Chủ đề IV. Di truyền phân tử và tế bào

Di truyền là sự truyền đạt thông tin di truyền từ thế hệ trước sang thế hệ sau, góp phần làm con có những đặc điểm giống bố mẹ. Biến dị tạo nên sự khác nhau giữa các cá thể và giữa con với bố mẹ. Một tính trạng có thể chịu ảnh hưởng của gene và môi trường. Vì vậy, thấy hai cây cao khác nhau chưa đủ để kết luận chúng mang hai kiểu gene khác nhau.

Gene là một đơn vị thông tin di truyền; allele là những dạng khác nhau của cùng một gene. Trong mô hình cơ thể lưỡng bội, một cặp allele được biểu diễn bằng AA, Aa hoặc aa. AA và aa là đồng hợp, Aa là dị hợp. Kiểu gene mô tả thành phần allele; kiểu hình là đặc điểm biểu hiện. Nếu A trội hoàn toàn so với a thì AA và Aa cùng thể hiện tính trạng trội.

Quy luật phân li cho biết hai allele trong một cặp phân li về các giao tử, mỗi giao tử nhận một allele của cặp. Với cá thể Aa tạo giao tử bình thường, tỉ lệ A và a là 1 : 1 theo lí thuyết. Khi lai hai dòng thuần AA và aa, con F1 đều có kiểu gene Aa. Sự kết hợp giao tử trong thụ tinh khôi phục cặp allele, không làm hai allele hòa trộn mất bản sắc.

Cho F1 Aa lai với nhau, bảng Punnett gồm AA, Aa, Aa và aa với xác suất bằng nhau. Tỉ lệ kiểu gene dự kiến là 1 AA : 2 Aa : 1 aa; nếu trội hoàn toàn thì kiểu hình là 3 trội : 1 lặn. Đây là xác suất qua nhiều lần sinh sản, không phải lời hứa cứ bốn cá thể con sẽ có đúng ba cá thể trội và một cá thể lặn.

Lai phân tích là cho cá thể có kiểu hình trội lai với cá thể đồng hợp lặn để suy ra kiểu gene. Trong mô hình đang xét, AA × aa cho toàn Aa; Aa × aa cho Aa và aa với tỉ lệ dự kiến 1 : 1. Cần xét đủ số con và điều kiện thí nghiệm. Một nhóm con nhỏ đều trội chưa chứng minh chắc chắn bố hoặc mẹ mang kiểu gene AA.

Với hai cặp gene phân li độc lập, cá thể AaBb tạo bốn loại giao tử AB, Ab, aB, ab với tỉ lệ bằng nhau. Nếu hai tính trạng trội hoàn toàn, lai AaBb × AaBb cho tỉ lệ kiểu hình dự kiến 9 : 3 : 3 : 1. Điều kiện độc lập phải được nêu; gene cùng nhiễm sắc thể có thể di truyền liên kết. Khi tính xác suất, hãy xét từng cặp rồi nhân các xác suất độc lập.

Nucleic acid là nhóm phân tử gồm DNA và RNA, được cấu tạo từ những đơn phân nucleotide. DNA dùng bốn loại base A, T, G, C; RNA dùng A, U, G, C. Trình tự các nucleotide mang thông tin, tương tự thứ tự chữ tạo nên những thông điệp khác nhau. Không chỉ tổng số nucleotide mà cách sắp xếp chúng cũng quan trọng đối với hoạt động của một gene.

DNA thường gồm hai mạch xoắn kép và ngược chiều nhau. Hai mạch liên kết theo nguyên tắc bổ sung: A với T, G với C. Vì vậy, xét toàn bộ một phân tử DNA mạch kép bình thường thì số A bằng số T, số G bằng số C. Quan hệ này không bắt buộc đúng trên từng mạch riêng. Khi ghi chuỗi, kí hiệu đầu 5′ và 3′ giúp xác định chiều, tránh ghép sai.

Gene là một đoạn DNA mang thông tin tạo sản phẩm có chức năng; sản phẩm có thể là RNA hoặc một chuỗi polypeptide thông qua RNA. Bộ gene chứa nhiều gene và các vùng có vai trò điều hòa. Không nên xem một gene luôn tương ứng duy nhất với một tính trạng nhìn thấy; nhiều tính trạng liên quan nhiều gene và môi trường, trong khi một gene có thể ảnh hưởng nhiều biểu hiện.

Tái bản DNA tạo các phân tử DNA mới trước nguyên phân và trước giảm phân I; không có đợt tái bản xen giữa giảm phân I và II. Hai mạch tách ra làm khuôn; các nucleotide mới lắp theo nguyên tắc bổ sung. Mỗi DNA con có một mạch cũ và một mạch mới, gọi là nguyên tắc bán bảo tồn. Trong mô hình tái bản bình thường, thông tin được sao chép chính xác. Nếu xét một phân tử ban đầu qua k đợt tái bản đồng loạt, số phân tử là $2^k$.

Phiên mã tạo RNA dựa trên một mạch khuôn DNA của gene. RNA được tổng hợp theo chiều 5′ → 3′, bổ sung với mạch khuôn được đọc theo chiều 3′ → 5′: A trên khuôn ghép U, T ghép A, G ghép C và C ghép G. Ví dụ, đoạn khuôn 3′–TAC–5′ tạo đoạn RNA 5′–AUG–3′. Chuỗi RNA không chứa T; cũng không ghép bổ sung đồng thời với cả hai mạch DNA.

RNA có nhiều loại, trong đó mRNA mang thông tin cho tổng hợp protein; tRNA vận chuyển amino acid; rRNA tham gia cấu tạo và hoạt động của ribosome. Không phải mọi RNA đều được dịch mã. Trong bài tính đơn giản, cần đọc rõ đề đang nói tới mRNA hay một loại RNA khác. Các bước ở tế bào nhân thực có sự phân bố trong nhân và tế bào chất, không gom mọi hoạt động vào một vị trí.

Dịch mã diễn ra tại ribosome, sử dụng trình tự các bộ ba trên mRNA để sắp xếp amino acid. tRNA giúp ghép đúng amino acid với thông tin tương ứng. Bộ ba mở đầu thường là AUG; các bộ ba kết thúc báo dừng và không mã hóa amino acid. Một đoạn mRNA bất kì không nhất thiết bắt đầu một vùng mã hóa, nên bài tập phải cung cấp khung đọc hoặc quy ước cần thiết.

Trình tự DNA có thể ảnh hưởng trình tự mRNA, từ đó ảnh hưởng trình tự amino acid và chức năng protein. Protein tham gia cấu tạo, xúc tác và điều hòa nên góp phần tạo tính trạng. Sơ đồ DNA → RNA → protein → tính trạng là mô hình giải thích gene mã hóa protein, không có nghĩa DNA biến mất để trở thành RNA. Môi trường còn tác động tới biểu hiện của nhiều tính trạng, vì thế dự đoán phải dựa vào đủ điều kiện.

Đột biến gene là sự thay đổi trong trình tự nucleotide của gene. Ở mức độ đơn giản, có thể xét đột biến thay thế, mất hoặc thêm một cặp nucleotide trong DNA mạch kép. Khi thay thế một cặp, chiều dài đoạn gene có thể không đổi; khi mất hoặc thêm, số nucleotide thay đổi. Một khác biệt về chiều cao do cây thiếu nước không tự nó chứng minh gene đã bị đột biến.

Đột biến có thể xuất hiện khi DNA được sao chép hoặc sửa chữa không hoàn toàn chính xác. Một số tác nhân vật lí, hóa học hay sinh học có thể làm tăng khả năng thay đổi DNA. Tế bào có cơ chế sửa chữa nhiều tổn thương, nên tiếp xúc tác nhân không đồng nghĩa mọi tế bào chắc chắn đều đột biến. Không được chủ động dùng tác nhân nguy hiểm để thử gây biến dị trong lớp học.

Đột biến có thể làm thay đổi sản phẩm của gene hoặc mức độ gene hoạt động. Một thay đổi trong vùng mã hóa có thể đổi amino acid, tạo tín hiệu dừng hoặc không đổi amino acid vì nhiều bộ ba cùng mã hóa một loại. Thêm hay mất nucleotide trong vùng mã hóa có thể làm lệch khung đọc nếu số bị thay đổi không là bội số của ba; các bài mô hình cần nêu điều kiện này.

Ảnh hưởng có thể bất lợi, trung tính hoặc có lợi tùy vị trí biến đổi, kiểu gene và môi trường. Một allele có lợi trong điều kiện này chưa chắc có lợi trong điều kiện khác. Không nên nói mọi đột biến đều gây bệnh hoặc mọi đột biến đều giúp tiến hóa theo hướng tốt hơn. Biến đổi lặn có thể chưa biểu hiện ở cá thể dị hợp nhưng vẫn có khả năng được truyền tiếp.

Đột biến được truyền cho những tế bào con khi tế bào mang nó phân chia. Ở loài sinh sản hữu tính, biến đổi trong dòng tế bào tạo giao tử có thể đi qua giao tử vào đời con nếu giao tử tham gia thụ tinh. Đột biến chỉ xảy ra ở một tế bào da của người thường không được truyền qua sinh sản. Cần phân biệt sự truyền trong một cơ thể với sự truyền giữa các thế hệ.

Đột biến tạo allele mới, góp phần cung cấp nguyên liệu di truyền cho chọn giống và tiến hóa. Chọn lọc không ra lệnh cho DNA tạo đúng biến đổi đang cần; nó tác động lên các biến dị đã xuất hiện trong bối cảnh cụ thể. Khi đánh giá một ví dụ, hãy lần lượt xác định trình tự thay đổi, sản phẩm có thể chịu ảnh hưởng, khả năng di truyền và dữ kiện còn thiếu trước khi kết luận.

Nhiễm sắc thể ở tế bào nhân thực gồm DNA liên kết với protein, mang nhiều gene sắp xếp theo trật tự. Chúng dễ quan sát khi co xoắn trong phân bào. Một cặp nhiễm sắc thể tương đồng thường gồm một chiếc từ bố và một chiếc từ mẹ, có các gene tương ứng ở vị trí tương ứng. Hai chiếc có thể mang allele khác nhau, nên tương đồng không có nghĩa mọi thông tin đều hoàn toàn giống nhau.

Tế bào lưỡng bội có bộ nhiễm sắc thể 2n, gồm các cặp tương đồng; giao tử thông thường mang bộ đơn bội n. Số lượng và cấu trúc bộ nhiễm sắc thể là đặc trưng của loài, không dùng số lượng để xếp sinh vật thông minh hay tiến hóa cao hơn. Ở người, mô hình tế bào lưỡng bội điển hình có 46 nhiễm sắc thể; giao tử có 23. Một số loại tế bào chuyên hóa có đặc điểm riêng.

Trước phân bào, DNA thường được nhân đôi để một nhiễm sắc thể đơn trở thành nhiễm sắc thể kép gồm hai chromatid chị em. Hai chromatid gắn ở vùng tâm động; khi còn gắn nhau, chúng được tính là một nhiễm sắc thể kép. Vì vậy, ngay sau nhân đôi, số nhiễm sắc thể chưa tăng gấp đôi dù lượng DNA đã tăng. Hình chữ X minh họa một nhiễm sắc thể kép, không phải một cặp tương đồng.

Nguyên phân gồm các biến đổi giúp hai bộ thông tin được phân chia đều. Nhiễm sắc thể co xoắn, sắp xếp, các chromatid chị em tách nhau và đi về hai phía; sau đó hình thành hai tế bào con. Nguyên phân bình thường từ tế bào lưỡng bội tạo mỗi tế bào con có 2n nhiễm sắc thể. Quá trình giúp tăng số tế bào, thay thế tế bào và tham gia sinh sản vô tính ở nhiều loài.

Giảm phân có một lần nhân đôi DNA rồi hai lần phân bào liên tiếp. Ở lần thứ nhất, các nhiễm sắc thể tương đồng phân li; ở lần thứ hai, các chromatid chị em phân li. Kết quả điển hình là bốn tế bào đơn bội từ một tế bào lưỡng bội ban đầu. Không có lần nhân đôi DNA mới xen giữa giảm phân I và II. Không phải cả bốn sản phẩm lúc nào cũng trở thành giao tử chức năng, chẳng hạn trong quá trình tạo trứng.

Giảm phân và thụ tinh phối hợp duy trì bộ nhiễm sắc thể qua các thế hệ sinh sản hữu tính. Giảm phân tạo tế bào n; hai giao tử n kết hợp hình thành hợp tử 2n; hợp tử phát triển nhờ nguyên phân. Nếu chỉ xét thụ tinh mà bỏ qua sự giảm số nhiễm sắc thể khi tạo giao tử, không giải thích được vì sao số lượng thường ổn định qua thế hệ.

Sự phân li của các cặp tương đồng trong giảm phân và sự trao đổi đoạn giữa các chromatid không chị em có thể tạo tổ hợp allele mới. Sự kết hợp ngẫu nhiên của giao tử tiếp tục làm đời con đa dạng. Đây là nguồn biến dị tổ hợp, khác với đột biến tạo allele mới. Khi bài chỉ xét một cơ chế, cần theo đúng giả thiết và không tự thêm hoặc bỏ trao đổi chéo.

Với một tế bào nguyên phân đồng loạt k lần, không mất tế bào, số tế bào con là $2^k$. Nếu bắt đầu từ a tế bào thì có $a\times 2^k$ tế bào. Muốn tính tổng nhiễm sắc thể, nhân số tế bào với số nhiễm sắc thể trong mỗi tế bào ở thời điểm được hỏi. Ghi rõ trước nhân đôi, sau nhân đôi hay sau phân bào, tránh trộn số nhiễm sắc thể với số chromatid.

Bộ nhiễm sắc thể của nhiều loài được chia thành nhiễm sắc thể thường và nhiễm sắc thể giới tính. Nhiễm sắc thể giới tính mang các gene tham gia quá trình phát triển giới tính, đồng thời có thể mang gene quy định tính trạng khác. Cơ chế xác định giới tính khác nhau giữa các loài; không lấy một mô hình ở người áp dụng cho toàn bộ động vật, thực vật.

Trong mô hình phổ biến ở người, nữ có cặp XX và nam có cặp XY. Tế bào tạo trứng XX giảm phân bình thường cho trứng mang X; tế bào tạo tinh trùng XY cho các nhóm mang X hoặc Y. Khi thụ tinh, X của trứng kết hợp X của tinh trùng tạo XX, hoặc kết hợp Y tạo XY. Đây là mô hình NST điển hình để học quy luật, không bao quát mọi biến thể phát triển giới tính.

Với giả thiết hai loại tinh trùng có cơ hội thụ tinh như nhau, xác suất tổ hợp XX và XY xấp xỉ 1 : 1. Kết quả mỗi lần thụ tinh có tính ngẫu nhiên; một gia đình ít con không phải có đúng một nửa mỗi loại. Không thể từ số con đã có mà khẳng định lần tiếp theo chắc chắn thuộc nhóm nào. Cơ chế sinh học không phải lí do để đổ lỗi hay đánh giá giá trị con người.

Ở một số loài, kiểu NST giới tính khác mô hình XX/XY; yếu tố môi trường cũng có thể ảnh hưởng phát triển giới tính. Vì vậy, câu hỏi phải xác định loài và cơ chế đang xét. Khi đọc sơ đồ, hãy phân biệt NST, gene nằm trên NST và kiểu hình cuối cùng. Không mô tả giới tính như sản phẩm của ý muốn, chế độ ăn hoặc một lựa chọn tùy ý của bố mẹ.

Mỗi NST thường mang nhiều gene. Các gene nằm trên cùng một NST có xu hướng được truyền cùng nhau khi NST đi vào giao tử, tạo hiện tượng di truyền liên kết. Hiện tượng này giúp hiểu vì sao không phải mọi cặp tính trạng đều theo tỉ lệ phân li độc lập của Mendel. Để ghi rõ vị trí, có thể dùng AB/ab: A và B cùng nằm trên một NST, a và b trên chiếc tương đồng.

Nếu đề quy ước liên kết hoàn toàn và không có hoán vị gene, cơ thể AB/ab chỉ tạo hai loại giao tử AB và ab, mỗi loại một nửa. Lai với ab/ab tạo AB/ab và ab/ab theo tỉ lệ 1 : 1. Ngược lại, cơ thể AaBb có hai cặp gene phân li độc lập tạo bốn loại giao tử với tỉ lệ bằng nhau. Cách sắp xếp allele và điều kiện liên kết quyết định cách tính.

Trong giảm phân thực tế, trao đổi chéo giữa các chromatid không chị em có thể tạo tổ hợp gene mới, nên liên kết không có nghĩa mọi gene cùng NST không bao giờ tách tổ hợp. Ở mức ôn này, các bài số học chỉ xét trường hợp liên kết hoàn toàn được nói rõ. Không dùng kết quả hai loại giao tử để khẳng định mọi cơ thể mang hai gene trên một NST luôn cho đúng hai loại.

Di truyền liên kết có ý nghĩa trong việc duy trì những tổ hợp tính trạng phù hợp ở giống cây trồng, vật nuôi; đồng thời có thể làm khó việc tách một tính trạng bất lợi khỏi tính trạng mong muốn. Chọn giống cần theo dõi nhiều thế hệ và nhiều đặc điểm. Khi so sánh các phép lai, hãy viết giao tử trước, ghép tổ hợp sau rồi mới đếm kiểu gene, thay vì chọn sẵn một tỉ lệ quen thuộc.

Đột biến nhiễm sắc thể là biến đổi cấu trúc hoặc số lượng nhiễm sắc thể. Vì một NST mang nhiều gene, sự thay đổi có thể tác động tới lượng và cách tổ chức thông tin di truyền. Tuy nhiên, mức ảnh hưởng tùy phần biến đổi và cơ thể. Không thể chỉ từ hình dạng bên ngoài suy ra chắc chắn một cá thể mang loại đột biến NST nào.

Đột biến cấu trúc gồm các dạng thường xét như mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn hoặc chuyển đoạn. Mất đoạn làm thiếu một phần; lặp đoạn làm tăng số bản sao của đoạn; đảo đoạn thay đổi chiều của một đoạn; chuyển đoạn làm chuyển vị trí đoạn NST. Trong mô hình không làm mất tâm động, một NST bị mất một đoạn vẫn có thể được đếm là một NST; cấu trúc khác số lượng.

Đột biến số lượng có hai nhóm cơ bản. Lệch bội làm thay đổi số NST ở một hoặc một số cặp, chẳng hạn thể ba 2n + 1 hoặc thể một 2n − 1. Đa bội làm tăng số bộ đơn bội nguyên vẹn, chẳng hạn 3n hoặc 4n. Thể ba và thể tam bội không giống nhau: một trường hợp thêm một chiếc, trường hợp kia thêm cả một bộ n chiếc.

Rối loạn phân li NST trong phân bào có thể tạo tế bào hoặc giao tử thừa, thiếu NST. Khi một giao tử bất thường tham gia thụ tinh, hợp tử có thể mang bộ NST khác bình thường. Biến đổi cũng có thể phát sinh sau thụ tinh ở một nhóm tế bào. Vì vậy, đột biến di truyền không phải luôn do bố mẹ đã có biểu hiện tương tự trước đó.

Nhiều biến đổi NST gây mất cân bằng lượng gene, ảnh hưởng phát triển hoặc sinh sản. Ở một số cây, đa bội có thể đi cùng cơ quan sinh dưỡng lớn hơn và được nghiên cứu trong chọn giống; không có nghĩa mọi cây đa bội đều tốt hơn. Thể tam bội thường khó tạo giao tử cân bằng nên có thể được dùng để tạo một số giống quả ít hạt hoặc không hạt theo quy trình phù hợp.

Khi giải bài, xác định n từ 2n rồi phân loại thay đổi. Ví dụ loài 2n = 12 có thể ba là 13 NST, thể một là 11, thể tam bội là 18 và thể tứ bội là 24. Cần kiểm tra đề nói một tế bào hay toàn cơ thể và số lượng hay cấu trúc. Các phép tính mô hình không thay cho phân tích bộ NST hay chẩn đoán trên người thật.