Bài giảng di truyền học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÁI NGUYÊN

Khoa Sinh - KTNN

PGS.TS. NGUYỄN THỊ TÂM

Đề cương bài giảng

DI TRUYỀN HỌC

Năm 2013


ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG

DI TRUYỀN HỌC
Số tín chỉ: 4(Lý thuyết: 37; Thực hành: 46)
(i) Mục tiêu môn học
+ Kiến thức: Học phần di truyền học cung cấp những kiến thức cơ bản về cơ sở vật
chất và các cơ chế di truyền ở cấp độ phân tử, tế bào; Mã di truyền – Mối liên hệ giữa
ADN, ARN và protein; các qui luật di truyền và biến dị; các cơ chế tái tổ hợp di
truyền ở sinh vật; công nghệ tái tổ hợp ADN; những kiến thức cơ bản về di truyền
học người, di truyền học quần thể; ứng dụng của Di truyền học trong thực tiễn chọn
giống.
+ Kỹ năng: Đọc tài liệu liên quan đến nội dung môn học; Có kỹ năng làm tiêu bản
trong nghiên cứu di truyền học (kiểm tra các kỹ năng của sinh viên thông qua các tiêu
bản cụ thể), vận dụng kiến thức lý thuyết giải thích các qui luật hoặc hiện tượng liên
quan đến di truyền học.
+ Thái độ: Thái độ đúng đắn trong học tập để nắm bắt được các nội dung kiến thức
cơ bản, làm tiền đề cho việc tiếp thu các môn học liên quan và phục vụ cho công tác
giảng dạy ở trường THPT sau này.

(ii) Chuẩn bị
+ Phòng học có: Bảng; máy chiếu; Phòng thí nghiệm được trang bị kính hiển vi hoạt
động tốt, có độ phóng đại từ 400 lần trở lên; máy tính chứa phần mền chuyên dụng
kết nối với kính hiển vi.
+ Sinh viên: Có bài giảng của giảng viên và các tài liệu tham khảo liên quan (theo
yêu cầu của giảng viên).
+ Địa điểm: Học lý thuyết trên giảng đường; Làm thực hành tại phòng thí nghiệm
chuyên dụng của bộ môn.

2


MỞ ĐẦU
(Lý thuyết: 02 tiết)
Mục tiêu: Sinh viên hiểu và phân biệt được các khái niệm về: Di truyền học; tính di truyền; tính
biến dị; Thông tin di truyền; Tính quy luật của các hiện tượng DT; ứng dụng di truyền học;
Phương pháp nghiên cứu di truyền học.
Nội dung giảng dạy trên lớp: Các khái niệm: Di truyền học; tính di truyền; tính biến dị; Thông
tin di truyền; Tính quy luật của các hiện tượng DT
Sinh viên tự nghiên cứu: Các giai đoạn phát triển của di truyền học; Thành tựu nghiên cứu di
truyền học
Tài liệu học tập:

1. Chu Hoàng Mậu, Nguyễn Thị Tâm, 2006, Giáo trình Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà Nội.
Phương tiện: Bảng; Máy tính; Máy chiếu;
Phương pháp: Thuyết trình; Tự nghiên cứu.
1. Di truyền học
1.1. Di truyền học là gì?
1.2. Thông tin di truyền
1.3. Tính quy luật của các hiện tượng DT

1.4. ứng dụng di truyền học
2. Các giai đoạn phát triển của di truyền học
2.1. Giai đoạn trước Mendel
Thế kỷ V trước CN, Hipocrate (thuyết DT truyền trực tiếp), đối nghịch với Hipocrate là quan niệm
của Aristose (thuyết DT truyền gián tiếp).
Thế kỷ 19 sinh vật học đã phát triển mạnh mẽ, phương pháp lai giống đã áp dụng rộng rãi ở thực
vật và động vật. Các quan niệm như “sự DT hoà hợp” (blending), “ sự DT tập nhiễm” của Lamarck.
Darwin (1809-1882) đã phát triển thuyết pangen (pangensis).
Năm 1871, F. Galton đã tiến hành thực nghiệm kiểm tra thuyết Pangen của Darwin ở thỏ. Galton đã
truyền máu thỏ đen cho thỏ trắng, sau đó lai những con đã truyền máu với nhau, qua 3 thế hệ không
tìm thấy ảnh hưởng tới thỏ trắng. Điều này đã chứng tỏ máu thỏ không chứa gemmule.
2.2. Giai đoạn DT Mendel (1866-1900)
Mendel (1866-1900) là người đầu tiên phát hiện ra các quy luật DT. Trong kỷ yếu Hội các nhà tự
nhiên học của thành phố Bruno “Các thí nghiệm lai ở thực vật”, Mendel đã chứng minh sự DT các
tính trạng có tính gián đoạn và được chi phối bởi các nhân tố DT (element) mà sau này gọi là gen.
2.3. Sự phát triển của thuyết DT nhiễm sắc thể
Từ 1911 Morgan T.H và CS (1866-1945) đã tiến hành nghiên cứu trên đối tương ruồi giấm
(Drosophila melanogaster ) và xây dựng nên thuyết di truyền NST. Theo thuyết này các gen nằm
trên NST xếp theo chiều dọc tạo thành nhóm gen liên kết. Bản đồ di truyền cổ điển được xây dựng..
Từ 1920, Vavilop N.I nêu lên quy luật về các dãy BD đồng dạng và sau này thành thuyết về các
trung tâm giống cây trồng trên thế giới.
Năm 1925-1927 đã có hàng loạt nghiên cứu về tác động gây đột biến của tia X, đặt cơ sở cho
phương pháp đột biến thực nghiệm.

3


Năm 1933, Painter phát hiện ra NST khổng lồ ở côn trùng 2 cánh đặt cơ sở cho nghiên cứu ĐB
NST và lập bản đồ di truyền tế bào. Năm 1941, Beadle G. và Tatum E. nêu ra thuyết 1 gen – 1
enzym chứng minh gen kiểm tra các phản ứng sinh hoá. Đến những năm 40 của thế kỷ 20 Mc

Clintock (Nhà di truyền học Mỹ) đã phát hiện ra yếu tố di truyền vận động (transposable gentic
elements) và bà được nhận giải thưởng Nobel năm 1983 ở tuổi 80.
Thời kỳ cho đến cuối những năm 40 được coi là di truyền học cổ điển.
2.4. Sự phát triển của Di truyền học phân tử
Năm 1944, Avery, Mc Leod và Mc Carty thực hiện biến nạp và chứng minh ADN là vật chất di
truyền, mãi đến 1952 vai trò của ADN mới được xác nhận.
Năm 1953 mô hình ADN của Watson-Cric ra đời;
Năm 1961 Nirenberg M. và Matthei J. đã tìm ra bộ mật mã di truyền, cũng năm 1961 Jacob F. và
Monod tìm ra cơ chế di truyền điều hoà sinh tổng hợp protein ở E.coli.
2.5. Giai đoạn từ khi kỹ thuật DT ra đời đến nay
Từ năm 1970, kỹ thuật di truyền (gentech) ra đời tạo nên cuộc cách mạng mới trong Di truyền học
và cả trong sinh học. Những thành công của kỹ thuật di truyền đó là: (1) Kỹ thuật tách chiết ADN,
định lượng và xác định độ sạch ADN. (2) Các kỹ thuật RFLP, RAPD, ALFP ….(3) Kỹ thuật ADN
tái tổ hợp. (4) Genomics và phân lập gen, xác định trình tự gen là cơ sở xây dựng kỹ thuật gây đột
biến định hướng. (5) Proteomics và biểu hiện gen. Kỹ thuật này thúc đẩy sự phát triển của công
nghệ protein (protein engineering).
3. Phương pháp nghiên cứu di truyền học
3.1. Phương pháp lai
Sử dụng các phương pháp lai truyền thống như: Phương pháp phân tích cơ thể lai, lai phân tích, lai
thuận nghịch, theo dõi phả hệ, lai xa, lai tế bào xoma. So sánh kết quả lai giữa các thế hệ với bố mẹ
làm cơ sở phân tích những đặc điểm di truyền nghiên cứu.
3.2. Phương pháp đột biến thực nghiệm
Sử dụng các tác nhân vật lý và hoá học xử lý vật liệu ở giai đoạn thích hợp tuỳ thuộc và từng loại
cây trồng (hạt, chồi, mầm....) để gây đột biến. Theo dõi thí nghiệm qua các thế hệ M 1, M2, M3...để
phát hiện đột biến, xác định đặc điểm di truyền của các đột biến có ích. Đánh giá các dòng đột biến
có triển vọng , ở M4, M5 ... để làm giống.
3.3. Phương pháp tế bào học: Chế tạo tiêu bản nhiễm sắc thể, quan sát quá trình phân chia tế bào
và nghiên cứu bộ NST, phát hiện những biến đổi về số lượng và cấu trúc NST.
3.4. Kỹ thuật di truyền: Các kỹ thuật thao tác trên ADN và nhiễm sắc thể trong nghiên cứu di
truyền học. Đó là phân lập gen, tách dòng phân tử, biểu hiện gen và chuyển gen...

3.5. Phương pháp thống kê sinh học
Sử dụng phương pháp thống kê sinh học trong phân tích phương sai, phân tích tương quan hồi quy,
xác định các giá trị như hệ số di truyền, hệ số biến dị kiểu hình, biến dị kiểu gen và biến dị do môi
trường.
4. Thành tựu nghiên cứu di truyền học

4


Chương 1
VẬT CHẤT DI TRUYỀN
(Lý thuyết: 06 tiết)
Mục tiêu
+ Các tiêu chuẩn của vật chất di truyền; Bằng chứng về vai trò mang thông tin di truyền của axit
nucleic; Vật chất di truyền ở virut, sinh vật tiền nhân (Prokaryot) và sinh vật nhân thực (Eukaryot).
+ Cấu trúc của axit nucleic: (1) Axit deoxiribonucleic (ADN): Đặc tính của ADN; Thành phần và
cấu trúc hoá học của ADN; Cấu trúc vật lý (2) Cấu trúc và chức năng của các loại ARN.
+ Cấu trúc của nhiễm sắc thể: tính đặc trưng của nhiễm sắc thể; Cấu trúc và chức năng di truyền của
NST; Cơ chế ổn định của bộ NST.
+ Cấu trúc phân đoạn gen ở Eukaryot.
+Tái bản ADN (Replication) in vivo; Kỹ thuật nhân ADN.
Nội dung giảng dạy trên lớp: (1) Các tiêu chuẩn của vật chất di truyền; Bằng chứng về vai trò
mang thông tin di truyền của axit nucleic; (2) Cấu trúc của axit nucleic (i) (ADN): Đặc tính của
ADN; Thành phần và cấu trúc hoá học của ADN; Cấu trúc vật lý (ii) Cấu trúc và chức năng của các
loại ARN; (3) Cấu trúc phân đoạn gen ở Eukaryot; (4) Tái bản ADN (Replication) in vivo; Kỹ thuật
nhân ADN.
Sinh viên tự nghiên cứu: Vật chất di truyền ở virut, sinh vật tiền nhân (Prokaryot) và sinh vật nhân
thực (Eukaryot); Cấu trúc của nhiễm sắc thể: tính đặc trưng của nhiễm sắc thể; Cấu trúc và chức
năng di truyền của NST; Cơ chế ổn định của bộ NST.
Tài liệu học tập:

1. Chu Hoàng Mậu, Nguyễn Thị Tâm, 2006, Giáo trình Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà
Nội.
2. Phan Cự Nhân, Nguyễn Minh Công, Đặng Hữu Lanh, 1999, Di truyền học, NXB Giáo dục,
Hà Nội.
Phương tiện: Bảng; Máy tính; Máy chiếu;
Phương pháp: Thuyết trình; Tự học.
1. AXIT NUCLEIC LÀ VẬT CHẤT DI TRUYỀN
1.1. Các tiêu chuẩn của vật chất di truyền
Vật chất di truyền phải thoả mãn các tiêu chẩn sau:
• Chứa đựng thông tin ở dạng bền vững cần thiết cho việc cấu tạo hoạt động và sinh sản của tế
bào.
• Được sao chép một cách chính xác để thông tin di truyền của thế hệ sau giống như của thế hệ
trước.
• Thông tin di truyền chứa trong vật chất di truyền phải được sử dụng để sinh ra những phân tử cần
cho cấu trúc và hoạt động của tế bào.
• Vật chất di truyền phải có khả năng biến đổi.
1.2. Bằng chứng về vai trò mang thông tin di truyền của axit nucleic
1.2.1. Hiện tượng biến nạp ở vi khuẩn
Thí nghiệm của Griffith (1928)
Vi khuẩn Pneumococus gây bệnh viêm phổi ở động vật có 2 nòi:

5


+) Nòi độc (nòi S): gây bệnh, có vỏ polysaccharit, do vậy bạch cầu không tiêu diệt được. Nòi này
tạo khuẩn lạc nhẵn (smooth) trên môi trường thạch.
+) Nòi không độc (nòi R): không gây bệnh, không có vỏ polysaccharide, tạo khuẩn lạc gồ ghề
(rough) trên môi trường thạch.
Griffith tiến hành thí nghiệm trên chuột như sau:
Tiêm vi khuẩn S sống vào chuột → chuột chết

Tiêm vi khuẩn R sống vào chuột → chuột không chết
Tiêm vi khuẩn S bị đun chết vào chuột → chuột không chết
Tiêm hỗn hợp S bị đun chết với R sống vào chuột → chuột chết. Trong xác chuột chết có vi
khuẩn S và R.
Hiện tượng trên cho thấy, vi khuẩn S không thể tự sống lại được sau khi bị đun chết, nhưng yếu tố
độc của vi khuẩn S vẫn truyền được cho vi khuẩn lành R, biến vi khuẩn R thành vi khuẩn S. Hiện tượng
này gọi là biến nạp.
Năm 1944,T. Avery, Mc Leod và Mc Carty ở đại học tổng hợp Rockerfeler (Mỹ) đã phát hiện tác
nhân gây biến nạp chính là ADN. Bởi vì, nếu xử lí tế bào S chết bằng protease (enzym phân huỷ
protein) hoặc RNase (ribonuclease - enzym phân huỷ ARN) hiện tượng biến nạp vẫn còn. Nhưng
nếu xử lí tế bào S chết bằng DNase (deoxiribonuclease - enzym phân huỷ ADN) thì hoạt tính biến
nạp không còn nữa. Như vậy hiện tượng biến nạp là một chứng minh ADN mang tín hiệu di truyền.
1.2.2. Chứng minh axit nucleic là vật chất mang thông tin di truyền ở virut
1.2.2.1. ở virut mang ADN
Năm 1952, A. Hershey–M. Chase tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T 2 xâm nhập vi khuẩn E.
coli. Cấu tạo của phage T2 gồm vỏ protein và ruột ADN. Thí nhiệm của A. Hershey – M. Chase
nhằm xác định xem khi phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào: ADN hay protein?
Vì ADN chứa P nhưng không chứa S, còn protein chứa S (do 2 axit amin là methionin và xistein)
không chứa P, nên có thể phân biệt ADN với protein bằng chất đồng vị phóng xạ P và S.
Phage T2 được nuôi trên vi khuẩn mọc trên môi trường chứa các đồng vị phóng xạ P 32 và S35. S35
nhiễm vào protein và P32 nhiễm vào ADN. Phage nhiễm phóng xạ này được tách ra, đem nhiễm vào
các vi khuẩn không nhiễm phóng xạ. Khi chu trình lây nhiễm bắt đầu, các tế bào vi khuẩn được li
tâm để tách virut còn bám ngoài tế bào. Phân tích phần nằm ngoài tế bào vi khuẩn chứa nhiều S 35
(80%), nhưng rất ít P32. Phần nằm trong tế bào chứa nhiều P 32 (70%), ít S35. Chứng tỏ, ADN của
thực khuẩn được bơm vào trong tế bào vi khuẩn và mang thông tin trọn vẹn của hạt virut, điều
khiển sự tạo thành ADN và protein hạt virut mới. Như vậy, vật chất di truyền của phage T2 là
ADN.
1.2.2.2. ở virut mang ARN
Năm 1957, H.Fraen Kel - Conrat và B.Singer công bố thí nghiệm ở virut đốm thuốc lá có lõi ARN
và vỏ protein, có hai dạng A và B. Các thí nghiệm đã thành công lắp ráp lõi ARN của dạng này với

protein của dạng kia và ngược lại tạo ra virut có vỏ và lõi thuộc hai dạng khác nhau. Sau đó đem
gây nhiễm vào thuốc lá, kết quả các virut con phân lập được từ vết đốm đều mang cả vỏ protein và
lõi ARN thuộc cùng một dạng là dạng của lõi ARN mang nhiễm chứa không phải của vỏ protein.
Như vậy, một lần nữa các nhà khoa học đã khẳng định thông tin di truyền được chứa đựng trong
ARN chứ không phải trong protein.
1.3. Vật chất di truyền ở virut, sinh vật tiền nhân (Prokaryot) và sinh vật nhân chuẩn
(Eukaryot)
1.3.1. Virut

6


Cấu tạo của virut bao gồm 1 phân tử axit nucleic (có thể là ADN hoặc ARN) được bao quanh bởi 1
vỏ protein.
Các vi rut kí sinh ở sinh vật nguyên thuỷ gọi là bacteriophage hoặc phage, chỉ có phân tử axit
nucleic xâm nhập vào tế bào vật chủ và một tỉ lệ nhỏ protein của nó. Các virut kí sinh trên động vật
thường xâm nhập toàn bộ cơ thể của chúng.
Các virut mang ADN gồm virut kí sinh trên động vật và thực khuẩn thể. Các virut mang ARN chủ
yếu là virut kí sinh thực vật. Phần lớn các thực khuẩn thể đều chứa phân tử ADN 2 sợi, số ít mang
ADN 1 sợi (φX 174, S12). Phân tử ARN ở virut thường chỉ một sợi, một số reovirut (vật chủ chính là
người) mang ARN 2 sợi.
Vật chất di truyền của virut được truyền lại cho thế hệ sau bằng phương thức tái tổ hợp.
1.3.2. Sinh vật nhân sơ (Prokaryot)
Sinh vật tiền nhân là những sinh vật đã có cấu tạo tế bào, nhưng chưa có màng nhân để ngăn cách
NST với cấu trúc khác của tế bào. Thuộc nhóm này bao gồm các vi khuẩn và tảo lam. Vật chất di
truyền của chúng chỉ là 1 NST đơn độc. NST của vi khuẩn là phân tử ADN trần (không liên kết với
protein histon theo nguyên tắc nhất định như ở sinh vật nhân chuẩn), chuỗi kép, mạch vòng. Điển
hình ở E. coli NST là một phân tử ADN vòng với 3000 – 4000 gen.
Ngoài NST, ở vi khuẩn còn được phát hiện loại vật chất di truyền quan trọng nằm trong tế bào chất
là các plasmid mang ADN vòng kép. Các plasmid có khả năng tự sao độc lập với NST.

Ở vi khuẩn và tảo lam vật chất di truyền được truyền lại cho thế hệ sau bằng sự phân cắt sau quá
trình tự nhân đôi của NST.
1.3.3. Sinh vật nhân chuẩn (Eukaryot)
Sinh vật nhân chuẩn có nhân điển hình, chứa từ 2 NST trở lên, được ngăn cách với tế bào chất bằng màng
nhân. Phần lớn ADN của sinh vật nhân chuẩn chứa trong bộ NST trong nhân tế bào, một số ADN khác
nằm trong ty thể, lạp thể.
Vật chất di truyền và phương thức truyền đạt vật chất di truyền ở sinh vật nhân chuẩn so với sinh
vật tiền nhân và virut có một số khác biệt sau:
(1) Số lượng, chiều dài, hàm lượng ADN ở sinh vật nhân chuẩn đều lớn hơn so với sinh vật tiền
nhân và virut.
(2) NST ở sinh vật nhân chuẩn là sự kết hợp của ADN với nhiều loại protein khác nhau (protein
histon và protein phi histon). Hỗn hợp axit nucleic với protein gọi là chất nhiễm sắc (chromatin).
(3) NST hoạt động theo các cơ chế: tự nhân đôi, phân li và tổ hợp trong các quá trình nguyên phân,
giảm phân hoàn toàn khác với phương thức phân bào theo kiểu phân cắt ở vi khuẩn và tái tổ hợp
gen ở virut.
2. CẤU TRÚC CỦA AXIT NUCLEIC
2.1. Axit deoxiribonucleic (ADN)
2.1.1. Đặc tính của ADN
ADN định khu trên NST, ty thể và lạp thể.
Hàm lượng ADN và số lượng NST trong tế bào có mối liên hệ chặt chẽ và ổn định (trừ những
trường hợp đột biến). Hàm lượng ADN trong nhân tế bào soma thuộc cùng một loài luôn ổn định
và lớn gấp 2 lần tế bào sinh dục. Ở các mô đa bội nhân tế bào có nhiều hơn 2n NST, thì hàm
lượng ADN cũng tăng lên tương ứng.
Ở nhân tế bào chỉ có hàm lượng ADN và protein histon là ổn định, còn lại các ARN và protein khác
không ổn định.
ADN có khả năng tự nhân đôi, có khả năng đột biến tạo nên những alen mới. ADN có khả năng hấp
thụ tia tử ngoại tối đa ở bước sóng 260nm.

7

2.1.2. Thành phần và cấu trúc hoá học của ADN
ADN là một đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân (polymer), gồm nhiều đơn phân
(monomer) là nucleotit.
Cấu tạo bởi 5 nguyên tố: C, H, O, N, P.
Mỗi nucleotit bao gồm 3 thành phần:
- Axit photphoric (H3PO4)
- Đường pentose 5 carbon, đó là đường deoxiriboza (C5H10O4)
- Bazơ nitơ
Có 4 loại bazơ nitơ: Adenin (A), guanin (G) là dẫn xuất của purin (kích thước khoảng 7A 0). Thymin
(T), cytozin (C) là dẫn xuất của pirimidin (kích thước khoảng 5A 0). Vì vậy có 4 loại nucleotit được
phân biệt bởi bản chất của bazơ nitơ.
Trong một nucleotit, nhóm photphat gắn vào vị trí cacbon số 5, còn bazơ nitơ gắn vào vị trí carbon
số 1 của đường C5H10O4. Đây là cấu trúc bậc 1 của ADN. Trên mạch đơn, các đơn phân liên kết với
nhau bằng cách, nhóm photphat của nucleotit này liên kết với nhóm OH ở vị trí C số 3 của nucleotit
kế tiếp qua liên kết photphodieste. Đây là liên kết bền vững đảm bảo thông tin di truyền trên mỗi
mạch đơn ổn định kể cả khi ADN tái bản và phiên mã. Do cấu trúc như vậy, nên mỗi mạch đơn
polynucleotit bao giờ cũng có một đầu chứa nhóm photphat tự do ở vị trí C số 5 của đường
C5H10O4 được gọi là đầu 5’P, một đầu chứa nhóm OH tự do ở vị trí C số 3 của đường C 5H10O4 được
gọi là đầu 3’OH. Do vậy các phân tử ADN thể hiện tính phân cực rõ rệt.
2.1.3. Cấu trúc vật lý
Mô hình cấu trúc không gian ADN do Watson – Crick xây dựng năm 1953 (ADN dạng B) có các
đặc trưng sau: ADN là 1 chuỗi xoắn kép gồm 2 mạch đơn (polynucleotit) xoắn song song theo
chiều từ trái sang phải (xoắn phải) giống như một thang dây xoắn. Trong đó, tay thang là các phân
tử đường và axit tạo nên, bậc thang do các cặp bazơ đứng đối diện và liên kết với nhau bằng liên kết
hidro theo nguyên tắc bổ sung (complementary): đối diện adenin là thymin, đối diện guanin là
cytosin (hình 1.6).
Kết luận A bắt cặp với T, G bắt cặp với C của Watson – Crick hoàn toàn dựa trên tính toán lí
thuyết, nhưng nó đã bất ngờ giải thích phát hiện của E. Chargaff (Mĩ) năm 1951 là: Bất kì phân tử
ADN nào A luôn bằng T, G luôn bằng C. Điều này có nghĩa ở tất cả các loại ADN, tổng số bazơ

A+G
= 1 ). Về mặt số lượng trong bất kì phân
purin bao giờ cũng bằng pirimidin (A+G = T+C ⇔
T +C
A+T
tử ADN nào cũng đều có: A =T; G = C ⇔
≠1 . Ở mỗi loài tỉ số này là một hằng số đặc trưng
G+C
cho loài, được gọi tỉ số bazơ (KADN). Ví dụ: KADN người =1,52; KADN E. coli = 0,93.
Do các bazơ nitơ liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung cho nên đảm bảo cho chiều rộng của
chuỗi xoắn kép luôn ổn định bằng 20 Å. Khoảng cách giữa 2 nucleotit kế tiếp là 3,4Å. Phân tử
ADN xoắn theo chu kì, mỗi chu kì dài 34Å gồm 10bp.
Hai mạch polynucleotit của ADN bao giờ cũng bố trí song song, chiều ngược nhau:
3’OH → 5’P
5’P ← 3’OH
Tính đặc trưng của phân tử ADN phụ thuộc vào 3 yếu tố: số lượng, thành phần và trình tự sắp
xếp các nucleotit trong ADN, trong đó phụ thuộc nghiêm ngặt vào trình tự các nucleotit.

8


Kích thước của phân tử ADN được tính bằng bp (base pair) hoặc kb (kilobase - kb = 1000 bp).
Ngoài ra người ta còn sử dụng đơn vị picogram, kí hiệu là pg (1 picogram ADN = 0,965. 10 9 bp =
6,1 .1011 dalton = 29cm).
Ngày nay nhờ các phương pháp phân tích chính xác người ta đã phát hiện thêm các dạng ADN A,
Z, C, T. Các dạng này khác nhau ở các chỉ số về số cặp bazơ ở mỗi vòng xoắn, khoảng cách giữa 2
nucleotit kề nhau, chiều xoắn...Dạng ADN dạng B thường tồn tại trong điều kiện sinh lí bình
thường, các dạng khác tồn tại ở các điều kiện khác nhau.
Mô hình của Watson và Crick đã lý giải được những chức năng cơ bản của ADN là bảo đảm cho
việc tái sinh trong quá trình tự sao chép ở gian kỳ và điều chỉnh việc tổng hợp các enzym và các

protein.
Bảng 1.2. So sánh đặc điểm của một số loại ADN
Số bp
Chiều
Đường
Dạng Chiều
trong
Góc
cao một
Dạng
kính
ADN
xoắn
một chu xoắn (0)
chu kỳ
thiết diện
(Å)
kỳ
xoắn
B
Phải
10
36
20
34
Tròn
A
Phải
11
32,7

23
28
Tròn
Z
Trái
12
30
18
37,1
zigzac
C
Phải
9,3
38,6
20
31
Tròn
D
Phải
8
Bát giác
2.2. Cấu trúc và chức năng của các loại ARN
Phân tử ARN cũng là một chất trùng hợp gồm nhiều ribonucleotit gắn với nhau giống như chuỗi
đơn của phân tử ADN.
Cấu trúc của phân tử ARN khác ADN ở 3 đặc điểm:
• Đường của ARN là đường ribose (C5H10O5), không phải là deoxiribose (C5H10O4) như trong
ADN.
• Mỗi ribonucleotit của ARN chứa 1 trong 4 bazơ nitơ là A, U, G, C. U trong ARN được thay
thế bởi T trong ADN.
• ARN chỉ gồm một sợi đơn poloribonucleotit (trừ trường hợp ở một số ít virut như retrovirut

mang ARN 2 sợi).
Chỉ ARN trong virut chứa ARN là hệ gen thì mới có chức năng duy trì và truyền đạt thông tin di
truyền tương ứng cho thế hệ sau. Các dạng ARN còn lại chỉ mang vai trò tham gia vào quá trình
truyền đạt thông tin di truyền qua quá trình tổng hợp protein và được phân biệt bởi chức năng của
chúng trong quá trình tổng hợp protein.
2.2.1. ARN thông tin (mARN = messager RNA hay iARN = informational RNA)
- ARN được tổng hợp trong nhân tế bào, từ gen cấu trúc, làm nhiện vụ trung gian truyền thông tin
di truyền từ ADN trong nhân sang protein được tổng hợp ở riboxom.
- Hàm lượng mARN rất ít, chỉ chiếm vài % ARN tổng số trong tế bào.
- ARN thông tin được cấu tạo từ một mạch polyribonucleotit có từ khoảng 600-1500
ribonucleotit. Phân tử mARN có một bộ ba mở đầu (AUG), sau đó đến bộ ba quy định acid
min thứ nhất, thứ hai….cuối cùng là bộ ba kết thúc (UAA, UGA, UAG). Phân tử mARN có
chức năng truyền đạt thông tin di truyền từ ADN trong nhân tế bào đến tế bào chất và trực
tiếp tham gia tổng hợp protein.
2.2.2. ARN ribosom (rARN = ribosomal RNA)

9


ARN ribosom chiếm 80% tổng số ARN trong tế bào. Các rARN kết hợp với protein tạo thành
ribosom, một thành phần của bộ máy dịch mã. Tuỳ theo hệ số lắng, rARN được chia thành nhiều
loại:
- Ở nhóm Eukaryot có rARN 28S; 18S; 5,8S; 5S.
- Ở nhóm Prokaryot có rARN 23S; 16S và 5S.
Ribosom có dạng hạt. Bản chất hoá học của ribosom là nucleoproteit (protein chiếm gần 36%,
rARN chiếm 64%). Về cấu tạo, ribosom gồm 2 tiểu phần lớn và nhỏ. Trong tiểu phần lớn của
ribosom có 2 vị trí quan trọng liên quan đến quá trình tổng hợp protein: Vị trí A (aminoacyl site): vị
trí tiếp nhận axit amin; Vị trí P (peptidyl site): vị trí tạo liên kết peptit giữa các axit amin.
2.2.3. ARN vận chuyển (tARN = transfer RNA)
ARN vận chuyển chiếm từ 10 – 20 % ARN tổng số trong tế bào. Mỗi phân tử tARN có từ 75 – 85

nucleotit, khối lượng phân tử 26000 dalton. tARN có cấu trúc đặc thù theo không gian 3 chiều
giống chiếc lá dâu xẻ 3 thuỳ do mạch đơn polyribonucleotit quấn trở lại.
- Thuỳ I: nhận biết enzym hoạt hoá và gắn axit amin tương ứng vào đầu 3’ của tARN (enzyme
aminoacyl tARN synthetase).
- Thuỳ II: mang cụm đối mã khớp với cụm mã sao trên mARN theo nguyên tắc bổ sung.
- Thuỳ III: nhận biết và tác dụng với ribosom
Một số tARN có thuỳ thứ IV gọi là vòng biến đổi.
Đầu 3’ là nơi gắn với axit amin của mọi tARN đều mang bộ 3 AXX, còn đầu mút 5’ kết thúc bằng
bộ 3 GGG, còn các nucleotit khác thay đổi tuỳ loại tARN (hình 1.8).
Chức năng của tARN là vận chuyển axit amin tương ứng đã được hoạt hoá đến bộ máy dịch mã để
tổng hợp protein.
3. CẤU TRÚC CỦA NHIỄM SẮC THỂ
- Nhiễm sắc thể là những cấu trúc hiển vi nằm trong nhân tế bào có khả năng bắt màu và giữ màu
khi nhuộm bằng thuốc nhuộm bazơ.
Đặc trưng của NST
- Bộ nhiễm sắc thể trong nhân tế bào biểu hiện rõ nhất ở kỳ giữa của nguyên phân vì ở giai đoạn
này nhiễm sắc thể đóng xoắn cực đại nên có độ dày lớn nhất, nhuộm màu mạnh nhất, dễ
nhìn thấy dưới kính hiển vi thường. Trong trạng thái này người ta có thể đếm, nghiên cứu
hình dạng, kích thước, đặc điểm từng nhiễm sắc thể.
- Nhiễm sắc thể mang tính đặc trưng cho từng loài sinh vật về số lượng, cấu trúc, hình thái, sự phân
bố gen. Trong tế bào xôma ở sinh vật nhân chuẩn NST bao giờ cũng tồn tại thành từng cặp,
gồm 2 chiếc giống nhau về hình dạng, kích thước, cấu trúc được gọi là cặp NST đồng dạng
(tương đồng), trong đó một NST có nguồn gốc từ bố, một NST có nguồn gốc từ mẹ => 2n;
Trong tế bào giao tử….=> n.
- Nhiễm sắc thể hoạt động theo phương thức tự nhân đôi, phân li, tổ hợp trong quá trình phân bào
và thụ tinh.
3.1. Số lượng nhiễm sắc thể
Nhiễm sắc thể tồn tại trong tế bào lưỡng bội 2n (tế bào soma, tế bào sinh dục) thành từng cặp tương
đồng (trừ cặp NST giới tính XY), số lượng nhiễm sắc thể trong nhân tế bào luôn chẵn và là bội số của 2
gọi là bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội, ký hiệu 2n. Trong giao tử (n) nhiễm sắc thể tồn tại thành từng chiếc

1
đơn lẻ và có số lượng chỉ bằng số lượng nhiễm sắc thể của tế bào sinh dưỡng, được gọi là bộ nhiễm sắc
2
thể đơn bội, ký hiệu: n.
NST là sản phẩm của quá trình phát triển lịch sử, có số lượng đặc trưng cho từng loài.
3.2. Hình thái và các loại NST

10


Hình thái nhiễm sắc thể đặc trưng cho loài sinh vật và được xác định rõ nhất ở kỳ giữa và giai đoạn
đầu của kỳ sau. Căn cứ vào vị trí của tâm động (hạt trung tâm) mà có thể phân biệt 3 kiểu hình thái:
• Nhiễm sắc thể cân tâm: hình chữ V, 2 cánh bằng nhau.
• Nhiễm sắc thể lệch tâm: hình chữ V, 1 cánh ngắn, 1 cánh dài.
• Nhiễm sắc thể mút tâm, 1 cánh hết sức ngắn.
Căn cứ vào cấu trúc, chức năng, hình thái người ta phân biệt các loại NST sau:
- Nhiễm sắc thể thường hay nhiễm sắc thể A (autosomer) giống nhau ở 2 giới đực và cái thuộc cùng
một loài.
- Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosomes) khác nhau ở giới đực và cái.
- Nhiễm sắc thể B còn gọi NST bổ sung hay NST phụ, phát hiện ở 1 số loài thực vật như ngô, lúa
mạch đen ngoài các NST A bình thường. Những cây có NST B thưòng yếu hơn và kém hữu thụ so
với các cây khác.
Một số dạng NST đặc biệt
Nhiễm sắc thể khổng lồ (polytene chromosome) được phát hiện trong tế bào tuyến nước bọt, tuyến
manpighi, màng ruột một số côn trùng bộ 2 cánh.
Nhiễm sắc thể khổng lồ hay còn gọi là NST đa sợi, vì chúng có số lượng sợi NST nhiều gấp hàng
ngàn lần so với NST thường (1500 – 1600 sợi nhiễm sắc), mỗi sợi tương đương với 1 chromatit.
Nguyên nhân của hiện tượng này là do cơ chế nội phân bào (endomitosis): nhiễm sắc thể tự nhân
đôi bình thường nhưng không bị phân li do nhân tế bào không phân chia. Vì vậy, NST khổng lồ có
dạng bó sợi với đường kính lớn. Chiều dài của NST khổng lồ từ 250 - 300 µm, gấp 100 – 200 lần

NST thường là do dọc theo chiều dài NST khổng lồ có những đoạn đóng xoắn, tập trung nhiều hạt
nhiễm sắc, bắt màu đậm (đĩa tối) xen kẽ với những đoạn không đóng xoắn, bắt màu nhạt (đĩa sáng).
Vị trí đĩa tối và đĩa sáng cố định trên NST, người ta lợi dụng đặc điểm này để xác định vị trí của
hàng loạt gen trên NST để thiết lập bản đồ di truyền tế bào.
Trên NST khổng lồ ở giai đoạn nhất định, các đĩa màu trương lên thành những chỗ phình lớn gọi là
bọng hay Puffs, sau khi đạt kích thước tối đa bọng nhỏ dần trở lại bình thường. Thực chất, bọng là
những vòng ADN được tháo xoắn, nơi tổng hợp ARN nhanh và nhiều.
Nhiễm sắc thể kiểu chổi đèn
Phát hiện trong nhân các tế bào trứng động vật có xương sống, ở kỳ trước 1 của giảm phân. Các
NST này tham gia vào sự tổng hợp ARN và protein cần cho sự phát triển nhanh của trứng chín.
Mỗi NST chổi đèn gồm 2 NST tương đồng, mỗi NST trong cặp tương đồng gồm 2 chromatid gắn
với nhau bởi tâm động. Mỗi NST có một số các vòng bên, chẻ nhánh ở trục chính. Các vòng này
cũng giống như bọng trên NST khổng lồ, là nơi tổng hợp nhiều ARN.
3.3. Cấu trúc và chức năng di truyền của NST
Bằng các phương pháp nghiên cứu trên kính hiển vi điện tử, nhiễu xạ tia X, xử lý enzym, các nhà
khoa học đã phát hiện sự khác biệt về tổ chức ADN trong nhiễm sắc thể thuộc 2 nhóm prokaryot và
eukaryot.
3.3.1. Tổ chức ADN trong NST của sinh vật Prokaryot (nucleoid) (nucleoid – vùng nhân)
Nhân ở sinh vật nhân nguyên thuỷ chỉ mới ở dạng nucleoid (vùng nhân), là vùng chứa ADN, trong
đó ADN được gấp và cuộn thành nhiều vòng xoắn (siêu xoắn). Tính chất siêu xoắn ở đây chịu sự
kiểm soát của enzym topoisomeraza.
Phân tử ADN 350 µM của E.coli được thắt vòng bởi phân tử ARN do đó đã co ngắn lại chỉ còn
30µM, sau đó lại tiếp tục quá trình cuộn xoắn, rút ngắn chỉ còn 2 µM.

11


Khi xử lí nucleoid bằng ribonuclease (RNase) thì xảy ra tác động bộ phận, số vòng thắt giảm nhưng
dạng cuộn xoắn vẫn giữ nguyên. Ngược lại, khi xử lí deoxiribonuclease (DNase) cũng xảy ra tác
động bộ phận, thể hiện số vòng thắt vẫn giữ nguyên, nhưng ở 2 vòng lại có tình trạng duỗi xoắn.

Nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân nguyên thuỷ cũng có liên kết với protein, đó là 1đoạn axit amin
tương ứng với histon2B ở sinh vật nhân chuẩn. Vai trò của histon có thể là để bảo vệ ADN khỏi bị
thuỷ phân bởi nhiều nuclease có mặt trong tế bào. Ở virut SV- 40, ở động vật có vú cũng có ADN 2
sợi kết hợp với histon.
3.3.2. Tổ chức ADN trong nhiễm sắc thể ở sinh vật Eukaryot nucleosom (Thể nhân)
Nucleosom được xem là đơn vị cấu tạo cơ sở theo chiều dọc của nhiễm sắc thể. Mỗi nucleosom gồm
8 phân tử histon tạo thành khối cầu gọi là octamer, gồm:
- 2 phân tử H3 và 2 phân tử H4 liên kết ở vùng trung tâm
- 2 phân tử H2A và 2 phân tử H2B liên kết phía ngoài.
Đoạn ADN cuốn 13/4 vòng quanh khối cầu tương đương với 146 bp. Mỗi nucleosom có đường
kính 100 Å. Các nucleosom nối với nhau bằng một đoạn ADN dài 15 – 100 cặp nucleotit làm thành
sợi cơ bản của nhiễm sắc thể, trên đó có chứa 1 phân tử protein H 1. Sợi cơ bản xoắn tiếp một mức
nữa (xoắn bậc 2) tạo nên sợi nhiễm sắc (xoắn bậc 2 hay solenoit), có đường kính 250 – 300 Å.
Bước cuộn xoắn này liên quan đến histon 1. Ở kỳ trung gian, sợi solenoit cuộn xoắn lần nữa tạo
thành một ống rỗng, đường kính khoảng 2000 Å. Ống rỗng có đường kính 2000 Å cuộn xoắn lần
cuối cùng tạo thành cuộn xoắn lớn hơn có đường kính 6000 Å, đó chính là chromatit ở kỳ giữa qúa trình
phân chia tế bào.
3.4. Cơ chế ổn định của bộ NST
3.4.1. Sự ổn định của bộ NST (2n) trong các thế hệ tế bào
- Trong cơ thể đa bào, các thế hệ tế bào được tạo ra do quá trình nguyên phân từ hợp tử (sinh sản
hữu tính) hoặc từ nhóm tế bào ban đầu hay một phần cơ thể mẹ (sinh sản vô tính).
- Phân bào nguyên nhiễm xảy ra ở pha M trong chu kỳ tế bào, gồm 4 kỳ: kỳ đầu, kỳ giữa, kỳ sau và
kỳ cuối. Trước khi bước vào quá trình phân bào nhiễm sắc thể đã tự nhân đôi tạo thành
nhiễm sắc thể kép có 2 cromatit dính nhau ở tâm động.
- Sự tự nhân đôi của NST và sự phân ly của NST ở kỳ sau dẫn đến sự phân đều các NST sắc thể cho
hai tế bào con, số NST trong mỗi tế bào con luôn là số chẵn và bộ NST của mỗi tế bào con
giống hết bộ NST của tế bào mẹ (2n). Như vậy, nguyên phân là cơ chế duy trì tính đặc trưng
của bộ NST 2n ổn định qua các thế hệ tế bào của một cơ thể và qua các thế hệ cơ thể sinh
sản vô tính sinh dưỡng.
3.2.2. Sự ổn định bộ NST (2n) qua các thế hệ cơ thể

- Đối với các loài sinh sản hữu tính giao phối, sự kết hợp các cơ chế nguyên phân, giảm phân và thụ
tinh bảo đảm cho bộ NST 2n ổn định qua các thế hệ cơ thể.
- Quá trình phân bào giảm nhiễm xảy ra ở thời kỳ chín, gồm hai lần phân bào liên tiếp mà nhiễm
sắc thể chỉ nhân đôi một lần; có hiện tượng tiếp hợp và trao đổi đoạn xảy ra ở kỳ đầu lần
phân bào I và kết quả hình thành giao tử chứa bộ NST đơn bội n (bộ NST giảm một nửa).
Đặc biệt trong giảm phân có hiện tượng phân ly của các cặp NST dẫn đến mỗi tế bào con
được tạo thành chỉ chứa một NST trong cặp NST hoặc có nguồn gốc từ bố, một có nguồn
gốc từ mẹ. Giảm phân là cơ chế làm cho bộ NST ở giao tử giảm một nửa.
- Thụ tinh là hiện tượng tinh trùng (n) kết hợp với trứng (n) tạo thành hợp tử 2n. Như vậy, thụ tinh
là cơ chế bảo đảm cho NST ở hợp tử được tổ hợp lại (2n).
- Hợp tử (2n) nguyên phân liên tiếp tạo thành cơ thể mới, mỗi tế bào của cơ thể đều chứa bộ NST
lưỡng bội 2n. Khi trưởng thành, cơ thể giảm phân hình thành giao tử và quá trình thụ tinh sẽ
dẫn đến sự hình thành hợp tử.
3.5. Đặc thù trong hoạt động của NST

12


Chất dị nhiễm sắc (heterochromatine) chiếm khoảng 90% chất nhiễm sắc, thường biểu hiện ở dạng
các búi rất đậm đặc trong nhân gian kỳ, trong đó chứa các đoạn ADN không hoạt động (không
phiên mã) và rất giàu histon H1.
Chất đồng nhiễm sắc (euchromatine): Trong nhân gian kỳ, các vùng chất nguyên nhiễm sắc gồm
các sợi nhiễm sắc ít cô đặc hơn và thường ở dạng các sợi nucleosom. Về mặt di truyền chúng chứa
các gen hoạt động và được phiên mã tổng hợp các mARN, tARN và rARN.
4. CẤU TRÚC PHÂN ĐOẠN GEN Ở EUKARYOT
4.1. Cấu trúc phân đoạn gen (phân mảnh)
Một gen cấu trúc ở Eukaryot liên quan với một số trình tự có vị trí và chức năng như: trình tự tăng
cường (enhancer), trình tự khởi động (promotor), trình tự operator. Gen cấu trúc gồm các đoạn
intron và exon xen kẽ nhau, cuối cùng là đoạn kết thúc.
• Nhiều gen ở Eukaryot và một số sinh vật Prokaryot mang các đoạn không mã hoá (Noncoding

Sequences) được gọi là intron hay gọi là đoạn xen (Insertion Sequence = IS) xen vào và làm gián
đoạn các đoạn mã hoá (Coding Sequences) được gọi là exon.
• Những gen có cấu trúc gồm exon và intron được gọi là gen phân đoạn (splip gen), hay còn được
gọi là gen khảm (mosaic gen).
Hiện nay, chưa rõ chức năng của intron, tuy nhiên có giả thuyết rằng, intron có vai trò như là các
khoảng trống xen giữa các exon tạo thuận lợi cho sự tái tổ hợp giữa các exon.
Khi phiên mã tổng hợp mARN, các đoạn không mã hoá và mã hoá đều được sao mã thành phân tử
mARN, đó chính là tiền mARN (Pre-mARN), còn gọi là ARN không đồng nhất trong nhân (hnARN: heteroge neousnuclear RNA). Loại hn-ARN chỉ được phát hiện ở sinh vật nhân chuẩn.
sao mã
processing
ADN
hn-ARN
mARN
tiền mARN
cắt nối
Thí nghiệm của Pierre Chambon (Pháp) đã phát hiện cấu trúc của exon – intron của gen ovalbumin
gà. Ovalbumin là protein lòng trắng trứng, gồm một chuỗi polypeptit có 386 axit amin (tập hợp
trong ống dẫn trứng ở thời kỳ gà mái đẻ trứng).
Ngoài việc tách mARN của ovalbumin, sử dụng enzym sao mã ngược (RT) tạo ra các bản sao của
mARN sợi đơn được gọi là cADN, từ đó tổng hợp cADN sợi kép. So sánh ADN nhân với cADN
khi giải trình tự phát hiện ra intron và exon. Kết quả ovalbumin trứng gà có 7 intron, 8 exon.
Phương pháp phát hiện các đoạn intron và exon
Phương pháp so sánh trình tự gen với trình tự cADN
Bước 1: (1) Tách chiết ADN hệ gen
(2) Phân lập gen bằng kỹ thuật PCR hay enzym cắt hạn chế
(3) Tạo dòng ADN tái tổ hợp, nhân dòng và tách dòng gen
(4) Giải trình tự gen
Bước 2: (1) Tách mARN trong tế bào chất (hàm lượng mARN rất lớn, mARN của ovalbumin
chiếm tới 50% ARN trong các tế bào này).
(2) Sử dụng enzym sao mã ngược tổng hợp cADN

(3) Giải trình tự cADN
Bước 3: So sánh trình tự ADN hệ gen với trình tự cADN xác định được các đoạn intron và exon.
Phương pháp lai phân tử và kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử.
(1) Tách ADN hệ gen và mARN tế bào chất

13


(2) Phân lập gen
(3) Lai phân tử : ADN và mARN, xác định được intron và exon.
4.2. Yếu tố di truyền vận động (Transposable Gentic Element, TGE)
Yếu tố di truyền vận động - TGE lần đầu tiên được phát hiện bởi Barbara Mc Clintock khi nghiên
cứu ở ngô vào những năm 40 của thế kỷ XX và bà được nhận giải thưởng Nobel 1983.
TGE là những đoạn ADN đặc biệt xen vào một hoặc một số vị trí trong hệ gen, tạo nên những biến đổi
di truyền. Yếu tố di truytền vận động bao gồm gen nhảy (Jumping gen) và đoạn xen (Insertion
Sequence – IS)
Gen nhảy (Jumping gen) là yếu tố di truyền vận động (TGE) chứa thông tin quy định một sản phẩm
nào đó (protein). Loại TGE đơn giản nhất là các đoạn xen, IS cần thiết cho quá trình xen ADN vào
NST, cho quá trình chuyển TGE từ vị trí này sang vị trí khác trong hệ gen. Cấu trúc của IS giống
nhau ở những sinh vật khác nhau. Đoan xen không chứa thông tin di truyền.
Người ta đã phát hiện được ở E.coli một đoạn xen IS1 chứa 720 bp nằm giữa đoạn đảo ngược IR
(inverted repeats) dài 24 bp.
IR

GEN TRANSPOSASE

IR

←24bp→ ← 720bp→ ← 24bp→
Hình 1.14. Đoạn xen IS1 ở E.coli

Khi đoạn xen IS xâm nhập vào một đoạn ADN, toàn bộ đoạn ADN có thể di chuyển từ chỗ này đi
chỗ khác trên nhiễm sắc thể hoặc từ nhiễm sắc thể này đến nhiễm sắc thể khác. Các gen nhảy như thế
gọi là transposon (Tn).
Người ta đã phát hiện ra gen nhảy mang tên Tn 1681 (Transposase) ở E.Coli gồm 2 đoạn xen IS1 ở
hai đầu và 1 gen khác dài 552 bp qui định đốc tố chịu nhiệt gây ỉa chảy.
IR
←

IR
IS1

GEN ĐỘC TỐ
552bp

IR

→ ← 552bp → ←

IR
IS1

→

Hình 1.15. Gen nhảy Tn 1681 ở E.coli
Cơ chế xen gen nhảy vào nhiễm sắc thể
Tại điểm đích, điểm mà gen nhảy sẽ xen vào, trên NST xảy ra vết cắt zigzag do enzym cắt hạn chế
thực hiện. Gen nhảy xen vào giữa vết cắt và vết cắt được hàn lại theo nguyên tắc bổ trợ. Kết quả: kề
với 2 đầu của gen nhảy bao giờ cũng có 2 đoạn lặp lại cùng chiều trên NST.
Đoạn xen và gen nhảy tồn tại phổ biến ở sinh vật nhân sơ cũng như ở sinh vật nhân chuẩn. Nghiên
cứu gen nhảy cho thấy hệ gen không tĩnh mà rất động vì có những đoạn ADN vận động khắp hệ

gen làm thay đổi cấu trúc của nó, ảnh hưởng đến hoạt động của gen và sự biểu hiện gen gây ra biến
đổi di truyền ở mức độ cao.
5. MỘT SỐ KHÁI NIỆM
5.1. Các phân đoạn ADN (ADN vệ tinh )
Tách chiết ADN của Eukaryot trên thang nồng độ cesium chloride (CsCl 2), bằng siêu ly tâm thấy
xuất hiện 3 band. Vệt lớn có nồng độ đậm, một loại vệt khác có nồng độ thấp được gọi là ADN vệ
tinh (Satellite DNA).
5.2. Biến tính và hồi tính

14


Hai mạch ADN gắn với nhau bằng các liên kết hidro. Khi đun nóng phân tử ADN vượt quá nhiệt độ
sinh lí bình thường (800C- 950C) các liên kết hidro giữa hai mạch bị đứt và hai mạch đơn tách rời
nhau. Đó là hiện tượng biến tính của ADN. Nếu ADN đã biến tính được hạ nhiệt độ từ từ trở lại
bình thường, chúng có thể gắn lại với nhau trở thành mạch kép. Hiện tượng này gọi là hồi tính
(renaturation) .
Nhiệt độ làm hai mạch tách rời nhau được gọi là nhiệt độ nóng chảy Tm (melting temperature) của
ADN. Điểm chảy được tính ở giữa đường cong OD hình sigma.
Tm đặc trưng cho từng loại ADN, phụ thuộc số liên kết hidro và điều kiện sử dụng trong biến tính.
Vì vậy phân tử ADN càng dài và tỉ lệ cặp G-C càng cao thì nhiệt độ nóng chảy cũng càng cao. Hàm
lượng G- C tăng 1%, thì Tm tăng 0,4%. Loại ADN có G – C chiếm 60% sẽ biến tính ADN ở Tm
khoảng 950C trong các điều kiện sinh lí phù hợp. Chất formamide có khả năng hạ thấp điểm nóng
chảy, được sử dụng trong lai phân tử để giảm nhiệt độ lai.
ADN mạch kép hay mạch đơn được xác định bằng phương pháp đo mật độ quang (OD – optical
density) ở bước sóng 260nm. Giá trị mật độ quang tăng lên khi phân tử ADN mạch đôi chuyển
thành mạch đơn, hiện tượng này gọi là "hiệu ứng siêu sắc". Nguyên nhân của hiện tượng này là do,
trong phân tử ADN, các base (các thành phần hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 260nm) nằm chồng lên
nhau trên những mặt phẳng song song nên che lấp một phần các base khiến chúng hấp thu ánh sáng
ít hơn so với ADN mạch đơn.

5.3. Các trình tự lặp lại
Hiện tượng trong các phân tử ADN có các trình tự bazơ ngắn được lặp lại nhiều lần gọi là trình tự
lặp lại.
Ví dụ: ATAT GCGTCCATATCGCGCTATATGCGTAGC
Sự không thống nhất của ADN Eukaryot thể hiện rõ khi thực hiện phản ứng tái hợp ADN
(reassociation).
•

ADN cắt nhỏ bởi enzym giới hạn

•

Biến tính

• Hồi tính: Các trình tự bổ sung dễ tái tổ hợp với nhau, từ đó nhận biết được các trình tự lặp
lại.
Phân tích di truyền các trình tự lặp lại có thể tìm kiếm được các chỉ thị phân tử ADN ở sinh vật
bằng các kỹ thuật phân tích vi vệ tinh MS (Microsatellite) hoăc SSR (Simple sequence repeat).
5.4. Trình tự CEN và TEL
• CEN
Các tính từ lặp lại cao CEN nằm gần tâm động (Centromere).
VD: Ở nấm men Saccharomyces gồm các trình tự CEN
- Trình tự đầu có 9 cặp base TCACATGAT ( ở đầu 5’)
- Trình tự giữa 80 – 90 bp , rất giàu A - T (>90%)
- Trình tự 11 cặp base ở đầu 3’: TGATTTCCGAA
• TEL (Telomere- đầu mút NST ), có vai trò bảo vệ đầu mút NST khỏi bị cắt.
Trình tự TEL có tính lặp lại cao, giàu A và C: CC(CACACACA) (nấm men) và CCCTAA (người). Đầu
mút NST giàu G gập lại thành những hình kẹp tóc có cấu trúc bậc IV. Cấu trúc này bảo vệ đầu mút NST
có thể bị cắt bởi nuclease, giữ cho đầu mút khỏi mất các trình tự mã hoá.
6. TÁI BẢN ADN (Replication) IN VIVO

6.1. Các kiểu tái bản ADN
Người ta đưa ra 3 giả thuyết về các kiểu tái bản ADN:

15


- Kiểu bảo toàn: Theo giả thuyết này chuỗi xoắn kép ADN ban đầu được giữ nguyên, chuỗi xoắn
kép ADN mới được hình thành hoàn toàn từ nguyên liệu mới lấy từ môi trường nội bào.
- Kiểu phân tán: Theo giả thuyết này, các sợi ADN ban đầu bị đứt ra thành nhiều đoạn nhỏ, mỗi
đoạn nhỏ là khuôn tổng hợp đoạn nhỏ mới. Sau đó các đoạn nhỏ nối lại với nhau. Do đó mỗi chuỗi
ADN mới tái bản đều mang các đoạn ADN ban đầu và các đoạn ADN mới.
- Kiểu bán bảo toàn: Theo giả thuyết này, chuỗi xoắn kép ADN được hình thành gồm 1 sợi mới
được tổng hợp từ nguyên liệu môi trường và 1 sợi gốc làm khuôn.
Thí nghiệm chứng minh ADN tái bản theo kiểu bán bảo toàn của Meselson – Stahl (1958)
Nuôi vi khuẩn E. coli nhiều thế hệ trên môi trường chứa nitơ đồng vị nặng N 15, N15 tham gia vào tất
cả các cấu trúc của tế bào, kể cả ADN. Sau đó chuyển E.coli sang môi trường chỉ có nitơ nhẹ N 14,
sau những khoảng thời gian đều đặn các mẫu tế bào được lấy ra và tách chiết ADN. Dịch ADN tách
chiết được li tâm siêu tốc trên thang nồng độ chloride cesium CsCl 2, các loại ADN nặng, nhẹ, lai
được tách ra.
Theo dõi tỉ trọng ADN chiết xuất từ E. coli qua các đời cho thấy, thế hệ 0 100% ADN chứa N 15
(trên gradien nồng độ chỉ có 1 vạch lắng ở đáy ống nghiệm). ở thế hệ 1 ADN lai có tỉ trọng nằm
giữa ADN nặng N15 và ADN nhẹ N14. Điều này có nghĩa, sau 1 lần sao chép phân tử ADN mới chứa
một nửa mang N15 và một nửa mang N14. ở thế thứ hai một nửa ADN lai, một nửa ADN nhẹ N 14
(trên gradien nồng độ có 2 vạch: 1 vạch nằm giữa ống nghiệm, một vạch nằm ở phần đỉnh ống
nghiệm).
6.2. Cơ chế tái bản ADN
Về đại thể tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn giống nhau:
- Đều dựa trên khuôn mẫu của ADN mẹ;
- Được bắt đầu bằng những vị trí đặc thù;
- Có sự tham gia của các enzym, dNTP (deoxyribonucleotit triphotphat);

- Cần sự tham gia của các đoạn mồi (primer) để tạo ra nhóm 3’OH tự do;
- Sự lắp ráp các nucleotit trên nguyên tắc bổ sung với mạch đơn ADN mẹ;
- Có 1 mạch tổng hợp liên tục theo chiều tháo xoắn, 1 mạch tổng hợp gián đoạn ngược với chiều
tháo xoắn;
- Kết quả: Từ 1 phân tử ADN mẹ sau 1 lần tái bản tạo ra 2 phân tử ADN con giống ADN mẹ.
6.2.1. Tái bản ADN ở E. coli: Cơ chế tái bản ADN theo phát hiện của Okazaki. Tái bản nửa gián
đoạn (Semidiscontinous replication )
• Các enzym tham gia vào tái bản ADN ở E. coli
-

ADN polimerase: 3 loại
ADN polimerase I: Nhiệm vụ đọc và sửa chữa ADN.
ADN polimerase II: Chức năng xác định sự bắt đầu và kết thúc tổng hợp ADN.
ADN polimerase III: Giữ vai trò chính trong tái bản ADN, nhiệm vụ chủ yếu là gia tăng chiều
dài sợi mới.
ADN gyrase (topoisomerase): Cắt ADN, làm tháo xoắn ở 2 phía ngựơc nhau bắt đầu từ điểm
khởi đầu sao chép.
ADN helicase: Bẻ gãy các liên kết hidro, giải phóng các chuỗi đơn tạo nên các chạc tái bản.
ADN ligase: Nối các đoạn ADN ngắn thành sợi ADN dài liên tục.

• Các protein tham gia vào tái bản ADN ở E. coli
- Protein B: Nhận ra điểm khởi đầu tái bản.

16


- Protein SSB (Single strand binding): Gắn với sợi đơn, giữ các sợi đơn tách riêng khi chưa tái bản.
• Các giai đoạn của quá trình tái bản
Hiện tượng chuỗi xoắn
Quá trình tái bản bắt đầu khi protein B nhận biết điểm khởi đầu sao chép (ori) và gắn vào đó. Tiếp

theo enzym ADN gyrase cắt ADN làm tháo xoắn ở 2 phía của protein B. Trong khi 2 phân tử gyrase
chuyển động ngược chiều nhau so với điểm ori, thì 2 phân tử enzym helicase bám vào làm đứt gãy
các liên kết hidro, giải phóng các chuỗi đơn tạo nên chạc chữ Y (chạc tái bản). Protein SSB gắn vào
các sợi đơn ngăn không cho chúng chập lại ngẫu nhiên hoặc xoắn trở lại để việc sao chép được dễ
dàng. Mỗi SSB bám vào 8 nucleotit của sợi đơn và mỗi chạc tái bản có 250 SSB.
Khởi đầu tái bản bằng ARN mồi (primer)
Tái bản ADN chỉ diễn ra khi có yếu tố “mồi” (primer) với chức năng khởi động. Bởi vì sự lắp ráp các
nucleotit tự do theo nguyên tắc bổ sung với sợi khuôn để tạo sợi mới bao giờ cũng bắt đầu từ 3’OH của
đường deoxiriboza. Nhóm OH tự do ở Cacbon số 3 của phân tử đường là cơ sở để hình thành liên kết
phosphodiester, nếu mất nhóm OH này thì quá trình tổng hợp chuỗi polynucleotit dừng lại. Ngay điểm
gốc tái bản chưa có đầu 3’OH tự do, vì thế việc khởi đầu tái bản ADN đòi hỏi có yếu tố mồi. Trong một
đơn vị tái bản, cả hai mạch ADN mẹ khi tái bản đều cần phải có primer tham gia, tuy nhiên mạch ADN
khuôn có chiều 3’ – 5’ chỉ cần tham gia của một mồi ở điểm đầu tai bản; mạch ADN khuôn chiều 5’ – 3’
cần có sự tham gia của nhiều mồi, để hình thành các phân đoạn ADN.
Enzym ARN polimerase điều khiển tổng hợp nên đoạn ARN mồi ngắn khoảng 10 nucleotit. ở E.
coli đó chính là enzym primase. Trình tự các nucleotit trong đoạn ARN mồi bổ sung với trình tự các
nucleotit ở đầu 3’ của sợi khuôn.
Giai đoạn kéo dài
Sau khi ARN mồi được tổng hợp, enzym ADN polimerase III tổng hợp mạch bổ sung từ đầu 3’OH
tự do của mồi. Sự lắp ráp các nucleotit của mạch mới theo nguyên tắc bổ sung với mạch khuôn (A –
T; G – C).
Do sự tổng hợp sợi mới bao giờ cũng diễn ra theo chiều 5’ – 3’, nên sự tổng hợp mạch mới diễn ra
không giống nhau: Một mạch mới được tổng hợp liên tục cùng hướng với chiều mở của chạc chữ
Y, gọi là sợi dẫn đầu (leading strand). Một mạch được tổng hợp không liên tục ngược với chiều mở
của chạc chữ Y, mạch mới này được tổng hợp bằng cách nối các đoạn Okazaki với nhau gọi là
mạch chậm hay sợi theo sau (lagging strand). Mỗi đoạn Okazaki dài 1000- 2000 nucleotit.
Loại bỏ mồi và hoàn chỉnh sợi mới tổng hợp
Khi sợi theo sau được hình thành, đoạn mồi được loại bỏ bởi ADN polimerase I. Giữa 2 phân đoạn
Okazaki liền nhau tồn tại một khe hở. Khe hở này được lấp kín bởi enzym nối ADN ligase.
Nhận xét:

- Mạch ADN mới được tổng hợp theo chiều 5’- 3’, một mạch polynucleotit được tổng hợp liên tục
và một mạch được tổng hợp gián đoạn.
- Mỗi bước của quá trình tái bản đều có sự tham gia của các loại enzym tương ứng.
- Quá trình liên kết với các nucleotit thực hiện theo nguyên tắc bổ sung (A – T, G - C ).
- Có sự tham gia của primer (mồi ARN ).
- Mỗi ADN con được tạo thành đều chứa một mạch cũ và một mạch mới (bán bảo toàn).
6.2.2. Khác biệt về sao chép ADN trong tế bào Prokaryot và Eukaryot
- ở E. coli quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori (origine), nên cả phân tử ADN thành một
đơn vị sao chép thống nhất gọi là replicon, bao gồm 2 chạc tái bản. Quá trình tái bản ADN ở E. coli
được thực hiện bởi 3 loại enzyme ADN polimerase I; II và III.

17


- Tế bào nhân thực có số lượng, kích thước phân tử ADN lớn hơn nhiều so với tế bào tiền nhân tạo
nên nhiều nhiễm sắc thể, mỗi nhiễm sắc thể gồm một phân tử ADN thẳng kết hợp với protein. Do
đó sao chép ADN ở tế bào nhân thực phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn. Biểu hiện, ADN tế bào
nhân thực có nhiều ori và replicon cùng nhiều chạc tái bản).
- Sự tái bản ADN ở sinh vật nhân chuẩn được thực hiện bởi sự xúc tác của 3 loại enzyme:
ADN polimerase α: chức năng tái bản ADN nhân
ADN polimerase β: Sửa đổi ADN nhân
ADN polimerase γ: Tái bản hệ gen ti thể
6.3. Tái bản ADN virut
- Các phage (virut ký sinh ở vi khuẩn ) mang ADN 2 sợi, virut ARN có loại ARN 1 sợi và cũng có
thể mang ARN 2 sợi.
- Cơ chế tái bản ADN 1 sợi ở virut φx174 ký sinh ở vi khuẩn E.Coli nghiên cứu nhiều nhất. Khi
virut lây nhiễm vào tế bào vật chủ, phân tử ADN 1 sợi được chuyển thành phân tử ADN 2 sợi. Bằng
cách, sợi đơn ADN ban đầu (sợi +) được dùng làm khuôn mẫu để tổng hợp nên sợi bổ sung (sợi -)
hợp thành sợi kép RF. Sợi (-) trong sợi kép RF lại được dùng làm khuôn mẫu để tổng hợp nên các
sợi đơn (+) mới.

6.4. Tái bản kiểu lăn đai thùng (Rolling circle )
- Khi tế bào E.Coli F+ và F- tiếp hợp, yếu tố F được truyền từ F+ sang F- và F- biến thành F+. ADN vòng
plasmid được tái bản theo kiểu lăn đai thùng tạo thành ADN vòng mới ở tế bào nhận F- .
- Quá trình tiếp hợp giữa Hfr với F-, một sợi của phân tử ADN vòng kép của NST Hfr tách ra và đứt ở
vị trí mà plasimd xen vào. Sự tái bản kiểu lăn đai thùng bắt đầu bằng cách đầu 5 ’ của sợi đơn ADN
này của ADN được chuyển từ Hfr sang F- qua cầu tiếp hợp. Vi khuẩn Hfr vẫn duy trì được toàn bộ
NST của mình, vì chỉ 1 trong 2 sợi tách ra, còn sợi kia vẫn giữ nguyên ở dạng ban đầu, trong khi đó
vi khuẩn F- nhận được 1 phần thông tin di truyền của vi khuẩn cho Hfr chuyển sang
6.5. Sửa sai trong tái bản và khi không tái bản
Mức chính xác cao của sự sao chép ADN trong cơ thể sinh vật có được nhờ các cơ chế sửa sai:
Hướng sao chép từ bao giờ cũng theo chiều 5’ - 3’ để việc sửa sai chính xác.
Các enzym ADN polymerase I, III vừa có hoạt tính polymer hoá vừa có hoạt tính exonuclease 5 ’ - 3’ và
3’ - 5’. Nếu trên trên đường di chuyển để polymer hoá, nếu gặp nucleotit lắp sai, các enzym trên sẽ lùi
lại cắt bỏ theo hướng 3’ – 5’ (hoạt tính exonuclease 3’ - 5’).
Sửa sai khi không sao chép : có xấp xỉ 20 loại enzym rà soát dọc các NST để tìm ADN có biến đổi
cấu trúc. Mỗi enzym có chức năng riêng biệt. Có 5 enzym khác kiểm soát sự sai sót của liên kết hoá
trị, một số enzyme khác phát hiện sai sót bắt cặp giữa các bazơ không bổ sung… Tổng số có xấp xỉ
50 enzym chuyên phát hiện và sửa các sai sót trong ADN.
7. KỸ THUẬT NHÂN ADN
7.1. Phản ứng chuỗi polymerase (Polymerase Chain Reaction = PCR)
Phương pháp PCR – phản ứng tổng hợp dây chuyền nhờ polymerase do Mullis và cộng sự phát
minh năm 1985. Phương pháp này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm
sinh học phân tử. Thực chất đây là một phương pháp tạo dòng in vitro không cần sự hiện diện của tế
bào.
7.1.1.Vật liệu
- Thiết bị: Máy nhân ADN (PCR), thiết bị điện di.
- ADN mẫu tách từ mô sống.

18

- Hoá chất: ADN mẫu (template ); primer; Mg +2, đệm, dNTP (dNTP: deoxyribo nucleotide
triphotphate gồm: dATP, dTTP, dGTP, dCTP ), Taq polimerase.
7.1.2. Nguyên tắc của phương pháp PCR
Tất cả các ADN polymerase khi hoạt động tổng hợp một mạch ADN mới từ mạch khuôn đều cần sự
hiện diện của những mồi chuyên biệt. Mồi là những đoạn ADN ngắn (18 – 24 base nếu là mồi đặc
trưng; 10 base nếu là mồi ngẫu nhiên) có khả năng bắt cặp với một đầu của mạch khuôn theo
nguyên tắc bổ sung. enzym ADN polymerase sẽ lắp ráp các nucleotit tự do để tạo thành mạch mới.
Nếu cung cấp 2 mồi chuyên biệt bắt cặp bổ sung với 2 đầu của một trình tự ADN, thì chỉ tổng hợp
được đoạn ADN nằm giữa 2 mồi. Điều đó có nghĩa, để khuyếch đại một trình tự ADN xác định phải
có thông tin tối thiểu về trình tự đó đủ để tạo ra các mồi bổ sung chuyên biệt (mồi đặc trưng). Các
mồi này gồm một mồi xuôi (sens primer) và một mồi ngược (antisens primer).
Nếu cung cấp mồi ngẫu nhiên, quá trình PCR sẽ nhân bản cho một loạt đoạn ADN có kích thước
khác nhau.
Primer được thiết kế theo nguyên tắc:
•

Mồi xuôi và ngược không thể bắt cặp bổ sung với nhau.

•

Tm của primer xuôi và ngược không cách biệt quá xa.

•

Primer phải thiết kế đặc trưng cho trình tự ADN được khuyếch đại

Taq polimerase là enzym chịu nhiệt được tách chiết từ vi khuẩn chịu nhiệt ở suối nước nóng
Thermus aquaticus. Hiện nay người ta có thể phân lập được gen polymerase và biểu hiện gen này ở
vi khuẩn, do vậy Taq polymerase hiện bán trên thị trường với giá khá rẻ.

7.1.3. Các giai đoạn của phản ứng PCR
Phản ứng PCR là một chuỗi nhiều chu kì (cycle) nối tiếp nhau. Mỗi chu kì gồm 3 bước:
Bước 1: Biến tính (denaturation)
Trong dung dịch bao gồm các thành phần cần thiết cho sự khuyếch đại, phân tử ADN được biến tính ở
nhiệt độ cao hơn Tm của phân tử, thường 940C – 950C trong vòng 30 giây đến 1 phút.
Bước 2: Tiếp hợp mồi (hybridization)
Nhiệt độ được hạ thấp, thấp hơn Tm của mồi, cho phép các mồi bắt cặp với khuôn. Nhiệt độ này
dao động trong khoảng 340C- 700C, tuỳ thuộc Tm của mồi. Giai đoạn này kéo dài 30 giây đến 1
phút.
Bước 3: Tổng hợp (elongation)
Nhiệt độ được tăng lên đến 72 0C giúp cho ADN polimerase hoạt động tổng hợp tốt nhất. Tuỳ thuộc
thời gian ADN cần khuyếch đại, thời gian của giai đoạn này thường kéo dài từ 30 giây đến 1 phút
30 giây. Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn kéo dài.
Mỗi chu kì được lặp đi lặp lại nhiều lần, đoạn ADN được khuyếch đại theo cấp số nhân (2n).
Dùng phương pháp điện di sản phẩm PCR trên gel agarose 0,8 –1,5% để xác định đoạn ADN được
nhân (1 –2 band), thông thường chỉ có 1 band nếu sử dụng mồi đặc trưng.
7.1.4. Ứng dụng
PCR được sử dụng trong nghiên cứu phân tích ở các khía cạnh sau đây:
- Xác định sự có mặt của gen trong tế bào với độ chính xác cao.
- Sản xuất nhanh một lượng lớn mẫu dò đánh đấu, khi thực hiện phản ứng với cặp mồi chuyên biệt
và các nucleotit đánh dấu.
- Khuyếch đại số lượng các ARN qua kĩ thuật RT- PCR
- Định lượng, so sánh một sản phẩm thu được từ nhiều nguồn khác nhau.

19


7.2. Phản ứng RAPD (Random Amlified Polymorphic DNA )
RAPD được dựa trên kỹ thuật PCR, tiến hành trên thiết bị nhân ADN chỉ khác với PCR ở chỗ; phản
ứng RAPD được tiến hành với các mồi ngẫu nhiên có độ dài 10 base.

- Điện di sản phẩm RAPD cho thấy có nhiều band tuỳ thuộc vị trí bắt cặp của mồi trên ADN khuôn.
- RAPD được sử dụng để phân tích genome ở sinh vật, nghiên cứu sự đa dạng di truyền giữa các cá
thể trong quần thể và giữa các quần thể trong loài. RAPD còn sử dụng để xác định quan hệ di
truyền (phả hệ – dendrogram ) và tìm chỉ thị đặc trưng RAPD.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I:
1.

Tại sao axit nucleic lại được coi là vật chất di truyền? Nêu một vài bằng chứng về vai trò
mang thông tin di truyền của axit nucleic.

2.

Nêu đặc điểm vật chất di truyền và phương thức truyền đạt vật chất di truyền ở vi rút, sinh vật
tiền nhân (Procaryote) và sinh vật nhân thực (Eucaryote)

3.

Nhiễm sắc thể là gì? Tính đặc trưng của nhiễm sắc thể. Nêu cấu trúc siêu hiển vi của NST ở tế
bào eukaryot.

4.

Nêu các cơ chế đảm bảo sự ổn định của bộ nhiễm sắc thể.

5.

Cấu trúc phân đoạn gen ở sinh vật eucaryote và phương pháp phát hiện cấu trúc phân đoạn
của gen.

6.

Đoạn xen và gen nhảy là gì? Nêu cơ chế xen gen nhảy vào nhiễm sắc thể và ý nghĩa của
nghiên cứu đoạn xen và gen nhảy.

7.

Nêu các giả thuyết về các kiểu tái bản ADN. Thí nghiệm chứng minh ADN tái bản theo kiểu
bán bảo toàn của Meselson – Stahl.

8.

Nêu vai trò của các enzym và protein tham gia vào tái bản ADN ở E.coli.

9.

Trình bày cơ chế tái bản ADN ở E. coli.

10.

Những điểm giống nhau và khác nhau cơ bản của quá trình tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ
và sinh vật nhân thực.

11.

Cơ chế tái bản ADN 1 sợi ở virut φx174.

12.

Trình bày các quá trình sửa sai trong tái bản và khi không tái bản.

13.

Thế nào là phản ứng chuỗi polymerase (PCR)? Nêu đặc điểm về thiết bị, hoá chất, nguyên tắc
và chu kì phản ứng, ứng dụng

Chương 2

MÃ DI TRUYỀN
MỐI LIÊN HỆ GIỮA ADN, ARN VÀ PROTEIN
(Lý thuyết : 04 tiết)
Mục tiêu

20


(i) Bản chất của mã di truyền ; (ii) Sự phiên mã ở Prokaryot và Eukaryot ; (iii) Quá trình sinh tổng
hợp protein ; (iv) Điều hoà biểu hiện gen: Các mức điều hoà; Điều hoà biểu hiện gen ở prokaryot;
Điều hoà biểu hiện gen ở eukaryot; Cơ chế biểu hiện phân hoá gen.
Nội dung giảng dạy trên lớp: Sự phiên mã ở Prokaryot và Eukaryot ; Quá trình sinh tổng hợp
protein ; (iv) Điều hoà biểu hiện gen: Các mức điều hoà; Điều hoà biểu hiện gen ở prokaryot; Điều
hoà biểu hiện gen ở eukaryot;
Sinh viên tự nghiên cứu : Bản chất của mã di truyền ; So sánh sự phiên mã ở sinh vật nhân sơ và
sinh vật nhân thực ; Cơ chế biểu hiện phân hoá gen.
Tài liệu học tập:
1. Chu Hoàng Mậu, Nguyễn Thị Tâm, 2006, Giáo trình Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà Nội.
2. Phan Cự Nhân, Nguyễn Minh Công, Đặng Hữu Lanh, 1999, Di truyền học, NXB Giáo dục,
Hà Nội.
Phương tiện: Bảng; Máy tính; Máy chiếu;
Phương pháp: Thuyết trình; Tự học.
1. BẢN CHẤT CỦA MÃ DI TRUYỀN

1.1. Khái niệm thông tin di truyền, codon
Mật mã di truyền là hệ thống đặc trưng cho các cơ thể sống. Trong đó, toàn bộ thông tin di truyền –
thông tin về cấu trúc protein được ghi trong axit nucleic dưới dạng trình tự xắp xếp các nucleotit,
trình tự này qui định trình tự các axit amin trong phân tử protein.
Như đã biết, trong thành phần protein có khoảng 20 axit amin (ngôn ngữ 20 chữ cái), trong khi đó ở
axit nucleic chỉ có 4 loại nucleotit (ngôn ngữ 4 chữ cái). Vậy các nucleotit trên axit nucleic mã hoá
các axit amin trong các phân tử protein theo nguyên tắc nào ?
Nếu chỉ có 1 nucleotit hoặc 2 nucleotit mã hoá cho 1 axit amin, thì số tổ hợp bộ 1 hoặc bộ 2 sẽ
không đủ để mã hoá cho 20 axit amin khác nhau. Nếu 3 nucleotit mã hoá cho 1 axit amin thì sẽ có
64 tổ hợp bộ 3, đủ và dư thừa để mã hoá cho 20 axit amin khác nhau. Nếu 3 nucleotit mã hoá cho 1
axit amin sẽ xảy ra trường hợp nhiều bộ 3 cùng xác định 1 axit amin. Bằng thực nghiệm người ta đã
xác định mã di truyền là mã bộ 3. Điều này có nghĩa cứ 3 nucleotit kế tiếp nhau trên mARN qui
định 1 axit amin. Codon là tổ hợp 3 nucleotit giống hay khác nhau nằm kế tiếp trên mARN qui định
cho 1 axit amin.
1.2. Bằng chứng về mã bộ ba
Chứng minh codon gồm 3 nucleotit kế tiếp nhau trên mARN
Dùng chất gây đột biến acridin tác động lên phage T4. Các đột biến ở T4 được chia làm 2 loại là đột
biến mất (mất 1 nucleotit) và đột biến thêm (thêm vào 1 nucleotit). Kí hiệu: Đột biến (+) và đột biến
(-).
Nếu T4 xảy ra 1 đột biến (+) hoặc 1 đột biến (-) thì phage T4 có dạng đột biến. Nếu T4 xảy ra 2
hoặc 4 hoặc 5 đột biến (-) hoặc (+) phage T4 cũng có dạng đột biến. Trường hợp T4 cùng lúc mang
1 đột biến (-) và 1 đột biến (+) thì phage T4 có dạng dại. Nếu T4 mang 3 hay bội số của 3 đột biến
(-) hay (+), phage T4 cũng có dạng dại. Điều này chứng tỏ mã di truyền là mã bộ ba.
Giả sử phân tử mARN chỉ có thành phần CAG và trong phân tử protein chỉ có một loại axit amin:
mARN
CAG CAG CAG CAG CAG
Protein
a1
a1 a1
a1

a1
Nếu đột biến làm mất C (-) ở vị trí mã số 2 trên mARN:
mARN
CAG AGC AGC AGC AGC
Protein
a1
a2
a2
a2
a2

21


Nếu đột biến (+) thêm G vào giữa bộ ba thứ 2:
mARN
CAG AGC GAG CAG CAG CAG
Protein
a1
a2
a3
a1
a1
a1
=> Vậy mã di truyền là mã bộ ba.
1.3. Giải mã di truyền
Mục tiêu của giải mã di truyền là xác định bộ ba (codon) nào đó qui định một axit amin cụ thể.
Năm 1961 M. Nirenberg sử dụng hệ thống vô bào để giải mã di truyền. Hệ thống vô bào được chiết
từ E.coli có chứa ribosom, ARN, enzym aminoacylsynthetase, các tARN, mARN biết trước thành
phần, các axit amin và một số phụ gia khác. Phản ứng diễn ra trong vài phút rồi dừng lại, nếu bổ

sung thêm mARN thì việc tổng hợp lại tiếp diễn.
•

Nếu mARN có thành phần toàn U thì thu được chuỗi polypeptit chứa toàn phenylalanin. Chứng
tỏ bộ ba UUU mã hoá phenylalanin.

•

Nếu mARN có thành phần toàn A thì thu được chuỗi polypeptit chứa toàn lysin. Chứng tỏ bộ ba
AAA mã hoá lysin.

•

Nếu mARN có thành phần toàn X thì thu được chuỗi polypeptit chứa toàn prolin. Chứng tỏ bộ
ba XXX mã hoá prolin.

•

Nếu mARN có thành phần toàn UXU thì thu được chuỗi polypeptit chứa toàn serin. Chứng tỏ
bộ ba UXU mã hoá serin...
Bằng cách như vậy người ta đã tìm ra 61 bộ ba mã hoá cho 20 axit amin khác nhau, 3 bộ ba còn lại
là UAA, UAG, UGA là tín hiệu kết thúc quá trình tổng hợp chuỗi polypeptit, các bộ ba này được
gọi là bộ ba vô nghĩa (non sense ) vì chúng không quy định axit amin.
1.4. Các đặc tính của mã di truyền
Mã di truyền là mã bộ ba. Nghĩa là: cứ 3 nucleotit kế tiếp nhau trên mARN mã hoá cho 1 axit amin
và tạo thành 1 codon.
Mã di truyền không chồng chéo, cùng 1 nucleotit không thể tham gia vào thành phần của 2 codon
gần nhau.
Mã di truyền không có “dấu phẩy” (không ngắt quãng), thông tin được đọc theo 1 chiều. Trình tự
đọc thông tin di truyền chỉ phụ thuộc vào điểm bắt đầu, từ đó việc đọc được tiến hành liên tục theo

từng bộ ba theo chiều 5’ – 3’.
Mã di truyền mang tính “thoái hoá”, cùng 1 axit amin có thể được mã hoá bởi một số bộ ba khác
nhau. Mã di truyền mang tính thoái hoá mạnh. Thể hiện: chỉ có 2 axit amin là methionin và
triptophan có 1 bộ ba mã hoá; 9 axit amin được mã hoá bởi 2 bộ ba; 1 axit amin được mã hoá bởi 3
bộ ba; 5 axit amin được mã hoá bởi 4 bộ ba; 3 axit amin được mã hoá bởi 6 bộ ba.
Mã di truyền có tính chất phổ biến (universal ). Các loài sinh vật đều được mã hoá theo nguyên tắc
chung.
Mã di truyền có bộ 3 khởi đầu và kết thúc đặc hiệu. Bộ ba khởi đầu trong tổng hợp protein nằm trên
đầu 5’ mARN bào giờ cũng là AUG, 3 bộ ba kết thúc không mã hoá axit amin nằm ở đầu 3’ của
mARN là UAA (ochae), UAG (opal), UGA (amber ). Mã khởi đầu UAG có 2 chức năng: vừa tạo ra
sự bắt đầu dịch mã (mã mở đầu ) vừa mã hoá axit amin.
1.5. Tính linh hoạt
- Trong tế bào có những loại tRNA có thể kết cặp với một số bộ ba khác nhau trên mARN. Phân
tích trình tự tRNA đã cho thấy rằng một số tARN có inosin là một trong các base của cụm mã đối
(anticodon). Inosin có cấu trúc như sau:

22


Cấu trúc này có khả năng kết cặp với nhiều base.
- Phân tích trình tự cho thấy đầu 5’ của codon đối mã (bổ trợ với base thứ ba của cụm mã) khác với
2 base kia, có khả năng kết hợp với một số base trên đầu 3’ của cụm mã. Hiện tượng này còn được
gọi là tính “linh hoạt” trong kết cặp.

Cùng một tARN

Cụm mã leucin

Cụm mã leucin

Tính linh hoạt có giới hạn:
Base trên đầu 5’ của anticodon

Base trên đầu 3’ của cụm mã

G kết cặp với

U hoặc C

C kết cặp với

G

A kết cặp với

U

U kết cặp với

A hoặc G

I (Inosin ) kết cặp với

A, U hoặc G

1.6. Đột biến và mã di truyền
Có 4 kiểu đột biến cơ bản:
1.6.1. Đột biến nhầm nghĩa
Đột biến thay thế base trong gen cấu trúc dẫn đến thay thế một axit amin trong chuỗi polypeptit
được gọi là đột biến nhầm nghĩa.

Ví dụ: Sự thay thế cặp AT → TA làm cho codon GAG mã hoá axit glutamic trở thành codon GUG
mã hoá valin gây bệnh thiếu máu và hồng cầu hình lưỡi liềm.
1.6.2. Đột biến vô nghĩa
Sự biến đổi một cặp base trong gen cấu trúc tạo ra codon kết thúc thay cho 1 codon có nghĩa làm
quá trình dịch mã ngừng lại, mạch polypeptit tổng hợp ngắn hơn bình thường và không hoạt động
chức năng thì được gọi là đột biến vô nghĩa hay đột biến kết thúc.
1.6.3. Đột biến cặp base ở bộ ba qui định axit amin làm xuất hiện codon mới (codon thoái hoá)
không ảnh hưởng đến chuỗi polypeptit.
Một loại axit amin có thể được quy định bởi một vài bộ ba, ví dụ GUU, GUC, GUA, GUG cùng
quy định axit amin valin.
1.6.4. Đột biến dịch khung

23


Đột biến mất hoặc thêm base trong gen cấu trúc dẫn đến mARN tổng hợp từ gen này có khung đọc
dịch đi 1 nucleotit bắt đầu từ điểm có đột biến. Các biến đổi này thường làm enzym mất hoạt tính. Sự
tổng hợp chuỗi polypeptit có thể bị kết thúc sớm nếu sự lệch khung dẫn đến codon kết thúc.
2. SỰ PHIÊN MÃ
2.1. Phiên mã ở sinh vật nhân sơ
2.1.1. Enzym ARN polymerase và tín hiệu khởi đầu, kết thúc phiên mã
Thành phần chính xúc tác tổng hợp ARN ở E.coli là ARN polymerase (ARNase) có hệ số lắng 11S – 13S
và khối lượng phân tử 500.000 dalton. ARN polymerase ở E. coli gồm 2 thành phần: Nhân tố sigma và lõi
enzym. Nhân tố sigma có vai trò giúp lõi enzym nhận biết và bám vào vùng khởi động trên ADN tại
những điểm đặc thù - gọi là điểm khởi đầu (promotor ), nếu thiếu σ thì quá trình tổng hợp ARN xảy ra ở
điểm ngẫu nhiên. Sau đó nhân tố sigma tách ra và kết hợp với lõi enzym khác. Lõi enzym gồm 2 chuỗi
polypeptit α, 1 chuỗi β, 1 chuỗi β’. Lõi enzym đóng vai trò chủ yếu trong tổng hợp ARN dọc theo sợi
khuôn ADN.
Đoạn nhận biết gồm 35 cặp base nằm trước điểm khởi đầu promotor. Đoạn để RNA -polymerase nhận
biết là đoạn gồm 7 nucleotit được gọi pribnow, nằm cách điểm phiên mã 5 – 6 base. Hộp pribnow trên sợi

đối khuôn (antitemplate) có công thức chung là: 5’ TAT purin AT purin 3’.
Tín hiệu kết thúc là trình tự nucleotit đặc thù nằm sau gen, gồm 2 vùng giàu cặp AT và GC.
2.1.2. Các giai đoạn của quá trình phiên mã
Quá trình phiên mã của prokaryot bao gồm 3 bước: khởi đầu, kéo dài và kết thúc.
 Quá trình phiên mã bắt đầu khi nhân tố sigma kết hợp với lõi enzym ARNase, giúp lõi enzym
nhận ra và bám vào vùng khởi động (promotor).
 Sau đó, nhân tố sigma tách ra và lõi enzym thực hiện việc tổng hợp ARN. Lõi enzym ARN
polymerase trượt dọc gen (3’ – 5’) vừa xúc tác biến tính cục bộ 2 sợi ADN làm lộ ra sợi khuôn vừa
xúc tác sự lắp ráp tổng hợp ARN theo nguyên tắc bổ sung A-U; G-C. Vùng ADN đã được phiên mã
xoắn trở lại như ban đầu. Sợi ARN được sinh ra theo chiều 5’ – 3’.
 Khi lõi enzym đến điểm kết thúc của gen, do tác dụng của 1 loại protein đặc hiệu, sợi ARN mới
tổng hợp và lõi enzym được phóng thích khỏi sợi khuôn. Tín hiệu kết thúc được nhận ra bởi phức
hợp lõi enzym và protein nusA.
2.2. Phiên mã ở sinh vật Eukaryot
2.2.1. ARN polymerase và các vùng kiểm soát phiên mã
•

ARN-polymerase I: enzym không bị ức chế bởi α - amanitin (chất ức chế tổng hợp ARN),
chuyên trách việc phiên mã các gen để tổng hợp rARN loại 28S, 18S và 5S.

•

ARN -polymerase II: enzym bị ức chế bởi α - amanitin, tổng hợp mARN .

•

ARN -polymerase III: enzym bị ức chế bởi α - amanitin ở nồng độ cao, phiên mã tổng hợp các
tARN và rARN loại 5,8S.

•

Hộp Goldberg – Hogness (hộp TATA) nằm cách điểm khởi đầu phiên mã từ 25 - 30 bp được coi
là đoạn khởi đầu. Chức năng: giúp cho enzym ARN polymerase nhận ra và bám vào đúng điểm
khởi đầu phiên mã.

•

Đoạn kết thúc nằm ở đầu 3’ của gen còn nghiên cứu ít. Đoạn kết thúc không dài hơn 21 bp, ở
nấm men có trình tự là: TTTTATA.
2.2.2. Các giai đoạn của quá trình phiên mã ở Eukaryot
•

Giai đoạn khởi động: chịu sự kiểm tra của một trình tự đặc biệt đó là “hộp TATA” (TATA box)
nằm trước vị trí bắt đầu phiên mã khoảng 25 –30 bp.

24


•

ARN- polymerase II hoạt động phiên mã nhờ nhiều nhân tố TF có bản chất là protein
(transcription factor) cho phép khởi động sự phiên mã.

•

Giai đoạn kéo dài: phân tử ARN được tổng hợp từ mạch khuôn ADN. Quá trình này nhờ nhân
tố TF IIS.

• Giai đoạn kết thúc: Phiên mã kết thúc trước điểm gắn đuôi poly A rất xa. Kết thúc phiên mã có
liên quan đến cấu trúc kẹp tóc tiếp ngay sau trình tự giàu GC.

2.2.3. Quá trình hoàn thiện các bản sao mARN trong nhân
Sản phẩm phiên mã ở các gen cấu trúc của nhóm Eukaryot là các tiền mARN (pre-mARN). Để có
được các mARN trưởng thành cần có quá trình chế biến trong nhân (processing). Quá trình này
gồm các bước như sau:
 Gắn chóp: Khi pre-mARN đang được tổng hợp dài 20 – 30 base thì ở đầu 5’P bổ sung chóp (cap)
7-methyl guanozin triphotphat (7–mGppp).
 Thêm đuôi poly A ở đầu 3’: Một đoạn ngắn của mARN bị cắt ra và các base adenin nối vào
thành đuôi poly A. Đối với các gen mã hoá liên tục (chỉ có exon), ví dụ: gen mã hoá histon, thì quá
trình chế biến trong nhân để tạo ra mARN trưởng thành chỉ gồm 2 bước trên.
 Splicing: Đối với các gen phân đoạn, bản phiên mã đầu tiên là tiền mRNA gồm cả exon và
intron. Vì vậy, pre-mARN được sao mã từ các gen này còn trải qua giai đoạn cắt bỏ các đoạn intron
và nối các exon lại với nhau.
2.3. Đặc điểm chung của quá trình phiên mã ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn
•

Sản phẩm của sự phiên mã là ARN sợi đơn.

•

Vùng ADN chứa gen được phiên mã phải có sự mở xoắn cục bộ làm lộ ra sợi khuôn (sợi có ý
nghĩa - strand sense).

•

Nguyên liệu là các ribonucleotit triphotphat : ATP, GTP, CTP, UTP gọi chung là NTP, enzym
xúc tác là ARN-polymerase.

•

Sự khởi đầu và kết thúc phiên mã phụ thuộc vào tín hiệu khởi đầu và kết thúc, đó là những trình

tự nucleotit đặc thù nằm trước và sau gen.

•

ARN được tổng hợp theo chiều 5’ – 3’, enzym ARN-polymerase di chuyển theo chiều 3’ – 5’
trên sợi strand sense.
3. DỊCH MÃ
3.1. Protein
3.1.1. Chức năng của protein trong tế bào
Protein giữ các chức năng cơ bản và đặc biệt quan trọng đối với cơ thể sống. Vai trò xúc tác sinh
học, các protein có vai trò này được gọi là các enzym. Các chất kháng thể chống lại các vi trùng
gây bệnh cũng là những protein. Protein có vai trò điều chỉnh các các quá trình trao đổi chất trong
cơ thể đó chính là các hormon (kích thích tố). Protein làm vai trò vận chuyển và phân bố oxi khắp
cơ thể động vật như hemoglobin, tham gia sự vận động của cơ thể như protein cơ. Protein tham gia
vào tạo nên các cấu trúc của tế bào được gọi là protein cấu trúc.
3.1.2. Cấu trúc của protein
3.2. Quá trình sinh tổng hợp protein
3.2.1. Các yếu tố tham gia tổng hợp protein
3.2.1.1. Các phân tử ARN
3.2.1.2. Ribosom (RBS)
3.2.2. Các giai đoạn của quá trình tổng hợp protein

25