Tài liệu Chương 1:Cơ sở của Di truyền học Mendel docx

24


Chương 1
Cơ sở của Di truyền học Mendel
Cho đến đầu thế kỷ XX, mọi người còn chưa hiểu được cơ chế của sự
di truyền, mặc dù vẫn biết rằng con cái sinh ra thường giống bố mẹ. Quan
niệm phổ biến cho đến giữa thế kỷ XIX được gói gọn trong cái gọi là
thuyết di truyền hòa hợp (theory of blending inheritance) nhằm giải thích
sự kiện con cái mang các đặc điểm của cả hai bố mẹ. Tuy nhiên, đến năm
1866 Gregor Mendel đã đưa ra thuyết di truyền gián đoạn (theory of
particulate inheritance), với gợi ý rằng: Đơn vị di truyền đặc thù kiểm soát
một tính trạng được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác tồn tại dưới
dạng hạt, ngày nay ta gọi là gene.
Các khám phá quan trọng của Mendel đặt nền móng cho sự ra đời của
di truyền học sau này. Như Thomas Hunt Morgan đã nhận định: "Trong
mười năm nghiên cứu ở cây đậu Hà Lan trong ngôi vườn của tu viện, G.
Mendel đã làm nên sự khám phá vĩ đại nhất trong sinh học đã đạt được
trong năm trăm năm qua".
I. Tiểu sử Mendel - Cha đẻ của Di truyền học
Gregor Mendel sinh năm 1822, lớn lên ở trang trại của cha mình tại
một tỉnh của Austria (Áo). Vì gia đình nghèo
nên ông phải vào tu viện để tiếp tục việc học
của mình. Trong khoảng thời gian này, Mendel
nghiên cứu vật lý và toán là những môn học
giúp ông nhiều trong các thí nghiệm di truyền
sau này. Ông đã được gởi tới Đại học Vienna
để thi lấy bằng giáo viên chính thức, nhưng
không đỗ và quay về tu viện "dạy học" trong
nhiều năm.

Hình 1.1 Gregor Mendel trong ngôi vườn của tu viện Brno.
Khi còn ở trang trại của cha mình, Mendel đã quan tâm tới các cây cối
và con vật, và thường giữ lại những cái hoa, con ong và chuột. Sau này ở
tu viện Brno ông tập trung vào các cây đậu Hà Lan (Pisum sativum).
Mendel đã xác định được các nguyên lý di truyền cơ sở từ các thí
nghiệm chọn giống thực vật. Các kết quả nghiên cứu này đã được Mendel
trình bày năm 1865 trước Hội Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên Brno và
công bố năm 1866 ở Germany trong một bài báo nhan đề là Các thí
nghiệm lai ở thực vật (Experiments on Plant Hybrids). Bài báo này nhanh
chóng có mặt ở nhiều thư viện, nhưng những người cùng thời ông không

25


hiểu được các phát hiện của ông, có lẽ một phần là do ông sử dụng toán
học để lý giải các kết quả của mình. Ngoài ra, hầu hết các nhà nghiên cứu
đương thời do tiến hành nhiều tính trạng đồng thời dẫn tới các kết quả rối
bời nên không thể nhận ra được các nguyên lý di truyền cơ sở.
Mendel trở thành tu viện trưởng từ năm 1868 và không công bố thêm
một kết quả nào về di truyền nữa kể từ sau kiệt tác năm 1866.
Mendel qua đời năm 1884 trước khi công trình của ông được giới
khoa học thấu hiểu. Mãi đến năm 1900, công trình của ông mới được ba
nhà thực vật học độc lập nhau khám phá lại, đó là Carl Correns của
Germany, Hugo de Vries của Netherlands và Erich von Tschermak của
Austria. Đây là mốc khởi đầu cho các nghiên cứu di truyền học hiện đại.
Ngày nay, phương pháp thí nghiệm của Mendel được xem là thí dụ kinh
điển về sự nghiên cứu khoa học được lập kế hoạch cẩn thận và bài báo của
ông là sự minh họa tuyệt vời của một thiên tài khoa học.
II. Đối tượng và phương pháp thí nghiệm của Mendel
1. Đối tượng

(a) (b)



Hình 1.2 (a) Bảy tính trạng tương phản ở đậu Hà Lan được Mendel nghiên
cứu; dạng trội nằm bên trái của mỗi trường hợp. (b) Cấu tạo hoa đậu,
phương pháp thụ phấn chéo và cây đậu Hà Lan.

26


Mendel chọn đậu Hà Lan (Pisum sativum) làm đối tượng nghiên cứu
vì chúng có hai đặc điểm cơ bản là sai khác nhau về nhiều tính trạng tương
phản dễ quan sát (hình 1.2a) và sinh sản bằng lối tự thụ phấn. Ngoài ra,
đậu có hoa khá lớn nên thao tác dễ dàng (hình 1.2b); có khả năng cho số
lượng đời con nhiều; và nhiều giống đậu lúc bấy giờ có giá trị kinh tế cao.
2. Phương pháp
Tính chất độc đáo của phương pháp nghiên cứu Mendel thể hiện ở
chỗ: (1) Chọn các dòng thuần (pure lines) khác nhau bằng cách cho tự thụ
phấn liên tiếp nhiều thế hệ dùng làm dạng bố mẹ trong các phép lai; (2)
Theo dõi trước tiên kết quả di truyền riêng biệt của từng tính trạng qua vài
thế hệ, trong đó thế hệ cây lai thứ nhất hay F
1
sinh ra do giao phấn giữa
hai dạng bố mẹ thuần chủng khác nhau, còn thế hệ cây lai thứ hai hay F
2

sinh ra từ sự tự thụ phấn của các cây lai F
1
, rồi sau đó mới tiến hành
nghiên cứu sự di truyền đồng thời của hai hoặc nhiều tính trạng; (3) Khái
quát và lý giải các kết quả thí nghiệm thu được bằng toán thống kê và xác
suất; và (4) Kiểm tra lại một cách cẩn thận các giả thuyết khoa học bằng
các phép lai thuận nghịch (reciprocal matings) và lai phân tích (testcross).
III. Lai một tính và nguyên lý phân ly
1. Kết quả thí nghiệm lai một tính (monohybrid cross)
Mendel đã tiến hành bảy phép lai một tính khác nhau và các kết quả
thu được được trình bày ở Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các kết quả lai một tính của Mendel
TT Kiểu hình P F
1
F
2
Tỷ lệ F
2
1 Hạt trơn × nhăn Trơn 5474 trơn : 1850 nhăn 2,96:1
2 Hạt vàng × xanh Vàng 6022 vàng : 2001 xanh 3,01:1
3 Hoa đỏ tía × trắng Đỏ tía 705 đỏ tía : 224 trắng 3,15:1
4 Quả phồng × tóp Phồng 882 phồng : 299 tóp 2,95:1
5 Quả xanh × vàng Xanh 428 xanh : 152 vàng 2,82:1
6 Hoa dọc thân × đỉnh Dọc thân 651 dọc thân : 207 đỉnh 3,14:1
7 Thân cao × thấp Cao 787 cao : 277 thấp 2,84:1
Từ tất cả các phép lai trên cho thấy: Khi bố mẹ ở thế hệ xuất phát (P)
thuần chủng khác nhau về một cặp tính trạng tương phản, thì ở thế hệ F
1

tất cả con lai đều biểu hiện chỉ một tính trạng của bố hoặc mẹ, tính trạng

đó được gọi là tính trạng trội (dominant) và tính trạng kia không quan sát
được gọi là tính trạng lặn (recessive). Sau đó cho các con lai F
1
tự thụ
phấn thì ở thế hệ F
2
ông thu được cả hai kiểu hình (phenotype) của bố mẹ
ban đầu với tỷ lệ xấp xỉ 3/4 trội và 1/4 lặn.
Ngoài ra, Mendel cũng cho các cây F
2
tự thụ phấn riêng rẽ và theo dõi
sự phân ly ở thế hệ F
3
. Kết quả cho thấy 1/4 cây của F
2
sinh ra kiểu hình

27


lặn tất cả đều là các cây lặn thuần chủng; điều đó có nghĩa là tất cả con cái
của chúng là lặn. Tuy nhiên, trong số 3/4 biểu hiện kiểu hình trội thì một
số là trội thuần chủng, còn số khác thì giống như các cá thể F
1
ở chỗ
chúng cho đời con gồm cả trội và lặn. Nhìn chung, có ba kiểu cá thể F
2
đó
là: 1/4 trội thuần chủng, 1/2 trội không thuần chủng (cho đời con với tỷ lệ
3 trội :1 lặn) và 1/4 lặn thuần chủng.

2. Giải thích và kiểm chứng nguyên lý phân ly
Từ các kết quả thí nghiệm đó Mendel kết luận rằng, thông qua các
giao tử bố mẹ đã truyền cho con cái các nhân tố di truyền (genetic factor)
mà ngày nay ta gọi là gene. Mendel còn gợi ý rằng các nhân tố này tồn tại
dưới vài dạng biến đổi (nay gọi là các allele) xác định các kiểu hình khác
nhau của cùng một tính trạng. Ông giả định rằng mỗi cá thể có hai allele
của mỗi gene, một cái nhận từ giao tử của bố và một cái từ giao tử của mẹ.
Mặc dù điều đó đối với chúng ta bây giờ có vẻ đơn giản, nhưng ở thời đại
Mendel không có ai hiểu được nó.
Bây giờ ta hãy xét thí nghiệm 2. Trước tiên, quy ước các gene xác định
các tính trạng trội và lặn bằng các chữ cái viết hoa và viết thường, chẳng
hạn: A - hạt vàng, và a - hạt xanh. Như vậy có ba kiểu gene (genotype),
trong đó hai kiểu đồng hợp tử (homozygote) - có hai allele giống nhau:
AA và aa, tức dạng thuần chủng và một kiểu dị hợp tử (heterozygote) -
chứa hai alele khác nhau: Aa, tức dạng lai. Vì allele vàng là trội hơn allele
xanh, nên cá thể dị hợp tử Aa có cùng kiểu hình với thể đồng hợp trội AA.
P Hạt vàng (AA) × Hạt xanh (aa)
Giao tử P A a
F
1
Aa (vàng)
Giao tử F
1
(½ A : ½ a)
cái
(½ A : ½ a)
đực
Khung Punnett
½ A ½ a
½ A ¼ AA ¼ Aa

½ a ¼ Aa ¼ aa
F
2
Tỷ lệ kiểu gene 1 AA : 2 Aa : 1 aa
Tỷ lệ kiểu hình 3 vàng (A-) : 1 xanh (aa)
Hình 1.3 Sơ đồ biểu diễn kết quả lai một tính của Mendel.
Trong giảm phân, mỗi bố mẹ thuần chủng hạt vàng (AA) và hạt xanh
(aa) chỉ cho một loại giao tử mang allele tương ứng là A và a. Do đó kết
quả của sự thụ tinh chỉ tạo ra một kiểu dị hợp tử Aa, nghĩa là tất cả con lai

28


F
1
đều có kiểu hình trội hạt vàng. Khi bước vào giảm phân, các cá thể F
1

dị hợp tử (Aa) sẽ cho hai loại giao tử (A và a) với tỷ lệ tương đương. Đó
cũng là thực chất của nguyên lý phân ly (principle of segregation), hay quy
luật thứ nhất của Mendel (Mendel's first law). Kết quả của sự tự thụ tinh
ngẫu nhiên giữa các loại giao tử đực và cái của F
1
này sẽ cho ra bốn kiểu
tổ hợp ở F
2
, với tỷ lệ phân ly theo kiểu gene là 1AA: 2Aa: 1aa và tỷ lệ
kiểu hình tương ứng là 3 vàng (A-): 1 xanh (aa). Lưu ý rằng thông thường
người ta sử dụng khung Punnett (Punnett square) do nhà di truyền học
người Anh R.C.Punnett đưa ra năm 1905 để xác định kết quả di truyền của

các phép lai. Sơ đồ biểu diễn kết quả lai một tính được nêu ở hình 1.3.
Để khẳng định nguyên lý phân ly, Mendel đã tiến hành hai thí nghiệm:
Một là, cho các cá thể dị hợp tử F
1
tự thụ phấn như đã nói ở trên; và hai là,
cho F
1
lai ngược trở lại với bố hoặc mẹ có kiểu hình lặn. Phép lai với một
cá thể lặn như thế được gọi là lai phân tích (testcross), thay vì gọi là lai
ngược (backcross) bởi vì nó cho phép kiểm tra kiểu gene của một cá thể
trội là dị hợp hay đồng hợp. Cơ sở di truyền của kiểu lai này như sau:
Bố mẹ Aa (hạt vàng) × aa (hạt xanh)
Giao tử 50% A : 50% a 100% a
Đời con 50% Aa (vàng) : 50% aa (xanh)
3. Nguyên lý phân ly và tính phổ biến của nó
Sau khi các nguyên lý di truyền của Mendel được khám phá lại năm
1900, tính phổ biến của các nguyên lý Mendel nói chung và nguyên lý
phân ly nói riêng đã được các nhà nghiên cứu khẳng định bằng cách lặp lại
các phép lai của ông (chẳng hạn giữa đậu hạt vàng và hạt xanh; bảng 1.2)
cũng như tiến hành các phép lai tương tự ở các động vật và thực vật khác.
Bảng 1.2 Các kết quả lai lặp lại ở đậu Hà Lan
Nhà nghiên cứu Vàng Nhăn Tỷ lệ F
2
Mendel (1866) 6.022 2.001 3,01:1
Correns (1900) 1.394 453 3,08:1
Tschermak (1900) 3.580 1.190 3,01:1
Bateson (1905) 11.902 3.903 3,05:1
Darbishire (1909) 109.060 36.186 3,01:1
Tính toàn bộ 131.958 43.733 3,02:1
Nội dung chính của nguyên lý hay quy luật phân ly có thể tóm lược

như sau: Các allele là những dạng khác nhau của cùng một gene; trong
các thể dị hợp tử chúng phân ly về các giao tử với tỷ lệ tương đương.
IV. Lai hai tính và nguyên lý phân ly độc lập

1. Kết quả thí nghiệm lai hai tính (dihybrid cross)

29



Để xác định sự di truyền đồng thời của nhiều cặp tính trạng, Mendel
đã tiến hành nhiều thí nghiệm khác nhau. Bảng 1.3 giới thiệu kết quả lai
hai tính giữa các giống đậu thuần chủng hạt vàng-trơn và hạt xanh-nhăn.
Bảng 1.3 Các kết quả lai hai tính của Mendel
Thế hệ Kiểu hình hạt Số lượng
Tỷ lệ F
2

(quan sát)
Tỷ lệ F
2
(kỳ vọng)
P
tc
Vàng-trơn
× xanh-nhăn
− − −
F
1
Vàng-trơn − − −

F
2
Vàng-trơn 315 9,84 9
Vàng-nhăn 101 3,16 3

Xanh-trơn
108 3,38 3

Xanh-nhăn

32 1,0 1

Tổng = 556

Với phép lai này, tất cả con lai F
1
đều có kiểu hình trội kép là hạt vàng
và trơn. Khi cho F
1
tự thụ phấn, ở F
2
xuất hiện 4 kiểu hình là
vàng-trơn,
vàng-nhăn, x
anh-trơn và xanh-nhăn với tỷ lệ xấp xỉ 9:3:3:1.
2. Giải thích và nội dung nguyên lý phân ly độc lập
Nếu xét tỷ lệ phân ly của từng tính trạng ở F
2
, ta có: 315 + 101 = 416
vàng và 108 + 32 = 140 xanh, xấp xỉ 3 vàng : 1 xanh. Tương tự, về hình

dạng hạt, ta

có 315 + 108 = 423 trơn và 101 + 32 = 133 nhăn, xấp xỉ 3 trơn
: 1 nhăn. Điều đó chứng tỏ mỗi tính trạng đều tuân theo quy luật phân ly 3
trội :1 lặn.
Bằng cách áp dụng quy tắc nhân xác suất của các biến cố độc lập (xem
mục VI), ta dễ dàng chứng minh được rằng sự phân ly của hai tỷ lệ này là
hoàn toàn độc lập nhau như dự đoán ban đầu. Thật vậy, (3 vàng :1 xanh)(3
trơn :1nhăn) = 9 vàng-trơn : 3 vàng-nhăn : 3 xanh-trơn : 1 xanh-nhăn.
Cần lưu ý là tỷ lệ 9:3:3:1 này cũng được Mendel tìm thấy trong khi lặp
lại thí nghiệm với các tính trạng khác. Từ đó ông mới xây dựng nên
nguyên lý phân ly độc lập (principle of independent assortment), còn gọi
là quy luật thứ hai của Mendel (Mendel's second law). Nội dung của
nguyên lý này phát biểu rằng: Các allele của các gene khác nhau thì phân
ly một cách độc lập với nhau trong quá trình hình thành giao tử (kết quả
là tạo ra tỷ lệ 9:3:3:1 ở thế hệ F
2
từ một phép lai hai tính).
Để minh họa cho những điều trình bày trên đây, ta quy ước: A - vàng,
a - xanh, B - trơn, b - nhăn.
Lưu ý: Để kiểm tra lại giả thuyết phân ly độc lập, Mendel đã tiến hành
lai phân tích giữa các cây vàng-trơn F
1
(AaBb) với cây xanh-nhăn (aabb).
Kết quả thu được gồm 55 vàng-trơn : 49 vàng-nhăn : 51 xanh-trơn : 53

30


xanh-nhăn, tương đương với tỷ lệ 1:1:1:1 = (1:1)(1:1). Điều đó chứng tỏ

các cây F
1
đã cho bốn loại giao tử với tỷ lệ ngang nhau, nghĩa là chứa hai
cặp gene dị hợp phân ly độc lập.
P
tc
Kiểu hình vàng, trơn × xanh, nhăn
Kiểu gene AABB aabb
Giao tử AB ab
F
1
Kiểu gene AaBb
Kiểu hình vàng, trơn
Giao tử ¼ AB : ¼ Ab : ¼ aB : ¼ ab
Khung Punnett
¼ AB ¼ Ab ¼ aB ¼ ab
¼ AB AABB AABb AaBB AaBb
¼ Ab AABb AAbb AaBB Aabb
¼ aB AaBB AaBb aaBB aaBb
¼ ab AaBb Aabb aaBb aabb
F
2
Tỷ lệ kiểu gene

Tỷ lệ kiểu hình
1/16 AABB + 2/16 AaBB +
2/16 AABb + 4/16 AaBb = 9/16 vàng, trơn
1/16 AAbb + 2/16 Aabb = 3/16 vàng, nhăn
1/16 aaBB + 2/16 aaBb = 3/16 xanh, trơn
1/16 aabb = 1/16 xanh, nhăn

Hình 1.4 Cơ sở di truyền học của nguyên lý phân ly độc lập.

V. Sự di truyền Mendel ở người
Cũng như ở đậu Hà Lan, ruồi giấm hay mèo, ở người có rất nhiều tính
trạng di truyền theo các quy luật Mendel. Chẳng hạn, theo thống kê của
Victor A.McKusick năm 1994, có 6.678 tính trạng và các bệnh đơn gene.
Cho đến ngày 8/2/2005, các số liệu về số lượng gene và kiểu hình được
nêu ở bảng 1.4 (OMIM 2005).
Nói chung, việc xác định phương thức di truyền ở người là tương đối
khó khăn, vì mỗi gia đình có ít con, thường không quá 10 người. Để khắc
phục điều đó người ta sử dụng phương pháp phân tích phả hệ (pedigree
analysis). Dưới đây nêu một số tính trạng trội và lặn ở người mà không
phân tích đặc điểm của các kiểu di truyền đó (xem chương 11).