Di truyền học nhiễm sắc thế

Vì sao các cá thể của cùng một loài, cùng cha mẹ, cùng môi trường sống như nhau cả trong cơ thể mẹ, nhưng khi sinh ra lại có sự khác nhau nhiều giữa đực và cái?. Sự di truyền có liên qua

Chương XV

DI TRUYỀN HỌC NHIỄM

SẮC THỂ

• Các phát minh t bào h c ế ọ

• Ru i gi m ồ ấ Drosophila melanogaster

• S xác nh gi i tính ự đị ớ

• Gen liên k t v i gi i tính ế ớ ớ

• Liên k t gen và s nhóm liên k t ế ố ế

• Tái t h p và trao ổ ợ đổ i chéo

• H c thuy t di truy n nhi m s c th ọ ế ề ễ ắ ể

• Độ t bi n nhi m s c th ế ễ ắ ể

• Các gen c a ti th và l c l p ủ ể ụ ạ

Từ năm 1910, nghiên cứu của nhóm T.Morgan

trên ruồi giấm Drosophila melanogaster đã đưa

di truyền học lên một bước phát triển mới nhờ

kết hợp với quan sát tế bào học Hiện tượng liên

kết gen được phát hiện cả ở NST giới tính, lẫn

NST thường Các gen được chứng minh là nằm

trên nhiễm sắc thể, hình thành nhóm liên kết gen

Trong giảm phân, giữa các NST tương đồng có

thể xảy ra trao đổi chéo dẫn đến tái tổ hợp gen,

mà dựa vào tần số tính được khoảng cách giữa

các gen và lập bản đồ di truyền Học thuyết di

truyền nhiễm sắc thể đánh dấu thời kỳ phát triển

mạnh mẽ thứ hai của di truyền học

I T Morgan và thuyết di truyền nhiễm sắc thể

Năm 1910 – 1920,

T.H.Morgan, nêu

ra thuyết di truyền

nhiễm sắc thể,

chứng minh gen là

một locus trên

nhiễm sắc thể

1 Các phát minh tế bào học cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20

• Những người đương thời với Mendel không hiểu các qui luật di truyền của ông một phần chưa biết các cơ chế phân bào Mãi đến năm 1870 cơ chế nguyên phân (mitosis) mới được mô tả còn cơ chế phân bào giảm phân (meiosis) được tìm ra vào năm 1890

• Như vậy đến cuối thế kỷ 19 các nhà sinh học mới tìm thấy mối tương quan song hành giữa sự biểu hiện của nhiễm sắc thể trong phân bào với sự biểu hiện của các nhân tố Mendel

• Vào khoảng năm 1902 - 1903 W.S.Sutton, Th.Bovery và một số người khác đã nghiên cứu độc lập với nhau nhận thấy sự tương quan song hành đó Lần đầu tiên họ nêu quan điểm về sự di truyền của nhiễm sắc thể, cho rằng các gen nằm trên nhiễm sắc thể và chúng chịu sự phân ly như các nhiễm sắc thể.

• Năm 1905, E.Wilson đã nêu lên

những điểm căn bản của thuyết

nhiễm sắc thể xác định giới tính

• Vi c phát hi n cĩ s khác nhau gi a ệ ệ ự ữ các cá th ể đự c và cái m t c p nhi m ở ộ ặ ễ

s c th ã cung c p d ki n quan ắ ể đ ấ ữ ệ

tr ng ọ để xây d ng ự h c thuy t di ọ ế

truy n nhi m s c th ề ễ ắ ể

2 Sơ lược tiểu sử của T.H.Morgan (1866 - 1945)

• Thomas Hunt Morgan là nhà phôi học (embryologist) ở ĐH Columbia (Mỹ) Năm 24 tuổi ông nhận bằng tiến sĩ (Ph.D.) và 25 tuổi được phong giáo sư.

• Ông nhận giải Nobel năm 1934.

•

• Thoạt đầu ông không tán thành các quy luật Mendel và thuyết di truyền NST Ông dự trù lai thỏ Cuối cùng ông đã chọn ruồi giấm Drosophila melanogaster làm đối tượng nghiên cứu và phòng TN được gọi là "phòng thí nghiệm ruồi" (The Fly room).

3 Ruồi giấm Drosophila melanogaster

trạng ruồi đầu tiên đưa vào thí nghiệm, như tính trạng mắt đỏ là tính hoang dại (+).

chỗ trong phòng thí nghiệm và dễ lai giữa

chúng với nhau.

và XX (con cái) hay XY (con đực)

•Bộ nhiễm sắc thể

lưỡng bội có 8 cái

gồm 6A và XX

(con cái) hay XY (con đực)

•ruồi hoang dại

•Các đột biến màu mắt ruồi

Về kí hiệu gen

• Ở Drosophila các kí hiệu chuyên biệt được dùng

để chỉ các allel khác nhau so với allel “ bình

thường “ Các kí hiệu nầy sử dụng rộng rải.

• Đối với một allel nhất định rất thường gặp

trong quần thể tự nhiên, allel đó cũng hiện diện trong các phòng thí nghiệm chuẩn, chúng được

gọi là kiểu hoang dại (wild-type ) Tất cả các

allel khác đều không hoang dại Kí hiệu để chỉ

gen bắt nguồn từ chữ Anh của allel không hoang

dại, tìm thấy đầu tiên như đột biến màu mắt

trắng (white) được kí hiệu w Allel hoang dại kí hiệu w+ hay W+ (trội), đơn giản +.

II Sự xác định giới tính

(Sex Determination)

vấn đề giới tính Vì sao các cá thể của cùng một loài, cùng cha mẹ, cùng môi trường sống như nhau cả trong cơ thể mẹ, nhưng khi sinh ra lại có sự khác nhau nhiều giữa đực và cái? Sự di truyền có liên quan đến giới tính đã giúp xác định sớm nhất các gen nằm trên nhiễm sắc thể.

Tầm quan trọng của giới tính

• Vì sao có giới tính ? Khi có giới tính, cá thể cái chịu

nhiều bất lợi :

• – phải có thêm cá thể đực mới sinh sản được,

• – phải tiêu tốn nhiều năng lượng cho hình thành tế bào trứng và hoạt động sinh dục,

• – phải nuôi con và kèm các cơ chế săn sóc, bảo vệ con.

• Phía con đực cũng phải có các cơ chế hấp dẫn con khác giới và tiêu tốn nhiều giao tử trong hoạt động sinh dục Thường thì giống đực lãng phí (ví dụ, ở người mỗi lần

phóng tinh có hàng trăm triệu tinh trùng), còn giống cái tiết kiệm (người nữ chỉ vài trăm trứng trong cả đời)

• Dù có 2 hay nhiều giới tính, giới tính có cùng trong 1 cá thể hay ở các cá thể khác nhau, điều đó không quan

trọng Tầm quan trọng của giới tính ở chỗ nó là cơ chế tạo nên sự đa dạng di truyền

1 Tỉ lệ phân ly giới tính

đực : 50 cái hay 1 đực : 1 cái.

• Đây là 1 tỷ lệ ổn định hợp lý qua nhiều thế hệ để bảo tồn nòi giống Tỉ lệ này trùng với

tỉ lệ phân ly khi lai đơn tính giữa 1 cá thể đồng hợp tử với 1 cá thể dị hợp tử:

• Việc phát hiện các NST giới tính X và Y cho thấy bộ NST của đực và cái chỉ khác nhau ở

1 cặp NST giới tính, còn các nhiễm sắc thể thường (autosome (A)) đều giống nhau Ví dụ, ruồi giấm có 8 thể hiện sau:

con cái = 6A + XX và con đực = 6A + XY

đến tỉ lệ phân ly 1X : 1Y Di truyền học giải thích hợp lý tỉ lệ 1đực : 1cái Sự khác nhau lớn giữa đực và cái gắn liền với một cặp nhiễm sắc thể

2 Các hệ thống xác định giới tính

• a Các hệ thống XX - XY và XX – XO

Nhiều loài gồm người và các động vật có vú khác, cả ruồi giấm có cơ chế xác định giới tính X-Y Ở các sinh vật này các nhiễm sắc thể thường đều giống nhau ở các cá thể đực và cái, nhưng con đực có nhiễm sắc thể giới tính XY, còn ở con cái là XX Các con đực khi tạo thành giao tử thì một nửa giao tử mang nhiễm sắc thể X, còn nửa kia mang nhiễm sắc thể Y nên được gọi là giới tính dị giao tử

• Ví dụ: người nam tạo 2 loại giao tử: (22A + X) và (22 A + Y)

• Còn giới tính cái khi tạo thành giao tử chỉ có 1 loại duy nhất mang X nên được gọi là giới tính đồng giao tử Ví dụ: nữ chỉ tạo

một loại giao tử là (22 A + X) Sự thụ tinh giữa nam và nữ tạo ra tỉ lệ 1 : 1.

• Caøo caøo, chađu chaâu, giaùn, vaø moôt soâ cođn truøng coù heô thoâng xaùc ñònh giôùi tính XX -

XO Con caùi chöùa 2 nhieêm saĩc theơ XX, coøn con ñöïc chư chöùa 1 nhieêm saĩc theơ X, neđn vieât laø XO Heô thoâng naøy cuõng töông töï heô thoâng XX - XY, chư khaùc ôû choể con ñöïc dò giao töû táo thaønh 2 loái giao töû: 1 loái mang X, coøn loái kia khođng coù X

b Các hệ thống ZZ - ZW

• Ở chim, một số loài cá thể và một số côn trùng gồm cả bướm, con mái có giới tính dị giao tử Để tránh sự nhầm lẫn khi ký hiệu, các nhiễm sắc thể giới tính ở các loài này được dùng chữ Z và W Các chim trống (gà trống) là ZZ, còn các chim mái (gà mái) là ZW.

c Đơn bội - lưỡng bội

nhiễm sắc thể giới tính chuyên biệt Sự xác định giới tính ở các loài này liên quan đến bộ nhiễm sắc thể đơn bội hay lưỡng bội Các cá thể cái phát triển từ trứng thụ tinh nên có bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội Còn các con đực thì phát triển từ trứng không được thụ tinh nên có bộ nhiễm sắc thể đơn bội.

d Giới tính được xác định do môi trường.

• Đây là cơ chế xác định giới tính hiếm hoi ở loài giun biển Bonellia viridis Các ấu trùng xuất hiện sau khi được thụ tinh sống tự do một thời gian rồi hoặc bám xuống đáy thành con cái, hoặc bám vào vòi con cái, chui vào tử cung thành con đực và thụ tinh Cả đực và cái đều có kiểu gen như nhau.

3 Các gen liên kết với giới tính

• Các gen trên nhiễm sắc thể giới tính sẽ có sự di truyền khác hơn các gen trên NST thường Thực tế, nhiễm sắc thể Y hầu như không chứa gen.

a Lai thuận nghịch

• Lấy ruồi cái mắt đỏ lai với ruồi đực mắt trắng sẽ có tỷ lệ phân ly không khác lắm với quy luật Mendel.

Nếu lai ruồi cái mắt trắng với ruồi đực mắt đỏ kết quả khác hẳn.

Ở thế hệ thứ nhất F1 có sự di truyền chéo: dấu hiệu mắt trắng của mẹ truyền cho ruồi đực

con trắng, còn mắt đỏ của cha truyền cho ruồi

mắt trắng : 1 đực mắt đỏ : 1 đực mắt trắng.

Như vậy đối với các gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính, chọn đực hay cái mang dấu hiệu nào để lai là có ý nghĩa.

b Các gen liên kết với giới tính

• Một số bệnh di truyền ở người như máu không đông (hemophilia) hay mù màu do các gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính Sự di truyền chéo thể hiện rõ: ông ngoại bị bệnh truyền gen mầm bệnh cho mẹ, mẹ truyền bệnh cho con trai.

• Sự di truyền màu lông ở mèo có sự liên

kết với nhiễm sắc thể giới tính X, nên mèo tam thể là mèo cái XX mới có khả năng mang cùng lúc 2 gen xác định màu khác nhau Trong khi đó, mèo đực chỉ có một X và do đó chỉ có 1 kiểu gen xác định màu lông.

III SỰ DI TRUYỀN LIÊN KẾT

• Số lượng nhiễm sắc thể thì ít, nhưng số gen rất nhiều nên mỗi nhiễm sắc thể mang nhiều gen Các gen này sẽ cùng di truyền với nhau gọi là sự di truyền liên kết Khi có sự di truyền liên kết nhiều gen phân ly như một gen Ví dụ, cá thể mang 5 gen dị hợp tử sẽ có sự phân ly khi lai phân tích với tỉ lệ 1 : 1

•

khác: ABCDE / abcde.

1 Liên kết hoàn toàn.

b (black).

cụt vg (vestigal).

•

• Lai:

• b vg+ b+ vg

• P b vg+ X b+ vg

• Thân đen Thân xám

• cánh thường cánh cụt

• Lai phân tích có kết quả: 1 b + /

b vg : 1 + vg / b vg

• Tỷ lệ phân ly này giống với lai

đơn tính Hai gen b và vg cùng

đi chung với nhau như một gen.

2 Liên kết không hoàn toàn

• Nếu ở F1 của thí nghiệm trên đây ruồi cái đem lai phân tích, kết quả thu được như sau:

• Bốn loại kiểu hình xuất hiện với tỷ lệ như sau:

• b vg+ b+ vg b vg b + vg+

b vg b vg b vg b vg

Thân đen Thân xám Thân đen Thân xám

Cánh thường cánh cụt cánh cụt cánh thường

• 41,5 % 41,5 % 8,5 % 8,5 %

3 Các nhóm liên kết gen (gene linkage)

vào nhóm gọi là nhóm liên kết gen Kết quả thí nghiệm cho thấy số nhóm liên kết gen tối

đa bằng số cặp nhiễm sắc thể Ví dụ ruồi giấm có 8 nhiễm sắc thể, số nhóm liên kết gen tối đa là 4 tương ứng với 4 cặp nhiễm sắc thể tương đồng; bắp có 20 nhiễm sắc thể, có 10 nhóm liên kết

trên nhiễm sắc thể.

IV. TÁI TỔ HỢP VÀ XÁC ĐỊNH VỊ

Để đánh giá mức độ liên kết, người ta căn cứ vào tần số tái tổ hợp là số phần

trăm cá thể tái tổ hợp so với tổng cá

thể trong thí nghiệm Ví dụ, trong thí nghiệm lai ruồi nói trên, có tất cả

1000 cá thể thì 170 dạng tái tổ hợp, tức 17% (1% là đơn vị đo tái tổ hợp).

• Nhiều thí nghiệm cho thấy tần số tái tổ hợp giữa 2 gen là một số tương đối ổn định từ lần lai này qua lần lai khác và không phụ thuộc sự sắp xếp trên nhiễm sắc thể, như:

• Hiện tượng tái tổ hợp có được nhờ quá trình trao đổi chéo (crossing - over) Trong đo,ù hai nhiễm sắc thể tương đồng hoán vị nhau hay đổi chéo nhau ở những điểm nhất định.

2 Xác định vị trí gen và bản đồ di

truyền.

• Morgan cho rằng những gen liên kết chặt thì đứng gần nhau còn các gen liên kết yếu đứng xa nhau Những gen liên kết chặt đứng gần nhau nên ít xảy ra trao đổi chéo, tần số tái tổ hợp nhỏ, còn các gen đứng xa nhau mức liên kết yếu nên tần số tái tổ hợp lớn Nếu cho rằng các phần của nhiễm sắc thể có khả năng trao đổi chéo như nhau thì tần số tái tổ hợp phản ánh khoảng cách tương đối giữa các gen và tỷ lệ nghịch với mức liên kết gen.

• Morgan cũng giả thiết rằng các gen xếp trên nhiễm sắc thể theo đường thẳng Thực nghiệm đã chứng minh điều đó Ví dụ: 3 gen liên kết với nhau là b (thân đen), vg (cánh cụt) và C (curved - cánh vênh) có tần số tái tổ hợp như sau:

• Như vậy biết được tần số tái tổ hợp giữa các gen có thể xác định được vị trí của chúng trên nhiễm sắc thể.

• Muốn xác định vị trí của một gen bất kỳ nào đều phải tiến hành lai và qua hai bước lớn.

• - Căn cứ vào tỷ lệ phân ly để xác định nhóm liên kết gen.

• - Dựa vào tần số tái tổ hợp so với 2 gen khác để xếp vị trí trên nhiễm sắc thể Ví dụ: xác định

vị trí của gen C so với 2 gen A và B trên nhiễm sắc thể Gen C có thể nằm giữa A và B, hoặc phía ngoài A hoặc phía ngoài B.

Nếu:

• a) C nằm giữa AB ta sẽ có AC + CB = AB

• b) C nằm ngoài phía A ta sẽ có

• CB - CA = AB (CB > CA)

• c) C nằm ngoài phía B ta sẽ có

• CA - CB = AB (CA > CB)

• So sánh cụ thể tần số tái tổ hợp giữa C - A,

C - B và A - B sẽ xác định được vị trí của C.

3 Bản đồ di truyền nhiễm sắc thể và bản đồ di truyền tế bào.

truyền nhiễm sắc thể của nhiều đối tượng như ruồi giấm (Drosophila melanogaster), cà chua, bắp đã được xây dựng

liên kết , phù hợp với bốn đôi nhiễm sắc thể Chỉ ghi các đột biến chính so với kiểu hình dại Đáng chú ý là các gen liên quan đến kiểu hình mắt, cánh, màu phân bố vào các nhiễm sắc thể khác nhau.

NST khổng lồ và bản đồ di truyền tế bào

Năm 1934 nhiễm sắc thể khổng lồ ở tuyến nước bọt ruồi giấm được sử dụng

vào bản đồ di truyền tế bào.

4 Các khái niệm gen - allele - locus.

• Theo di truyền học cổ điển, thuật ngữ gen được dùng để chỉ nhân tố di truyền xác định một tính trạng hay dấu hiệu Tiếp theo, khái niệm allele được dùng để chỉ các trạng thái khác nhau của một gen Lúc đầu mỗi gen được hiểu có hai allele tương phản nhau, như gen màu hạt đậu có hai allele vàng và xanh lục Về sau, hiện tượng đa allele được phát hiện Đây là trường hợp một gen có nhiều hơn hai allele

• Ví dụ: sự di truyền nhóm máu A, B, O ở người do 3 allele: Ia, Ib, Io Sự di truyền màu mắt đỏ - trắng ở ruồi giấm có đến

12 allele, allele cuối cùng là mắt trắng ký hiệu w (từ chữ white tiếng Anh) Locus w cách đầu nhiễm sắc thể X 2 đơn vị.

• Học thuyết di truyền nhiễm sắc thể chứng minh gen nằm trên nhiễm sắc thể và chiếm một vị trí ổn định Khái niệm locus được nêu ra để chỉ vị trí của gen trên nhiễm sắc thể Như vậy các allele của một gen sẽ có cùng một vị trí trên nhiễm sắc thể Các tính trạng là allele với nhau khi có cùng một locus trên nhiễm sắc thể

• Nhiều allele của 1 gen tạo nên dãy đa allele.

• Ở các sinh vật lưỡng bội ( 2n nhiễm sắc thể) mỗi nhiễm sắc thể tương đồng chỉ mang một allele nên tối đa tế bào chỉ mang 2 allele Nếu hai allele khác nhau cá thể dị hợp tử có thể mang kiểu hình trội hoặc trung gian, nhưng trong hậu thế không có kiểu hình tái tổ hợp.

• Sự di truyền màu mắt đỏ-trắng ở ruồi dấm có đến 12 allele, allele cuối là mắt trắng ký hiệu w (từ chữ White - trắng) với tính trội giảm dần :

• W + > W sat > W co > W w > W ap3 > W ch > W e > W bl >

W ap > W i > W t > w

satsuma - san hô (coral) - rượu nho (wine) - trái đào (apricot 3) - trái cherry - son (eosin) - máu (blood) - trái đào - ngà voi (ivory) - trắng đục

(tinged) - trắng (white).

W+ Wbl –> đỏ hoang dại; Wco Wbl –> màu đỏ san hô; Wbl Wi–> đỏ máu; Wiw –> màu ngà

voi Allele w đứng chung với các allele khác đều không có biểu hiện.