Bài giảng Bản chất của vật chất di truyền

Chương 1 Bản chất của vật chất di truyền I. DNA là vật chất di truyền Acid nucleic có 2 loại là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic (RNA). Nhiều sự kiện gián tiếp cho thấy DNA là chất di truyền. 1. Các chứng minh gián tiếp - DNA có trong tế bào của tất cả các vi sinh vật, thực vật, động vật chỉ giới hạn ở trong nhân và là thành phần chủ yếu của nhiễm sắc thể. Đó là một cấu trúc mang nhiều gen xếp theo đƣờng thẳng. - Tất cả các tế bào dinh dƣỡng của bất kỳ một loại sinh vật nào đều chứa một lƣợng DNA rất ổn định, không phụ thuộc vào sự phân hóa chức năng hoặc trạng thái trao đổi chất. Ngƣợc lại, số lƣợng RNA lại biến đổi tùy theo trạng thái sinh lý của tế bào. - Số lƣợng DNA tăng theo số lƣợng bội thể của tế bào. Ở tế bào sinh dục đơn bội (n) số lƣợng DNA là 1, thì tế bào dinh dƣỡng lƣỡng bội (2n) có số lƣợng DNA gấp đôi. - Tia tử ngoại (UV) có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bƣớc sóng 260nm. Đây chính là bƣớc sóng DNA hấp thu tia tử ngoại nhiều nhất. Tuy nhiên trong các số liệu trên, thành phần cấu tạo của NST ngoài DNA còn có các protein. Do đó cần có các chứng minh trực tiếp mới khẳng định vai trò vật chất di truyền của DNA. 2. Thí nghiệm biến nạp DNA ( Transformation) Vi khuẩn Diplococcus pneumoniae có hai dạng: - Dạng S (gây bệnh): có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, ngăn cản bạch cầu phá vỡ tế bào và tạo khuẩn lạc láng trên môi trƣờng agar. - Dạng R (không gây bệnh) không có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid và tạo khuẩn lạc nhăn. Thí nghiệm: a. Tiêm vi khuẩn dạng S sống gây bệnh cho chuột, sau một thời gian nhiễm bệnh, chuột chết b. Tiêm vi khuẩn dạng R sống không gây bệnh cho chuột, chuột sống c. Tiêm vi khuẩn dạng S bị đun chết cho chuột, chuột chết d. Tiêm hỗn hợp vi khuẩn dạng S bị đun chết trộn với vi khuẩn R sống cho chuột, chuột chết. Trong xác chuột chết có vi khuẩn S và R. Đến 1944, T. Avery, Mc Leod, Mc Carty tiến hành thí nghiệm xác định tác nhân gây biến nạp: - Nếu tế bào S bị xử lý bởi protease hoặc ARNase thì hoạt tính biến nạp vẫn còn, chứng tỏ RNA và protein không phải là tác nhân gây bệnh. - Nếu tế bào chết S bị xử lý bằng ADNase thì hoạt tính biến nạp không còn nữa, chứng tỏ DNA là nhân tố biến nạp. DNA của S + tế bào R sống chuột chết (có S, R ) Thí nghiệm biến nạp ở chuột 3. Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn Năm 1952, A. Hershey và M. Chase tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2, xâm nhập vi khuẩn E.coli nhằm xác định xem phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào tế bào vi khuẩn: chỉ DNA, chỉ protein hay cả hai. Thí nghiệm này đã đƣợc chứng minh trực tiếp rằng DNA của phage T2 đã xâm nhập vào tế bào vi khuẩn và sinh sản để tạo ra thế hệ phage mới mang tính di truyền có khả năng đến nhiễm vào các vi khuẩn khác. Vật chất di truyền của phage là DNA Sự xâm nhập DNA của virus vào vi khuẩn II. Thành phần và cấu tạo hóa học của acid nucleic DNA và RNA là những hợp chất cao phân tử. Các đơn phân là các nucleotid. Mỗi nucleotid gồm ba thành phần - H3PO4 - Đƣờng desoxyribose (DNA ), ribose ( RNA) - Bazơ nitơ DNA RNA + Purin Adenin (A) Adenin (A) Guanin (G) Guanin (G) + Pyrimidin Cytosin (C) Cytosin (C) Timin (T) Uracin (U) Mối liên kết hydro giữa A-T và G-C 1. DNA 1.1. Cấu tạo hóa học của DNA + số lƣợng A =T, G =X + Tỉ số A + T G + X đặc trƣng cho mỗi loài sinh vật. Theo nghiên cứu Wilkins và Franklin: + Các purin và pyrimidin có cấu trúc phẳng, mặt phẳng đƣợc xếp vuông góc với trục dài của mạch polynucleotid cái này xếp chồng lên cái kia, khoảng cách trung tâm giữa hai mặt phẳng kề nhau là 3,4Ao + Mạch polynucleotid xoắn thành lò xo quanh trục giữa, mỗi bƣớc xoắn là 34Ao ( ứng với 10 nu) + DNA có nhiều hơn một mạch polynucleotid. Sự bắt cặp bổ sung của các base của hai mạch đơn Mô hình cấu trúc phân tử J. Watson và F. Crick (Dạng B) + Gồm hai chuỗi polynucleotid xoắn song song ngƣợc chiều quanh một trục chung. + Các gốc base quay vào phía trong của vòng xoắn, các gốc H3PO4, pentose quay ra ngoài tạo phần mặt của hình trụ. + Khoảng cách giữa các cặp base là 3,4 A0, lệch nhau một góc 360 + Chiều cao của mỗi vòng xoắn là 34 Ơ , và đƣờng kính là 20 Ơ. + Hai chuỗi polynucleotid gắn với nhau qua liên kết hydro đƣợc hình thành giữa các cặp base đứng đối diện nhau theo NTBS. A chỉ liên kết với T và G chỉ liên kết với X. A + G = T + X (quy luật Chargaff). + Biết thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotid trên chuỗi này sẽ suy ra thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotid trên chuỗi kia Ngoài DNA dạng B, còn nhiều dạng xoắn phải khác (A, C, D, Z ...). Điển hình mô hình dạng B của Watson-Crick, là dạng xoắn phải với trục đều Mô hình dạng Z, là dạng xoắn trái với trục không đều. Mô hình dạng B Mô hình dạng Z 1.2. DNA cuộn lại trong tế bào Hầu hết trong cơ thể sinh vật, DNA có chiều dài dài hơn rất nhiều lần so với chiều dài của tế bào. Ví dụ: phage T2 có chiều dài tế bào khoảng 0,16 m, trong khi chiêu dài DNA của chúng khoảng 50 m. Các dạng thẳng, vòng tròn và xiêu xoắn của DNA DNA có thể ở 3 dạng cấu trúc: - Dạng siêu xoắn: mạch kép vặn xoắn lại thành hình số 8. Đây là dang tự nhiên ở vi khuẩn. - Dạng vòng tròn: sợi DNA căng tròn có đƣợc do DNA siêu xoắn bị cắt đứt 1 trong hai mạch kép. - Dạng thẳng: khi DNA bị cắt đứt cả hai mạch. Mô hình về bộ gen của E .coli Mô hình cấu trúc nhiễm sắc thể (bộ gen) của E. coli (Theo Pettijohn và Hecht, 1974) 2. RNA RNA có cấu tạo từ các đơn phân là các ribonucleotid. Mỗi ribonucleotid gồm ba thành phần: đƣờng ribose, H3PO4, bazơnitric. Trong tế bào có ba loại RNA: rARN, mARN, tARN. 2.1. rARN: * chiếm khoảng 75% của tổng RNA trong tế bào. - Eukaryota : ribosome có hệ số lắng khi ly tâm là 80S, gồm hai đơn vị: + Đơn vị lớn ( 60S) có rARN 25S; 5,8S; 5S + Đơn vị nhỏ (40S) có rARN 28S - Prokaryota và lục lạp có hệ số lắng khi ly tâm là 70S, gồm 2 đơn vị: + Đơn vị lớn (50S): có loại rARN 23S; 5S; 4,5S + Đơn vị nhỏ (30S): có rARN 16S - Ty thể: ribosome có hệ số lắng khi ly tâm là 70S, gồm 2 đơn vị: + Đơn vị lớn 50S: có loại rARN 24S; 5S + Đơn vị nhỏ 30S: có rARN 18,5S * rARN có cấu trúc bậc I và cấu trúc bậc hai. * rARN có cấu tạo là một sợi xoắn có nhiều vùng liên kết đôi theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với U, G liên kết với X và có khi G liên kết với U. 2.2. RNA vận chuyển ( tRNA) - Có hơn 20 loại tARN khác nhau tuơng ứng với 20 loại acid amine khác nhau. - Các tARN cùng tham gia vận chuyển một acid amin là các izoaceptor. - Cấu trúc bậc I của tARN: có phân tử lƣợng nhỏ: 25.000-30.000, gồm 75-90 nucleotid, có hằng số lắng 4S. Có khoảng 10% các nucleotid hiếm với khoảng 30 loại khác nhau. Chuỗi polynucleotid cuộn lại có những đoạn tạo mạch xoắn kép, hình thành cấu trúc bậc hai của tARN. - Các tARN có một số đặc tính cấu trúc chung: chiều dài khoảng 73-93 nucleotid, cấu trúc gồm một mach cuộn lại nhƣ hình lá chẻ ba nhờ bắt cặp bên trong phân tử. Đầu mút 3’ có trình tự kết thúc là CCA, amino acid luôn gắn vào đầu này. Đầu 5 chứa gốc phosphate của G. Mỗi tARN có có 4-5 vùng với chức năng khác nhau: - Vòng DHU: có chứa nucleotid dihydrouridin, vùng này có chức năng nhận biết aminoacyl tARN synthetase - Vòng anticodon: đọc mã trên mARN theo nguyên tắc kết cặp anticodon – codon. Cấu trúc của tARN - Vòng phụ: có thể không có ở một số RNA. - Vòng TφC: có chứa nucleotid pseudouridin, vùng này có chức năng nhận biết ribosom để vào đúng vị trí tiếp nhận aminoacyl tARN (vị trí A) - Đấu 3’ –CCA: vị trí gắn với acid amin. tARN chiểm khoảng 15% tổng số RNA của tế bào 2.3. RNA thông tin (messenger RNA – mARN) - RNA thông tin làm nhiệm vụ truyền đạt thông tin di truyền từ DNA đến protein. - mARN chiểm khoảng 5% tổng số RNA tế bào. - Cấu trúc của mARN: 5’ m7GxpYp AUG UAG phần đuôi Đoạn 5’ Đoạn đƣợc Đoạn 3’ không mã hóa phiên mã không mã hóa (X, Y có thể là A hoặc G) - Các mARN của prokaryote có nữa thời gian (half life) tồn tại ngắn trung bình 2 phút. Các mARN của Eukaryote có nữa thời gian tồn tại khoảng 30 phút - 24 giờ. P P PG 5’ 5’ CAP Vò trí gaén Rb Vuøng khoâng maõ hoùa AUG Maõ keát thuùc UAA Vuøng khoâng maõ hoùa A-A-A- - 3’ mRNA ở eukaryote 5’ Vò trí gaén Rb Maõ khôûi ñaàu AUG Vuøng khoâng maõ hoùa 3’ P1 UAA maõ keát thuùc P2 UAA maõ keát thuùc P3 UAA maõ keát thuùc Maõ khôûi ñaàu AUG Maõ khôûi ñaàu AUG Vò trí gaén Rb Vò trí gaén Rb mRNA ở Prokaryote 2.4.-Ribozym và self- splicing - Các phân tử rARN của các loài nguyên sinh động vật, lúc đầu đƣợc tổng hợp với một số lƣợng lớn tiền chất, từ số các rARN này sẽ có một đƣợc tạo ra bằng cách tự cắt nối (self - splicing). - Quá trình cắt nối này có thể xảy ra ở in vitro trong sự vắng mặt của protein. - Phản ứng self-splicing ở loài Tetrahymena gồm 2 bƣớc: + Nucleotid G gắn vào trình tự intron, đồng thời cắt mạch RNA. + Đầu 3’ của RNA mới vừa đƣợc tạo ra gắn vào đầu bên kia của intron hoàn thành phản ứng nối liền. Trình tự intron dài 400 nucleotid đã đƣợc tổng hợp trong ống nghiệm và nó cuộn lại tạo phức hợp bề mặt có hoạt tính tƣơng tự enzyme trong các phản ứng với các RNA khác. Các RNA có khả năng tự xúc tác đƣợc gọi là ribozyme. Phản ứng self-splicing của RNA Quá trình splicing, cắt các intron, nối các exon IV Các tính chất của DNA 1. Biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation) * Biến tính: Khi đun nóng DNA từ từ, vƣợt quá nhiệt độ sinh lý (khoảng 80- 95oC), các liên kết hydro giữa 2 mạch bị đứt và tách rời nhau. Trƣớc tiên các mối liên kết A-T, khi nhiệt độ > 90oC các liên kết G -C bị đứt. * Điểm chảy của DNA (Tm): Nhiệt độ mà ở đó 2 mạch DNA tách rời nhau. Tm phụ thuộc vào số lƣợng các liên kết hydro. DNA có tỷ lệ G-C cao sẽ có điểm chảy cao. DNA có 60% G-C thì điểm chảy là 95oC. Ngoài nhiệt độ, ngƣời ta còn dùng chất formanide (NH2 -CH = 0) làm biến chất DNA ở 40o-C * Hồi tính: Các DNA bị biến chất đƣợc hạ nhiệt độ từ từ, ở 60o -700C các nucleotid sẽ gắn lại với nhau để tạo nên DNA mạch kép. Sự biến tính và hồi tính của DNA 2. Lai acid nucleic * Nguyên tắc: lấy DNA A làm biến tính thành mạch đơn, trộn với DNA B cũng bị biến tính thành mạch đơn. Dung dịch đƣợc hạ nhiệt độ từ từ để xảy ra hồi tính, sợi A kết với A, B kết với B, đồng thời có sợi A kết với B tạo thành phân tử lai. Hiện nay còn sử dụng phƣơng pháp lai trên pha rắn, đƣợc sử dụng rộng nhất: + Phƣơng pháp Southern blot, dùng cho DNA + Phƣơng pháp Northern blot dùng cho RNA + Phƣơng pháp dot (điểm) và slot (khe) blot dùng cho RNA và DNA Lai tại chỗ (in situ hybridization) là kiểu lai phân tử trong đó trình tự acid nucleic cần tìm nằm ngay trong tế bào hay trong mô. * Dùng phƣơng pháp lai DNA: + Có thể xác định mối quan hệ họ hàng giữa các loài. Ví dụ: DNA ngƣời và DNA chuột chỉ lai đƣợc 25%. + Có thể tiến hành lai mARN với DNA để xác định vị trí gen trên DNA tạo ra mARN tƣơng ứng. + Giúp hiểu chi tiết hơn về bộ gen, nó là cơ sở của phƣơng pháp chẩn đoán mới dùng acid nucleic đang đuợc sử dụng rộng rãi. Phát hiện các DNA lai với mẫu dò V. Những cấu trúc chứa DNA trong tế bào 1. Những đoạn DNA chứa thông tin di truyền DNA do polynucleotid tạo thành, chia làm nhiều đoạn; mỗi đoạn là một đơn vị chức năng, gọi là gen. Định nghĩa gen (trong di truyền học): + Mendel là ngƣời đầu tiên nêu lên khái niệm “nhân tố di truyền” + J. Morgan: gen nằm trên nhiễm sắc thể chiếm một locus nhất định. Gen là đơn vị chức năng xác định một tính trạng. + Sau khi học thuyết trung tâm ra đời: gen là đoạn DNA trên nhiễm sắc thể không những mã hóa cho các loại protein mà cả các loại RNA. + Cuối những năm 70: gen là một đoạn DNA đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptid, bao gồm cả vùng trƣớc và sau vùng mã hóa cho protein và cả những đoạn không mã hóa xen giữa các đoạn mã hóa. Định nghiã tổng quát: gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền chiếm một locus nhất định trên NST và xác định một tính trạng nhất định. Các gen là những đoạn vật chất di truyền mã hóa cho những sản phẩm riêng lẻ nhƣ các RNA đƣợc sử dụng trực tiếp cho tổng hợp các enzym, các protein cấu trúc hay các mạch polypeptid để gắn lại tạo ra các protein có hoạt tính sinh học. 2. Virus chứa DNA và virus chứa RNA - Virus gây bệnh đốm thuốc lá chứa RNA sợi đơn. - Các thực khuẩn thể T2, T4, T6 chứa DNA mạch đôi thẳng, dài. Virus khảm thuốc lá a. Ảnh virus khảm thuốc lá chụp bằng kính hiển vi điện tử ở độ phóng đại 37.428X b. RNA điều khiển sự hình thành tính trạng vỏ của virus 3. Nhiễm sắc thể chính và plasmid của vi khuẩn - DNA của vi khuẩn làm thành thể nhân, là DNA mạch vòng, xoắn kép. - Plasmid cũng là phân tử DNA mạch kép, dạng vòng ở bên cạnh thể nhân, có KLPT trung bình khoảng 1% DNA của thể nhân.Có thể tham gia sự tự nhân đôi và tham gia tiếp hợp khác nhƣ là một phần của NST chính. 4. Nhiễm sắc thể Eukaryota. Các trình tự lặp lại và đơn độc - DNA đơn độc (tái hợp rất chậm) - DNA lặp lại trung bình (tái hợp nhanh vừa) - DNA lặp lại cao (tái hợp rất nhanh) Căn cứ vào đặc điểm cấu trúc và phân, chia DNA thành các loại sau: - DNA đơn độc: phổ biến nhất, chiếm khoảng 75% genome. Các đoạn DNA này chỉ thấy 1 lần (hoặc vài lần) trong genome. Một phần nhỏ của DNA loại này là các gen mã hóa cho protein. Hẫu hết các DNA đơn độc là các intron hoặc là các đoạn nằm xen giữa các gen. - DNA lặp lại: Chiếm 25% còn lại của genome, đây là các đoạn DNA đƣợc lặp đi lặp lại hàng ngàn lần trong genome DNA lặp lại gồm 2 loại: + DNA vệ tinh: tập trung ở 1 số vùng nhất định trên NST, chúng xếp đuôi nhau, cái này tiếp cái kia. Loại này chiếm 10% bộ gen. + DNA lặp lại rãi rác: chiếm khoảng 15% genome, gồm 2 loại: Các yếu tố rãi rác có kích thƣớc ngắn SINEs Các yếu tố rãi rác có kích thƣớc dài LINEs : bao gồm các họ LINE 1 (hay Kpn 1) và THE 1. Nhiễm sắc thể của Eukaryota NST Eukaryote gồm DNA và protein, trong số đó histon là protein cốt lõi trong việc cuộn lại và điều hòa hoạt tính của DNA. Sự hình thành NST kỳ giữa từ chuỗi xoắn kép DNA qua hệ thống các bậc cấu trúc sau: + Nucleosome là đơn vị cấu trúc của NST đƣợc tạo nên do sợi DNA dài quấn quanh các protein histon thành sợi 11nm. Đơn vị này là phức hợp gồm 146 cặp nucleotid của DNA quấn quanh 8 phân tử histon: 2H2A, 2H2B, 2H3 ,2H4. Các nucleosome kề nhau đƣợc nối qua một phân tử histon trung gian H1. + Sợi chromatin dày 30nm: các nucleosome xếp sít nhau tạo thành phức hợp nucleoprotein. + Vùng xếp cuộn dày 300nm do sợi chromatin sau nhiều lần xoắn uốn khúc tạo nên. + Chất dị nhiễm sắc 700nm + Kỳ giữa 1400nm. Phức hợp nucleoprotein cuộn lại thành NST Trình tự CEN: trình tự lặp lại cao CEN là của các tâm động. Trình tự TEL: thuộc các telomer (đầu mút của NST) với nhiều vai trò khác nhau: bảo vệ đầu mút NST khỏi bị cắt bởi nuclease, giữ chiều dài của NST khi sao chép, gắn với màng nhân và kìm hãm sự biểu hiện của các gen ở đầu mút. Các trình tự TEL có tính bảo tồn cao trong tiến hóa. Chúng có số lần lặp lại cao, giàu A và C. Chương 2 Sao chép DNA I. Sự bền vững của DNA với thời gian và qua nhiều thế hệ 1. DNA bị biến đổi ngay cả không sao chép DNA là những phân tử rất dài, nhƣng mảnh, lại thƣờng xuyên chịu tác động môi trƣờng bên trong và bên ngoài tế bào nên dễ có những đứt gãy, biến đổi ngay cả khi không có sao chép. Con ngƣời thƣờng xuyên chịu tác động của tia tử ngoại làm tạo ra các dimer thymin. Quá trình biến đổi làm mất amin (desamination): biến cytosin thành uracin. Mỗi ngày tế bào ngƣời có khoảng 100 biến đổi nhƣ vậy. 2. Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ - Sao chép trong ống nghiệm có mức sai sót (10-5) cao hơn so với trong cơ thể sinh vật (sai sót trong khi sao chép in vivo là 1.10-9). - Đánh giá tốc độ biến đổi trong tiến hóa cũng khẳng định mức chính xác rất cao trong sao chép in vivo. 3. Các hệ thống bảo vệ DNA - Các enzyme cắt hạn chế không cắt DNA của chúng vì đã được methyl hóa ở những điểm cần thiết. - Tế bào còn có các hệ thống sửa sai (repair system): + Sửa sai bắng cách cắt bỏ rồi tổng hợp sợi mới: Các enzyme DNA polymerase I, II, III + Sửa sai nhờ cơ chế tái tổ hợp: DNA có hai mạch, khi sai hỏng trên một mạch, có thể dựa vào mạch còn lại để tổng hợp đoạn sai hỏng. + Có khoảng 50 enzyme chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử DNA. Sửa sai bằng cắt bỏ và tổng hợp lại đoạn bị hỏng Sửa sai nhờ enzyme 4. Sửa sai do phục quang hồi 5. Hệ thống SOS - Phản ứng của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhƣng phức tạp. - Phản ứng bao gồm các quá trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi trong khởi sự sao chép, ức chế nuclease và kích thích phục hồi sao chép và chuyển sai hỏng thành sửa sai úp sấp (error-prone replication). Tế bào bây giờ sẽ xảy ra sự sao chép nhanh hơn bình thƣờng. + Nếu sửa sai kịp, tế bào ổn định, sinh trƣởng trở lại + Nếu không sửa sai kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc chết hoặc bị đột biến Hiện tƣợng ánh sáng kích thích enzyme cắt bỏ dimerthymin gọi là quang phục hồi. II. Cơ chế phân tử của sao chép DNA 1. Nguyên tắc chung - DNA sao chép theo khuôn. Ƣu điểm: + Chính xác hơn + Tiết kiệm đƣợc ezyme + Đạt hiệu quả nhanh - Sao chép theo nguyên tắc bán bảo tồn. - Quá trình tổng hợp DNA xảy ra đòi hỏi phải có “mồi” (primer) - Quá trình tổng hợp xảy ra theo chiều 5 - 3. 2. Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA Quá trình tổng hợp nhân tạo DNA sử dụng: + DNA polymerase I. + 4 loại desoxynucleotid triphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP). + Mg2+ làm xúc tác. + DNA làm khuôn mẫu. + Mồi (primer). 3. Thí nghiệm chứng minh có sự tự nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo tồn - Nuôi E.coli nhiều thế hệ trên môi trƣờng có nguồn nitơ đồng vị nặng N15. - Sau đó tế bào đƣợc chuyển sang môi trƣờng chỉ chứa N14 nhẹ, mẫu các tế bào đƣợc lấy ra theo những khoảng thời gian đều đặn và chiết tách DNA. Thí nghiệm của Meselson và Stahl Kết quả: 4. Diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli Gồm hai giai đoạn: 4.1. Giai đoạn khởi sự (initiation) + Mở xoắn + Các protein làm căng mạch SSB gắn vào các mạch đơn DNA. + Tổng hợp mồi (một đoạn khoảng 9 -10 nu, có thể là DNA hoặc ARN). 4.2. Giai đoạn nối dài (elongation) Sự polymer hóa dựa vào 2 mạch khuôn DNA diễn ra khác nhau. + Mạch khuôn có đầu 3’ đƣợc DNA polymerase III gắn vào và tổng hợp ngay mạch bổ sung 5’-3’ hƣớng vào chẻ ba sao chép. + Mạch có đầu 5’ xảy ra phức tạp hơn và đƣợc thực hiện từ chẻ ba sao chép hƣớng ra ngoài. Sao chép DNA ở vi khuẩn E.coli Quá trình sao chép III. Sao chép DNA trong tế bào 1. Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote Quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori và triển khai ra cả 2 phía. Sao chép DNA ở vi khuẩn E.coli - DNA của tế bào nhân thực có nhiều replicon - Quá trình sao chép cũng bắt đầu từ ori rồi lan về 2 phía. - Ở các eukaryote có 5 loại DNA polymerase đƣợc ký hiệu là pol , pol , pol , pol , pol . Các loại DNA polymerase này không đồng nhất về phân tử lƣợng và một số đặc tính hóa học. 2. Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào Eukaryote Sao chép của nhiều replicon Chương 3 Cơ sở tế bào học của tính di truyền I. Các cấu trúc tế bào và khả năng tự tái sinh 1. Các cấu trúc có khả năng tự tái sinh - Các tế bào Prokaryotae có vùng nhân chứa ADN đƣợc tái tạo và phân đều về các tế bào con khi sinh sản. - Các tế bào Eukaryotae có nhiều bào quan nhƣng chỉ có nhân, ty thể, lục lạp có chứa ADN và nhờ khả năng tự tái sinh nên tham gia vào các cơ chế di truyền. 2. Nhiễm sắc thể 2.1. Hình thái NST - NST có hình dạng đặc trƣng, rõ nhất ở kỳ giữa của nguyên phân. - Tâm động là điểm thắt eo chia NST thành 2 vai, vai ngắn hơn là vai p và vai dài hơn là vai q. Dựa vào vị trí của tâm động có thể phân biệt hình thái các NST: + Tâm giữa (metacentric) + Tâm đầu (acrocentric) + Tâm mút (telocentric) Nhiễm sắc thể với vùng tâm động Sơ đồ các kiểu nhiễm sắc thể ở kì giữa và kì sau 2.2. Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ - Sự mô tả hình thái của NST gọi là kiểu nhân (Karyotype). - Kiểu nhân có thể biểu hiện ở dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) khi các NST đƣợc xếp theo thứ tự bắt đầu từ dài nhất đến ngắn nhất. Cặp nhiễm sắc thể tương đồng 2.3. Chất nhiễm sắc - Chất nguyên nhiễm sắc là chất nhiễm sắc ở trạng thái dãn xoắn, ADN chất nguyên nhiễm sắc ở trạng thái hoạt động. - Chất dị nhiễm sắc là chất nhiễm sắc biểu hiện dạng cuộn xoắn cao, mang ADN không phiên mã đƣợc và thƣờng sao chép muộn hơn. Sự phân hóa các phần trên nhiễm sắc thể 3. Các nhiễm sắc thể đặc biệt - Nhiễm sắc thể thƣờng (NST A: autosome) - Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome) - Nhiễm sắc thể B (nhiễm sắc thể phụ), những cây có NST B thì yếu hơn và kém hữu thụ hơn các cây khác. - NST khổng lồ (polytene chromosome): ở tế bào tuyến nƣớc bọt, tuyến Manpighi, màng ruột một số côn trùng bộ 2 cánh (Diptera). - NST chổi đèn (lambrush chromosome): có ở tiền kì của giảm phân trong tế bào trứng của động vật có xƣơng sống nhất là ở giai đoạn Diplotene của trứng có nhiều noãn hoàng (trứng gà, chim hoặc bò sát). Nhiễm sắc thể khổng lồ của ruồi giấm a. c. b. Nhiễm sắc thể khổng lồ của ruồi giấm Nhiễm sắc thể chổi đèn II. Chu trình tế bào và phân bào ở Eukaryote 1. Chu trình tế bào - Chu trình tế bào, gồm 4 giai đoạn: M, G1, S và G2. + M (Mitose) là giai đoạn nguyên phân + Giai đoạn G1 (Gap): kéo dài từ sau khi tế bào phân chia đến bắt đầu sao chép vật chất di truyền. + S (Synthesis) là giai đoạn tổng hợp ADN. + G2 là giai đoạn đƣợc nối tiếp sau S đến bắt đầu phân chia tế bào. - Kỳ trung gian (interphase): khoảng thời gian gồm G1, S và G2 tế bào không phân chia. Chu trình tế bào 2. Nguyên phân (Mitosis) Sự phân bào ở sinh vật nhân thực gồm 2 quá trình: chia nhân (mitosis) và chia tế bào chất (cytokinesis) * Nguyên phân đƣợc chia thành 4 kì: a. Kì trƣớc (Prophase) b. Kì giữa (Metaphase) c. Kì sau (Anaphase) d. Kì cuối (Telophase) * Sự phân chia tế bào chất: - Ở tế bào động vật sự chia tế bào chất bắt đầu bằng nếp nhăn phân cách (cleavage furrow) bao vòng tế bào và mọc sâu dẫn đến chia tế bào thành hai. - Ở tế bào thực vật, phiến tế bào (cell plate) hình thành ở trung tâm tế bào chất và lan rộng dần đến cắt tế bào thành hai. Phân bào nguyên nhiễm 3. Giảm phân (meiosis) Giảm phân trải qua 2 lần phân chia nối tiếp nhau: giảm nhiễm I và giảm nhiễm II. Phân bào giảm nhiễm Các quá trình xảy ra trong kỳ đầu I phân bào giảm nhiễm * SO SÁNH NGUYÊN PHÂN VÀ GIẢM NHIỄM Giống nhau - Sao chép ADN trƣớc khi vào phân bào - Đều phân thành 4 kỳ - Sự phân đều mỗi loại NST về các tế bào con - Màng nhân và nhân con biến mất cho đến gần cuối - Hình thành thoi vô sắc Nguyên phân (Mitose) Giảm phân (Meiose) 1. Xảy ra ở tế bào soma 2.Một lần phân bào: 2 tế bào con 3. Số NST giữ nguyên: 1 tế bào 2n  2 tế bào 2n 4.Một lần sao chépADN , một lần chia 5. Thường các NST tương đồng không bắt cặp 6. Thường không có trao đổi chéo 7. Tâm động chia ở kỳ sau 8. Duy trì sự giống nhau: tế bào con có kiểu gen giống kiểu gen tế bào mẹ 9. Tế bào chia nguyên phân có thể là lưỡng bội (2n) hay đơn bội (n) 1. Xảy ra ở tế bào sinh dục 2. Hai lần phân chia tạo 4 tế bào con 3. Số NST giảm đi một nữa: 1 tế bào 2n 4 tế bào n 4.Một lần sao chépADN , 2 lần chia 5. Các NST tương đồng bắt cặp ở kỳ trước I 6. nhất 1 trao đổi chéo cho 1 cặp tương đồng 7. Tâm động không chia ở kỳ sau I mà chia ở kỳ sau II 8. Tạo sự đa dạng trong các sản phẩm của giảm phân 9. Giảm phân luôn luôn xảy ra ở tế bào lưỡng bội (2n) hoặc đa bội (>2n) Sự biến đổi trong qúa trình phân bào -Hình thành NST khổng lồ: vào kì trƣớc, sau khi ADN tự nhân đôi, hình thành các nhiễm sắc tử, nhƣng sau đó chúng không tách rời nhau. -Nội nguyên phân: ở tiền kì, màng nhân không tiêu biến, quá trình phân chia sẽ xảy ra ở bên trong màng nhân. Kết quả tạo ra nhân mới có bộ NST tăng gấp đôi. - Hình thành thể đa bội: Sau khi NST tự nhân đôi, màng nhân tiêu biến nhƣng thoi vô sắc không xuất hiện, tạo ra những tế bào có số lƣợng NST tăng gấp bội. - Tế bào 2 nhân: sau khi phân chia nhân, tế bào chất không phân chia hình thành tế bào mới có hai nhân. Trong giảm phân cũng xảy ra những biến đổi: do sự tiếp hợp và phân ly không bình thƣờng của các NST, có thể làm phát sinh các giao tử thừa hoặc thiếu NST. Có trƣờng hợp thoi vô sắc không xuất hiện, sẽ tạo thành các giao tử không giảm nhiễm. III. Các kiểu sinh sản 1.Sinh sản vô tính - Sinh sản vô tính là kiểu sinh sản từ một tế bào hoặc một nhóm tế bào mẹ chỉ qua nguyên phân để tạo ra các cơ thể con. - Nguyên phân là cơ sở của sự tăng trƣởng ở các sinh vật đa bào và sinh sản vô tính ở các sinh vật nói chung. - Sinh sản vô tính có ở cả sinh vật đơn bội và lƣỡng bội, là cơ chế ổn định bộ gen qua nhiều thế hệ. - Sinh sản vô tính đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhân giống và nuôi cấy mô tế bào thực vật và động vật. 2. Sinh sản hữu tính Sinh sản hữu tính là kiểu sinh sản trong đó có sự kết hợp các tế bào sinh dục của 2 cá thể khác nhau. * Hướng tiến hóa trong sinh sản hữu tính Theo sự phân hóa tế bào, có 3 hƣớng tiến hóa: + Hình thái các giao tử + Phân hóa của các tế bào trong cơ thể + Phân hóa giới tính Theo hình thức thụ tinh + Thụ tinh ngoài: hiêu suất thấp Ví dụ: ruột túi, cá … + Thụ tinh trong: hiệu suất cao Theo hình thức bảo vệ trứng + Động vật bậc thấp: ít có khả năng bảo vệ trứng. Ví dụ: cá, lƣỡng cƣ. + Các loài bò sát có vỏ để bảo vệ bào thai. Ví dụ: rắn. + Các loài chim có bản năng bảo vệ trứng tốt hơn, làm tổ, đẻ trứng, ấp trứng và chăm sóc chim non. + Các loài có vú: bào thai phát triển trong tử cung mẹ. 3. Các hình thức sinh sản đặc biệt - Lƣỡng tính sinh + Phần lớn các loài thực vật và những động vật lƣỡng tính, trên một cơ thể có cả cơ quan sinh dục đực và cơ quan sinh dục cái. + Quá trình thụ tinh, thụ phấn có thể là tự thụ tinh, tự thụ phấn hay thụ tinh, thụ phấn chéo. + Đa số động vật lƣỡng tính không tự thụ tinh đƣợc mà hai cá thể khác nhau giao hợp chéo cho nhau nhƣ ở sán lá, giun đất. + Đa số các loài thực vật là các loài lƣỡng tính. Các loài lƣỡng tính này thƣờng thụ phấn chéo nhƣng cũng có một số loài có cấu tạo thích nghi với tự thụ phấn. - Đơn tính sinh + Đơn tính sinh hình thức sinh sản trong đó trứng không thụ tinh vẫn phát triển thành cơ thể sinh vật. + Về mặt di truyền, ngƣời ta phân ra 2 loại đơn tính sinh: • Đơn tính sinh đơn bội • Đơn tính sinh lƣỡng bội + Liên quan đến giới tính, phân biệt 3 loại đơn tính sinh: • Đơn tính sinh nam. • Đơn tính sinh nữ + Có nhiều cơ chế để tạo tế bào 2n của cơ thể mới trong đơn tính sinh: Tế bào sinh dục cái khi giảm phân tế bào chất không phân chia tạo tế bào 2n NST, nở ra cơ thể cái. Tế bào sinh dục cái giảm phân bính thƣờng nhƣng thể cực II lại hòa hợp với noãn bào tạo tế bào 2n NST, nở ra cơ thể cái. + Đơn tính sinh chu kỳ + Đơn tính sinh nhân tạo + Đơn tính sinh ở ngƣời - Mẫu sinh: - Phụ sinh: 4. Chu trình sống hay vòng đời a. Eukaryote đơn bào: các giai đoạn đơn bội và lƣỡng bội có thể tồn tại một thời gian dài. Ví dụ: Chlamydomonas reinhardi b. Động vật bậc cao - Sinh sán phân bào giảm nhiễm tạo ra giao tử đơn bội, sự hợp nhất của chúng tạo thành hợp tử. - Các giao tử là những tế bào đơn bội đƣợc chuyên hóa cho sinh sản hữu tính. Ở con đực, quá trình sinh tinh tạo ra 4 tinh tử. Ở con cái, quá trình sinh trứng chỉ sinh ra một tế bào trứng trƣởng thành. c. Thực vật bậc cao Phần lớn có 5 giai đoạn: - Bào tử giai đoạn I (tế bào đơn bội) - Giai đoạn II: bào tử giai đoạn I phân chia nguyên nhiễm tạo tạo cây đa bào đơn bội - Giai đoạn III: cây đa bào đơn bội sản sinh ra các giao tử bằng chia nguyên nhiễm. - Giai đoạn IV: hai giao tử khác nhau tạo hợp tử lƣỡng bội. - Giai đoạn V: hợp tử phát triển thành cây đa bào lƣỡng bội Chương 4 Các quy luật di truyền của Mendel I. Phương pháp thí nghiệm của Mendel 1. Tính trạng hay dấu hiệu (character) + Tính trạng thuộc về hình thái: màu mắt , màu tóc, màu da... + Tính trạng thuộc về sinh lý, sinh hóa nhƣ: khả năng thực hiện của một phản ứng, khả năng thực thiện chuyển hóa ... + Những tính trạng thuộc về tính chất: tính tình Mendel nghiên cứu trên 7 cặp tính trạng chất lƣợng của cây đậu Hà lan. Các gen xác định tính trạng màu nhân hạt và vỏ hạt, hình dạng quả và vị trí hoa thuộc 2 nhóm liên kết gen, nhƣng chúng nằm cách xa nhau nên kết quả thu đƣợc nhƣ trƣờng hợp không liên kết. Bảy cặp tính trạng ở đậu Hà lan được Mendel chọn để nghiên cứu Con lai thu được nhờ lai cặp bố mẹ với các tính trạng tương phản 2. Cách tiến hành thí nghiệm: - Vật liệu thuần chủng và biết rõ nguồn gốc. - Mendel cho các cây thí nghiệm tự thụ phấn trong 2-3 đời. - Theo dõi từng cặp tính trạng qua nhiều thế hệ nối tiếp nhau. - Đánh giá khách quan và tính số lƣợng chính xác. - Dùng ký hiệu và công thức toán học để biểu diễn kết quả thí nghiệm. Đối tượng thí nghiệm của Mendel Sự truyền thụ các tính trạng di truyền đƣợc phát biểu thành 3 quy luật Mendel: - Quy luật tính trội, - Quy luật phân ly tính trạng - Quy luật phân li độc lập. Quy luật thứ nhất và thứ hai phát biểu theo cách này thiếu chính xác vì: + Phải có các điều kiện nhƣ thuần chủng và trội hoàn toàn. + Đúng một phần cho di truyền tƣơng đƣơng và trội không hoàn toàn. + Không dùng đƣợc cho phân li giao tử và sinh vật đơn bội. Sau này đa số các nhà di truyền phát biểu lại thành 2 quy luật: + Quy luật thứ nhất: quy luật phân li hay quy luật giao tử thuần khiết + Quy luật thứ hai: quy luật phân li độc lập. II. Lai một tính trạng-Quy luật giao tử thuần khiết. 1.Thí nghiệm : P lai đậu Hà Lan hạt vàng với hạt lục F1: 100% đậu hạt vàng. F2: 3 vàng : 1 lục - Tính trạng hạt vàng đƣợc biểu hiện ở thế hệ F1 đƣợc gọi là tính trạng trội (dominant) và gen quy định nó đƣợc kí hiệu bằng chữ A. - Tính trạng hạt lục gọi là lặn (recessive) và gen quy định nó đƣợc kí hiệu bằng chữ a. Sơ đồ mô tả phép lai một tính 2. Giải thích của Mendel: - Ông cho rằng mỗi tính trạng do một cặp nhân tố kiểm tra và mỗi cá thể có 2 nhân tố đó, một nhận từ cha và một nhận từ mẹ. Mendel dùng khái niệm nhân tố di truyền để chỉ các nhân tố này, giao tử chỉ chứa một nhân tố và con lai sẽ tạo ra 2 loại giao tử. - Lai phân tích F1 F1 : Aa x aa  1Aa : 1aa - Hiện nay gen đƣợc hiểu là nhân tố di truyền xác định các tính trạng của sinh vật nhƣ hình dạng, màu sắc... - Khái niệm alelle đƣợc nêu ra để chỉ các trạng thái khác nhau của một gen. + Đồng hợp tử: cá thể có 2 alelle giống nhau nhƣ AA và aa. + Dị hợp tử: cá thể mang hai alelle khác nhau nhƣ Aa. - Kiểu gen: tập hợp các nhân tố di truyền của cơ thể - Kiểu hình: biểu hiện ra bên ngoài của tính trạng, nó là kết quả của sự tƣơng tác giữa kiểu gen với môi trƣờng bên ngoài. Đậu thơm Lathyrus odoratus P: hoa đỏ x hoa trắng AA aa F1: Aa (hoa hồng) F2: 1 AA : 2Aa : 1 aa 1 đỏ : 2 hồng : 1 trắng - Tỉ lệ phân ly kiểu gen bằng tỉ lệ phân ly kiểu hình. - Sự di truyền tƣơng đƣơng: khi 2 alelle có giá trị nhƣ nhau. Ở nhóm máu ABO của ngƣời, IA và IB đều có biểu hiện nhƣ nhau. 3.Tính trội không hoàn toàn và sự di truyền tương đương. Sơ đồ phép lai một tính với tính trội không hoàn toàn Sơ đồ phép lai một tính với tính trội không hoàn toàn ở vỏ hạt đậu lăng Các allele nhóm máu IA và IB là đồng trội bởi vì tế bào hồng cầu chứa dị hợp tử IAIB chứa cả 2 dạng đường trên bề mặt của chúng 4. Cơ sở tế bào học Theo dõi sự truyền đạt alelle qua các thế hệ NST trong phân bào giảm nhiễm rồi các giao tử đƣợc thụ tinh thấy có sự trùng hợp. 5. Thí nghiệm chứng minh trực tiếp sự phân ly ở mức giao tử - Kết quả lai phân tích cho tỉ lệ 1:1 chứng tỏ có sự phân li khi tạo thành giao tử. - Lai bắp tẻ với bắp nếp rồi xem tỷ lệ phân li ở phấn hoa: + Wx (quy định bắp tẻ) tạo tinh bột sẽ cho màu xanh khi phản ứng với iod. + wx (bắp nếp) cho màu hồng nâu. Lấy phấn hoa của cây lai Wxwx thử iod và quan sát dƣới kính hiển vi thấy tỷ lệ hạt nhân xanh và hồng nâu là 1:1. Kết quả này chứng tỏ các quy luật của Mendel có cơ sở khoa học là sự phân li khi tạo thành giao tử. 6. Quy luật thứ nhất (quy luật giao tử thuần khiết): trong cơ thể các gen tồn tại theo từng đôi, khi tạo thành giao tử từng đôi gen phân li nhau và mỗi gen đi vào một giao tử. Sau khi 2 giao tử phối hợp nhau các gen tƣơng ứng lại hợp thành từng đôi trong hợp tử. III. Lai hai tính và nhiều tính 1. Lai hai tính - Quy luật phân ly độc lập và tổ hợp tự do Thí nghiệm : P: hạt vàng trơn x hạt lục nhăn AABB aabb F1: vàng trơn AaBb F1 x F1: vàng trơn  vàng trơn AaBb AaBb F2: 4AaBb : 2 AaBB : 2Aabb : 2 AABb: 2aaBb : 1AABB : 1 Aabb: 1aaBB: 1aabb ( 9 kiểu gen) Kiểu hình: 9A -B- : 3A-bb : 3aaB- : 1aabb 9 vàng trơn : 3 vàng nhăn : 3 lục trơn : 1 lục nhăn * Quy luật thứ hai của Mendel: Các gen của từng cặp trong phân bào giảm nhiễm phân ly nhau độc lập với các thành viên của các cặp gen khác và chúng hợp lại trong các giao tử đang đƣợc hình thành một cách ngẫu nhiên. 2. Lai với nhiều cặp tính trạng P: AABBDD x aabbdd G: ABD abd F1: AaBbDd F1 × F1: AaBbDd x AaBbDd G: ABD, AbD, ABd, aBD, Abd, abD, aBd,abd. F2: 27 A-B-D- : 9A-B-dd : 9A-bbD- : 9aaB-D-: 9A-bbdd : 3aaB-dd : 3aabbD- : 1aabbdd Số cặp gen dị hợp tử F1 số loại giao tử số loại tố hợp ở F2 số kiểu gen F2 Số kiểu hình F2 1 2 3 … n 2 22 = 4 23 = 8 2n 4 42 = 16 43 = 64 4n 3 32 = 9 33= 27 3n 2 22 = 4 23 =8 2n Công thức chung của lai nhiều tính: 3. Một số tính trạng Mendel ở người: - Khớp ngón cái ngƣợc ra phía sau đƣợc hay không - Tóc mọc thành đỉnh nhọn ở trán - Nhiều tàn nhan, lúm đồng tiền trên gò má, bạch tạng, dái tai ngƣời có thể thòng hay liền (dái tai thòng là trội) … * Đặc điểm quan trọng của các bệnh di truyền do gen trội trên NST thƣờng: - Cả 2 giới đều có tỷ lệ mắc bệnh ngang nhau. - Không có sự gián đoạn giữa các thế hệ. - Ngƣời mang gen bệnh ở trạng thái dị hợp kết hôn với ngƣời bình thƣờng sẽ truyền cho con của họ với xác suất là 1/2. * Đặc điểm chính của bệnh di truyền do gen lặn trên NST thƣờng: - Bệnh thƣờng đƣợc thấy ở một hoặc một số anh chị em ruột nhƣng lại không có ở thế hệ bố mẹ. - Một cặp vợ chồng mang gen bệnh sẽ có trung bình 1/4 con cái mang mắc bệnh. - Nam và nữ đều có khả năng mắc bệnh nhƣ nhau. - Hôn nhân giữa những ngƣời có quan hệ họ hàng đƣợc gặp nhiều trong phả hệ của loại bệnh di truyền này. * Có thể phân biệt bệnh di truyền gen trội và gen lặn dựa trên biểu hiện lâm sàng của ngƣời dị hợp tử: bệnh di truyền trội có biểu hiện trên lâm sàng, trong khi đó bệnh di truyền lặn luôn luôn bình thƣờng trên lâm sàng. CÁC QUY LUẬT CHUNG CỦA TÍNH DI TRUYỀN - Tính di truyền có tính gián đoạn do những nguyên tố riêng biệt đảm bảo (các gen). - Mỗi tính trạng đƣợc xác định bởi các nhân tố di truyền riêng biệt là các gen gen. các gen này truyền cho thế hệ sau qua tế bào sinh dục - Các gen đƣợc duy trì ở dạng thuần khiết qua nhiều thế hệ, không bị biến đổi và cũng không bị mất đi. - Cả hai giới đều tham gia nhƣ nhau vào việc truyền đạt các dấu hiệu di truyền. - Các gen có cặp ở trong tế bào cơ thể, đơn độc trong tế bào sinh dục. Ở các con lai một có nguồn gốc từ bố, một có nguồn gốc từ mẹ, có thể là trội hoặc lặn. Việc tìm ra các quy luật Mendel không những có ý nghĩa lý thuyết mà có nhiều ứng dụng trong việc lai tạo giống. Chương 5 Tương tác gen I. Sự tương tác gen giữa các gen alen 1. Hiện tượng gây chết 2. a. Ở chuột Ay: lông vàng (trội) a: đen hoặc sôcôla (lặn) Lai chuột: vàng  vàng F1: 2 lông vàng : 1 lông khác (sô cô la) (trong các lứa chuột đẻ ra thì số con của nó ít hơn 1/4 so với các tổ hợp lai khác) - Giải phẫu trong dạ con của chuột mẹ có một số bào thai lông vàng không phát triển vì một số bộ phận trong cỏ thể mang đặc điểm dị hình. - Chuột đồng hợp tử AyAy không có sức sống do alen Ay là alen gây chết không cho đồng hợp tử sống đƣợc. - Tác động của alen Ay về màu lông là trội so với alen a vì cơ thể dị hợp tử Aya có màu lông vàng. Nhƣng về mặt sức sống thì Ay lại lặn so với a vì tổ hợp Aya vẫn sống bình thƣờng do alen a lấn át sự gây chết của Ay. Hiện tượng gen gây chết ở chuột Kết quả phép lai giữa các chuột di hợp tử lông vàng. Không phải tất cả các chuột ở thế hệ sau đều sống sót Sự tương tác giữa các alen của cùng một gen ở chuột lang agouti (1 allen dạng hoang dại và nhiều allen đột biến) b. Cá chép Lai cá chép kính với nhau F1 : 1/4 AA : 2/4 Aa : 1/4 aa 1 chết : 2 chép kính : 1 chép vảy c. Ở ngƣời bệnh thiếu máu hồng cầu liềm do đột biến: Bệnh hồng cầu lưỡi liềm ở người 2. Sự tương tác giữa các alen của cùng một gen - Sự di truyền nhóm máu A,B,O do 3 alen IA, IB, Io. Nhóm máu của đại gia súc có hơn 100 alen. - Sự di truyền màu mắt ruồi giấm do 1 gen gồm 1 dãy 12 alen quy định, alen cuối cùng mắt trắng (w) và tính trội giảm dần theo hƣớng sau: W+ > Wsat > Wco > WW > Wap3 > Wch > We > Wbl > Wap > Wi > Wt > W - Tƣơng ứng: đỏ dại - đỏ satsuma - san hô (coral) - rƣợu nho (wine) - trái đào (apricot) - cheri - son (eosin) - máu (blood) - trái đào (apricot) - ngà voi (ivory) - trắng đục (tinged) - trắng (white) - Sự biểu hiện tính trạng màu mắt do sự tƣơng tác giữa hai alen với nhau: W+Wbl: hoang dại WcoWbl: đỏ san hô - Dãy alen trong việc xác định nhóm máu ở ngƣời: 4 nhóm máu đƣợc quy định do sự di truyền của 3 alen (IA, IB, Io). Nhóm máu AB là thể dị hợp có kiểu gen IAIB, nhóm A: IAIA, IAIO, nhóm B: IBIB, IBIO, nhóm O: IOIO. - Yếu tố Rhesus: + Rhesus – dƣơng: đồng hợp tử về yếu tố Rhesus (RhRh) hoặc dị hợp (Rhrh). + Rhesus - âm là đồng hợp về gen lặn (rhrh). + Chuột lƣng đen, bụng vàng (trên - trái), bụng đen (trên - phải) và chuột lang agouti (dƣới). + Kiểu gen và kiểu hình tƣơng ứng của các allele của gen agouti. + Lai giữa các dòng thuần tạo ra một dãy có thể có 3 allele theo một thứ tự trội. Cho các cá thể F1 giao phối với nhau cho ra thế hệ F2 có tỷ lệ kiểu hình là 3:1. điều này cho thấy A, at và a là các allele khác nhau của cùng một gen - Sự tƣơng tác giữa các alen của cùng một gen ở chuột lang agouti (1 allen dạng hoang dại và nhiều allen đột biến) Sự tương tác giữa các alen của cùng một gen ở chuột lang agouti (1 allen dạng hoang dại và nhiều allen đột biến) II. Sự tương tác giữa các gen không alen 1. Tương tác át chế - Tỉ lệ 13:3 CCII và ccii: lông trắng (màu trắng ở kiểu gen CCII là do gen C tạo màu bị gen I át đi, còn kiểu gen ccii cho kiểu hình trắng là do gen tạo màu ở trạng thái đồng hợp lặn) P: gà trắng  gà trắng CCII ccii F1: CcIi (gà trắng) F2: 9 C-I- : 3 C-ii : 3ccI- : 1 ccii 13 trắng: 3 màu - Tỉ lệ 12:3:1 Alen trội A kìm hãm sự biểu hiện của B ở locus khác. B chỉ biểu hiện ở aa. Aabb có kiểu hình khác Lai bí quả màu xanh có kiểu gen AABB với bí quả trắng có kiểu gen aabb thì bí F1 AaBb có màu trắng. Lai F1 với nhau cho F2 tỷ lệ 12 trắng : 3 vàng : 1 xanh PBí quả trắng  Bí quả trắng F1: AaBb (quả trắng) F2:9 A-B- : 3A-bb : 3 aaB- : 1 aabb 12 quả trắng : 3 quả vàng : 1 quả xanh Tương tác át chế Ức chế trội tạo ra tỷ lệ kiểu hình 12:3:1 (a) và tỷ lệ 13:3 (b) - Tỷ lệ 9 : 3 : 4 Kiểu gen aa cản trở sự biểu hiện của các alen locus B, gọi là át chế lặn đối với locus B P: Chuột đen  Chuột trắng AAbb aaBB F1: AaBb (xám nâu) F2: 9 A-B- : 3 A-bb : 3 aaB : 1aabb 9 xám nâu : 3 đen : 4 trắng Tương tác át chế 2. Tương tác bổ sung - Tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1 P hoa hồng  hạt đậu AAbb aaBB F1: AaBb (mào quả óc chó) F2: 9 A-B- : 3 A-bb : 3 aaB- : 1 aabb 9 mào quả óc chó : 3 hhoa hồng : 3 hạt đậu : 1 mào đơn Hình dạng mào gà - Tỉ lệ 9 : 6 : 1 Ở bí đỏ, 2 cặp alen xác định hình dạng quả: tròn, dẹt và dài P: tròn  tròn AAbb aaBB F1 AaBb (dẹt) F2 9 A-B- : 3 A-bb : 3 aaB- : 1 aabb 9 dẹt : 6 tròn : 1 dài Sự hình thành các dạng quả ở bí - Tỉ lê 9 : 7 A-B-: hoa đỏ A-bb, aaB- : hoa trắng P: Đậu thơm hoa trắng  hoa trắng AAbb aaBB F1: AaBb (hoa đỏ) F2: 9 A-B- : 3A-bb : 3 aaB- : 1aabb 9 đỏ : 7 trắng Sự hình thành màu hoa ở đậu thơm Lathyrus odoratus 3. Tương tác đa gen a. Tƣơng tác cộng gộp - Các tính trạng chịu sự chi phối của nhiều gen đƣợc gọi là sự di truyền đa gen. Mỗi gen đều có kiểu hình ở mức độ nhất định, nhiều gen đơn này có tác dụng cộng gộp theo một hƣớng. - Các cá thể có biểu hiện kiểu hình dao động khác nhau do nhận nhiều hay ít gen, có thể xếp chúng theo mức độ biểu hiện thành một dãy liên tục gọi là số lƣợng. b. Tỷ lệ phân ly ở F2 Lúa mì: F1: A1a1A2a2 (màu đỏ hồng do mang 2 alen trội A1 và A2, ở F2: A1A1A2A2 a1a1a2a2 Đỏ đậm trắng Ở F2 giữa màu đỏ đậm và màu trắng có các mức màu trung gian: đỏ (3A), đỏ hồng (2A) và hồng (A) 4. Tính đa hiệu của gen: - Hiện tƣợng 1 gen ảnh hƣởng đến nhiều tính trạng gọi là tính đa hiệu của gen. Hội chứng Marfan: bệnh di truyền gen trội trên NST thƣờng với biểu hiện ở mắt, xƣơng và hệ tim mạch. Ở ngƣời, sai hỏng gen của bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm gây ra hàng loạt chứng bệnh khác. Khoảng 25% các bệnh di truyền sai hỏng cấu trúc tim bẩm sinh có thể dẫn đến biến dạng cơ xƣơng (9%), hệ thần kinh trung ƣơng bất thƣờng (4%), sai hỏng đƣờng tiết niệu hay thận (5%) và tiêu hóa (4%). - Thực tế bất kỳ gen nào cũng có tính đa hiệu vì một gen không ít thì nhiều đều có ảnh hƣởng đến gen khác. Những gen có hoạt động sớm trong quá trình phát triển cá thể sẽ có tác động nhiều hơn và lâu hơn. III. Những phức tạp trong biểu hiện cuả gen 1. Gen biến đổi (Modifier gene) - Gen biến đổi là những gen không có biểu hiện kiểu hình riêng của nó nhƣng lại có ảnh hƣởng đến sự biểu hiện kiểu hình của những gen căn bản khác. -Ví dụ: + Ở bò, lông đều do gen trội S, có đốm do gen lặn s quy định. Bò có đốm hay không có đốm là do các gen căn bản xác định. Nhƣng ở bò có đốm, đốm ít hay nhiều là do tác động của các gen biến đổi. + Số đốm ở lông chó nhiều hay ít là do tác động của gen biến đổi. Biểu hiện của gen biến đổi trong hình thành 10 loại chó đốm 2. Các tính trạng bị giới hạn bởi giới tính - Có những tính trạng mà gen của chúng chỉ biểu hiện ở một giới đƣợc gọi là gen bị giới hạn bởi giới tính. - Ở đại gia súc có sừng số lƣợng sũa và lƣợng mỡ trong sữa đƣợc biểu hiện ở giống cái. Các con bò đực mang các gen xác định lƣợng sữa và độ mỡ trong sữa không có biểu hiện nhƣng các gen này đƣợc truyền cho bò cái con. - Ở gà trống mang các gen đẻ trứng nhiều hay ít, lớn hay nhỏ nhƣng không có biểu hiện. 3. Các tính trạng có sự biểu hiện phụ thuộc vào giới tính - Có những tính trạng mà sự biểu hiện trội hay lặn phụ thuộc vào giƣói tính. -Ví dụ: ở đại gia súc có sừng. Gen có sừng: H Gen không sừng: h Kiểu gen HH tạo sừng ở cả con đực lẫn con cái, kiểu gen hh không có sừng ở cả 2 giới. Kiểu gen dị hợp tử Hh nếu ở con đực sẽ có sừng (H là trội), nếu ở con cái lại không có sừng (H lặn). + Ở dê, tính trạng có râu xồm hay không cũng thuộc loại có biểu hiện phụ thuộc giới tính, con đực dị hợp tử có râu xồm, dê cái dị hợp tử không râu. + Ở ngƣời hói đầu do gen B (ballness) xác định. Kiểu gen Bb có biểu hiện trội ở đàn ông, nhƣng biểu hiện lặn ở nữ. Tính hói đầu có sự biểu hiện phụ thuộc vào giới tính IV Độ thấm (penetrance) và độ biểu hiện (expression) 1. Độ thấm (độ thâm nhập) - Độ thấm là khái niệm để chỉ mức độ tham gia của alen vào kiểu hình. - Ngƣời có Kiểu gen IAIo có nhóm máu A thì IA có độ thấm 100%, còn IO thì 0% vì không thâm nhập vào kiểu hình. Trƣờng hợp ngƣời có nhóm máu AB thì cả IA lẫn IB đều có độ thấm 100%. - Bệnh Alzheimer làm rối loạn trí nhớ, mất định hƣớng không gian và thời gian, có biểu hiện ở ngƣời già sau 60 tuổi. Hiện nay đã xác định đƣợc bệnh do 1 gen trội trên NST thứ 14 của ngƣời 1 gen của ngƣời có độ thấm sau 60 năm hoặc lâu hơn. - Tƣơng tự, triệu chứng bệnh Huntington thƣờng không biểu hiện trƣớc 30 tuổi. - Tính thấm giảm (Reduced Penetrance): là hiện tƣợng ngƣời mang kiểu gen bệnh nhƣng hoàn toàn không có biểu hiện trên kiểu hình, dù vậy họ vẫn truyền gen bệnh cho thế hệ sau. Ví dụ : bệnh u nguyên bào võng mạc (retinoblastoma) là loại khối u ác tính ở mắc. 2. Độ hiện hay độ biểu hiện - Độ biểu hiện đƣợc dùng để chỉ mức độ nhiều ít của tính trạng khi đã thấm hoàn toàn. + Ví dụ: sự cảm nhận vị đắng của chất phenylthiocarbamide (PTC) hay không cảm nhận ở ngƣời do 1 gen xác định. + Nhiều tính trạng ở ngƣời có độ hiện ổn định suốt dời nhƣ nhóm máu, màu mắt... - Biểu hiện đa dạng (Variable Expression) + Một tình trạng phức tạp khác là sự biểu hiện đa dạng của bệnh. + Bệnh có thể có tính thấm hoàn toàn nhƣng mức độ nghiệm trọng của bệnh có sự thay đổi rất lớn. + Ví dụ: Bệnh u xơ thần kinh (neurofibromatosis) type I (còn gọi là bệnh Von Recklinghausen). V. Tác động của môi trường 1. Tác động của môi trường bên ngoài a. Nhiệt độ Tác động căn bản của nhiều gen chủ yếu là kiểm soát tốc độ phản ứng sinh hóa thông qua enzyme là những chất đƣợc các gen xác định về mặt di truyền. Giữa nhiệt độ và tốc độ phản ứng có sự liên quan chặt chẽ. Nhiệt độ ảnh hƣởng đến sự biểu hiện kiểu hình trong nhiều trƣờng hợp. Ví dụ: sự biểu hiện tính trạng lông đen ở chóp mũi, tai và chân của giống thỏ Himalaya ở nhiệt độ thấp khi phát triển bộ lông. Nhiệt độ có thể ảnh hƣởng đến độ thấm và độ hiện. b. Dinh dƣỡng Trong một số trƣờng hợp chế độ dinh dƣỡng ảnh hƣởng đến biểu hiện kiểu hình. Ví dụ sự biểu hiện mỡ vàng của thỏ do 2 yếu tố: sự hiện diện của gen đồng hợp tử lặn yy và lƣợng thực vật xanh (xanthophyll) trong thức ăn. Nếu thiếu thực vật xanh trong thức ăn, mỡ vàng không xuất hiện. Bệnh phenylketonuria (PKU) đƣợc gặp ở ngƣời da trắng với tỷ lệ 1/10.000 lần sinh. Các đột biến ở locus mã hóa cho enzyme chuyển hóa phenylalanine hydroxylase làm cho ngƣời mang kiểu gen đồng hợp không thể chuyển hóa amino acid phenylalanine. Trong khi những trẻ sơ sinh mắc bệnh phenylketon niệu có biểu hiện bình thƣờng sau sinh thì sự khiếm khuyết chuyển hóa sẽ làm tích lũy dần phenylalanine và các sản phẩm chuyển hóa độc khác dẫn đến tổn thƣơng hệ thần kinh trung ƣơng và gây ra biểu hiện chậm phát triển trí tuệ trầm trọng. c. Ảnh hƣởng của cơ thể mẹ Sau khi trứng đã đƣợc thụ tinh, cơ thể mẹ có thể ảnh hƣởng đến sự phát triển. Ví dụ máu ngƣời mẹ có kiểu gen rh- (nhân tố rhesus âm), nếu đứa con thứ nhất có Rh+ sinh ra sẽ không sao, nhƣng đứa con thứ hai có thể bị chết. 2. Tác động của môi trường bên trong Quá trình phát triển cá thể trải qua nhiều bƣớc trung gian phức tạp. Ngay trong cơ thể có nhiều tác động giữa các cấu trúc khác nhau và với kiểu gen nhƣ các tƣơng tác: gen với gen, gen với NST, NST - nhân, nhân - tế bào chất, tế bào - mô... ở đây chỉ nêu vài tác động có tính chất chung tổng quát: a. Tuổi Nhiều tính trạng và bệnh di truyền ở ngƣời có biểu hiện trong một độ tuổi nhất định. Bệnh alcaptonuria (nƣớc tiểu có acid homogentisic bị đen khi có O2) biểu hiện ngay lúc mới sinh ra. Bệnh vảy cá biểu hiện trong 4 tháng đầu. Bệnh tiểu đƣờng và chứng co giật Huntington biểu hiện ở nhiều độ tuổi khác nhau. Bệnh Alzheimer biểu hiện sau 60 tuổi. b. Giới tính Giới tính có nhiều ảnh hƣởng đến sự biểu hiện của gen nhƣ giới hạn sự biểu hiện hay tính trội lặn phụ thuộc vào giƣói tính. Ngoài ra có những gen liên kết với giới tính. Có thể hormone sinh dục tác động đến biểu hiện của các gen. Nhƣ vậy môi trƣờng bên trong và ngoài cơ thể có nhiều ảnh hƣởng phức tạp khác nhau lên sự biểu hiện kiểu hình của các gen. Chương 6 Học thuyết di truyền nhiễm sắc thể I. Sự xác định giới tính và sự di truyền liên kết với giới tính 1. Tỉ lệ phân li giới tính - Nhiều số liệu cho thấy tỉ lệ giới tính là 1♂ : 1♀, trùng với tỉ lệ phân li đơn tính khi lai phân tích Aa  aa hoặc Aa  AA. - Sự phân li này cho thấy một giới tính đồng hợp tử, còn giới tính kia di hợp tử. -Việc phát hiện ra các NST giới tính X và Y cho thấy bộ NST của cá thể đực và cái chỉ khác nhau ở một cặp NST giới tính, còn các NST thƣờng đều giống nhau. -Sự kết hợp giữa đực và cái dẫn đến tỉ lệ phân chia 1 cái : 1 đực. 2. Các gen liên kết với giới tính - Các gen nằm trên NST giới tính sẽ có sự di truyền khác hơn so với các gen nằm trên NST thƣờng. - Thực tế cho thấy NST Y hầu nhƣ không chứa gen. a. Lai thuận nghịch: * Lấy ruồi cái mắt đỏ lai với ruồi đực mắt trắng: P: cái mắt đỏ  đực mắt trắng XWXW XwY G: XW Xw , Y F1: XWXw XWY G: XW , Xw XW , Y F2: XW XW : XW X w : XW Y : Xw Y Kiểu hình: 3 đỏ : 1 trắng (đực) •Lấy ruồi cái mắt trắng lai với ruồi đực mắt đỏ: P: cái mắt trắng  đực mắt đỏ XwXw XWY G: Xw XW , Y F1: XWXw XwY G: XW , Xw Xw , Y F2: XW Xw : Xw X w : XW Y : Xw Y 1♀ mđỏ : 1♀ mtrắng : 1♂ mđỏ : 1♂ mtrắng 3. Các tính trạng liên kết với giới tính trong di truyền học người - Các gen liên kết với NST giới tính X + Ví dụ: bệnh máu không đông, mù màu đỏ đều là các tính trạng do các gen liên kết với NST giới tính. + Sự di truyền chéo thể hiện rõ: ông ngoại bị bệnh truyền gen mầm bệnh cho mẹ, mẹ truyền bệnh cho con trai. -Các NST X và Y có những phần tƣơng đồng chung. Trong những phần này chứa các gen xác định những tính trạng di truyền theo cách nhƣ nhau ở cả nam và nữ. + Bệnh da khô sắc tố: với 2/3 số ngƣời mắc bệnh thì bệnh da khô sắc tố kết thúc nguy hiểm vào lúc bƣớc vào thời kỳ chín sinh dục. + Hội chứng Oguti: biểu hiện ở viêm màng lƣới sắc tố mắt và phát triển dị hình ở võng mạc. -Phần không tƣơng đồng của NST Y có gen xác định nam tính và một số hội chứng: + Màng giữa ngón + Tai rậm lông - Phần không tƣơng đồng của X có các hội chứng: + Bệnh máu khó đông (hemophilia): bệnh có thể đƣợc phát triển do kết quả không đủ chất globulin chống chảy máu. + Bệnh không có gamma-globulin làm giảm sút rõ rệt sức đề kháng đối với các bệnh truyền nhiễm khác nhau. + Bệnh đái tháo nhạt: ngƣời bệnh bị giảm chức năng của tuyến yên, dẫn đến cơ thể bị mất nƣớc rõ rệt. + Bệnh mù màu: rối loạn về khả năng nhìn màu sắc. + Bệnh loạn dƣỡng cơ Duchenne: bệnh do gen lặn liên kết với NST giới tính X. - Một số bệnh di truyền do gen trội liên kết với NST X: + Bệnh còi xƣơng do giảm phosphat máu là bệnh mà thận bị suy giảm khả năng tái hấp thu phosphat, dẫn đến việc cốt hóa bất thƣờng làm xƣơng bị cong và bị biến dạng. + Hội chứng NST X dễ gãy: là hội chứng di truyền kiểu trội liên kết NST X, thể hiện sự chậm trí của ngƣời bệnh. 4. Gen nam giới và gen nữ giới ở người a, Gen xác định nam giới - Gen nam tính SRY (nhân tố xác định tinh hoàn TDF) + Nằm trên một đoạn của vai ngắn của NST Y ở ngƣời. + Có giả thuyết cho rằng gen này sản sinh ra protein gắn ADN hoạt hóa một hay nhiều gen khác trong hệ thống các nhân tố hoạt hóa các gen điều khiển sự phát triển của tinh hoàn. Khi thiếu sự hiện diện của TDF mô sinh dục sẽ phát triển thành noãn hoàng. + TDF có tính bảo tồn các ở động vật có vú, chúng có nhiều điểm giống nhau giữa các loài. Sự phân hóa di truyền các đoạn của X và Y b. Gen xác định nữ giới - Gen xác định nữ giới DSS + Ở những ngƣời nam (XY) nhƣng có cơ quan sinh dục nữ có gen SRY trên NST Y, đặc trƣng bởi sự lặp lại 1 đoạn vai ngắn NST X. + Trong số 8 ngƣời bệnh nghiên cứu, 3 ngƣời có Y bình thƣờng và một có X với vai ngắn gấp đôi, còn 5 ngƣời có một X nguyên trạng và một Y có vai ngắn của X ghép thêm vào. Trong 2 trƣờng hợp có sự hiện diện của 2 đoạn vai ngắn của X. + Các nghiên cứu tiếp cho thấy đoạn vai ngắn của X gắn vào càng dài, giới tính càng lệch về tạo phái nữ. Gen DSS đã đƣợc tách ra. 5. NST X bất hoạt ở người -Trong phôi ngƣời, một NST X bắt nguồn từ mẹ hay cha trong mỗi tế bào soma sẽ bất hoạt ngẫu nhiên. - Tất cả thế hệ tế bào con đều đƣợc truyền NST X bất hoạt. - Khi nhuộm màu nhân tế bào của ngƣời nữ, NST X bất hoạt thể hiện ở dạng tròn, đƣợc gọi là thể Barr. - Trung tâm bất hoạt nằm ở vai dài q, gần tâm động. 6. Ví dụ ứng dụng sự di truyền các gen liên kết với giới tính - Ở gà: B: lông vằn, b: lông trắng, nằm trên X. P: ♀ lông vằn  ♂ lông trắng ZBY  ZbZb G: ZB, Y Zb F1: ZBZb : ZbY ♂ lông vằn : ♀ lông trắng Ứng dụng vào nông nghiệp, giúp phân đàn ngay khi lúc gà mới nở: muốn nuôi lấy trứng, chọn gà mái; muốn phát triển sản lƣợng, nuôi gà trống - Ở tằm: L: màu sẫm, l: màu sáng P: cái ZLW x đực ZlZl ♀ màu sẫm ♂ màu sáng F1 ZLZl : ZlW ♂ màu sẫm ♀ màu sáng Ý nghĩa: Dựa vào các dấu hiệu có thể phân biệt giới tính động vật ngay từ khi sinh vật còn bé. Trong công tác chọn giống gia súc thì vấn đề phân biệt giới tính ngay từ đầu có thể phân vùng hợp lý cho việc chăn nuôi. Một số thực vật có hiện tƣợng di truyền liên kết với giới tính: chà là. 7. Hiện tượng không chia ly của NST. - Thí nghiệm: P: ruồi cái mắt trắng x đực mắt đỏ F: cái mắt đỏ , đực mắt trắng - Calvin Bridges đã phát hiện trƣờng hợp ngoại lệ : trong 2000 ruồi F1 thì xuất hiện 1 con cái mắt trắng và 1 con đực mắt đỏ. - Quan sát tế bào học cho thấy ruồi cái có cặp NST XX đi cùng nhau do không chia ly trong giảm phân nên ruồi cái có kiểu gen XwXwY biểu hiện mắt trắng, ruồi đực XWO có mắt đỏ. P : XwXw  XWY Mắt trắng Mắt đỏ G : XwXw, O XW, Y F1 : XWXwXw : XwXwY: XWO : OY Siêu cái mắt đỏ : cái mắt trắng : đực đỏ : chết (thƣờng chết) Hình 6.8 Sự không phân ly của nhiễm sắc thể (a) Sự không phân ly nhiễm sắc thể ở con cái XX (b) Sự không phân ly nhiễm sắc thể ở con cái XXY * Sự xác định giới tính ở ruồi giấm không do NST Y mà do tỉ số X/A quyết định: - Nếu X /A = 0,5 trở xuống : ruồi đực. - X/A = 1,0 trở lên : ruồi cái - X/A = 0,5 - 1,0 : giới tính trung gian Giới tính của ruồi giấm Cấu trúc NST Tỷ lệ X/A Siêu cái Ruồi cái bình thƣờng + Tứ bội + Tam bội + Lƣỡng bội + Đơn bội Giới tính trung gian Đực bình thƣờng Siêu đực AAXXX AAAAXXXX AAAXXX AAXX AX AAAXX AAXY AAAXY 1,5 1,0 1,0 1,0 1,0 0,67 0,5 0,33 8. Xác định giới tính do số bội thể - Ở côn trùng bộ Hymenoptera (ong , kiến): đực (n), cái (2n), ong thợ (2n) - Ong đực đƣợc phát triển trinh sinh từ trứng không đƣợc thụ tinh có bộ NST đơn bội (n). Trong kiểu xác định giới tính này không có NST giới tính. -Giới tính cái do những alen giới tính khác nhau phối hợp, ong thợ và ong chúa đều là ong cái. 9. Xác định giới tính do điều kiện môi trường - Loài biển Bonellia viridis, các ấu trùng xuất hiện sau khi đƣợc thụ tinh sống tự do một thời gian rồi hoặc bám xuống đáy thành con cái hoặc bám vào con cái rồi chiu vào tử cung thành con đực và thụ tinh. - Cây Arisaema japonica, yếu tố quyết định giới tính là trọng lƣợng củ: những củ to nhất và chứa nhiều chất dinh dƣỡng nhất sinh ra cây có hoa cái, trong khi đó các củ gầy chỉ cho cây có hoa đực. II. Sự di truyền liên kết Sự di truyền liên kết: khi 2 hay nhiều gen nằm trên 1 NST, chúng sẽ cùng di truyền với nhau. Các gen liên kết có xu hƣớng cùng di chuyển với nhau trong quá trình hình thành giao tử. 1. Hiện tượng liên kết Phép lai ở Đậu thơm (Lathyrus odoratus) với hai tính trạng: R : hoa đỏ thẩm r : hoa đỏ Ro: hạt phấn dài ro: hạt phấn tròn P : hoa đỏ thẩm hạt phấn dài  hoa đỏ hạt phấn tròn F1 : 100% hoa đỏ thẩm hạt phấn dài. F2 : 192 hoa đỏ thẩm hạt phấn dài; 182 đỏ, hạt phấn tròn; 23 đỏ thẩm, hạt phấn tròn; 30 đỏ, hạt phấn dài Kiểu hình ruồi hoang dại và ruồi đột biến 2. Liên kết hoàn toàn B : thân xám b : thân đen Vg : Cánh dài vg : cánh cụt Thí nghiệm : P : ruồi giấm mình xám cánh dài  ruồi giấm thân đen cánh cụt BVg  bvg BVg bvg G : BVg bvg F1 : BVg bvg (100% xám dài) Lai phân tích ruồi đực F1 : BVg  bvg bvg bvg đực xám dài cái đen cụt G : BVg bvg bvg FB : BVg bvg bvg bvg 50% xám dài : 50 % đen cụt 3. Hiện tượng di truyền liên kết không hoàn toàn Dùng ruồi giấm cái F1 của thí nghiệm trên lai phân tích: F1 : Thân xám, cánh dài  thân đen, cánh cụt BVg  bvg bvg bvg G : BVg bvg bVg Bvg bvg 41,5% 41,5% 8,5% 8,5% 100% FB : BVg bvg Bvg bVg bvg bvg bvg bvg 41,5% xám dài : 4,5% đen cụt : 8,5% xám cụt : 8,5% đen cụt. 4. Các nhóm liên kết (Genelinkage) - Các gen cùng nằm trên một NST, cùng di truyền với nhau đƣợc xếp vào một nhóm gọi là nhóm liên kết gen. - Số nhóm liên kết gen tối đa bằng số cặp NST. - Ví dụ: Ruồi giấm 2n = 8 , số nhóm liên kết gen tối đa = 4 Bắp : 2n =20 , có 10 nhóm liên kết gen III. Hiện tượng tái tổ hợp 1. Tái tổ hợp và trao đổi chéo -Tái tổ hợp: khi các gen liên kết không hoàn toàn, xuất hiện các dạng giao tử mới không giống cha mẹ do có sự sắp xếp lai các gen - Dạng tái tổ hợp: các dạng mới xuất hiện. - Tần số tái tổ hợp. % tái tổ hợp = Số cá thể tái tổ hợp / tổng số cá thể  100% - Hai alen trội cùng một phía trên NST gọi là vị trí cis(AB/ab), 2 alen trội nằm trên 2 NST gọi là vị trí trans (Ab/aB). Trao đổi chéo giữa các chromatid Sự tạo thành các dạng tái tổ hợp 3. Cở sở tế bào học của trao đổi chéo - Hai NST tƣơng đồng đƣợc phân biệt với nhau về hình thái này, mang các alen tƣơng ứng khác nhau về mặt di truyền của một số cặp gen. -Tái tổ hợp di truyền sẽ tạo ra các kiểu hình độc đáo kèm theo các thay đổi tế bào học dễ quan sát và dự đoán đƣợc. Thí nghiệm: + Stern đã dùng NST X ở một đầu mút có dính một đoạn NST Y. Các NST khác có độ dài tƣơng tự, với tâm động. + Hai cặp gen: carnation (car: lặn, mắt đỏ nhạt) - hoang dại (+, trội, mắt đỏ) Bar (B: trội, mắt hình thỏi) và hoang dại (+, mắt bình thƣờng). Trao đổi chéo ở nhiễm sắc thể số 9 của bắp được quan sát dựa trên "dấu chuẩn" Sự trao đổi các đoạn NST tạo các dạng tái tổ hợp 4. Trao đổi chéo ở trong giai đoạn 4 sợi - Nguyên tắc: trao đổi chéo có thể xảy ra cả khi NST chƣa tự nhân đôi - Thí nghiệm: Năm 1925, C. Bridge và I. Anderson đã chứng minh trao đổi chéo các cromatid ở ruồi giấm. + Sử dụng dòng ruồi có NST X mang thêm đoạn NST Y (X,XY) dị hợp về các gen của NST X: f (forked) - lông phân nhánh, g (garnet) - mắt đỏ rực. + Lai con cái này với con đực bình thƣờng thì chúng truyền trực tiếp 2 NST X cho thế hệ sau và chỉ một nửa thế hệ con của chúng sống sót, một phần cá thể con ở đời sau từ phép lai này là đồng hợp theo các gen của NST X. + Các thể đồng hợp này chỉ có thể xuất hiện do trao đổi chéo ở giai đoạn 4 sợi trong đoạn gen - tâm động. 5. Trao đổi chéo nhiều lần -Trao đổi chéo giữa 2 chromatid có thể xảy ra nhiều lần: 2, 3, 4 lần ... - Kiểu trao đổi chéo này có thể phát hiện đƣợc khi sử dụng thêm một gen đánh dấu thứ ba nằm giữa 2 gen này. -Nếu xác suất trao đổi chéo giữa A và C và giữa B và C tƣơng ứng với x và y, thì xác suất xảy ra trao đổi chéo đôi là: 0,2  0,1 = 0,02 (2%) 6. Nhiễu (Interference) và trùng hợp (Coincidence) - Hiện tƣợng nhiễu: sự trao đổi chéo ở một chỗ làm giảm xác suất trao đổi chéo thứ hai gần kề nó. - Hệ số trùng hợp. % trao đổi chéo đôi quan sát đƣợc Hệ số trùng hợp = % trao đổi chéo đôi theo lý thuyết Sự trùng hợp + nhiều = 100% = 1 IV. Xác định vị trí gen và bản đồ di truyền 1. Xác định vi trí gen -Số phần trăm tái tổ hợp đƣợc dùng làm số đo khoảng cách giữa 2 gen trên bản đồ di truyền. - Một đơn vị bản đồ đƣợc coi là đơn vị đo khoảng cách giữa 2 cặp gen khi trong 100 sản phẩm của giảm phân có một dạng tái tổ hợp. 1% tái tổ hợp = 1 đơn vị bản đồ (centiMorgan (cM)). 1 cM ~ 1000 kb hay 106 bp. - Muốn xác định vị trí của một gen bất kỳ phải tiến hành lai và qua 2 bƣớc: + Căn cứ tỷ lệ phân ly để xác định nhóm liên kết gen + Dựa vào tần số tái tổ hợp so với 2 gen khác để xếp vị trí trên NST. A B +Nếu: C nằm giữa AB: AC + CB = AB C nằm ngoài phía A: CB - CA = AB C nằm ngoài phía B: CA - CB = AB So sánh cụ thể tần sô tái tổ hợp giữa C-A, C-B, A-B xác định đƣợc vị trí của C. 3. Bản đồ di truyền của NST và bản đồ di truyền tế bào - Nhiều dạng đột biến thƣờng là đột biến NST gây nên những biến đổi hình thái quan sát rõ rệt trên NST khổng lồ. Điều này đƣợc sử dụng để lập bản đồ di truyền tế bào (cytogenetic map) mà không theo tần số tái tổ hợp do lai. - Sự đối chiếu giữa bản đồ di truyền NST và bản đồ di truyền tế bào cho thấy có sự giống nhau về trình tự sắp xếp gen theo đƣờng thẳng, tuy khoảng cách có khác nhau (do hiện tƣợng nhiễu). Điều này khẳng định thêm gen nằm trên NST. Bản đồ di truyền nhiễm sắc số 12 của cà chua Bản đồ di truyền nhiễm sắc số 10 của bắp Thể dị hợp mất đoạn nhiếm sắc thể của ruồi dấm được sử dụng để lập bản đồ di truyền Bản đồ di truyền của E.coli * Đặc điểm chính của học thuyết di truyền NST: - Các gen nằm trên NST sản xuất theo đƣờng thẳng tạo thành các nhóm liên kết có số lƣợng bằng số cặp NST - Các gen cùng nằm trên một NST có sự di truyền liên kết và mức liên kết phụ thuộc vào khoảng cách giữa các gen -Giữa các NST tƣơng đồng có thể xảy ra trao đổi chéo dẫn đến tái tổ hợp các gen. - Sự liên kết các gen và sự tái tổ hợp giữa chúng do trao đổi chéo là những hiện tƣợng sinh học trong đó biểu hiện sự thống nhất giữa tính biến dị và tính di truyền. V. NST người và bản đồ NST người 1. NST người - Sử dụng máu làm tiêu bản quan sát NST: -Cơ sở của phƣơng pháp: ngƣời ta trộn lẫn huyết thanh có lẫn bạch cầu vào môi trƣờng dinh dƣỡng với một tỷ lệ nhất định rồi cho thêm vào hỗn hợp đó chất phytohemaglutinin, sau đó cho vào lọ trung tính rồi nuôi cấy. - Trong quá trình nuôi cấy bạch cầu cũng có thể tiến hành quan sát sự chuyển hóa các loại tế bào bạch cầu. - Sự phân chia tế bào bạch cầu làm cơ sở cho nghiên cứu đặc điểm tế bào bạch cầu trong máu. - Trên cơ sở nghiên cứu tế bào máu bình thƣờng và bệnh lý, có thể phát hiện ra trạng thái bệnh lý của tế bào bạch cầu ở ngƣời và động vật. 2. Kỹ thuật lai tế bào soma -Vào năm 1967, Mc Weiss và H. Green sử dụng kỹ thuật lai tế bào soma (somatic cell hybridisation) đã lần đầu tiên xác định đƣợc gen TK mã hóa cho enzyme thymidin kinase nằm trên NST 17. - Các dòng tế bào soma của ngƣời và các động vật có vú, khi nuôi chung với sự hiện diện của virus Sendai có thể dung hợp hay lai với nhau. - Ví dụ, tế bào ngƣời dung hợp với tế bào chuột. - Sự xác định vị trí của một gen trên một NST nhất định đƣợc căn cứ vào sự tồn tại hay mất đi của gen đó khi đối chiếu với sự hiện diện hay văng mặt NST đó trong dòng tế bào. - Kỹ thuật này đã giúp vƣợt qua khó khăn khi thống kê theo phả hệ và nhờ nó mà gần trăm gen đƣợc xác định vị trí trên 23 nhóm liên kết gen. - Tạo dòng tế bào lai chuột - ngƣời: + Dòng tế bào chuột TK- đƣợc lai với tế bào ngƣời TK+. bào lai chuột-ngƣời. Mặc dù phần lớn NST ngƣời bị loại mất nhanh trong các dòng tế bào lai, nhƣng một số dòng còn một ít NST ngƣời. + Khi các dòng tế bào này đƣợc nuôi trên các môi trƣờng có chất aminopterin, các tế bào TK- sai hỏng hoạt tính thymidin kinase, không mọc đƣợc do mất khả năng chuyển hóa thymidine thành thymidylic acid cần cho tổng hợp ADN. + Chỉ có tế bào lai có NST 17 này của ngƣời mới tạo đƣợc dòng ổn định. Chứng tỏ gen TK+ phải nằm trên NST này. - Dựa vào phƣơng pháp này, ngƣời ta lập bản đồ NST ngƣời trên cơ sở sự có mặt của một sản phẩm do một gen nào đó thì tƣơng ứng với sự có mặt NST trong tế bào. * Điều kiện thực hiện việc lập bản đồ NST ngƣời nhờ phƣơng pháp này - Tính trạng nghiên cứu đƣợc mã hóa bởi một gen trên NST của ngƣời, mà nó đƣợc phân biệt rõ ràng với tính trạng tƣơng ứng của chuột. - Khả năng có thể xác định đƣợc NST của ngƣời còn lại ở dòng tế bào -Phần lớn các gen đƣợc xác định theo phƣơng pháp trên liên quan đến các enzyme, mà việc phát hiện chúng căn cứ theo phản ứng do chúng xúc tác. Về sau một số thủ thuật khác đƣợc sử dụng nhƣ dùng các "mất đoạn" để xác định vị trí gen. * Xác định nhóm liên kết của các gen bệnh - Dựa vào các nhóm liên kết gen đã đƣợc xác định bằng lai tế bào soma, nhiều gen bệnh đƣợc gắn vào các NST. Việc xác định này căn cứ theo nhiều phả hệ của các gia đình có các bệnh di truyền. -Gần đây (1993) vài bệnh di truyền đƣợc xác định bằng cách sử dụng gen dự tuyển (canđiate gene approach). Ví dụ là các đột biến của gen fibrillin gây hội chứng Marfan. Chương 7 Di truyền học Vi khuẩn I. Ưu thế và các đặc điểm của đối tượng vi sinh vật 1. Thời gian thế hệ ngắn, tốc độ sinh sản nhanh - Tế bào E.coli có thể phân chia 1 lần trong 20 phút. - Bacteriophage trong thời gian 30-40 phút có thể tạo ra hàng trăm cá thể. - Nấm men có thể chia tế bào trong 2 giờ. 2. Có sự tăng vọt số lượng cá thể - Tế bào E.coli có đƣờng kính 1 m nếu đủ dinh dƣỡng thì trong 44 giờ có thể tạo sinh khối bằng quả đất. - Số lƣợng cá thể lớn sẽ giúp nâng cao năng suất phân giải di truyền tức khả năng phát hiện các đột biến và tái tổ hợp có tần số xuất hiện rất nhỏ. Ngoài ra việc nuôi cấy vi sinh vật không cồng kềnh, ít tốn diện tích, môi trƣờng nuôi cấy dễ kiểm soát theo các công thức chặt chẽ. 3. Có cấu tạo bộ máy di truyền đơn giản - Ở VSV có cấu tạo bộ máy di truyền là ADN trần, dễ chiết tách, tinh sạch, số locus cũng ít hơn so với các sinh vật khác. - Các vi nấm và vi tảo có thể tồn tại ở dạng đơn bội (n) với thời gian dài trong chu trình sống nên các gen lặn có thể đƣợc biểu hiện ra ở kiểu hình. - VSV có trạng thái lƣỡng bội (2n) nên cũng dễ dàng thực hiện phân tích tái tổ hợp. - Các tính trạng VSV đơn giản. 4. Dễ nghiên cứu bằng các kỹ thuật vật lý và hóa học - Quần thể của chúng có độ đồng nhất cao. - Cấu tạo tế bào vi sinh vật đơn giản, dễ chết tách tinh sạch ADN . II. Đặc điểm của di truyền vi sinh vật - Khuẩn lạc là 1 cụm tế bào có nguồn gốc từ 1 tế bào ban đầu - Chủng: dòng tế bào mang 1 đặc điểm di truyền nào đó. - Các đột biến ở vi sinh vật thƣờng đƣợc phát hiện theo sự biến đổi các tính trạng sau: • Hình thái • Sinh hóa • Nuôi cấy • Tính đề kháng • Miễn nhiễm - Đặc điểm của tái tổ hợp ở vi khuẩn: - Quá trình sinh sản cận hữu tính ở các sinh vật Prokaryote nhƣ vi khuẩn và virus: + Sự truyền thông tin một chiều từ tế bào thể cho sang tế bào thể nhận. + Sự tạo thành hợp tử một phần. + Bộ gen thƣờng chỉ là ADN trần, nên chỉ có một nhóm liên kết gen và tái tổ hợp thực chất là lai phân tử. II. Sinh học của vi khuẩn 1. Cấu tạo tế bào và sinh sản: -Tế bào E.coli: + Chiều dài khoảng 2 m. + Bên ngoài có vách tế bào, kề trong là màng sinh chất. + Mezosome là cấu trúc xếp lại của màng sinh chất có thể liên quan đến phân bào chất di truyền tạo nên nucleotid. + Các tiêm mao giúp cho sự vận động của tế bào. - Thông tin của tế bào vi khuẩn nằm trên một phân tử ADN mạch kép vòng tròn đơn đƣợc gọi là enophore, hay "NST". -Ngoài ra ở một số vi khuẩn còn có thêm plasmid là phân tử ADN vòng tròn nhỏ có khả năng sao chép độc lập. - Sinh sản: Tế bào vi khuẩn phân chia theo trực phân. Tế bào vi khuẩn E. coli Tế bào vi khuẩn phân chia theo trực phân 2. Đặc điểm nuôi cấy Tế bào vi khuẩn có thể nuôi trên môi trƣờng lỏng có bổ sung các muối vô cơ thiết yếu. Mật độ có thể đạt 109 tế bào/ml. Có thể nuôi vi khuẩn trong môi trƣờng rắn có agar trong các hộp petri để từng tế bào mọc thành khuẩn lạc dễ quan sát. III. Biến nạp ( Transformation) 1. Hiện tượng và điều kiện - Định nghĩa: biến nạp là hiện tƣợng truyền thông tin di truyền bằng ADN. - Điều kiện thực hiện biến nạp: + Tính dung nạp của tế bào thể nhận. + ADN thực hiện biến nạp của thể cho phải ở dạng mạch kép. Thƣờng ADN biến nạp là một đoạn nhỏ. Đoạn từ tế bào cho xâm nhập vào tế bào nhận đƣợc gọi là đoạn ngoại lai, ADN nguyên vẹn của tế bào nhậ đƣợc gọi là đoạn nội tại (endogenote). Quá trình trao đổi thông tin di truyền bằng chuyển chỉ một phần vật liệu di truyền từ tế bào này sang tế bào khác đƣợc gọi là sự giao nạp từng phần (meromixis). Biến nạp của vi khuẩn 2. Cơ chế biến nạp 2.1. Xâm nhập của ADN 2.2. Bắt cặp 2.3. Sao chép Cơ chế sao chép Cơ chế biến nạp tự nhiên VI. Tải nạp (Transduction) 1. Phage là nhân tố chuyển gen - Giữa hai ống của hình chữ U đƣợc ngăn cách bằng màng lọc vi khuẩn, màng có lỗ nhỏ vi khuẩn không qua đƣợc nhƣng phage qua đƣợc. - Nhánh A của ống chứa vi khuẩn có khả năng tổng hợp tryptophan (trp+). - Nhánh B nuôi các vi khuẩn khác mất khả năng tổng hợp tryptophan (trp-). - Sau khi nuôi một thời gian, ở nhánh B xuất hiện vi khuẩn có khả năng tổng hợp tryptophan. Nếu dùng màng ngăn không cho virus lọt qua thì không thấy hiện tƣợng này. Qua nhiều lần thí nghiệm, việc tải gen trp+ từ nhánh A sang nhánh B đƣợc chứng minh. Thí nghiệm chứng minh hiện tượng tải nạp 2. Cơ chế tải nạp Tải nạp chuyển gen từ vi khuẩn A sang B nhờ phage Chuyển gen từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận nhờ phage 4. Phân biệt các dạng tải nạp - Tải nạp chung: • Bất kỳ gen nào của vi khuẩn cũng đều đƣợc tải nạp • Tải nạp do gói nhầm ADN của tế bào chủ khi phage trƣởng thành • Các thể tái hợp đơn bội đƣợc tạo ra - Tải nạp chuyên biệt: • Những gen đƣợc chuyển nằm sát chỗ phage gắn vào • Chỉ prophage kiểu  thực hiện • Do kết quả sự cắt sai của prophage khi tách khỏi NST của tế bào chủ Tải nạp chuyên biệt V. Giao nạp (Conjugation) - Định nghĩa: giao nạp là hiện tƣợng truyền vật chất di truyền từ tế bào thể cho sang thể nhận qua cầu tế bào chất 1. Chứng minh có lai ở vi khuẩn Các dòng đột biến khuyết dƣỡng khác nhau: - Dòng A: có kiểu gen met-bio-thr+leu+thi+ - Dòng B: có kiểu gen met+bio+thr-leu-thi- - Từng dòng riêng rẻ khi cấy lên môi trƣờng tối thiểu thì không có khả năng mọc lên khuẩn lạc. -Trộn chung hai dòng này trong ống nghiệm, cấy lên môi trƣờng tối thiểu. Các khuẩn lạc mọc trên môi trƣờng tối thiểu Chứng tỏ có các dạng lai, chúng mọc đƣợc nhờ sự bù đắp cho nhau nhu cầu dinh dƣỡng. Các dạng lai có kiểu gen met+bio+thr+leu+thi+. Sơ đồ lai vi khuẩn 2. Sự phân hóa giới tính ở vi khuẩn - F+ tƣơng tự giống đực ở sinh vật bặc cao, nó truyền sạng F- . - Tần số lai F+ với F- khoảng 10-6. -Khi F+ tiếp xúc với F- một thời gian, F- biến thành F+ do nó nhận đƣợc một phần tử di truyền là episome. - Episome F+ (nhân tố di truyền): phần tử di truyền ngoài NST, có thể tồn tại hoặc ở dạng ADN vòng tròn tự sao chép hoặc gắn vào phân tử ADN của tế bào chủ. - Về sau dạng Hfr đƣợc phát hiện, dạng này có tần số lai với F- cao hơn F+ có thể đến 104 lần. •Plasmid: là phân tử ADN vòng tròn nhỏ có khả năng sao chép độc lập với tế bào chủ và không có khả năng gắn vào NST tế bào chủ. Plasmid có thể mang một số gen khác nhau. - F- không chứa plasmid - F+ chứa plasmid ở dạng độc lập - Hfr có plasmid gắn vào bộ gen - Tái tổ hợp giữa một trình tự IS trên plasmid và trình tự IS cùng loại trên nhiễm sắc thể của vi khuẩn tạo ra nhiễm sắc thể Hfr - Tái tổ hợp xảy ra giữa IS bất kỳ trên plasmid với IS bất kỳ tƣơng ứng trên nhiễm sắc thể của vi khuẩn tạo ra nhiều chủng Hfr khác nhau Sự gắn của plasmid vào nhiễm sắc thể vi khuẩn tạo vi khuẩn Hfr Sơ đồ cấu tạo của plasmid 3. Các nhân tố F' và tính nạp - Nhân tố F' đƣợc hình thành khi sự cắt rời nhân tố F từ NST của dòng Hfr nhiều khi không chính xác và lúc này một đoạn bộ gen của vi khuẩn thay thế cho một phần của F. - Tính nạp: sự chuyển gen kèm theo nhân tố giới tính. 4. Cơ chế tái tổ hợp - Việc chuyển gen chỉ thực hiện khi plasmid gắn vào bộ gen của vi khuẩn. - Trong quá trình chuyển vật chất di truyền sang F- thì ADN của tế bào chủ sao chép và mạch mới có Ori đi đầu và F đi cuối. - Quá trình chuyển ADN từ F+ sang F- có thể bị ngắt quãng. Các gen a, b, c đƣợc chuyển một chiều từ Hfr sang F-. - Trong điều kiện thí nghiệm ở 370C, nguyên bộ gen của tế bào E.coli đƣợc chuyển sang tế bào nhận trong vòng 90 phút. - Thƣờng sự giao nạp bị ngắt quãng giữa chừng do cầu pilus bị gãy, lúc đó tế bào F- vẫn là tế bào F-. Bằng cách ngắt quãng quá trình giao nạp mà bản đồ di truyền của E.coli đƣợc xây dựng nên có dạng vòng tròn. Thí nghiệm giao nạp để lập bản đồ do ngắt quảng ở các khoảng thời gian khác nhau. VI. Cơ sở di truyền tính kháng thuốc của các vi khuẩn gây bệnh ở người. Ý nghĩa cuả các transposon vi khuẩn - Các transposon ở vi khuẩn là những yếu tố làm thay đổi vị trí gen, kiểm soát tính kháng thuốc đối với thuốc kháng sinh và các thuốc chống vi khuẩn khác. - Ngay sau đó, ngƣời ta đã xác định là các gen kháng thuốc thƣờng có trong plasmid. Các plasmid có thể đƣợc truyền từ tế bào mẹ sang tế bào con khi tế bào vừa phân chia. - Các gen kháng thuốc có thể đƣợc truyền từ plasmid cho NST vi khuẩn, cho virus và cả cho vi khuẩn các loài khác. Mọi plasmid R đều có tối thiểu 2 thành phần: + Đoạn thứ nhất gọi là yếu tố làm vật truyền tính kháng (RTF - Resistance transfer vector). + Đoạn thứ hai mang gen kháng đƣợc gọi là yếu tố kháng R (R - determinant). Các kết quả nêu trên cho thấy, cần hạn chế và lƣu ý chỉ sử dụng kháng sinh khi có nhiễm trùng và không nên lạm dụng đối với các trƣờng hợp nhẹ. Nếu không hạn chế thì trong tƣơpng lai thuốc sẽ giảm hiệu quả hoặc không còn hiệu quả. Tính kháng thuốc ngày nay đã đƣợc phát hiện trong nhiều loại gen gây bệnh nhƣ gen thƣơng hàn, viêm dạ dày, ruột, dịch hạch, sốt cao, viêm màng não, lậu ... Chương 8 Di truyền học Virus I. Di truyền học thể thực khuẩn 1. Sự hình thành vết tan và các thể đột biến phage Một số lớn tế bào vi khuẩn đƣợc trãi lên trên môi trƣờng đặc, sau một thời gian sinh trƣởng tạo một lớp tế bào vi khuẩn màu trắng đục. Nếu phage có mặt ở thời điểm vi khuẩn đƣợc trãi lên môi trƣờng, nó sẽ nhiễm vào tế bào vi khuẩn. Sau đó tế bào nhiễm phage bị làm tan và giải phóng nhiều phage mới. Thế hệ sau này của phage lại nhiễm vào vi khuẩn gần đó, và tham gia vào chu trình tan khác, các vi khuẩn này bị vỡ giải phóng ra nhiều phage, chúng có thể nhiễm vào các vi khuẩn khác ở vùng lân cận. Chu trình xâm nhiễm của phage đƣợc tiếp tục và sau nhiều giờ, phage phá huỷ tất cả các tế bào vi khuẩn của một vùng, tạo đốm (plage) trong suốt khác với lớp tế bào vi khuẩn màu trắng đục. Chu trình sinh tan của bacteriophage Tế bào không bị xâm nhiễm Phân hủy tế bào chủ Phage lắp ghép bên trong tế bào chủ Nucleic acid của phage Phage tự do Phage hấp phụ lên tế bào chủ Nucleic acid của phage xâm nhập vào tế bào Phage protein Protein của phage đƣợc tổng hợp, acid nucleic đƣợc nhân lên, vật chất di truyền tế bào chủ bị phá hủy Vật chất di truền tế bào chủ bị phá hủy Chu trình sinh tan Sự xâm nhập của phage vào tế bào vật chủ theo cả 2 dạng bố mẹ đồng thời. r+: đốm nhỏ, r-: đốm lớn, h+: đốm mờ, h-: đốm trong 2. Tái tổ hợp di truyền trong một chu kỳ sinh tan - Cho hai dòng phage T4 có kiểu gene khác nhau nhiễm vào một tế bào vi khuẩn E.coli, một vài phage thế hệ sau sẽ thực hiện tái tổ hợp di truyền. Allele r- tan nhanh, tạo ra đốm lớn, Allele h- nhiễm vào các tế bào chủ, tạo đốm trong. - Phép lai: r-h+  r+h- - Kết quả: 4 kiểu đốm: + 2 kiểu đốm đục, lớn và đốm trong, nhỏ. + kiểu đốm trong lớn, đốm mờ nhỏ. - Tần số tái tổ hợp, đƣợc biểu diễn dƣới dạng phần trăm: 100 phagesäú Täøng täø håüp taïi phageSäú Tần số tái tổ hợp = Sự kết hợp đầu và đuôi để tạo phage hoàn chỉnh 3. Sự sắp xếp của các gene trong nhiễm sắc thể phage - Bản đồ di truyền phage T4 cho thấy gene của phage T4 tạo cụm mở rộng theo chức năng của chúng. - Phân tử DNA của phage T4 là phân tử sợi đơn dạng thẳng, mỗi đầu tận cùng của DNA phage T4 đƣợc nhân lên hoặc lặp đoạn ở đầu cuối. - Khi DNA đƣợc sao chép trong tế bào, sự tái tổ hợp giữa các phần ở đầu tận cùng của bộ gen T4 với những trình tự tƣơng đồng của bộ gen T4 khác, kết quả tạo ra sản phẩm DNA có kích thƣớc lớn hơn khả năng chứa của phần đầu. - Những phân tử chứa lặp đoạn đƣợc tạo thành. - Khi phân tử DNA đƣợc gói vào phần đầu, nó đƣợc cắt bằng enzyme chỉ còn chứa khoảng 102% của chiều dài bộ gen phage T4, vì có chứa đoạn lặp lại của phần đầu. Bản đồ di truyền của T4 với các marker Màng Sợi đuôi Tổng hợp DNA, tái bản và thay đổi Trao đổi nucleotide ĐầuĐĩa gốc của đuôi Đĩa gốc của đuôi Đầu, cổ, nếp gấp cổ Nhóm gen liên kết xác định nguồn gốc 4. Lập bản đồ cấu trúc tinh vi vùng rII của phage T4 - Sử dụng đột biến mất đoạn là phƣơng pháp đơn giản để lập bản đồ của hàng ngàn đột biến. - Bản đồ mất đoạn dựa trên sự có hoặc không có dạng tái tổ hợp. + Trong bất kỳ phép lai nào giữa một đột biến điểm chƣa biết và một đột biến mất đoạn, sự xuất hiện của dạng hoang dại cho thấy đột biến điểm nằm ngoài vùng mất đoạn. + Nếu đột biến điểm xuất hiện trong vùng mất đoạn, không xuất hiện dạng tái tổ hợp kiểu hoang dại ở thế hệ sau. - Nhiều phép lai đã đƣợc thực hiện để lập bản đồ đột biến chi tiết gene rII. Khoảng cách từ A1 đến A6 và B đƣợc trình bày ở hình 6.4. - Bản đồ di truyền trong vùng A4 có thể đƣợc tạo ra bởi một bộ các đột biến mất đoạn đƣợc trình bày ở phần dƣới của hình 6.5. Xác định 7 tiểu vùng ở trong A4 (từ a qua g). - Bản đồ di truyền cho số lớn các đột biến rII có nguồn gốc độc lập đƣợc mô tả ở hình 6.6. - Nghiên cứu đột biến ở vùng rII và lập bản đồ di truyền có vai trò quan trọng. + Sự trao đổi di truyền có thể xảy ra trong gene và có thể giữa các nucleotide ở gần nhau. + Các đột biến không đƣợc tạo ra ở cùng tần số với tất cả các điểm trong gene, chúng phân bố không đều nhau. Đột biến mất đoạn được sử dụng để chia locus rII của bacteriophage T4 thành 7 vùng và 47 tiểu vùng nhỏ rII A cistron rII B cistron Khoảng cách từ 1 đến 47 đƣợc xác định bằng mất đoạn khoảng 1364 qua 1519 Khoảng cách từ A1 đến B đƣợc xác định bằng mất đoạn các khoảng 1272 qua 638 Xác định vùng rII liên quan với các marker di truyền dạng thẳng của bản đồ di truyền phage T4 rII A cistron rII B cistron Vùng xác định đột biến mất đoạn từ A1 đến A6 và B trong gen rII Đột biến ở trong vùng b sẽ tạo ra dạng tái tổ hợp hoang dại với tất cả các mất đoạn mà trong đó vùng b của dạng hoang dại có mặt Mất đoạn vùng xác định a đến g của vùng A4 Bản đồ di truyền locus rII của phage T4 Mỗi hộp thể hiện sự xuất hiện ngẫu nhiên của các đột biến tại vị trí đó "Điểm nóng" đột biến Nhiều đột biến xuất hiện ở một điểm tạo thành một "điểm nóng" * Kết quả phân tích vùng rII giúp cho chúng ta phân biết đƣợc 3 khái niệm về gen: + Gen liên quan với một đơn vị chức năng. + Gen là một đơn vị tái tổ hợp (recon). + Gen là một đơn vị đột biến (muton). 5. Tính tiềm tan (Lysogeny) và phage  - Chu trình tiềm tan: + Bắt đầu khi phân tử DNA của phage  gắn vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn và tiến hành sao chép nhƣ một phần nhiễm sắc thể vi khuẩn. + Các hạt phage không đƣợc tạo thành. + Phân tử DNA của phage đƣợc gắn vào bộ gen của vi khuẩn đƣợc gọi là prophage, tế bào vi khuẩn sống sót đƣợc gọi là tế bào tiềm tan (lysogen). Chu trình tan và tiềm tan ở phage  Phage Phage DNA Phage tấn công tế bào chủ và bơm DNA vào NST vi khuẩn Chu trình sinh tan Chu trình tiềm tan Nhiều tế bào phân chia tạo ra khuẩn lạc vi khuẩn có chứa prophage Một số prophage tồn tại trên NST vi khuẩn, khởi đầu cho chu trình sinh tan Tế bào vi khuẩn phân chia bình thƣờng, sao chép prophage và truyền cho thế hệ sau Prophage Tái tạo vòng DNA phage Tế bào bị phân giải, giải phóng phage DNA và protein của phage đƣợc tổng hợp và lắp ghép tạo thành phage mới DNA của phage tích hợp vào NST vi khuẩn tạo thành dạng prophage - Phân tử DNA của phage  có đầu các đầu cuối chứa 12 nucleotide không kết cặp, mà ở dạng sợi đơn tạo đầu dính (cohesive end) bổ sung. Khi vào tế bào, đầu cuối bổ sung gắn lại tạo phân tử vòng tròn, sự tạo vòng tròn xảy ra sớm ở cả chu trình tan và chu trình tiềm tan (hình 6.7). - Điểm gắn vào của vi khuẩn và phage: vị trí của tái tổ hợp điểm chuyên biệt ở DNA của vi khuẩn và phage. + Mỗi điểm gắn có chứa 3 đoạn: ở đoạn trung tâm có cùng trình tự nucleotide ở cả 2 vị trí gắn và là vùng mà sự tái tổ hợp thực sự xảy ra. + Điểm gắn vào của phage đƣợc ký hiệu bởi POP’ (P: phage) và điểm gắn vào ở vi khuẩn đƣợc biểu diễn bằng BOB’ (B: bacteria). + So sánh bản đồ di truyền của phage và prophage POP’ nằm gần vùng trung tâm của phân tử DNA dạng thẳng. + Bản đồ di truyền prophage là sự chuyển đổi vòng tròn bản đồ di truyền phage tự do. + Prophage đƣợc chèn vào nhiễm sắc thể của E. coli giữa gene gal và gene bio. Sự chèn vào của phage  làm tăng khoảng cách giữa gene gal và gene bio. Khoảng cách giữa gene gal và gene bio ở tế bào tiềm tan với phage  là khoảng hai phút so với một phút ở tế bào không tiềm tan. Mô hình gắn của phage  vào NST của E.coli II. Đặc tính của các virus 1. Tính đa dạng về cấu trúc và thành phần di truyền - Virus có bộ gene rất đa dạng. - Bộ máy di truyền của virus: DNA mạch kép (double strand - dsDNA), DNA mạch đơn (single strand - ssDNA), RNA mạch kép (dsRNA) hay RNA mạch đơn (ssRNA). - Bộ gene RNA của virus là một phân tử hoặc một đoạn, sợi đơn phân cực mạch (+) hoặc mạch (-), có thể ở dạng vòng tròn hay dạng thẳng. - Bộ gene của virus cấu trúc đa dạng nhƣng đều đảm bảo yêu cầu chung là phải sao chép đƣợc trong tế bào chủ tạo ra cả genome cho lắp ráp virion thế hệ sau và các mRNA phải tổng hợp protein của virus. 2. Tính đặc thù về vật chủ (Host specificity) - Mỗi kiểu virus có thể nhiễm và kí sinh chỉ ở một biên độ giới hạn của tế bào đƣợc gọi là biên độ chủ (host range). - Các virus nhận biết tế bào chủ theo nguyên tắc “ống khóa và chìa khóa”(Các protein bên ngoài của virion lấp vừa các điểm nhận trên bề mặt tế bào). - Một số virus có biên độ chủ rộng đủ để xâm nhập vào vài loài. III. Tái bản của các virus * Virus đƣợc phân loại dựa trên các đặc điểm: - Phân loại theo bệnh: chia ra virus gây bệnh ở ngƣời, động vật và cây trồng … - Phân loại theo hình thái: phân loại virus cơ bản dựa trên cấu trúc của hạt virus. - Phân loại theo chức năng: nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành dựa trên phƣơng thức sao chép của virus. Cần xác định thành phần và cấu trúc genome của virus và từ đó xác định cách sao chép. * Phƣơng thức sao chép của virus: - Kiểu tế bào bị nhiễm bởi virus có ảnh hƣởng quan trọng đối với quá trình sao chép. - Phƣơng thức sao chép của virus phụ thuộc vào bản chất vật liệu di truyền của chúng. Về phƣơng diện này, virus đƣợc chia thành 7 nhóm: + Nhóm I: Virus chứa DNA sợi đôi. Nhóm này đƣợc chia nhỏ thành hai loại: sao chép là chỉ của nhân và sao chép xảy ra trong tế bào chất. Nhóm II: virus chứa DNA sợi đơn. Sự sao chép xảy ra trong nhân liên quan sự tạo thành qua trung gian sợi kép đƣợc xem nhƣ là khuôn cho tổng hợp lại DNA sợi đơn thế hệ sau. + Nhóm III: virus chứa RNA sợi kép. + Nhóm IV: Virus chứa RNA sợi đơn mạch (+), có thể chia nhỏ thành 2 nhóm: virus với polycistronic mRNA và virus phiên mã phức tạp. + Nhóm V: Virus chứa RNA sợi đơn mạch (-), genome của virus này đƣợc chia thành 2 nhóm: Genome không chia đoạn (Mononegvirales) và genome đƣợc chia đoạn (Orthomyxoviridae). + Nhóm VI: Virus chứa mRNA sợi đơn mạch (+) qua trung gian DNA. + Nhóm VII: DNA sợi đôi qua trung gian RNA. Sao chép RNA của virus 3' 5' 5' 3' Tổng hợp mRNA 5'C Tái bản C C Tổng hợp mRNA Tái bản C sợi RNA (-) genome sợi (+) có chiều dài đầy đủ 3' 5' 5' 3' 3' 5' 3' 5' sợi RNA (-) genome 5'C 3' 5' 5'C Tái bản 5'C 3' 5' 5'C Tái bản sợi RNA (+) genome (mRNA) sợi (-) có chiều dài đầy đủ 5'C sợi RNA (+) genome (mRNA) Tổng hợp mRNA 5'C Tổng hợp mRNA 3' 5' 5'C 5' C Tổng hợp mRNA RNA genome mRNA mRNA Anti - genome RNA 5' 3' 5'C sợi (+) sợi (-) Sợi (+) có chiều dài đầy đủ (mRNA) Tổng hợp mRNA 3' 5'C 3' 5'C 5' 3' 5'C Tái bản Protein Dịch mã sợi (+) sợi (-) RNA genome Sợi RNA (-) virus bị phân cắt Phân tử duy nhất Sợi RNA (+) virus Alphaviruses Flavi và picornaviruses Ambisence RNA virus RNA virus sợi đôi 1. Các virus của vi khuẩn * Có 3 pha bắt đầu cho xâm nhiễm của virus. - Bắt đầu nhiễm - Sao chép và biểu hiện genome của virus - Giải phóng các virion trƣởng thành từ tế bào bị nhiễm • Bacteriophage đƣợc thêm vào nuôi cấy vi khuẩn đang sinh trƣởng mạnh và sau một vài phút nuôi cấy bị giảm, ngăn cản tƣơng tác giữa các hạt phage và tế bào. • Các bacteriophage làm chết tế bào chủ gọi là độc (virulent) và chúng sinh sản theo chu trình tan. • Các virus ôn hoà (temperate virus) có thể sinh sản mà không là chết tế bào chủ. •Chúng có hai khả năng sinh sản: chu trình tan và chu trình tiềm tan không làm chết tế bào chủ. * Chu trình sống: + phage gắn vào bề mặt tế bào E. coli. + Bơm DNA vào trong gây nhiễm + DNA của phage sau khi vào tế bào tạo DNA vòng tròn và sẽ tham gia vào một trong hai chu trình. 2. Các virus thực vật - Các virus RNA: phần lớn virus thực vật có bộ gene RNA sợi đơn mạch (+) và nhiều dạng có capsid hình que, các protein capsomer hình xoắn. Ví dụ: Tobacco mosaic virus (TMV) - Các virus DNA Virus thực vật có bộ gene DNA rất hiếm, chỉ gồm 2 nhóm: + Cauliflower mosaic virus: Đây là nhóm virus dạng cầu, chứa genome DNA vòng tròn, mạch kép, kích thƣớc khoảng 8 kb. Chúng có phổ vật chủ hạn chế, chỉ nhiễm cây 2 lá mầm. DNA của CaMV có cấu trúc không bình thƣờng, có 3 điểm gián đoạn trên sợi kép, hai điểm trên một sợi và một điểm trên sợi còn lại với những vùng trình tự overlap. Chu trình sao chép giống với retrovirus và hepatitis B virus. + Gemini virus: Gemini virus là nhóm virus có phổ xâm nhiễm rộng, cả cây một lá mầm và 2 lá. Bộ gene của geminivirus chứa phân tử DNA vòng tròn sợi đơn. Sao chép DNA virus đƣợc nghĩ là xảy ra nhờ trung gian DNA và genome của virus sao chép cho nhiều bản sao trong nhân của những tế bào tăng sinh nhanh. 3. Các virus động vật Các virus RNA nhƣ retrovirus, paramyxo virus … - Retrovirus có phổ vật chủ rộng gồm chim, động vật có vú và những động vật khác. - Sự nhiễm của retrovirus không dẫn đến làm chết tế bào. Biểu hiện gene của virus mạnh nhờ promoter mạnh. - Retrovirus chứa genome RNA. Hạt virus chứa 2 bản sao RNA. Mỗi genome RNA có nhiều tính chất tƣơng tự với mRNA eukaryote: có trình tự poly(A) khoảng 200 đơn vị ở đầu mút 3 và cấu trúc mũ ở đầu 5’. - Virus xâm nhiễm vào tế bào kèm theo enzyme reverse transcriptase và intergrase. Enzyme reverse transcritase tham gia phản ứng tổng hợp cDNA, dẫn đến sự hình thành bản sao DNA mạch kép của RNA virus, đƣợc gọi là DNA provirus. - Retrovirus là một tác nhân gây ung thƣ. - Các virus DNA: SV40, Bovine papilloma virus (BPV) … + Hạt virus SV40 chứa DNA mạch kép, vòng tròn, khoảng 5,2 kb đƣợc gắn với 4 phân tử histon: H4, H2a, H2b và H3. + Bovine papilloma virus (BPV): có genome DNA sợi kép, vòng tròn khoảng 7,9 kb. 4. Các virus gây ung thư, HIV/AIDS… - Virus gây ung thƣ: + DNA virus: họ Apovavirus (Papilloma virus), họ Hepadnavirus (Hepative-B virus), họ Herpesvirus (Eptein-Barr virus) + RNA virus: họ Retrovirus (HIV-1, virus AIDS) Các virus gây ung thƣ có thể tác động do xen đoạn DNA của chúng vào bộ gene chủ. Ngoài ra có thể thực hiện : + Hoạt hoá bộ máy sao chép DNA của tế bào chủ. + Kìm hãm tác động của các tumour suppressor gene chủ yếu để hoạt hoá sao chép DNA. -AIDS là hội chứng do virus làm suy giảm miễn dịch ở ngƣời (HIV). + Hạt virus là một khối cầu, bờ ngoài gồ ghề, gồm vỏ bên ngoài, trong là chất nền protein bao quanh lõi có mặt cắt dạng nón. Trong lõi có genome gồm 2 sợi RNA giống nhau gắn với enzyme DNA polymerase là reverse transcriptase. + Trong quá trình nhiễm, virus HIV bám và nhiễm lõi của nó vào tế bào hệ thống miễn dịch của ngƣời. Tiếp theo chúng sử dụng enzyme reverse transcriptase để sao RNA genome của chúng thành phân tử DNA sợi kép trong tế bào chất của tế bào chủ. Phân tử xoắn kép này chuyển đến nhân, gắn vào nhiễm sắc thể tế bào chủ nhờ một enzyme khác. + Khi đã gắn vào nhiễm sắc thể của tế bào chủ, genome của virus có thể thực hiện một trong 2 quá trình tiềm tan hay chu trình tan. Chu trình sinh sản của virus HIV Màng bao Glycoprotein Capsid Enzyme sao mã ngƣợc RNA (2 sợi phân biệt) HIV xâm nhập vào tế bào Enzyme sao mã ngƣợc TẾ BÀO CHỦ RNA virus Lai DNA-RNA DNA Protein virus DNA NST Provirus RNA NHÂN HIV mới a. Cấu trúc của HIV b. Sự sinh sản của HIV - Các viroid và prion + Viroid: là những phân tử RNA rất nhỏ (200-400 nucleotide), dạng que có mức độ cấu trúc bậc hai cao, không có capsid và vỏ bao và chỉ chứa một phân tử acid nucleic đơn. Vùng kết thúc bên trái Vùng gây bệnh Vùng kết thúc bên phải Vùng biến dị Vùng trung tâm có tính bảo thủ Các vùng chức năng của phân tử RNA viroid Cấu trúc RNA viroid - Prion: + Là một nhóm bệnh lây nhiễm hệ thần kinh kinh niên, phát triển nhanh chóng và gây chết đƣợc biết nhƣ là bệnh xốp não lây nhiễm. + Tác nhân lây nhiễm liên quan đến TSE. + Tất cả các bệnh prion đều có bệnh lý giống nhau cơ bản, mặc dù giữa chúng có sự khác biệt có ý nghĩa ở những điều kiện khác nhau, các bệnh khác nhau đƣợc đặc trƣng bởi sự lắng của các protein bất thƣờng trong các mô khác nhau nhƣ thận, lách, gan hoặc não ... Chương 9 Di truyền học Vi nấm và Vi tảo I. Đại cương về nghiên cứu di truyền ở một số vi tảo thông dụng Cặp giao tử Dung hợp tế bào Dung hợp Giảm phân Kết hợp nhân và NST Hợp tử trƣởng thành Hợp tử Phát triển hợp tử (NH4 + hay ánh sáng) Sự tạo cặp Giảm phân Sản phẩm đơn bội sau giảm phân Hình thành cặp (NH4 +) Nảy chồi (NH4 + hay ánh sáng) yl+ yl+ yl- yl- sm-r sm-r sm-r sm-r Tỷ lệ 2:2 của yl+ và yl- Tỷ lệ 4:0 của sm-r và sm-s + Tập hợp lại Gen nhân (yl) phân ly 2:2 trong quá trình tạo giao tử còn gen của lục lạp (sm) phân ly theo tỷ lệ 4:0 1. Tính không dung hợp (incompatibility) ở vi nấm - Khái niệm tính không dung hợp ở nấm đƣợc dùng để chỉ khả năng kết hợp với nhau giữa các dòng nấm trong sinh sản hữu tính. - Theo kiểu dung hợp thì nấm đƣợc phân làm 2 loại: + Đồng tản (Homothallic) là khi có sự kết hợp với nhau giữa các tế bào giống nhau trong sinh sản hữu tính. + Dị tản (Heterothallic) là kiểu khi có sự lai nhau giữa 2 loại tế bào khác nhau nhƣ a với  tạo dạng dị hợp tử lƣỡng bội a. - Sự đa dạng của các chu trình sống và các kiểu không dung hợp ở nấm có ảnh hƣởng đến các phƣơng pháp phân tích di truyền. - Tế bào nấm men có thể sống ở dạng sinh dƣỡng đơn bội hay dị bội. Tín hiệu chuyển từ đơn bội sang dị bội xuất hiện theo dạng kết hợp và tín hiệu chuyển từ dị bội sang đơn bội là sự giảm phân trong quá trình hình thành bào tử 2. Phân tích bộ bốn và lập bản đồ ở vi nấm - Nấm men là một eukaryote đơn bào, chu kỳ sống chỉ khoảng 90 phút, có thể thu đuợc nấm men với số lƣợng lớn khi nuôi trên môi trƣờng đặc. Bộ gen của nấm men chứa khoảng 12 megabase với 6.000 gen phân bố trên 16 nhiễm sắc thể. - Chu trình sống của nấm men gồm hai giai đoạn có thể chuyển đổi qua lại. Tế bào có thể tồn tại ở cả dạng lƣỡng bội và cả dạng đơn bội. - Trong chu trình sống, chỉ có hợp tử là lƣỡng bội, sẽ trải qua giảm phân ngay sau khi đƣợc tạo thành, tạo các bào tử đơn bội, bào tử nẩy mầm hình thành giai đoạn cây. - Ở mốc vàng bánh mì (N. crassa), các bào tử xếp thảng hàng trong nang theo một trật tự xác định liên quan trực tiếp đến tiến trình của giảm phân (hình 10.3). Vòng đời s.dƣỡng (đơn bội) Giảm phân Nảy chồi Nảy chồi Kết hợp hình thành hợp tử Nảy chồi Nang chứa 4 bào tử túi dị hợp Vòng đời s.dƣỡng (đơn bội) Vòng đời s.dƣỡng (đơn bội) Nảy chồi Nảy chồi Dinh dƣỡng Dinh dƣỡng Hình thành bào tử Thiếu nitrogen Chu trình sống của nấm men. Tế bào phân chia sau khi hình thành chromatid Giảm phân I Giảm phân II Nguyên phân Mốc vàng bánh mì (Neurospora crassa) là mô hình nghiên cứu phân li trong giảm phân - Lập bản đồ di truyền bằng phân tích bộ bốn + Đối với trƣờng hợp bộ bốn không theo thứ tự: Ví dụ: khi lai các tổ hợp của hai gene AB  ab. Sự thụ tinh cho nhân lƣỡng bội AB/ab và nó chia giảm nhiễm ngay. Nếu không có trao đổi chéo xảy ra hoặc trao đổi chéo đôi xảy ra trên cùng hai chromatid thì sẽ có bộ bốn: 2 AB : 2ab, gọi là kiểu đôi cha mẹ (parental ditype – PD). Nếu trao đổi chéo xảy ra trên cả bốn chromatid của mỗi cặp nhiễm sắc thể kép, sẽ có 2AB : 2aB, gọi là bộ bốn kiểu đôi không cha mẹ (Nonparental ditype – NPD) hay còn gọi là kiểu đôi tái tổ hợp (Reconbinational ditype- RD) + Trƣờng hợp tạo ra mỗi nang bốn loại bào tử có kiểu gene khác nhau: 1AB : 1Ab : 1aB : 1ab đƣợc gọi là kiểu bốn (tetratype) - Phân tích bộ bốn cho phép xác định hai gene liên kết. Phân tích bộ bốn Parent ditype Nonparent ditype Tetratype PD NPD T 3. Phân tích di truyền trong chu trình cận hữu tính (tái tổ hợp trong nguyên phân) 3.1. Sự đơn bội hoá - Sự đơn bội hoá có thể xảy ra ngẫu nhiên hoặc đƣợc gây tạo bởi chất n- fluorphenylalanin. - Nếu nhƣ các nhân trong nhiều nguyên phân bị 1 nhiễm sắc thể (2n – 1) thì nhân lệch bội vừa xuất hiện trở nên không ổn định và tiếp tục mất các nhiễm sắc thể khác của một bộ đơn bội, cho đến khi trở thành nhân đơn bội (n) ổn định. 3.2. Tái tổ hợp trong nguyên phân (Mitotic recombination) - Tái tổ hợp trong nguyên phân xảy ra trao đổi chéo giữa các nhiễm sắc thể tƣơng đồng trong nguyên phân. - Khoảng cách của gene đánh dấu xa tâm động nhất, sự đồng hợp tử hoá thƣờng xảy ra hơn cả (đƣợc coi là 100%) và sự phân bố các gene đƣợc tính theo công thức: D = Nab/Nb x 100% D: khoảng cách của gene đến tâm động Nb - tổng số các dạng phân li, đồng hợp tử theo b. Nab - số các dạng phân li đồng hợp cả a và b, nếu nhƣ b là gene đánh dấu xa tâm động nhất. - Bản đồ liên kết gene đƣợc xây dựng bằng tái tổ hợp giảm phân và tái tổ hợp nguyên phân (trong chu trình cận hữu tính) có thứ tự gene xếp giống nhau ở Aspergillus nidulans. III. Nấm men như là E. coli của các tế bào eukaryote 1. Các nhiễm sắc thể nấm men nhân tạo (YAC) - Xây dựng nhiễm sắc thể nhân tạo có chức năng nhƣ một phần bộ gene của tế bào: + Đảm bảo sự phân chia của nhiễm sắc thể cần có tâm động. + Phần đầu mút của nhiễm sắc thể thẳng dài đƣợc giữ nguyên vẹn khi đƣa vào tế bào, tránh đƣợc sự phân giải của nuclease. + DNA phải sao chép trƣớc khi tế bào phân chia. - Cho đến nay, ở eukaryote chỉ tìm đƣợc một loại plasmid duy nhất đó là plasmid vòng tròn 2 m dài khoảng 6300 cặp base có nhiều trong tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae. Sự cải tiến plasmid này để tạo thành nhiễm sắc thể nhân tạo ở nấm men (YAC (yeast artificial chromosome)) có chứa các trình tự nucleotide quan trọng: + ARS (autonomously replicating sequence) + CEN (centromere) + 2 TEL (telomere) c. Đặc điểm - Không thể sao chép tự động - Điểm gắn vào ở vùng tƣơng đồng là LEU2 - Mỗi tế bào có một phiên bản - Sao chép tự động - Mỗi tế bào có nhiều phiên bản - Sao chép tự động - Mỗi tế bào có một phiên bản - Phân ly trong giảm nhiễm nhƣ là một nhiễm sắc thể Plasmid LEU2 ARS CEN b. a. Ori 1 AMP Ori 2 AMP Ori 2 LEU2 Ori 2 LEU2 Hình 10.5 Plasmid của nấm men a. YIp: không chứa ori và không thể sao chép tự động b. YEp: chứa điểm ori 1 và sao chép tự động c. YCp: chứa tâm động và phân ly trong quá trình giảm phân LEU2: gen nấm men, Ori 1: xuất phát sao chép của plasmid nấm men, Ori 2: xuất phát sao chép của vi khuẩn, AMP: gen kháng kháng sinh của vi khuẩn NST nhân tạo của nấm men Chỉ cắt bằng EcoRI 2. Những hiểu biết mới về tổ chức của các nhiễm sắc thể của nấm men - Mỗi nhiễm sắc thể chứa một tâm động, hai đầu nhiễm sắc thể chứa đoạn lặp lại dài theo sau trình tự telomer ngắn. - Trên nhiễm sắc thể có chứa nhiều điểm xuất phát sao chép, ở cách nhau khoảng 30-40 kb. - Nhiễm sắc thể nấm men cũng tạo thành các đơn vị là các nucleosome chứa lõi histon gồm H-2A, H2B, H3 và H4. Hình 7.7. Nhiễm sắc thể nấm men a. Các thành phần của NST. Mỗi sợi chứa 1 tâm động, nhiều điểm khởi sự sao chép, các đoạn gần cuối lặp lại và đoạn cuối của chuỗi DNA. b. Hệ gen của NST nấm men trên hình ảnh điện di. Tâm động a. b.Đoạn gần cuối lặp lại NST Điểm khởi sự sao chép30 - 40 kb Đoạn cuối 3. Những hiểu biết mới về tái bản và phiên mã của bộ gen nấm men - Nấm men có thể hoàn thành một chu trình sao chép và phân chia khoảng 1,4 giờ. - Xuất phát cho sao chép DNA của nấm men gồm nhiều điểm giống với oriC của E. coli: là vùng giàu AT đƣợc tách ra khi có một protein khởi động gắn vào điểm kề bên, các điểm xuất phát sao chép dài hàng ngàn đến hàng chục ngàn nucleotide. - Có khoảng 400 điểm xuất phát sao chép phân bố trên toàn bộ 16 nhiễm sắc thể của nấm men. - Sự sao chép xảy ra trực tiếp trên nhiều điểm xuất phát sao chép. Sợi mạch kép đƣợc tạo thành ở mỗi điểm xuất phát sao chép kéo dài và nối với sợi kép đƣợc tạo thành ở một điểm khác. - Khi sao chép trên 2 mạch đơn hoàn thành sẽ tạo ra 2 phân tử DNA con giống hệt nhau. - Sự tổng hợp DNA chỉ xảy ra ở một giai đoạn trong chu trình tế bào, đó là pha S. Ở nấm nấm men có 3 protein cần cho lắp ráp của replisome. Đó là phức hợp DNA polymerase phối hợp hoạt động ở chẽ ba sao chép. Phức hợp nhận biết điểm xuất phát (Origin recognition complex – ORC) sẽ gắn vào trình tự xuất phát của nấm men nhƣ DnaA protein của E. coli. Những phức tƣơng tự đƣợc tìm thấy ở tất cả các eukaryote. Sự có mặt của ORC làm bổ sung thêm 2 protein khác, Cdc6 và Cdt. Cả 2 protein này và ORC làm kích hoạt helicase và những thành phần khác của replisome. Sự gắn vào của helicase đƣợc xem là sự “xác nhận” (license) cho điểm xuất phát, giúp lắp ráp replisome và bắt đầu tổng hợp DNA. -Trong số các gene mã hoá protein, intron chỉ có khoảng 4-5% tất cả các gene của nấm men (276 gene chứa một intron đơn và 7 gene chứa 2 intron riêng rẽ), kích thƣớc trung bình của intron khoảng 2000 nucleotide. - Genome của nấm men chứa số lớn gen tạo ra RNA không mã hoá, bao gồm các gene lặp lại mã hoá cho rRNA, 274 gene của tRNA, trong đó có 80 gene chứa nhóm intron đặc biệt, 71 RNA nhân nhỏ (smRNA) tham gia chức năng chế biến rRNA, 5 smRNA tham gia chế biến intron, một vài RNA chƣa biết chức năng và 3 RNA nhƣ là các tiểu đơn vị chức năng của enzyme Rnase, endoribonuclease và telomer. 4. Những hiểu biết mới về ADN ty thể của nấm men -Hai yếu tố trên DNA ty thể nấm men đƣợc cho là có kích thƣớc lớn hơn so với các đối tƣợng khác: + Trình tự giữa các gen (intergenic): trình tự dài, giàu A-T của vùng đệm “spacer” tách biệt với các gene của mtDNA. + Intron: chiếm khoảng 25% genome ty thể nấm men và tạo ra sự khác nhau về kích thƣớc giữa mt DNA của nấm men và ngƣời. DNA ty thể nấm men Chương 10 Di truyền Tế bào chất I. Sự di truyền tế bào chất Cấu trúc tế bào 1. Sự di truyền của các gene lạp thể * Hiện tƣợng di truyền lá đốm đƣợc phát hiện rất sớm ở Mirabilis jalapa (Correns, 1908), ở Pelargonium zonale (E.Bauner, 1909). Các cây có lá đốm có thể có nguyên cành với lá trắng không có chlorophylle. Thí nghiệm: Tạp giao giữa cây Mirabilis jalapa có những cành khảm trắng xanh: - Thụ phấn cho hoa trên cành lá trắng bằng hạt phấn của hoa trên cành lá xanh lục, cho thế hệ con những cây giống cá thể mẹ có lá trắng (chết do không có khả năng quang hợp) - Tạp giao hoa trên cành lá xanh lục bằng hạt phấn của hoa trên cành lá trắng, tất cả thế hệ con có lá màu xanh lục bình thƣờng. - Nếu thụ phấn các hoa của cành lá đốm bởi phấn hoa của cây xanh lục thì ở đời con có các cá thể lá trắng, lá đốm và lá xanh lục. - Nếu thụ phấn cho hoa của cành lá xanh lục với phấn hoa cây lá đốm thì ở đời con gồm toàn cá thể lá xanh lục. * Ở thực vật Pelargonium zonale có trƣờng hợp di truyền theo dòng cha. Nếu hoa của cây lá đốm đƣợc thụ phấn của cây lá xanh lục thì 30% cây lai có lá đốm, 70% lá xanh lục. Khi lai hoán đổi cha mẹ 70% cây lai lá đốm và 30% lá xanh lục. Thể khảm đốm lá Sự di truyền các gene lạp thể 2. Sự di truyền của các gene ty thể 2.1. Đặc điểm di truyền của các gene ty thể Ở nấm men có một thể đột biến có thể hình thành những khuẩn lạc petite kích thƣớc nhỏ hơn bình thƣờng, đƣờng kính chỉ bắng 1/2 - 1/2 khuẩn lạc bình thƣờng. Các tế bào tạo nên khuẩn lạc petite có kích thƣớc giống kích thƣớc tế bào bình thƣờng. Ở ty thể của nấm men (Saccharomyces cerevisiae) có 3 kiểu đột biến chủ yếu: petite, antR và mit-. * Đột biến petite chia làm 3 loại khác nhau: - Petite phân ly - Petite trung tính - Petite ức chế Khi lai nấm men 2 tế bào cha mẹ, hai tế bào cha mẹ kết hợp với nhau và góp tế bào chất nhƣ nhau vào tế bào con lƣỡng bội. Sự di truyền của các petite trung tính và ức chế độc lập với kiểu bắt cặp thể hiện rõ sự di truyền ngoài nhân nên đƣợc gọi là petite tế bào chất. Sự di truyền các gen của ty thể trong hình thành khuẩn lạc petite Qua nghiên cứu chúng có các đặc điểm kiểu hình nhƣ sau: - Chuỗi chuyền điện tử của ty thể bị sai hỏng ở các petite tế bào chất. Do sai hỏng này, chúng lên men để tạo ATP kém nên mọc chậm. - Không có sinh tổng hợp protein ở các petite tế bào chất. Các ty thể có hệ thống sinh tổng hợp ri