Tài liệu Giáo trình Di truyền học ADN docx

Giáo trình

Di truyền học ADN











Di truyền học
ADN, cơ sở phân tử của di truyền. Mỗi sợi ADN là một chuỗi
các nucleotide, liên kết với nhau ở chính giữa có dạng như những nấc thang trong một
chiếc thang xoắn.
Di truyền học là một bộ môn sinh học, nghiên cứu về tính di truyền và biến dị ở các sinh

vật
[1][2]
. Kể từ thời tiền sử, thực tế về việc các sinh vật sống thừa hưởng những đặc tính từ
bố mẹ đã được ứng dụng để tăng sản lượng cây trồng và vật nuôi, thông qua quá trình
sinh sản chọn lọc hay chọn lọc nhân tạo. Tuy nhiên, di truyền học hiện đại, tìm hiểu về
quá trình di truyền, chỉ được ra đời vào giữa
thế kỷ 19 với những công trình của Gregor
Mendel
[3]
. Dù không hiểu về nền tảng vật chất của tính di truyền, Mendel vẫn nhận biết
được rằng sinh vật thừa kế những tính trạng theo một cách
riêng rẽ - mà trong đó những
đơn vị cơ bản của di truyền được gọi là
gen.
Các gen tương ứng với những vùng nằm trong ADN, một cao phân tử được cấu thành từ
bốn loại đơn phân nucleotide; chuỗi những nucleotide này mang thông tin di truyền ở
sinh vật. ADN trong điều kiện tự nhiên có dạng chuỗi xoắn kép, trong đó nucleotide ở
mỗi chuỗi liên kết
bổ sung với nhau. Mỗi chuỗi lại có thể hoạt động như một khuôn để
tổng hợp một chuỗi bổ sung mới - đó là cách thức tự nhiên tạo nên những bản sao của
gen mà có thể được di truyền lại.
Chuỗi nucleotide trong gen có thể được phiên mã và dịch mã trong tế bào để tạo nên
chuỗi các axít amin, hình thành protein; trình tự của các axít amin trong protein cũng
tương ứng với trình tự của các nucleotide trong gen. Trình tự này được biết với tên
mã di
truyền
. Nó xác định cách thức gập xoắn trong cấu trúc ba chiều của phân tử protein; cấu
trúc này tiếp đó quy định nên chức năng của protein. Những protein sẽ thực hiện hầu hết
các chức năng cần thiết cho sự sống của tế bào. Một thay đổi nhỏ của gen trong phân tử
ADN cũng sẽ dẫn đến thay đổi trình tự axít amin, thay đổi cấu trúc và chức năng của

protein, và điều này có thể tác động không nhỏ lên tế bào cũng như toàn bộ cơ thể sống.
Dù di truyền đóng một vai trò to lớn trong sự hình thành và hoạt động của sinh vật, thì sự
kết hợp giữa yếu tố di truyền và những gì sinh vật trải qua mới xác định được kết quả sau
cùng. Một ví dụ, trong khi gen có thể quy định nên
chiều cao của một người, thì dinh
dưỡng và sức khỏe của người đó trong thời niên thiếu cũng có ảnh hưởng không nhỏ.
Lịch sử

Gregor Mendel, "người cha của di truyền học".
Khoa học di truyền được khởi đầu với công trình ứng dụng và lý thuyết của Mendel từ
giữa thế kỷ 19, tuy nhiên trước đó vẫn tồn tại những quan điểm khác nhau về di truyền.
Từ thế kỷ V trước Công nguyên, Hippocrates và Aristotle đã lần lượt đưa ra những lý
thuyết của riêng mình, mà đã có ảnh hưởng không nhỏ đến các học thuyết khác sau đó.
Nếu Hippocrates cho rằng các vật liệu sinh sản ("humor") được thu thập từ tất cả các
phần của cơ thể và truyền cho thế hệ con, thì Aristotle lại phản bác lại ý kiến này, nêu ra
rằng sự sinh sản bắt nguồn từ chất dinh dưỡng, trên con đường đi tới các bộ phận cơ thể
thì bị chệch tới phần sinh sản, và bản chất các chất này vốn đã quy định cho cấu tạo các
phần cơ thể khác nhau. Ở thời kỳ Mendel sống, một thuyết phổ biến là quan niệm về di
truyền hòa hợp (blending): cho rằng các cá thể thừa kế từ bố mẹ một hỗn hợp pha trộn
các tính trạng, ví dụ như lai cây hoa đỏ với hoa trắng sẽ cho ra hoa hồng
[7]
. Nghiên cứu
của Mendel đã bác bỏ điều này, chỉ ra tính trạng là sự kết hợp các gen độc lập với nhau
hơn là một hỗn hợp liên tục. Một thuyết khác cũng nhận sự ủng hộ thời đó là sự
di truyền
các tính trạng tập nhiễm
: tin rằng sinh vật thừa kế những tính trạng đã được biến đổi do
quá trình luyện tập và nhiễm ở bố mẹ. Học thuyết này, chủ yếu gắn với Jean-Baptiste
Lamarck, hiện nay không được di truyền học hiện đại thừa nhận; khi sự tập nhiễm của cá
thể thực tế không ảnh hưởng đến các gen mà chúng truyền cho con cái

]
. Bên cạnh đó,
Charles Darwin đề ra thuyết pangen (thuyết mầm, pangenesis), có sự tương đồng với
quan niệm của Hippocrates, cho rằng có các gemmule (mầm), tập trung từ các tế bào
trong cơ thể về cơ quan sinh dục để thụ tinh, và con cái sinh ra chịu ảnh hưởng từ cả di
truyền lẫn tính trạng tập nhiễm. Thí nghiệm của Francis Galton kiểm chứng thuyết
pangen của Darwon, cho thấy rằng các gemmule ít nhất không xuất hiện trong máu thỏ.
Đến tận cuối thế kỷ 19, ngay cả sau khi tác phẩm của Mendel đã công bố, hiểu biết của
giới khoa học về tính di truyền vẫn còn ít ỏi và chưa thực sự đúng đắn
[11]
.
Di truyền học Mendel và cổ điển
Quan sát của Morgan về sự di truyền liên kết giới tính của
đột biến mắt trắng ở
Drosophila cho phép ông đưa ra giả thuyết rằng gen nằm trên nhiễm
sắc thể.
Gregor Johann Mendel, một linh mục người Áo sống tại Brünn (Séc), đã tiến hành thí
nghiệm về tính di truyền ở 7 tính trạng trên cây đậu Hà Lan từ năm 1856 đến 1863. Các
nghiên cứu của ông sau đó được công bố trong bài báo "Versuche über
Pflanzenhybriden" (Các thí nghiệm lai ở thực vật) tại Hội Lịch sử Tự nhiên của Brünn
năm 1865. Cách nghiên cứu của ông là cho nhân giống theo từng tính trạng, sử dụng toán
học để đánh giá số lượng và từ đó rút ra quy luật di truyền. Dù các quy luật này chỉ quan
sát được cho số ít tính trạng, nhưng Mendel vẫn tin rằng sự di truyền là riêng rẽ, không
phải tập nhiễm, và tính di truyền của nhiều tính trạng có thể được diễn giải thông qua các
quy luật và tỷ lệ đơn giản.
Tầm quan trọng của công trình Mendel không được nhận biết rộng rãi cho tới năm 1900,
tức sau khi ông mất; trong năm đó, cả ba nhà khoa học Hugo de Vries (Hà Lan), Erich
von Tschermak (Áo) và Carl Correns (Đức) đã nghiên cứu độc lập với nhau và cùng tái
phát hiện các quy luật Mendel. Năm 1900 đánh dấu một mốc khởi đầu mới cho sự phát
triển của di truyền học. Năm 1905, William Bateson, một người ủng hộ Mendel, đã đặt ra

thuật ngữ genetics (di truyền học). (Tính từ genetic, xuất phát từ tiếng Hy Lạp, genesis -
γένεσις, "nguồn gốc" và từ genno γεννώ, "sinh ra", có trước danh từ này và được sử dụng
lần đầu trong sinh học từ năm 1860). Bateson đã phổ biến cách dùng của từ genetics để
miêu tả ngành khoa học nghiên cứu về di truyền trong bài phát biểu khai mạc Hội nghị
Quốc tế lần thứ ba về lai giống cây trồng tại London, Anh năm 1906. Riêng thuật ngữ
gen, vốn đã được Hugo de Vries định nghĩa với tên gọi pangen từ năm 1889 là: "phần tử
nhỏ nhất [đại diện cho] một đặc điểm di truyền", được
Wilhelm Johannsen giới thiệu lại
trong các tác phẩm của ông vào hai thập niên sau đó - trong đó ông cũng nêu ra thuật ngữ
kiểu gen (genotype) và kiểu hình (phenotype)
Sau sự tái phát hiện công trình của Mendel, các nhà khoa học đã cố gắng xác định những
phân tử nào trong tế bào đảm nhận tính di truyền. Trước đó, nhiễm sắc thể đã được phát
hiện, và những quan điểm đầu tiên về di truyền nhiễm sắc thể đã được đưa ra, phải kể đến
là thuyết di truyền nhiễm sắc thể của
August Weismann năm 1892 và giả thuyết gắn các
nhân tố Mendel với nhiễm sắc thể của
Walter Sutton năm 1903. Năm 1910, Thomas Hunt
Morgan
khẳng định rằng gen nằm trên nhiễm sắc thể, dựa trên sự quan sát về đột biến
mắt trắng ở
ruồi giấm. Năm 1913, một sinh viên của ông, Alfred Sturtevant đã sử dụng
hiện tượng di truyền liên kết để chỉ ra rằng gen được sắp đặt theo đường thẳng (tuyến
tính) trên nhiễm sắc thể, và xây dựng nên bản đồ liên kết gen đầu tiên.
Di truyền học phân tử
Dù sự tồn tại của gen trên nhiễm sắc thể - hợp thành từ protein và ADN - đã được xác
nhận, tuy nhiên người ta vẫn chưa biết đến cái gì trong hai chất đó đóng vai trò di truyền.
Năm
1928, Frederick Griffith tìm ra hiện tượng biến nạp: những vi khuẩn đã chết có thể
chuyển vật liệu di truyền của chúng để làm biến đổi những vi khuẩn còn sống khác. Năm
1944, Oswald Theodore Avery, Colin McLeod và Maclyn McCarty trực tiếp xác định

ADN là phân tử đảm nhận biến nạp. Tuy nhiên, đến tận năm 1952, thí nghiệm Hershey-
Chase
mới cho thấy ADN (chứ không phải protein) là vật liệu di truyền của virus xâm
nhiễm vi khuẩn, cung cấp thêm bằng chứng chứng tỏ ADN là phân tử đảm nhận chức
năng di truyền.

James D. Watson và Francis Crick cho ra đời mô hình cấu trúc ADN năm 1953, sử dụng
công trình tinh thể học tia X của Rosalind Franklin, chứng tỏ rằng ADN có cấu trúc xoắn
kép
[30][31]
. Mô hình ADN của họ bao gồm hai chuỗi với những nucleotide phía trong, mỗi
một nucleotide liên kết bổ sung với một nucleotide ở chuỗi khác tạo thành hình dạng
giống như thanh ngang trên một chiếc thang xoắn
[32]
. Cấu trúc này chỉ ra rằng thông tin di
truyền tồn tại trên dãy nucleotide ở mỗi chuỗi ADN, và cũng đưa ra gợi ý về một cách
thức nhân đôi đơn giản: nếu chuỗi kép bị tách rời, chuỗi bổ sung mới có thể được tái
dựng lại từ mỗi chuỗi đơn cũ.
Dù cấu trúc ADN cho thấy được cách thức di truyền, người ta vẫn chưa biết rõ ràng về
cách mà ADN ảnh hưởng lên hoạt động của
tế bào. Trước đấy, năm 1941, George Wells
Beadle và Edward Lawrie Tatum đã đề ra thuyết "một gen-một enzym", chứng minh vai
trò điều khiển và điều hòa của gen lên các phản ứng sinh hóa ở mốc bánh mỳ
Neurospora, đồng thời phương pháp của họ - ứng dụng di truyền học vào sinh hóa ở vi
sinh vật
- cũng mở ra một phạm vi nghiên cứu mới ngay sau đó. Trong những năm sau
đó, các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra cách ADN điều khiển quá trình tổng hợp protein.
Họ đã khám phá được rằng tế bào đã sử dụng ADN như một khuôn để tạo nên phân tử
ARN thông tin tương ứng. Dãy nucleotide trên ARN thông tin lại tiếp tục được sử dụng
để tạo nên dãy

axít amin ở protein; trình tự của dãy nucleotide được dịch mã để tạo thành
dãy axít amin được gọi là
mã di truyền. Nó được dựa trên sự sắp xếp những bộ ba bazơ
nitơ không chồng lấn nhau, gọi là codon, mỗi codon mã hóa cho một axít amin. Điều này
lần đầu tiên được miêu tả trong thí nghiệm của Crick, Brenner và các cộng sự năm 1961.
Trong những năm 1961-1966 đã ghi nhận kết quả nỗ lực của các nhà khoa học để giải mã
được toàn bộ 64 codon, chủ yếu là những công trình do nhóm của
M. Nirenberg và nhóm
của
H. Khorana thực hiện.
Những hiểu biết mới tầm phân tử về tính di truyền đã tạo nên sự bùng nổ trong nghiên
cứu. Một bước phát triển quan trọng là phương pháp xác định trình tự ADN gián đoạn
chuỗi năm 1977 của Frederick Sanger: công nghệ này cho phép các nhà khoa học đọc
được trình tự nucleotide trên một phân tử ADN. Năm 1983, Kary Banks Mullis phát triển
phản ứng chuỗi trùng hợp (PCR), cung cấp một phương pháp nhanh chóng để phân lập và
khuyếch đại một đoạn ADN riêng biệt từ một hỗn hợp. Những cố gắng chung trong Dự
án Bản đồ gen Người và nỗ lực song song của công ty tư nhân Celera Genomics, cũng
như các công nghệ khác, cuối cùng đã thành công trong việc xác định trình tự bộ gen
người vào năm 2003.
Đặc trưng của di truyền
Di truyền riêng rẽ và quy luật Mendel
Một bảng Punnett mô tả sự lai hai cây đậu Hà Lan dị
hợp tử ở tính trạng hoa màu tía (B) và màu trắng (b).
Ở cấp độ cơ bản nhất, tính di truyền của các sinh vật xuất hiện ở các tính trạng riêng rẽ,
được gọi là gen. Đặc tính này lần đầu được nhận biết bởi Gregor Mendel, khi nghiên cứu
sự phân ly các tính trạng di truyền ở đậu Hà Lan. Trong thí nghiệm nghiên cứu về tính
trạng màu hoa của mình, Mendel quan sát được rằng hoa của mỗi cây đậu Hà Lan có màu
tía hoặc trắng - và không bao giờ có tính trạng trung gian giữa hai màu. Những dạng khác
nhau, riêng biệt của cùng một gen được gọi là allele.
Ở đậu Hà Lan, mỗi gen của mỗi cá thể có hai allele, và cây đậu sẽ thừa hưởng một allele

từ mỗi cây bố mẹ. Nhiều sinh vật khác, bao gồm cả con người, cũng có kiểu di truyền
như vậy. Cá thể mà có hai allele giống nhau ở một gen được gọi là đồng hợp tử ở gen
đấy, còn nếu có hai allele khác nhau thì cá thể gọi là
dị hợp tử.
Tập hợp tất cả allele ở một cá thể được gọi là kiểu gen của cá thể đó, còn tập hợp các tính
trạng quan sát được của cá thể được gọi là
kiểu hình. Với những cá thể dị hợp tử ở một
gen, thường sẽ có một allele được gọi là
trội, bởi đặc tính của nó trội hơn và thể hiện ra
kiểu hình ở sinh vật, và allele còn lại được gọi là lặn, bởi đặc tính của nó bị lấn át và
không được biểu hiện ra. Một số allele không lấn át hẳn, thay vì thế có tính trội không
hoàn toàn
tức thể hiện ra kiểu hình trung gian, hoặc đồng trội, tức cả hai allele đều được
biểu hiện cùng lúc.
Nhìn chung, khi một cặp cá thể sinh sản hữu tính, con cái của chúng sẽ thừa kế ngẫu
nhiên một allele từ bố và một allele từ mẹ. Những phát hiện về sự di truyền riêng rẽ và sự
phân ly của các allele được phát biểu chung với tên gọi Quy luật thứ nhất của Mendel hay
"Quy luật phân ly".
Ký hiệu và biểu đồ
Một sơ đồ phả hệ giúp theo dõi được kiểu di truyền của một
tính trạng đã cho.
Các nhà di truyền học sử dụng các biểu đồ và biểu tượng để mô tả sự di truyền. Một gen
được biểu trưng bởi một (hay vài) ký tự — trong đó ký tự viết hoa tượng trưng cho allele
trội và ký tự viết thường tượng trưng cho allele lặn. Thông thường biểu tượng "+" được
sử dụng để biểu thị allele thường, không đột biến ở một gen.
Ở các thí nghiệm lai và thụ tinh (đặc biệt về các quy luật Mendel), bố mẹ được xem là thế
hệ "P", con cái của chúng được gọi là thế hệ "F1" ("first filial"). Khi các cá thể F1 giao
phối với nhau, con của F1 lại tiếp tục gọi là "F2". Một trong những biểu đồ thường được
sử dụng để dự đoán kết quả lai là bảng Punnett (do Reginald Punnett sáng tạo).
Khi nghiên cứu về các bệnh di truyền ở

người, các nhà di truyền học thường dùng sơ đồ
phả hệ để diễn tả sự di truyền ở các tính trạng. Các sơ đồ này sẽ sắp xếp sự di truyền của
một tính trạng trên một cây phả hệ.
Tương tác của nhiều gen

Chiều cao con người là một tính trạng di truyền phức hợp. Các dữ liệu của
Francis Galton
từ 1889 cho thấy: sự liên hệ tất cả chiều cao của con cái là một hàm trung bình của chiều
cao cha mẹ. Trong khi mức biến đổi tương quan, còn lại trong chiều cao con cái biểu thị
rằng môi trường cũng là một nhân tố quan trọng ở tính trạng này.
Mỗi sinh vật có hàng ngàn gen và ở các sinh vật sinh sản hữu tính, sự phân ly các gen này
nhìn chung độc lập với nhau. Điều này có nghĩa là sự di truyền của một allele tính trạng
hạt đậu vàng hay xanh không có liên quan tới sự di truyền của cặp allele màu hoa trắng
hoặc tía. Hiện tượng này, được biết đến là Quy luật thứ hai của Mendel hay "
Quy luật
phân ly độc lập", mang ý nghĩa: các allele của những gen khác nhau sẽ thay đổi ngẫu
nhiên khi phân ly từ bố mẹ và sẽ tạo ra thế hệ con với nhiều tổ hợp gen khác nhau. Dù
thế, một số gen lại không phân ly độc lập với nhau, biểu thị tính liên kết gen.
Thực tế, các gen khác nhau lại có thể tương tác với nhau theo một cách nào đấy và ảnh
hưởng lên một tính trạng chung. Một ví dụ là ở loài hoa
Omphalodes verna, tồn tại một
gen với hai allele xác định tính trạng màu hoa: xanh lam hoặc đỏ tía. Một gen khác điều
khiển khả năng có màu của hoa: có màu hoặc không màu (màu trắng). Khi một cây có hai
allele hoa trắng, hoa của cây đấy luôn màu trắng - cho dù gen đầu tiên có allele hoa đỏ
hay xanh. Sự tương tác được gọi là
tương tác át chế (epistasis), khi gen thứ hai át chế sự
biểu hiện của gen thứ nhất. Bên cạnh tương tác át chế còn có kiểu tương tác bổ trợ, nghĩa
là sự biểu hiện của hai hay nhiều allele ở các gen khác nhau sẽ tạo kiểu hình mới, khác
với kiểu hình riêng được biểu hiện khi có mặt các allele ở từng gen riêng lẻ
[47]

.