Tài liệu Cơ sở di truyền học

LÊ ĐÌNH LƯƠNG - PHAN c ự NHÂN C ơ s ở DI TRUYỀN HỌC ( T á i b íiii lcìn t h ứ s ú n ) NHÀ X U Ấ T B Ả N G IÁ O D Ụ C 4 (v >(°7 ) ^ '— GD - 04 1 7 5 0 /1 3 5 - 0 3 Mã s ố : 7K 220T 4 L Ò I N Ó I ĐAU Cuốn sá ch "Cơ sở d i truyẽn học" này giai đoạn I và giai đoạn II, của Đại học cho sinh viên các trUòng Đại học Tổng khảo cho sinh viên các trường Đại học ngành liên quan. được biên soạn theo chương trình môn học Quốc g ia Hà Nội. S ách dùng làm giáo trình họp, Đại học sư phạm và làm tài liệu tham Nông, Lâm, Ngư nghiệp, Y, Dược và cho cá c Phân công biên soạn : Giáo SƯ Lê Đình Lương biên soạn : Chưong II - Mã di truyền Chương III - Di truyền thực khuần thể Chưong IV- Di truyền vi khuẩn Chướng V - ADN tái tổ hợp Chương VI - Di truyền nhiễm sắ c thể Chương VII - Di truyền vi nấm Chương VIII - Di truyền ngoài nhiễm sắ c thể Chương IX - Di truyền quần thể Chương XI - Cơ sỏ di truyền của chọn giống Thuật ngử chuyên dụng * Giáo SƯ Phan Cự Nhân biên soạn : Chương I - Vật chất di truyền Chương X - Di truyền học ngưòi và di truyền y học. Cuốn sách ra mắt bạn đọc, c h ắ c không thể tránh khỏi một số thiếu sót. C á c tác già xin chân thành cám ơn những ý kiến đóng góp x â y dựng để lần xu ất bản sau cuốn sách dUộc hoàn chinh hơn. Ý kiến đóng góp xin gửi v'ê Nhà xuất bàn Giáo dục 81 Trần Hưng Đạo, Hà Nội. C á c tác giá 3 B Ó S Ư N G LÒI N Ó I Đ Ầ U C H O LÀN TÁI BẤN C UỐ N SÁCH "CO S Ỏ D I T R U Y Ề N HỌC" Trong lần tái bàn này tác giả Lê Đình Lương đã thực hiện một số sủa đổi và bổ sung nhu sau : 1. Tách chương I cũ "Vật chất di truyền" thành 3 chương mới : 1) Vật chất di truyền ; 2) Sao chép ADN ; 3) Đột biến, có sủa đổi và bổ sung một vài khái niệm ch o nhất quán vói các chưong khác và cập nhật. 2. Tách phẩn biến d| trong chương "Cơ sở di truyền của chọn giống" cũ thành một chương "Biến d|" riêng. 3. BỔ sung thêm phần "Cơ ch ế phân bào" vào chương "Di truyền nhiễm sắ c thể'1 vi phẵn này không thể thiểu trong một giáo trình di truyển học ca s ở và dồng thời nó là nền tảng của chương này. 4. Sắp xếp lại chương "Di truyển học người và di truyển y học" cho hợp lý hơn. Có sửa và bổ sung đôi chút ở chương này 5. Sửa lại phẩn "Intron và exon" ở chương I cho rõ hơn và cập nhật. 4 CHUONG I VẬT CHẤT DI TRUYỀN I. A X IT N U C L E IC LÀ VẬT C H A T DI T R U Y Ê N 1. N h ữ n g tiê u c h u ẩ n c ủ a v ậ t c h ấ t di tru yền V ật ch ất di trư y én đóng vai trò trọ n g yếu tro n g hoạt động của tế bào và cơ thể, vì vậy nó phải th ỏ a m ãn những tiê u chuẩn cơ bản sau đây : - P hải chứ a đ ự n g thông tin ở dạng bền vừng cần th iết cho việc cấu tạo, hoạt động và sinh sản của t ế bào. - P hải được sao chép một cách c h ín h xác để thông tin di tru y ển của th ế hệ sau giống như của th ế hệ trước. - Thông tin chứa đựng tro n g v ậ t chát di truyền phải được sử dụng để sinh ra nhữ ng phân tử cẩ n cho cấu trúc v à hoạt động của tế bào. - V ật c h ấ t di tru y ề n phài có k h ả nâng bị biến đổi. Các axit nucleic : a x it deoxyribonucleic (ADN) và axit ribonucleic (ARN), đáp ứng tấ t cả các tiêu chuẩn này. 2. C ấu tr ú c củ a a x it n u cleic Cà ADN và ARN đều là nhữ ng phân tử polymer lớn m ạch dài gổm nhiều monomer nối với nhau, m ỏi m onom er tro n g ADN gọi là nucleotid và tro n g ARN thỉ gọi là ribonucleotid. Mỗi nucleotid gốm b a th àn h phán : bazơ nitơ (là dẵn x u ất của purin hoặc pyrim idin), đường pentose và nhóm phosphat (h.I—1) (T 0' Hình / - / . Cáu trú c các n u d e o lid của ADN v à A RN : a ) của ADN ; b ) cù a ARN Vị tr í cùa cacbon trê n m ạch vòng của đường pentose được đánh dẫu từ 1 ’đến 5 \ Các nucleotid m ang nhóm phosphat ỏ cacbon 5’ c ó tẩm quan trọ n g đặc biệt đói với cấu trú c và chức năng của ADN v à ARN. 5 Các hợp phẩn chù yếu của ADN là bổn deoxyribom icleotid, chúng khác nhau vé loại bazơ nitơ có tro n g th à n h phẩn của chúng. Bón loại bazơ n itơ đò là adenin (A)y g u a n in (G) (dẫn x u ấ t của p urin) và tym in (T), cytosin (C) (dẫn x u ẫ t của pyrim idin). Tương tự như ADN, ARN cũng m ang các bazơ nitơ adenin, g u an in và cytosin, n h ư ng thay tym in b ằn g uracil (U ) m ột bazơ có các tính ch ất hóa học và vật lý tương tự như tym in. Các bazơ đ ính với đường pentose bằng mối liên kết đồng hóa trị giữa cacbon 1’ của đường và nitơ ở vị trí 9 cùa purin hoặc nitơ ở vịtr í 1 của pyrim ỉdỉn. Mộtkhác biệt nữa giữa ADN v à ARN là ờ đường pentose. 0Pentose tro n g ADN là 2 - deoxy - D -ribose, còn tro n g ARN là ribose. Do khác biệt này m à hai 0 — p = 0 loại axit nucleic có những tín h chất hóa học khác n h au rấ t quan trọ n g vé m ặt sinh học. Chẳng 0 hạn, có th ể dùng n h ữ n g enzym đăc hiệu đối với ADN hoặc ARN đ ể tách biệt hai loại phân từ này tro n g phòng th í nghiệm. T rong ADN cũng như ARN các nucleotid nổi với nhau qua các nhóm phosphat và pentose tạo th àn h bộ khung gổm hai nhóm này luân phiên nhau. Các bazơ nàm ngoài bộ khung này (h. 1-2). P h â n tử a x it nucleic m ang tín h phân cực : đưòng pentose ở m ộ t đấu của nó m ang nhóm phosphoryl hoặc hyđroxyl ở vị trí 5' (đẫu 5 ’) con đường ở đ ẩu kia lại m an g nhóm hyđroxyl ỏ vị trí 3* (đấu 3*). 0 —p = 0 0 CH UỐI XOẮN K ÉP ADN N ăm 1953 J. D . W atson và F.H. c . Crick đã đưa r a m ột mô hlnh m à ở đó ADN có dạng m ột chuỗi gốm hai sợi xoán phải dựa trên các d ẫn liệu sau : 1. P h á n tử ADN gốm các bazơ nitơ, đường, các nhóm phosphat nối với nhau th àn h chuỗi polynucleotid như đã nói đến ở trên. 2. C ác số liệu nghiên cứu th ủ y phân ADN của E. C h arg aff đ ã cho th ấy số lượng các purin bao giờ củng b àn g các pyrim ỉdỉn, đặc biệt là luôn luôn A = T và G = c . N hư vậy, bao giờ cũng tổ n tạ i công th ứ c : A + G = c + T, nghỉa là A + G/ c + T = 1 ; A + T/ G + c khác 1 trong phần lớn trư ờ n g hợp A + T / G 4* c gọi là tỳ $ố bazơ và thư ờng được biểu diễn bàng p h ân trâ m các bazơ G và c . Tỷ số này rấ t khác nhau ở các sin h vật khác nhau nhưng ở mỗi loài thì lại là m ột h ằn g số. 3. N hữ ng kết q u ả phân tích các sợi ADN bàng nhiễu x ạ tia X của R. F ra n k lin và M. H. F. W ilkins đã cho th ấy ADN là m ột cấu trú c xoán gồm hai hay nhiều sợi cuốn q uanh nhau. 6 '0 — p = 0 0 0 — p=0 I í 0 Hình 1 -2 . C ách liên kốl giũa các tlen x y riln m u clcn iid I rong sợi đ o n A ON. c o tro nqchuôi phộtphát J so với trụ c chuỗi xoán. ơ d ạ n g c các cập bazơ nằm tập tru n g ở giừa chuỗi xoán giông nhu ở dang B y nhưng nghiêng m ột góc với trụ c chuỗi xoán giống dạng A tuy góc này nhò hơn. ADN dạng D có th iết diện không phải là vòng tròn như các dạng A, B, c m à là hình bát giác ik .ỉ-4 , p h à n dưới). Các cặp bazơ của dạng này bố trí ở phần giữa chuỗi xoán và củng nghiêng m ột góc với trục chuỗi xoán. 3 . B ằ n g ch ứ n g v ê vai trò m an g th ô n g tin di truyền củ a a x it n u cleic Có r ấ t nhiều bằng chứng chứng tò m ột cách chác chắn axit nucleic là vật chất di truyền, ỏ đây chi nêu lên ba thí dụ : a) Axit nucleic háp th ụ tia từ ngoại cực đại ở bước sóng 260/i/n và điéu này phù hợp một cách chính xác với bước sóng mà tia tử ngoại có thể gây đột biến tối đa à các tế bào. T rong khi đó độ hấp thụ cực đại cùa protein là ở bước sóng 280nm. b) Năm 1928 F.G riffith phát hiện thấy nòi s (khuấn lạc nhản do có vỏ bọc ngoài tế bào) của vi khuẩn Diplococcus pneum oniae làm chết chuột khi đem tiêm vào chuột. T rong khi đó nòi R (khuần lạc nhăn do khỏng có vỏ bọc t ế bào) lại không gây hại gi cho chuột. Khi tiêm hỗn hợp các vi khuẩn R còn sổng với các vi khuẩn s đã chết vỉ n h iệt vào chuột th ỉ chuột bị chết và từ m áu của chúng đã phân lập được vi khuần s sông (h. I - 5). N hư vậy, có một tác nhân nào đó (sau này gọi là tác n h ân biến nạp) từ vi khuẩn chết đã biến nạp vi khuẩn R th àn h vi khuẩn s . Quá trìn h này gọi là quá trỉn h biến nạp. N ãm 1944 o . T. Avery, c . M. Macleod và M. M eCarty đã cAứng m inh được rằng tác nhân biến nạp là ADN vì nó có khả nảng biến vi khuẩn R không vò bọc thành vi khuẩn s có vỏ bọc và hiện tượng này chỉ bị m ất đi khi xử lý tác n h àn biến nạp tách ra được từ vi khuẩn s bằng deoxyribonuclease - một loại enzym phân hủy ADN. c) Nàm 1957 H. Fraenkel - C onrat và B. Singer đă công bố th í nghiệm "láp ráp" v iru t đốm thuốc lá (VĐT) là viru t không chứa ADN, chỉ có lỗi ARN và vỏ protein. Chúng có hai dạng A v à B. Các tác già đã láp ráp được lõi ARN của dạng này với vỏ protein của dạng kia và ngược lại, tạo nên các virưt cổ vỏ và lõi thuộc hai dạng khác nhau. Sau đó !ắn lượt đem nhiễm từ n g loại vào lá thuốc lá để gây đốm. K ết quả cho thấy tấ t cả th ế hệ v iru t con phân lập được từ các vết đốm đẻu m ang cà vò protein và lõi ARN thuộc cùng m ột dạng - dạng của lõi ARN đem nhiễm chứ không phải dạng của vỏ protein {h . 1-6). N hư vậy, thông tin di truyẽn ở VĐT được chứa đựng trong ARN, chứ không phải tro n g protein. Ngày nay, chúng ta đêu biết ở phẩn lớn sinh vật, vật chất di truyên là ADN và ở một số ít v iru t nó là ARN. 9 ■/ Hình ỉ - 5. Thí nghiệm biến nạp của G riffiih 10 V ,r u t B o P ro te in Tách Ưỏ P ro te in Thê h ệ con N h iê m /ào lá thuÔQ l á o pro te in H A Hình 1-6. B ằng c h ú n g c h ủ n g lò vật chắt di iruyổn củ a vin.1t đ ồ m th u ố c lá là A R N . khỏng phâi p ro le in . Các phan từ A R N và p ro ie in vỏ cùa hai nòi virut k h ác nhau (A và B) được tách ra hằng các phương p h áp hó a sình. A RN cùa nòi A sau đ ó đư ợ c Irộ n vói protein vỏ củ a nòi R d ẻ lạ o thành virul hoàn chình có khà n ăn g gAy nhiễm . Khi các v iru t hỗn h ộ p này c h o nhiỗm vào lá th u ố c lá thi th ế lìộ v iru i co n cô kiẻu íùnh và kiẻu g en girtng h ệt nòi A lã nòi góp A R N v à o v iru l h ổ n hộp, và khác h ằn nôi B là nòi góp p ro tc in vò. Còn khi v im t hổn hop m an g A RN củ a kiểu B vã p ro te in kiẻu A Lhì Ihế hệ con h o àn lo à n lã kiẻu II. (T hí nghiệm củ a H . P racnkeỉ - O o n ra t và B. Singcr. 1957). II. CẤU T R Ú C CỦA N H IỄ M SA C TH Ể 1. N h iễ m s ắ c t h ể p h a g e Các phage được n ghiên cứu kỷ n h ấ t về m ặt di truyền hiện nay là các v iru t xâm nhiễm vi k huẩn E.coli gọi là các phage T (/i. 1-7). Nhiễm sắc th ể cùa chúng là ADN trấ n m ạch kép, khồng có protein. Cả phage T2 và T4 đều có nhiễm sác th ể dài hơn hệ gen hoàn chỉnh cua chúng. Đó là kết quả của hiện tượng lặp lại dư thừ a ỏ hai dàu và hiện tư ợng đối chỏ do m ạch vòng, tự a như mỗi phage đễu chứa n h ữ n g đoạn ADN có chiều dài b ằn g n h a u được cát ra m ột cách ngẫu nhiên từ m ột vòng trò n nhiêm sác th ể lớn. 11 Trong khi đó. các phage T lẻ như T3, T5, T7 lại chỉ cđ tihiễni sắc th ể lặp lại dư th ừ a ở hai đầu. Có th ể hỉnh dung các kiểu nhiễm sắc th ể khác n h a u này như s ạ u : 1 1 23 4 5 6 23 4 5 6 1 2 Hệ gen hoàn chinh Nhiễm sắc thể lặp lại dư thừ a ở hai đáu 1 4 3 23 4 5 56 1 2 45 6 1 Các nhiễm sắc thể đổi chỗ do m ạch vòng 1 2 3 3 4 5 6 1 2 6 3 2 1 2 3 4 6 1 Các nhiễm sác thể lặp lại dư th ừ a ở hai đấu và đổi chõ do mạch vòng B ằng chứng vế sự tổn tại các kiểu nhiễm sắc th ể nói trên ở phage đã thu được trong các thỉ nghiệm xử lý ADN phage bằng enzym giới hạn. 2 . N h ỉễm sắ c t h ể vi khuẩn N hiễm sắc th ể vi khuẩn là những phân tử ADN trấ n , chuỗi kép, m ạch vòng. ADN thường đỉnh với m àng tế bào ỏ một điểm hoặc một số điểm. Mặc dù vi khuẩn khồng có nhân, nhưng ADN tập trung ỏ m ột vùng rõ rệ t gọi là vùng nhân, không có màng bao bọc. Dưới kinh h iển .vi điện tử ADN có dạng siêu xoắn. T ính siêu xoán này chịu sự kiểm soát ARN, nhưng không cô ribosom. Ngoài nhiễm sắc th ể chính, ở vi khu ẩn còn tháy có m ột loại ADN khác ờ dạng vòng kép nhỏ gọi là các p la sm id . Chứng được sao chép {tổng hợp) không phụ thuộc vào nhiễm sắc th ể chính. Trong quấn th ể vi khuẩn tự nhiên ADN plasm id có thể chiếm tới 1 “ 2% tố n g số ADN có tro n g tế bào. 3 . N h iễ m sắ c t h ể n h ân ch u ẩn ở các sinh vật n h ân chuẩn (eukaryotes) phần lớn ADN tậ p tru n g trê n các nhiễm sác th ể nằm tro n g n h â n và đó là chủ đề chính của phấn này. Tuy nhiên, m ột sô' ADN cũng th ấy cđ ở ty th ể v à lạp th ể ở dạng ADN trầ n m ạch vòng kép. Như vậy,cấu trú c của. vật liệu di tru y ền ở đây cũng tương tự như d vi khuẩn. • a ) Kiều- n h â n ........................................................................................................................................ Bộ nhiễm sấc th ể cúa sinh vật nhân chuẩn gọi là kiểu n h â n bao gốm số lượng và hỉnh dạng nhiễm sắc th ể (đặc biệt là vị trí của tâm động), ô động vật, kiểu n h â n ỏ giới tín h đực và cái thường thường khác nhau do cổ các n h iễ m sắc thề giới tín h X và Y. Đối với các nhiễm sắc th ể thường còn lại thì kiểu n h ân của t ấ t cả các sinh vật tro n g cùng loài đều giống nhau. Nhưng loài khác nhau có kiều n h â n khác nhau. Kiểu n h ân của n am giới ở người nêu trê n A.I-8 : có 46 nhiễm sác th ể gổm 22 cập nhiễm sác th ể thường và hai nhiễm sắc th ể giới tính X và Y rấ t khác nhau. T ất cả được phân th àn h 7 nhóm từ A đến G dựa theo kịch thước của chúng. Gần đây , nhờ kỹ 12 th u ậ t n h u ộ m băng (banding techniques) người ta đã làm hiện lên n hữ ng vạch nang (bảng) đặc th ù n ằm dọc theo mỗi nhiễm sắc t.hể, nhờ vậy có th ể dễ dàng phân biệt được từ n g nhiễm sác th ể tro n g kiểu nhân. T ị ^* - u n n Si íỉ C 3 4-5 r M H U n n Kỉ ii I Q — 6-12 + X ----------^ Aồ . E ✓----------------- — A------------------ \ ft A 13-15 F % x X * 19-20 M ** 16 17- 18 G ẩ iA ' 21 - 2 2 Y Hình 1 -8 . Kiểu nhân c ủ a ngưòí. P hía irổ n : các nhiếm sắc th ẻ (rong nguyOn phân cù a ngưòí đ à n ông binh thưỏng (44 + X Y ). Phía dư ỏi : cũng c á c nhicm sắc th ẻ đ ó nhưng xếp thành từ ng cặp tương dồng. 13 b) T h àn h p h ẩn củ a c h ấ t n h iêm sâ c Khi tách n h ân khỏi các tế bằo vào thời điểm không p h â n chia và cho n h â n dung giải th ỉ các nhiễm sắc th ể được giải phống ra, mỗi cái chứ a m ộ t ADN sợi kép nguyên vẹn. ADN này liên k ế t với protein ở dạng m ột phức hợp gọi là c h á t n h iẻm sắc (chrom atin). Ti*ong chất này cố cả các protein bazơ (các h isto n ) và p ro tein a x it (không cđ histon) liên kết với ADN và đổ là tính đặc trư n g của các nhiễm sắc th ể nhân chuẩn. T ấ t cả các nhiễm sác th ể n h ân chuẩn đễu chứa năm loại p rotein h isto n khác nhau đính với ADN trong phức hệ ADN - histon gọi là H l , H2A, H 2B, H 3 và H4 (xem bảng dưới) Đ ặc đ iểm c ủ a c á c h ỉsto n ở tu y ế n ứ c c ủ a b ê K iểu Đ ặc d iểm HI H2A H2B H3 H4 Rất giàu lysin Giàu lysin Giàu lysin Giàu arginin Giàu arginin SỐ a x it am in = 215 129 125 135 102 K h ối lư ợ n g p h â n tử « 21.500 14.000 13.775 15.320 11.280 Các phân từ này được duy trì tro n g suốt quá trỉn h tiến hổa chứ ng tỏ vai trò quan trọ n g của chúng đối với cấu trú c của nhiễm sắc th ể . Vê khối lượng thi histon và ADN gấn như bầng nhau tro n g ch ất nhiễm sác. Các protein axit không histon củng đính vào phức hợp A D N - histo n . N hưng khác với các histon, chúng cổ rấ t nhiểu và đa dạng. Đã tỉm tháy hơn 100 loại protein khồng histon bao gồm cả các enzym cấn cho các quá trìn h sao chép, phiên m ả, các polym erase ADN, ARN và các phân từ th am gia vào các quá trin h kiểm so át việc tổ n g hợp ADN và ARN. Với các chức nống đổ, như người ta dự đoán, số lượng các protein không histon biến động tro n g euốt chu trin h t ế bào, và r ấ t khác nhau ở các tế bào đả được b iệ t hổa khác nhau, Điéu đò trá i ngược hẳn với các p ro te in h isto n luôn luổn có số lượng cố định. Sỉgày nay người ta đ ã b iết nhiéu về sự sáp xếp của các p ro te in histon dọc theo p h ân tử ADN tro n g khi lại b iết r ấ t ít về mối liên hệ cấu trú c giữa ADN và các protein không histon. c) T h ể n h â n (n u c le o so m e ) N hiễm sác th ể là m ột phức hợp được bổ c h ặ t giữa ADN và pro tein . Từ lâu người ta đ ả biết rằn g ADN tro n g nhiễm sác th ể dài hơn nhiéu so với chiéu dài của nhiễm sấc th ể , chứng tỏ ntí phải được sắp xếp theo m ộ t e á c h nào đổ. T rên thực, tế, .trong c h ấ t nhiễm sắc, ADN được bó ch ặt và th u gọn lại ít n h ẩ t 100 lẩn. Đố là do ADN được cuộn vòng ở nhiéu mức độ khác nhau. Mức đơn giản n h át là ADN cuổn xung quanh m ột cái lổi gồm các histon đ ể tạo th à n h m ột cấu trú c gọi là th ê n h ả n , và mức phức tạ p n h ă t là sự cuộn xoắn của các phức hợp ADN - histon để tạo n ên các nhiễm sắc th ể ở dạng quan s á t th ấy khi phân bào như trê n A .I-8. Khĩ q u an s á t dưới kính hiển vi điện tử th ì phức hợp ADN - p rotein tro n g nh iễm sác th ể ctí d ạn g sợi đường kính k h o ản g 10nm . Nếu được gỡ rối hoàn toàn thỉ sợi này trô n g gióng như m ột chuỗi h ạ t m à mối h ạ t là m ột th ể n h ân và phần sợi m ảnh nổi các h ạ t là ADN tr ẩ n gọĩ là ADN nổi. 14 Mổi th ể n h ân riê n g biệt có dạng m ộ t khoanh giò đường kính 1 In m , dày 5,7nm gốm lõi protein histo n th u ộ c các loại H2A, H2B, H3, H4 và sợi ADN đường kính 2nm gốm 146 cập bazơ q u ấ n vòng q u an h lõi khoảng 1 vòng 3/4: Sự liên kết giữa ADN và protein ch ật đến mức ADN có th ể chống lại tá c động của các enzym phân hủy các ADN biệt lập (không liên k ế t với protein). T rong tế bào, c h ấ t nhiễm sác tổn tạ i ở trạ n g thái xoắn cao hơn nhiều so với sợi 10nni. Mức độ xoắn tiếp th e o m ức ỈOnm là sợi nhiễm sác 3ồnni (h .I-9 ). Sợi 30nm được hình th àn h từ sợi 10n m dường như bàng cách áp s á t các th ể nhân với nhau ờ phấn m ặt p hẳng đ ể tạ o giải bãng xoán kép có đường kính xác định. H iston H I đ ó n g vai trò đặc biệt quan t.rọng. Nó nằm ờ điểm ra - vào th ể nhán cùa ADN. Chất nhiễm sác không chứ a H I có th ể vẫn tạo nên sợi 10ntĩiy như ng không tạo th à n h được sợi 30n m ; như vậy, H I phải có chức nâng gán kết các th ể n h ản lại với nhau để tạo n ên các sợi 30n m . ]ợ/ flfiịfỉrr 3à /7ff Hình 1 -9 . G ác {/#/7 SJ/7 ỹ cơ m ílc d ộ cuộn xoắn cù a chuẢi các th ẻ n h ân : hăng zigzag dán lh ô n g qua bãng zigzag c o lyn (hãnh háng xoắn kép. ** Sự hiểu biết của khoa học vé m ức độ bố trí c h ấ t nhiễm sắc tiếp sau mức sợi 30nm hiện nay còn r ấ t ít. Đ ường kính của nhiễm sấc th ể pha nghỉ cố th ể là 300nm , còn đường kính của nhiễm sắc th ể p h a giữa cổ th ể khoàng 700nm . Để tạo n ên các sợi có kích thước như thế, giả th u y ế t đơn giản n h ấ t hiện nay là sợi 30nm cuộn xoắn lại như dây thừ n g theo các k iểu khác n h au để tạo th àn h các nhiễm sác th ể có hình th ái đặc trưng. đ) Chất n g u y ê n n h iế m s á c v à c h ấ t d ị n h iễm sá c Khi nhiễm €ấc th ể pha nghỉ được nhuộm và đem quan s á t dưới kính hiển vi người ta thấy ch át nhiễm sắc p h ân th à n h hai kiểu khác biệt rõ rệ t vé cáu tạo : m ột kiểu được nhuộm rấ t n h ạt gội là chát nguyên nhiễm sắc, kiểu kia được nhuộm r ấ t đậm. gọi là chát d ị nhiễm sắc. C h ất nguyên nhiễm sác m ang ch ất nhiễm sắc ở trạ n g th ái dãn xoắn, còn chất dị nhiễm sắc là trạ n g th ái cuộn xoắn cao cúa ch ất nhiễm sắc. 0 những sinh vật khác nhau th ì ch ất dị nhiễm sắc phân bố khác nhau, có trư ờ n g hợp từ n g phần hoặc to àn bộ nhiễm sắc th ể là chất dị nhiễm sác. Noi chung nằm rải rá c ở dạng n hữ n g đoạn ngán xen kẽ với chất nguyên nhiễm sác và bọc quanh các tâm động. Về m ặt chức n ân g ch ất nguyên nhiễm sác chứa ADN ở trạ n g th á i ho ạt động (cố th ể được phiên mã), còn ch ất dị nhiễm sác th ì m ang ADN ở dạng không phiên mã được. C hất dị nhiễm sắc sao chép m uộn hơn chất nguyên nhiễm sác tro n g chu trin h t ế bào. e) Các trìn h tự iặ p lạ i củ a ADN Các th í nghiệm vể biến tín h (denaturation) và hòi tín h (ren atu ratio n ) ADN ở các sinh v ậ t khác nhau đ ã cho thấy các nhiễm sắc th ể n h ân sơ h áu như chỉ m ang m ột trìn h tự ADN duy n h ấ t tro n g khi nhiễm sác th ể ò sinh vật n h ân chuẩn lại có nhiều đoạn lặp lại. N hững sinh vật n h ân chuẩn khác nhau có tầ n số các đoạn ADN lặp lại khác nhau. Có nhữ ng đoạn (chiểu dài từ vài cặp đến vài trăm cặp bazơ) có tầ n số ỉặp lại tới h àn g triệu lần tro n g m ột hệ gen. Nói chung, nhữ ng đoạn ADN có tầ n số lặp lạỉ cao thư ờng nằm q uanh tâ m động và ở hai đẵu của nhiễm sác th ể, chúng được sao chép m uộn hơn các đoạn ADN khác và không được phiên m ả. T rong khi các đoạn lặp lại vừa phải (từ vài chục đến vài nghỉn lẩn) thi được phiên mã. Các gen sả n ra ARN ribosom, ARN vận chuyển và các histon nằm trong các đoạn này. 4. C ác yếu t ố d i tru y ền vận đ ộ n g (gen nhảy) Ngoài các gen chiếm vị trí cố định trên nhiễm sác th ể, ở các sinh vật n h â n sơ cũng như n h ân chuấn đểu thấy cố sự tổn tại của các yếu tố di tru y én đặc biệt có khả năng vận động từ một vị trí đến các vị tr í khác tro n g hệ gen. Các gen di động này được đ ặ t tê n là các yéu tố di truỷên vận dộng (transposable genetic elem ents - TGE). Chúng là nhữ ng đoạn ADN đặc b iệt có khả n àn g xen vào m ột hoặc ưiột số vị trí tro n g hệ gen và cũng cố th ể được cát rời khỏi hệ gen. C húng cố th ể tạo n ên nhữ ng biến đổi di tru y é n khi xen vào gen hoặc vào đoạn kế tiếp với gen và nhữ ng biến đổi này sẽ m ấ t đi nếu các TGE rời khỏi vị trí m à chúng đã xen vào. Loại TGE đơn giàn n h ấ t là các đoạn xen (insertion sequence -IS ), chúng cẵn th iết cho q u á trìn h xen ADN vào nhiễm sác th ể và cho q u á trìn h chuyển TGE từ m ột vị trí san g vị tr í khác tro n g hệ gen. Cáu trú c của chúng rá t giống nhau ở các sinh vật khác nhau. Cho đến nay đoạn xen được nghiên cứu kỹ n h ấ t ở mức phân tử là IS1 tìm thấy ở vi khuẩn E.coli (h . I—10).IS1 cò chứa gen dài 720 cặp bazơ xác định enzym có chức n ăn g "vận chuyển'1, Gen này n ằm giữa hai đoạn lặp lại đáo ngược (inverted rep eats-lR ), mỗi đoạn dài 24 cặp bazơ. P h ầ n dưới cùa h ìn h 1-10 ỉà m ột gen nhảy (transpo3on-T n) gổm hai đoạn xen n ằm ở hai đáu của m ột gen khác. Ở đây là gen củ a E .coli đài 552 cặp bazơ xác định độc tố chịu n h iệ t gây bệnh ỉa chày. Cả cấu trú c này (gen nhảy) có th ể vận động như m ột đơn vị nguyên vẹn với các đặc điểm như m ột .đoạn xen và như vậy m ang theo gen n ằm giữa m ặc dù gen này không có chức n ãn g vận động. 16 IS / _________ \ _ _________ A__________ --------------------------— G £A/ ỉ /? r/? A A /S P O S A S £ 70/7 /x ơ n&ro 24 o r Ĩ Ỉ 7 7 6 8 ^ 24 ổ p 7 A r Ố £ N Đ ổ c T Ô ' 7 I X I / ? à ĩ ổ ĩ - E . --------------------5 5 / f I K C ỡ i/ 2 8 p -----------------------* - Ĩ S Ỉ trinh Ỉ-ỈO . D oạn xcn vá gcn nhày d u nó sinh ra, ISI m;ing gen qui dịnh err/.ym “iransposasc" chuyên trách sự v ận đ ỏ n g cùa nó. G en này nằm giữi'1 hai d o ạ n lặp lại ngilỢc chiéu (1R) liìii 24 c ặ p baxo (BI*)* Bén dưỏi iĩi gcn nhày I n gổm híii y6u tổ iS này ké hai hCn m ột gcn khác, ìí đ ây (.tó là gcn độ c tri cùa M.coỉi. Cơ chế xen gen nhảy vào nhiễm sác th ể có th ể hình đung như sau (h . I - l l ) : tại điểm đích (điểm m à gen nhảy sẽ xen vào) trê n nhiễm sắc th ể xảy ra m ột vết cát hỉnh chữ chi (cơ chế cắt đặc thù của các enzym giới hạn), gen nhảy xen vào giữa và vết cắt được "hàn” lại theo nguyên tắc bổ trợ. K ết quả là ké với hai đ ẵu của gen nhảy bao giờ cũng có hai đoạn lặp cùng chiều (đirect repeats) nàm trê n nhiễm sắc thể. Hiện tượng này p h á t hiện th ấy trong t ấ t cả các trư ờ ng hợp đă nghiên cứu vế trìn h tự các bazo nitơ n ằm ké hai đáu cùa gen nhảy hoặc đoạn xen khi chúng đã đính vào nhiễm sắc thề. Ngày nay, người ta cho rằng đoạn xen và gen nhày tổn tạ i m ột cách' phổ biến ỡ tấ t cả mọi sinh vật, từ nhân sơ đến nhân chuẩn. N hững th í dụ nêu trê n là â vi khuẩn. T h ật ra, gen nhảy đẩu tiên được p h át hiện là ở ngô từ nhữ ng năm 50 tro n g công trin h của B. M cClintock. Bà nghiên cứu mức độ hình th àn h sác tố đỏ ở h ạ t ngô. Bằng nhữ ng th í nghiệm di tru y ế n học kinh điển chính xác tác giả là người đầu tiên đã nêu lên sự tổn tạ i của gen nháy. Do vậy, cùng với nhữ ng công trin h khác, bà đã được giải thưởng Nobeì nãm 1983. TG E củng được p h át hiện th áy và nghiên cứu ở nhiêu sinh vật n h ân chuẩn khác, đặc b iệt ở n ấm m en, ruổi giấm v à người. Cấu trú c và chức n ăn g của chúng rấ t giống với các yếu tố này ở sinh vật n h ân sơ. Chúng cũng cđ khả n ãn g xen vào nhiễm sảc th ể ớ nhiéu điểm và khi đó cũng gây nên nhừ ng biến đổi đổi với gen m à nó đính vào. ơ nấm m en Saccharomyces cerevisiae đó là các yếu tố Ty. Chẳng hạn T y l cđ chiểu dài khoảng 5600 cặp bazơ vớĩ hai đoạn lặp cùng chiều gọi ià đelta nằm ở hai đầu dài 338 cập bazơ và hai đoạn lặp ngán nầm trê n nhiễm sác th ể dài 5 cặp bazơ. Trong mỗi tế bào nấm m en có khoảng 35 b ản sao của T y l. M ột số yếu tó vận động tương tự tháy có ỏ ruổi giấm D rosophila, chẳng h ạn yếu tố copia dài 5000 cặp bazơ với hai đoạn lạp cùng chiểu ở hai đẩu dài 300 cặp bazơ và hai đoạn lặp ngán trê n nhiễm sắc th ể dài 5 cập bazơ. Ớ người có m ột nhóm các đoạn ADN m an g nhiêu đoạn lặp và CSDTH-2 DẠI HỌC QUỐC GIA HẢ NỘI Í?UNG TẦM THÕNG TIN ĨÙQ VIẺN Y L - t V ĩlO ị A T T A T T A A T A V ỆT CẮT CHỮ CHI TRỂN NHIỄM SẮC THỂ VẬT CHỦ A T T A T T A A T A GEN NHẦY A T T A T IR IR T A A T A 1 A T T A T T A A T A A T T A T IR IR T A A T A Hình MO hinh xen gen nhảy. Các đ o ạn nhiẻm sắc Ih ẻ vậi ch ù ké hai b â n g e n nhảy thường giống hội nhau, chửng tỏ vệt cắt chữ chi là m ột bưỏc tro n g quá trìn h gen nhảy xen vào n h iễm sắ c the. đổng thời có chứa điềm cát cửa enzym Alul (enzym giới hạn tách được từ Arihrobacter luteus)) vì vậy gọi là nhóm Alu. Mỗi hệ gen đơn bội ở người có tới 300 nghìn bản sao các đoạn Alu với chiêu dài mỗi đoạn khoàng 30 cặp bazơ. P h ẩ n lớn các đoạn Alu đểu cố m ang ờ hai đ áu các đoạn lặp cùng chiéu, vì vậy r ấ t có th ể chúng là các TGE Như vậy, hệ gen không tĩn h như chúng ta hình dung trư ớ c đây, nó rấ t động vì laôn luôn có những đoạn ADN vận động kháp hệ gen !àm th a y dổ.ị cấu trú c của nó và ảnh hưởng đến hoạt động của gen. I II . C Ấ U T R Ú C E X O N - IN T R O N C Ủ A G EN Các gen của động v ậ t cố vú, đôi khi cả ở thực v ậ t bậc cao và nấm m en có các đoạn không mã hóa axit am in (noncoding sequences) gọi là intron phân biệt với các đoạn m ã hóa (coding sequences) gọi là exon. 18 N CẢ các đoạn in tro n và exon đếu được phiên m ã để tổng hợp ra phân tử tién chát cùa mARN (pre-m R N A ) và từ phán từ này, thông qua quá trìn h gọi là tách ghép (splicing) có tác d ụ n g c á t đi các intron, rổi sau đó nối các exon lại để tổng hợp nên các phân tử mARN d ừ n g cho việc dịch m à diễn ra trẽn ribosom trong tế bào chất. Các in tro n được công bố lá n đầu tiên vào nãm 1977 tại Hội nghị vế C hất nhiễm sác họp ở Phòng th í nghiệm Cold S pring H arbor. Các intron này p h á t hiện thấy ở adenovirut. Sau đó tìm th ấy ở viru t SV40 và rấ t nhanh sau dó người ta đã thấy sự tổn tại của các in tro n ở các sinh vật nhân chuẩn không còn là ngoại lê m à là rấ t phổ biến. P ierre C ham bon và cộng sự ở Dại học Tổng hợp Strasbourg (Pháp) là m ột trong nhừng người đ áu tiê n p h á t hiện các đoạn in tro n khi nghiên cứu sự điéu hòa di truyén tro n g sinh tổng hợp ovalbum in-m ột prdtein trong lòng trá n g trứ n g của gà, có chiéu dài 386 axit am in. Người ta tách mARN của gen ovalbum in. Sau đó cho phiên m ã ngược, để tạo ra cADN của nó và đ ả p h á t hiện thấy các phân tử mARN đáu tiên tro n g nhân là những phân tử dài hơn mARN bình thường nàm tro n g tế bào chẵt... So sảnh ADN của gen với cADN tạo ra từ mARN lẵy từ tế bào chất và giải trình tự cả 2 loại p h ân tử , tá c giả thấy có các đoạn polynucleotid có trong ADN của gen ban đẩu như ng lại không thấy có tro n g cADN được tổng hợp từ mARN lấy từ tế bào chát. Họ còn p h át hiện thẩy các đoạn polynucleotid nói trên (intron) không được dịch mà, chúng n ầm xen kẽ với các đoạn có m ang thông tin để dịch m ả (exon). Gen ovalbum in có 7 in tro n xen kẽ giữa 8 exon theo sơ đổ dưới đày : G en ovalb u m in củ a gà (77000 cập bazd) (lĩũ ơ ũ căp Aạgtr) L A B c D 7 in tro n : A B c D E F G 8 exon : L 1 2 3 4 567 Exon L là đoạn d ẫn đ áu 5’ cùa mARN tro n g gen ovalbumin Các exon 1 - 7 m ã h ó a các axit am ỉn cỏa ovalbumin Intron đ ấu tiên p h á t hiện th ấy ở thực vật là tại gen phaseolin tro n g cây họ đậu m ang 3 in tro n . Nđi chư ng các gen thực v ậ t bậc cao đéu m ang nhiểu in tro n và exon. N hưng người ta củng th ẫ y không phải t ã t cả các gen nhân chuẩn đéu m ang intron. Ví dụ, gen h iston n h ím biển và bồn gen sốc nhiệt ở Drosophila không m ang intron. N hiếu gen khác ờ đ ộ n g vật, thực vật bậc cao cũng không m ang intron. Nói chung, các in tro n đ ã được phát hiện, có kích thước rấ t khác n h au từ vài cặp bazơ đến h àn g n g àn cặp bazơ • 19