆc c¸c axit nh©n ®Òu lµ ®a ph©n
tö. Trong khi ADN lµ chuçi xo¾n kÐp ®a ph©n tö
th× ARN lµ chuçi xo¾n ®¬n ®a ph©n tö, bao gåm
c¸c ®în vÞ ribonucleotid. Mét ®a ph©n tö lµ mét
®¹i ph©n tö chøa c¸c ®¬n vÞ nhá lÆp l¹i hoÆc lµ
c¸c ®¬n ph©n liªn kÕt l¹i víi nhau trong qu¸ tr×nh
lÆp l¹i mét lo¹t c¸c ph¶n øng hãa häc gièng nhau
®· xÈy ra. Mçi mét m¹ch cña ADN vµ ARN lµ
mét chuçi ®ång hîp (polyme) th¼ng hµng cña
c¸c nucleotid ®¬n vµ chuçi polypeptid th¼ng lµ
®ång hîp cña c¸c amino acid ®¬n. VÒ mÆt hãa
häc ARN rÊt gièng ADN.
Cã 3 lo¹i/kiÓu ARN chÝnh tån t¹i, ®ã lµ: ARN
th«ng tin (ARNm), ARN riboxom (ARNr) vµ
ARN vËn chuyÓn (ARNt). §ã lµ 3 lo¹i ARN chÝnh
thÓ hiÖn chøc n¨ng chÝnh trong qu¸ tr×nh sinh tæng
hîp protein (dÞch m·). ARNm lµ lµ lo¹i ph©n tö
ARN chøa trong nã c¸c m· (code) th«ng tin lµm
khu«n mÉu cho chuçi acid amin cña protein. C¸c
Ribosom lµ c¬ quan tö ë trong tÕ bµo chÊt, n¬i xÈy
ra qu¸ tr×nh sinh tæng hîp protein. C¸c Ribosom
bao bäc lÊy ARNm vµ t¹o ®iÒu kiÖn cho c¸c khèi
®èi m· (anticodon) trªn ARNt polypeptid cã thÓ
®−îc tæng hîp chuçi. Ribosom lµ mét cÊu tróc
phøc t¹p, chøc n¨ng cña nã ch−a ®−îc biÕt mét
c¸ch ®Çy ®ñ. C¸c Ribosom chøa 2 phÇn cÊu tróc
phô kh«ng b»ng nhau, mçi mét phÇn chøa mét
phøc hîp cña c¸c ph©n tö ARN vµ protein. Mçi
mét phÇn chøa tèi thiÓu mét ph©n tö ARNr vµ mét
sè l−îng lín c¸c protein ribosom. C¸c ph©n tö
ARNt mang c¸c amino acid tíi c¸c Ribosom, n¬i
mµ chóng ®−îc trïng hîp hãa ®Ó t¹o nªn protein.
C¸c ®¬n vÞ Êy gäi lµ nucleotid, nã chøa 3 phÇn
kh¸c nhau:
1. Ph©n tö ®−êng 5 (pentose, 5-carbon)
- Trong ADN ®−êng nµy gäi lµ
Dezoxyribose; vµ
- Trong ARN gäi lµ Ribose;
2. Mét gèc ba z¬ Nit¬ (chøa Nit¬), vµ
3. Mét gèc Phot ph¸t.
C¸c ba z¬ Nit¬ bao gåm 2 lo¹i: Purin vµ
Pyrimidin; c¸c purin lµ Adenin (A) vµ Guanin
(G) vµ Pyrimidin lµ Thymin (T) vµ Xytoxin (X).
Ph©n tö ARN còng bao gåm Adenin, Guanin,
8
Xytoxin, nh−ng Thymin ®−îc thay thÕ b»ng
Uracin (U).
Do ®ã c¸c nucleotit, c¸c khèi c¬ b¶n cña ph©n tö
ADN (Dezoxyribonucleotit) vµ ph©n tö ARN
(ribonucleotit), chøa ph©n tö ®−êng
(deoxyribosse trong ADN vµ ribose trong
ARRN) vµ mét gèc phot phat.
Ph©n tö ®−êng vµ gèc ba z¬ ®−îc gäi lµ nucleotit
vµ v× vËy nucleotit cßn ®−îc gäi lµ nucleotit phot
phat.
C¸c ph©n tö ®−êng deoxyribose vµ ribose ®−îc
liªn kÕt bëi nèi ®«i phètpho t¹i vÞ trÝ carbon 3'
cña ph©n tö ®−êng vµ carbon 5' cña ph©n tö
®−êng kÕ tiÕp. Nèi ®«i photpho lµ t−¬ng ®èi
m¹nh vµ kÕt qu¶ lµ sù lÆp l¹i cña bé khung
®−êng-phèt ph¸t - ®−êng-phèt ph¸t trong ADN
®· t¹o ra cho nã mét cÊu tróc bÒn v÷ng.
Ph©n tö ADN th−êng bao gåm 2 chuçi
polynucleotit liªn kÕt víi nhau b»ng cÇu nèi
hydro yÕu gi÷a c¸c ba z¬ ®èi nhau qua trôc. Mét
®iÒu ®Æc biÖt duy nhÊt ®ã lµ cÇu nèi gi÷a Adenin
vµ Thymin lµ cÇu nèi ®«i hydrro vµ gi÷a Guanin
víi Xytoxin lµ cÇu nèi 3 cña hydrro. Nh÷ng cÆp
AT vµ GX nh− vËy ®−îc gäi lµ c¸c cÆp ba z¬ bæ
sung, do vËy thµnh phÇn cña mét nucleotit trong
mét chuçi lµ khu«n (lÖnh) cña chuçi kia. VÝ dô
nÕu mét chuçi cã thµnh phÇn 5'-TATTXXGA-'3
th× chuçi ®èi diÖn sÏ ph¶i lµ 3'-ATAAGGXT-3'.
TÝnh chÊt tù nhiªn cña m· di truyÒn
Mét trong 3 yªu cÇu cña vËt chÊt di truyÒn lµ
chóng ph¶i cã, (1) h×nh th¸i v÷ng ch¾c chøa tÊt
c¶ mäi th«ng tin vÒ cÊu tróc, chøc n¨ng, sinh
tr−ëng-ph¸t triÓn vµ sinh s¶n cña c¸ thÓ.
TÊt c¶ nh÷ng tÝnh chÊt ®ã cña mét c¸ thÓ bao
gåm viÖc t¹o ra protein ®Æc thï vµ th«ng tin cho
protein ®· ®−îc m· ho¸ trong cÊu tróc cña c¸c
gen-vËt liÖu di truyÒn cña tÕ bµo. Mét gen qui
®Þnh cho mét ph©n tö ARNm, vµ v× thÕ cho mét
protein, ®−îc gäi lµ gen cÊu tróc hoÆc gen khu«n
cña protein. Hai yªu cÇu kh¸c cña vËt liÖu di
truyÒn bao gåm: Chóng ph¶i ®−îc (2) t¸i b¶n
mét c¸ch chÝnh x¸c, do ®ã tÕ bµo con cã c¸c
th«ng tin di truyÒn gièng nh− ë tÕ bµo mÑ, vµ (3)
cã thÓ biÕn ®æi.
Ho¹t ®éng cña c¸c gen m· ho¸ protein xÈy ra
trong 2 b−íc chÝnh nh− sau:
BiÓu ®å 1: CÊu tróc ®−êng Pentose cña Ribose
vµ Deoxyribose
BiÓu ®å 2: CÊu tróc nit¬ c¬ së trong DNA vµ RNA. Vßng Purin ë phÇn trªn vµ vßng Pyrimid ë phÝa d−íi.
Sù kh¸c nhau gi÷a chóng ®−îc ®¸nh b»ng mµu ®Ëm
9
H×nh 3: CÊu tróc ho¸ häc cña ADN vµ ARN
a) C¸c nucleotit (®−êng + ba z¬) vµ c¸c nucleotit (®−êng + ba z¬ + nhãm phot ph¸t)
b) §o¹n cña chuçi polypeptit c¸c ®−êng deoxyribose liªn kÕt bëi c¸c nèi ®«i cña phot ph¸t gi÷a ®Çu 3' cña
carbon ë mét ph©n tö ®−êng víi ®Çu 5' cña carbon ë ph©n tö ®−êng kÕ tiÕp
10
BiÓu ®å 4: Chuçi xo¾n kÐp DNA
BiÓu ®å 5:
1. Phiªn m· hoÆc tæng hîp ARN-chuçi c¸c cÆp
ba s¬ ë 2 m¹ch cña ®o¹n ph©n tö ADN t−¬ng øng
víi gen ®−îc ®äc, c¸c th«ng tin ®−îc chuyÓn tíi
chuçi ba z¬ cña m¹ch ®¬n ph©n tö ARNm (ARN
th«ng tin). Chuçi ba z¬ nµy mang th«ng tin ®Æc
biÖt ®èi víi chuçi acid amin (thµnh phÇn cÊu tróc
cña c¸c Protein) cña m¹ch polypeptit. ViÖc
chuyÓn ho¸ trªn c¬ së chuçi ARNm vµo chuçi
acid amin trong m¹ch polypeptit gäi lµ (2) dÞch
m· (tæng hîp Protein). C¬ së th«ng tin cña c¸c
cÆp ba z¬ trªn ADN ®èi víi chuèi acid amin
trong polypeptit th× gäi lµ mËt m· di truyÒn.
MËt m· di truyÒn lµ bé ba mµ trong ®ã mçi bé ba
c¸c nucloetit trªn ARNm t−¬ng øng víi mét acid
amin. Mét sè acid amin ®−îc ®iÒu khiÓn hoÆc cã
nhiÒu h¬n mét bé ba m· ho¸. M· lµ th«ng dông
vµ nã ®−îc ®äc liªn tôc (kh«ng cã kÎ hë), kh«ng
cã c¸c m· trïng lÆp.
Gen, kü thuËt ®¸nh dÊu di truyÒn vµ chiÕn
l−îc ph¸t triÓn di truyÒn häc
Nh− ®· ®−îc ®Þnh nghÜa trong ch−¬ng tr−íc, gen
lµ mét ®¬n vÞ di truyÒn, nã lµ mét ®o¹n cña ph©n
tö ADN vµ n»m trªn mét vÞ trÝ (locus) nhÊt ®Þnh
trªn ADN trong genom hoÆc nhiÔm s¾c thÓ cña
mét c¸ thÓ. Gen ®em l¹i kh¶ n¨ng h×nh thµnh vµ
ph¸t triÓn cña c¸c tÝnh tr¹ng; kh¶ n¨ng nµy bÞ ¶nh
11
h−ëng bëi sù t−¬ng t¸c víi c¸c gen kh¸c còng
nh− víi m«i tr−êng. Mét gen lµ mét ®¬n vÞ cã
mét hoÆc nhiÒu ¶nh h−ëng lªn kiÓu h×nh cña c¸
thÓ.
H¬n thÕ n÷a, còng nh− ®· ®Þnh nghÜa tr−íc ®©y,
khi nãi ®Õn mét alen lµ ®Ò cËp ®Õn mét trong hai
hoÆc nhiÒu h¬n n÷a c¸c d¹ng thøc thay ®æi cña
mét gen trªn mét locus. C¸c alen kh¸c nhau cña
mét gen cã mét tÇn sè riªng vµ c¸c ho¹t ®éng
cña chóng liªn quan ®Õn cïng mét cÊu tróc ho¸
sinh vµ qu¸ tr×nh, nh−ng kiÓu gen vµ kiÓu h×nh
cña chóng cã thÓ kh¸c nhau.
C¸c tÝnh tr¹ng cã kiÓu h×nh biÕn thiªn kh«ng liªn
tôc vµ chØ bÞ ¶nh h−ëng bëi mét Ýt gen gäi lµ c¸c
tÝnh tr¹ng chÊt l−îng. C¸c vÝ dô cña c¸c tÝnh
tr¹ng nµy bao gåm c¶ sù nhiÔm bÖnh, cã sõng
hay kh«ng cã sõng, mµu s¾c l«ng da (nh− ®á
t−¬ng ph¶n víi ®en). Gen ®iÒu khiÓn mµu l«ng
®en lµ tréi so víi gen ®iÒu khiÓn mµu ®á, do vËy
c¸c c¸ thÓ ®ång hîp thÓ vµ dÞ hîp thÓ cña gen
mµu ®en sÏ cã kiÓu h×nh mµu ®en, trong khi ®ã
c¸c c¸ thÓ cã gen mµu ®en ë tr¹ng th¸i ®ång hîp
lÆn sÏ cã kiÓu h×nh mµu ®á.
ë mét mÆt kh¸c, c¸c tÝnh tr¹ng do nhiÒu gen
®iÒu khiÓn ®−îc gäi lµ c¸c tÝnh tr¹ng sè l−îng.
C¸c tÝnh tr¹ng sè l−îng cã sù biÕn thiªn cña c¸c
kiÓu h×nh liªn tôc trªn trôc sè. C¸c tÝnh tr¹ng sè
l−îng, vÝ dô nh− sinh tr−ëng, kh¶ n¨ng cho s÷a,
®é mÒm cña thÞt.
C¸c tÝnh tr¹ng sè l−îng nh− vËy lµ rÊt quan träng
®èi víi chóng ta trong c¸c ch−¬ng tr×nh gièng vËt
nu«i. Tuy nhiªn, c¶i tiÕn di truyÒn cña quÇn thÓ
vËt nu«i bÞ giíi h¹n bëi c¸c yÕu tè nh−: phÇn lín
c¸c tÝnh tr¹ng cã tÇm quan träng kinh tÕ lµ c¸c
tÝnh tr¹ng ®a gen trong tù nhiªn, chóng bÞ t¸c
®éng lín cña c¸c biÕn ®éng m«i tr−êng vµ c¸c
yÕu tè ph¸t triÓn. Nãi chung, chóng ta kh«ng thÓ
x¸c ®Þnh kiÓu gen cña mét c¸ thÓ cô thÓ t−¬ng
øng víi tÝnh tr¹ng kinh tÕ mµ chØ cã thÓ nhê vµo
kiÓm tra kiÓu h×nh. Nh÷ng tÝnh tr¹ng cña tr¹ng
th¸i tù nhiªn nµy gäi lµ sè l−îng vµ loci ®a gen
gäi lµ "loci tÝnh tr¹ng sè l−îng". C¸c chiÕn l−îc
chän läc truyÒn thèng trong c¸c ch−¬ng tr×nh
gièng vËt nu«i ®−îc dùa vµo viÖc sö dông sù
kh¸c biÖt kú väng ë thÕ hÖ sau (EPDs-USA) vµ
gi¸ trÞ gièng −íc tÝnh (EBVs-óc), chóng ®−îc
x¸c ®Þnh nhê ph©n tÝch thèng kª cña gi¸ trÞ kiÓu
h×nh cña mét c¸ thÓ vµ c¸c anh em hä hµng cña
nã. ChiÕn l−îc chän läc sö dông EPDs hoÆc
EBVs t¹o nªn sù gia t¨ng do tÝch luü vµ c¶i tiÕn
n¨ng suÊt di truyÒn, vµ thµnh c«ng cña c¸c môc
tiªu dµi h¹n lµ dù ®o¸n tèt víi mét thiÕt kÕ kiÓm
tra thÕ hÖ sau thÝch hîp. C¸c tÝnh tr¹ng c¶i thiÖn
ph¶i ®o ®Õm dÔ dµng, trùc tiÕp trªn vËt nu«i
sèng, ë c¸c tÝnh tr¹ng cã hÖ sè di truyÒn trung
b×nh ®Õn cao, vÝ dô sinh tr−ëng, c¸c tÝnh tr¹ng vÒ
khèi l−îng sèng, Ýt g©y khã kh¨n cho nhµ lµm
gièng. Tuy nhiªn, mét sè tÝnh tr¹ng kinh tÕ quan
träng kh¸c nh− kh¶ n¨ng h÷u thô, c¸c tÝnh tr¹ng
thÞt xÎ-nh÷ng c¸i chØ cã thÓ ®¸nh gi¸ mét c¸ch
chÝnh x¸c khi giÕt mæ (vµ víi mét sè t−¬ng quan
kh«ng mong muèn), hiÖu qu¶ sö dông thøc ¨n,
kh¶ n¨ng chèng ®ì bÖnh tËt vµ ký sinh trïng vµ
c¸c tÝnh tr¹ng giíi h¹n bëi giíi tÝnh nh− kh¶ n¨ng
cho s÷a, tÊt c¶ nh÷ng tÝnh tr¹ng ®−îc ®iÒu khiÓn
bëi c¸c yÕu tè di truyÒn, rÊt khã ®Ó ®¸nh gi¸ vµ
do vËy rÊt khã ®Ó c¶i thiÖn qua chän läc.
LËp b¶n ®å c¸c gen ®¬n hoÆc gen ®a qui ®Þnh
nh÷ng tÝnh tr¹ng kinh tÕ ®em ®Õn kh¶ n¨ng chän
läc víi sù trî gióp cña ®¸nh dÊu di truyÒn
(MAS), chän läc víi sù trî gióp cña ®¸nh dÊu di
truyÒn hy väng sÏ c¶i tiÕn di truyÒn hiÖu qu¶ do
¶nh h−ëng lªn c¶ ®é chÝnh x¸c vµ thêi gian chän
läc. Xa h¬n, viÖc x¸c ®Þnh c¸c gen lín ¶nh h−ëng
tíi c¸c tÝnh tr¹ng hiÖn ®· cã nhiÒu høa hÑn h¬n v×
®· ph¸t hiÖn ®−îc mét sè l−îng lín c¸c tÝn hiÖu
di truyÒn bao phñ genom.
Trong thêi ®iÓm hiÖn t¹i, sù ph¸t triÓn cña c«ng
nghÖ di truyÒn ®¸nh dÊu-ADN ®¸nh dÊu ®−îc
chøng minh sÏ lµ mét c«ng cô h÷u Ých trong c¶
viÖc kiÓm tra nguån gèc vµ kiÓm tra bè mÑ ë c¶
bß gièng vµ bß thÞt th−¬ng phÈm. KiÓu ADN
høa hÑn mét sù chÝnh x¸c h¬n khi kiÓm tra nhãm
m¸u, mÆc dï chi phÝ cho c¶ hai quy tr×nh lµ nh−
nhau.
Nh÷ng vÊn ®Ò vÒ di truyÒn vµ c¶i tiÕn di truyÒn
sÏ ®−îc th¶o luËn trong ch−¬ng tíi.
NhiÔm s¾c thÓ
C¸c nhiÔm s¾c thÓ lµ nh÷ng vËt mang c¸c gen.
Cã tíi 30 cÆp nhiÔm s¾c thÓ ë bß; 29 ®«i nhiÔm
s¾c thÓ th−êng vµ 1 cÆp nhiÔm s¾c thÓ giíi tÝnh
(XX ë con c¸i vµ XY ë con ®ùc).
D−íi kÝnh hiÓn vi cã thÓ thÊy c¸c nhiÔm s¾c thÓ
víi kÝch th−íc vµ h×nh th¸i kh¸c nhau trong loµi
vµ gi÷a c¸c loµi. Mçi mét nhiÔm s¾c thÓ cã mét
vïng ®Æc biÖt ®©u ®ã däc theo chiÒu dµi cña nã,
th−êng thÊy nh− lµ mét c¸i eo d−íi kÝnh hiÓn vi.
Eo nµy ®−îc gäi lµ t©m ®éng, nã cã tÇm quan
träng ®Æc biÖt trong ho¹t ®éng cña nhiÔm s¾c thÓ
trong c¸c qu¸ tr×nh ph©n chia cña tÕ bµo vµ cã
thÓ ë mét trong bèn vÞ trÝ chung trong nhiÔm s¾c
thÓ.
12