Chương 2 thể nhiễm sắc của tế bào tổ chức chứa ADN chương 2 thể nhiễm sắc của tế bào tổ chức chứa ADN

2.2.1.1 C ơ sở thể nhiễm sắc của xác định giới tính Đa số cơ thể đa bào sinh s n bằng phương th c hữu tính và được phân hóa giới tính đực và giới tính cái.. Đối với đa số cơ thể giới tí

Ch ương 2 Thể nhiễm sắc của tế bào - tổ chức ch ứa ADN Nguy ễn Như Hiền Di truy ền tế bào NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2005 T ừ khoá: Thể nhiểm sắc c a t bào, T Morgan, C B Bridges, Kiểu nhân, Băng nhiễm sắc. Tài li ệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục v ụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả M ục lục

Ch ương 2 Thể nhiễm sắc của tế bào - tổ chức chứa ADN 3

2.1 Hình thái thể nhiễm sắc 3

2.1.1 Kích thước thể nhiễm sắc 3

2.1.2 Số lượng thể nhiễm sắc 4

2.2 C u trúc hiển vi c a thể nhiễm sắc 6

2.2.1 Thể nhiễm sắc thư ng và thể nhiễm sắc giới tính 6

2.2.2 Trung ti t (Centromere) 10

2.2.3 Thể mút (telomere) 11

2.2.4 Các băng nhiễm sắc (chromosome bands) 12

2.3 C u trúc siêu vi c a thể nhiễm sắc 13

2.4 Học thuy t thể nhiễm sắc c a Di truyền 14

2.4.1 Thí nghiệm c a T Morgan 14

2.4.2 Thí nghiệm c a C B Bridges 16

2.4.3 Cơ s thể nhiễm sắc c a các quy luật Mendel 17

2.5 Kiểu nhân - Ti n hóa c a kiểu nhân 18

2.5.1 Kiểu nhân (caryotype) 18

2.5.2 Ti n hóa kiểu nhân t bào nhân chuẩn (Eukaryota) 23

2.5.3 Nghiên c u kiểu nhân côn trùng truyền bệnh 28

2.5.4 Phương pháp nhận bi t loài 30

Ch ương 2

M ục tiêu: Sau khi học xong chương này học viên có kh năng:

- Trình bày được c u trúc hiển vi, siêu hiển vi và phân tử c a thể nhiễm sắc

- Phân biệt được bộ đơn bội, bộ lưỡng bội, bộ đa bội thể nhiễm sắc

- Phân biệt các cặp thể nhiễm sắc thư ng và cặp thể nhiễm sắc giới tính và cơ s thể nhiễm sắc c a xác định giới tính

- Ch ng minh được cơ s thể nhiễm sắc c a di truyền

- Nắm được kỹ thuật làm kiểu nhân và kỹ thuật nhuộm cắt băng

2.1 Hình thái th ể nhiễm sắc

2.1.1 Kích th ước thể nhiễm sắc

Thể nhiễm sắc c a t bào nhân chuẩn quan sát được trung kỳ nguyên phân thư ng có

dạng hình ch m hoặc hình que và thư ng có kích thước vào kho ng 0,2 - 3μm đư ng kính và 0,2 - 50μm chiều dài Ví d thể nhiễm sắc ngư i, cái bé nh t là thể nhiễm sắc số 21 và 22 có kích thước L = 1,5μm; còn chi c lớn nh t là thể nhiễm sắc số 1 có L = 10μm Về kích thước

c a thể nhiễm sắc nói chung mang tính đặc trưng cho các t bào và cá thể c a cùng một loài Tuy nhiên, có trư ng hợp trong các mô khác nhau c a cùng một cơ thể có sự bi n đổi về hình

dạng và kích thước thể nhiễm sắc để thích nghi với ch c năng c a một giai đoạn phát triển Ví

d , trong t bào c a mô tuy n nước bọt u trùng loài hai cánh như ruồi qu (Drosophila)

ngư i ta quan sát th y các thể nhiễm sắc khổng lồ (còn được gọi là thể nhiễm sắc đa sợi) có kích thước đạt tới L = 300μm và D = 20μm nghĩa là lớn g p hàng ch c lần so với thể nhiễm

sắc bình thư ng có các mô khác c a cơ thể ruồi (xem hình 2.1)

Mèo (Felis domesticus) 2n = 38

Ngựa (Equus calibus) 2n = 64

Chuột nhắt (Mus musculus) 2n = 40

Chuột cống (Rattus norvegicus) 2n = 42

Tằm dâu (Bombyx mori) 2n = 56

Ruồi nhà (Musca domestica) 2n = 12

Ruồi qu (Drosophila melanogaster) 2n = 8

Đỉa phi n (Planaria torva) 2n = 16

Th y t c (Hydra vulgaris) 2n = 32

Giun tròn (Caenorhabditis elegens) 2n = 11(đực), 12(cái)

Thuốc lá (Nicotiana tabacum) 2n = 48

Khoai tây (Solanum tuberosum) 2n = 48

Hành (Allium cepa) 2n = 16

Cà chua (Lycopersicum solanum) 2n = 24

Lúa mì mềm (Triticum vulgare) 2n = 42

T o l c (Acetabularia mediteranea) 2n = 20

N m men (Saccharomyces cerevisiae) 2n = 36

Tuy nhiên, ta không thể máy móc dựa vào số lượng thể nhiễm sắc để đánh giá m c độ

ti n hóa c a các loài, vì l rằng các cơ thể m c độ ti n hóa cao nh t lại có số lượng thể nhiễm sắc ít hơn (ví d : ngư i có 46 thể nhiễm sắc, trong khi đó số lượng thể nhiễm sắc

vượn là 48 và gà có đ n 78 thể nhiễm sắc) cũng giống như hàm lượng ADN, tuy có tính ổn định loài nhưng chưa thể hiện tính logic c a bậc thang ti n hóa V n đề là cần ph i xem xét

m c độ tổ ch c và hoạt động c a hệ gen trong ADN và trong thể nhiễm sắc

Số lượng thể nhiễm sắc còn đặc trưng cho bộ thể nhiễm sắc Ngư i ta phân biệt:

+ B ộ đơn bội (haploid) ký hiệu là n đặc trưng cho các t bào, cơ thể đơn bội cũng như các

t bào sinh d c chín (các giao tử) cơ thể sinh s n hữu tính Ví d ngư i, tinh trùng và t bào tr ng có n = 23 thể nhiễm sắc

+ B ộ lưỡng bội (diploid) ký hiệu 2n đặc trưng cho các t bào và cơ thể lưỡng bội Trong

cơ thể sinh s n hữu tính các t bào soma có ch a 2n thể nhiễm sắc Ví d ngư i 2n = 46 là

tập hợp 23 thể nhiễm sắc c a tinh trùng và 23 thể nhiễm sắc c a t bào tr ng sau khi th tinh

tạo thành hợp tử có 2n = 46

Như vậy, trong cơ thể lưỡng bội, thể nhiễm sắc tồn tại thành từng cặp (một từ bố và một

từ mẹ) được gọi là cặp thể nhiễm sắc tương đồng, cặp được hình thành từ lúc th tinh (2n) và phân ly lúc phân bào gi m nhiễm (n)

+ B ộ đa bội (polyploid), đặc trưng cho t bào và cơ thể đa bội Số thể nhiễm sắc được

tăng lên theo bội số c a n Ví d , tam bội 3n (triploid), t bội 4n (tetraploid)

Nhiều trư ng hợp các loài trong cùng một giống (genus) có số thể nhiễm sắc tạo thành dãy đa bội và ngư i ta phân biệt số đơn bội kh i nguyên là x từ đó hình thành các dạng đa

bội

Ví d : lúa mì (Triticum) có dãy đa bội là:

Triticum monococum 2n = 14 (n = 7)

Triticum dicocum 2n = 28 (n=14)

Triticum vulgare 2n = 42 (n = 21)

Trong đó số đơn bội kh i nguyên x = 7

Hiện tượng đa bội thư ng th y thực vật, còn động vật ít có trư ng hợp đa bội ch

ngư i ta quan sát th y có trư ng hợp bát bội 8n = 104 thể nhiễm sắc động vật có vú trư ng

hợp đa bội quan sát th y chuột đồng (Cricetus cricetus) Nói chung, động vật bậc cao t

bào hoặc mô đa bội thể hiện tính trạng bệnh lý

Ngư i ta quan sát th y chu kỳ xoắn c a thể nhiễm sắc thay đổi qua chu kỳ t bào gian

kỳ các sợi nhiễm sắc trạng thái m xoắn nhiều m c độ khác nhau và tồn tại dạng ch t nhiễm sắc tiền kỳ c a mitos các sợi nhiễm sắc tr nên xoắn hơn, do đó bị đông đặc và co

ngắn lại, đ n trung kỳ th y rõ nh t và trạng thái xoắn tối đa (so với đầu tiền kỳ độ co ngắn

g p 2,5 lần) và đ n mạt kỳ s được giãn xoắn để bước vào gian kỳ c a t bào con trạng thái các sợi ch t nhiễm sắc m xoắn – trạng thái ch t nhiễm sắc Sự giãn xoắn hoặc xoắn lại c a

thể nhiễm sắc là có liên quan đ n ch c năng c a chúng

2.2 C ấu trúc hiển vi của thể nhiễm sắc

2.2.1 Thể nhiễm sắc thường và thể nhiễm sắc giới tính

Trong bộ lưỡng bội, các thể nhiễm sắc tồn tại thành cặp tương đồng, ví d ngư i có 23

cặp tương đồng, trong cặp 2 thành viên (1 thể nhiễm sắc từ bố, 1 từ mẹ) giống nhau về hình

dạng, kích thước Những cặp như th được gọi là thể nhiễm sắc thư ng (autosome) Ngoài ra còn có 1 cặp trong đó 2 thành viên khác nhau về hình dạng, kích thước hoặc trạng thái hoạt động được gọi là thể nhiễm sắc giới tính (sex chromosome) Ví d , ngư i có 22 cặp thể nhiễm sắc thư ng và 1 cặp (cặp th 23) là thể nhiễm sắc giới tính nam giới, cặp thể nhiễm

sắc giới tính là XY, còn nữ giới là XX (xem hình 2.2)

Hình 2.2

Kiểu nhân (Caryotip) của người

Cặp thể nhiễm sắc giới tính là cơ s di truyền để xác định giới tính và xác định tính di truyền liên k t giới tính đa số cơ thể sinh s n hữu tính

2.2.1.1 C ơ sở thể nhiễm sắc của xác định giới tính

Đa số cơ thể đa bào sinh s n bằng phương th c hữu tính và được phân hóa giới tính đực

và giới tính cái Giới tính được biểu hiện các tính trạng sinh d c nguyên sinh (có tuy n sinh

d c tinh hoàn, buồng tr ng) và tính trạng sinh d c th sinh (các phần ph sinh d c và tính

trạng khác c a cơ thể phân biệt đực cái) Những tính trạng này được qui định b i nhân tố di truyền và nhân tố môi trư ng trong cơ thể và môi trư ng ngoài

Đối với đa số cơ thể giới tính được xác định b i thể nhiễm sắc giới tính (sex- chromosome) thể hiện 3 kiểu:

+ Ki ểu đồng giao tử (XX) ở con cái và dị giao tử (XY) ở con đực (ví d đa số sâu bọ như

châu ch u, ruồi qu v.v., động vật có vú, ngư i, một số thực vật có hoa) trong đó con cái có

cặp thể nhiễm sắc tương đồng giống nhau XX, còn con đực có cặp tương đồng khác nhau: một chi c là X và m ột chi c là Y Thể nhiễm sắc X có kích thước dài hơn ch a nhiều gen hơn thể

nhiễm sắc Y (ví d ngư i thể nhiễm sắc X ch a 163 triệu cặp nucleotit với 1.218 gen, trong

lúc đó thể nhiễm sắc Y chỉ ch a có 51 triệu cặp nucleotit với 128 gen) Như vậy, trong thể

nhiễm sắc X có r t nhiều gen không có alen tương ng so với Y và giới tính cái được xác định

b i sự có mặt c a 2 thể nhiễm sắc X, còn giới tính đực được xác định b i sự có mặt c a thể

nhiễm sắc Y Nghiên c u nhiều trư ng hợp sai lệch giới tính ngư i cho th y: giới tính được

xác định b i sự có mặt hay không có thể nhiễm sắc Y Ví d trư ng hợp hội ch ng Turner có

kiểu gen X0 (một thể nhiễm sắc X và không có Y) vẫn là nữ giới, còn trong trư ng hợp hội

ch ng Clinfenter có kiểu gen XXY tuy có hai XX nhưng có Y nên vẫn là giới tính nam Rõ

ràng là thể nhiễm sắc Y có tác động trội và quy t định giới tính, thể hiện chỗ trong qúa trình

phát triển sớm c a phôi thể nhiễm sắc Y đã điều khiển sự phát triển c a mầm tuy n sinh d c

nguyên th y thành tinh hoàn (tính trạng sinh d c nguyên sinh) và tinh hoàn ch ti t testosteron kích thích hình thành các tính trạng đực th sinh Ngư i ta đã ch ng minh là nhân

tố xác định tinh hoàn được mã hóa b i gen SRY (sex- determining region Y) định vị trong v

ngắn c a thể nhiễm sắc Y c a ngư i Có r t nhiều trư ng hợp sai lệch giới tính thể hiện chỗ

nam giới có kiểu gen XX và ngược lại nữ giới có kiểu gen XY Trong trư ng hợp nam XX là

do gen SRY đã được chuyển đoạn sang X do đó chúng điều khiển phát triển tinh hoàn, còn

trong trư ng hợp nữ XY là do trong Y không có gen SRY do đó thi u nhân tố phát triển tinh

hoàn và mầm tuy n sinh d c phát triển thành buồng tr ng Nhiều nghiên c u ch ng minh

rằng gen SRY có c trong thể nhiễm sắc Y c a chuột và đã phát hiện cơ ch phân tử điều khiển

phát triển giới tính từ gen SRY thông qua hệ hormon testosteron và th quan c a testosteron Đối với con đực XY bình thư ng, gen SRY s n sinh ra nhân tố xác định tinh hoàn (TDF- testis

determining factor) kích thích vùng t y mầm tuy n sinh d c phát triển thành tinh hoàn, tinh hoàn ch ti t testosteron kích thính phát triển tính trạng sinh d c th sinh con đực Đối với

con cái XX bình th ư ng vì không có Y (không có gen SRY) nên không có nhân tố TDF, vùng

t y mầm tuy n sinh d c không phát triển thành tinh hoàn mà vùng vỏ c a tuy n phát triển

buồng tr ng, buồng tr ng ch ti t hormon estrogen kích thính phát triển tính trạng sinh d c

th sinh con cái Đối với trư ng hợp sai lệch giới: con cái XY (có Y nhưng là con cái) thì tuy

có Y nh ưng vẫn phát triển giới tính cái là do Y m t gen SRY nên không có nhân tố TDF, vùng

t y mầm tuy n sinh d c không phát triển thành tinh hoàn, trái lại vùng vỏ mầm sinh d c phát triển thành buồng tr ng Thật ra gen SRY xác định giới tính đực thông qua sự tương tác với

nhiều gen khác định vị trong các thể nhiễm sắc thư ng và thể nhiễm sắc X Ví d các gen

SOX9, gen SF1, gen AMH trong th ể nhiễm sắc thư ng phối hợp với gen SRY xác định giới

tính đực Ngư i ta đã phát hiện được gen DAX1 định vị trong thể nhiễm sắc X có vai trò phối

hợp với gen SRY xác định giới tính đực Gen DAX1 mã hóa cho th quan c a hormon

tesotsteron do đó testosteron có thể được thu nhận và xâm nhập vào t bào để hoạt hóa các gen có vai trò tạo nên các tính trạng sinh d c đực th sinh Những con đực XY có gen DAX1

bị đột bi n s không s n sinh th quan do đó testosteron không được thu nhận vào trong t bào và cơ thể phát triển theo hướng cái hóa Đối với con cái XX, thì gen DAX1 phối hợp với gen WNT4 (định vị trong thể nhiễm sắc thư ng) xác định sự phát triển c a buồng tr ng con

đực gen WTN4 bị c ch , do đó gen DAX1 phối hợp với gen SRY xác định sự phát triển tinh

hoàn

Đối với ruồi qu , tuy có cặp thể nhiễm sắc giới tính là XX (con cái) và XY (con đực),

nhưng cơ ch xác định giới tính xác định giới tính khác với động vật có vú vì trong thể nhiễm

sắc Y c a chúng không có gen xác định giới tính SRY Sự xác định giới tính ruồi qu diễn ra

theo cơ ch : tỷ lệ giữa thể nhiễm sắc X với thể nhiễm sắc thư ng Ruồi qu có bộ thể nhiễm

sắc 2n = 8 trong đó có cặp giới tính XX (con cái) và XY (con đực) và 3 cặp thể nhiễm sắc

thư ng được kí hiệu là AA Tỷ lệ X/A s qui định giới tính c a ruồi (xem b ng sau)

Qua b ng trên ta th y rõ là đối với ruồi kể c con đực, thể nhiễm sắc Y không gây nh

hư ng lên kiểu hình giới tính Tuy nhiên, Y gây nh hư ng lên tính hữu th c a con đực

Ngày nay ngư i ta bi t rằng gen Sxl được gọi là gen gây ch t giới (Sex- lethal) định vị trong X

đóng vai trò ch y u trong sự xác định giới tính ruồi qu theo cơ ch sau:

- XY/ AA → 0.5 → gen Sxl không hoạt động → con đực

- XX/ AA → 1.0 → gen Sxl hoạt động → con cái

N u gen Sxl hoạt động ngược lại (hoạt động phôi đực và không hoạt động phôi cái) thì

s gây ch t cho phôi (nên có tên gọi là gen gây ch t)

Trạng thái hoạt động c a gen Sxl liên k t với X (định vị trong X) liên quan chặt ch với sự

hoạt động c a các gen khác định vị trong thể nhiễm sắc thư ng (AA) Ví d trên thể nhiễm sắc

số 3 c a ruồi qu có gen lặn tra (transformer gene), n u trạng thái đồng hợp s bi n ruồi cái

lưỡng bội thành ruồi đực b t th : các cá thể XX/ tratra có tính trạng giống con những con đực

bình thư ng nhưng b t th

+ Ki ểu đồng giao tử là con đực (ZZ) và dị giao tử là con cái (ZW) (quan sát th y các

loài bướm, chim và một số loài bò sát), trong đó con đực có 2 thể nhiễm sắc tương đồng giống nhau, còn con đực có cặp tương đồng khác nhau, thể nhiễm sắc W bé hơn và không có đoạn

tương đồng với Z

+ Ki ểu xác định giới tính 2n- n (con cái → 2n, con đực → n) quan sát th y một số sâu

bọ sống thành xã hội mà điển hình là ong mật Con đực được phát triển từ tr ng đơn bội không th tinh, có bộ thể nhiễm sắc n, còn ong thợ và ong chúa là ong cái được phát triển từ

các tr ng th tinh, có bộ thể nhiễm sắc 2n Sự điều chỉnh tỷ lệ giới trong quần thể là do ong chúa Ong chúa được th tinh b i ong đực và tinh trùng được tích trữ trong túi ch a tinh c a ong chúa Khi ong chúa đẻ tr ng n u tr ng được th tinh b i tinh trùng từ túi ch a tinh s phát triển thành ong cái 2n, còn khi ong chúa đẻ tr ng không được th tinh thì tr ng đơn bội

s phát triển thành ong đực n Ong chúa điều khiển sự sinh s n r t nhiều ong cái thợ tuy có bộ

thể nhiễm sắc 2n nhưng b t th (không đẻ tr ng) chỉ làm nhiệm v ki m ăn, xây tổ, chăm sóc nuôi dưỡng ong chúa và ong đực và sinh s n ít ong đực tuy có bộ thể nhiễm sắc đơn bội

nhưng hữu th nghĩa là có kh năng giao c u cung c p tinh trùng cho ong chúa Qua qúa trình

gi m phân các noãn bào c a ong chúa phân chia tạo nên tr ng đơn bội Đối với ong đực tinh bào không gi m phân mà thông qua qúa trình nguyên phân để tạo nên tinh trùng đơn bội Ong chúa được phát triển từ u trùng cái được nuôi dưỡng bằng th c ăn đặc biệt (sữa ong chúa) nên có kích thước lớn hơn và có kh năng sinh s n Mỗi quần thể (tổ ong) thư ng chỉ có một ong chúa và chỉ khi san đàn thì ong chúa mới được tạo ra từ u trùng cái

2.2.1.2 S ự bù liều của các gen liên kết X

Các cơ thể sinh s n hữu tính con đực cũng như con cái, mỗi gen đều có 2 b n (gen- alen) định vị trong 2 thể nhiễm sắc tương đồng Nhưng đối với thể nhiễm sắc giới tính, con

cái có 2X còn con đực chỉ có 1X nghĩa là con cái các gen trong X đều có alen tương ng,

còn con đực các gen trong X không có alen tương ng Để bù đắp cho sự thi u h t này có cơ

ch bù liều (dosage compensation) thuộc 2 kiểu khác nhau: (1) b t hoạt c a một thể nhiễm

sắc X con cái (quan sát th y động vật có vú), (2) tăng cư ng hoạt động c a thể nhiễm sắc

X con đực (quan sát th y ruồi qu )

- B ất hoạt các gen liên kết - X ở con cái động vật có vú Cơ ch b t hoạt một X con cái

động vật có vú được Mary Lyon đề xu t từ năm 1961 khi nghiên c u trên chuột nhắt Sự b t

hoạt c a một X x y ra trong qúa trình phát triển phôi chuột khi phôi đạt cỡ vài nghìn t bào

Sự lựa chọn b t hoạt X nào trong 2X là ngẫu nhiên, tùy thuộc vào từng t bào nhưng k t qu là

toàn bộ t bào c a cơ thể đều ch a một X b t hoạt (ch a gen không hoạt động) Như vậy,

con cái động vật có vú ch a hai dòng t bào kh m di truyền: một dòng ch a X b t hoạt đ n từ

mẹ và một dòng ch a X b t hoạt đ n từ bố Cá thể cái là dị hợp tử về gen liên k t - X s có

kh năng cho ra 2 kiểu hình khác nhau Ví d điển hình là kiểu hình kh m được quan sát th y màu lông chuột và mèo Đối với c 2 loài, thể nhiễm sắc X ch a gen qui định màu lông

Con cái là dị hợp về gen này có đặc điểm kh m về màu lông: lông có các đốm sáng (trắng, vàng) xen lẫn các đốm đen (ví d mèo đốm, chuột đốm, chó đốm) Màu đốm trắng do một alen qui định, còn màu đốm đen do alen kia qui định Tuy cơ ch c a sự b t hoạt X còn nhiều

v n đề chưa được sáng tỏ, nhưng nhiều nghiên c u di truyền đã ch ng minh rằng sự b t hoạt

x y ra một vùng c a v dài c a X được gọi là trung tâm b t hoạt X – XIC (X- inactivation

center) Từ vùng XIC sự b t hoạt s lan ra c hai v c a X thể hiện sự methyl hóa ADN và

sự xoắn lại và cô đặc c a sợi nhiễm sắc (dị nhiễm sắc hóa - heterochromatine) Thể nhiễm sắc

X b ị dị nhiễm sắc hóa thể hiện ra thể Barr (được Muray Barr phát hiện lần đầu tiên) trong

nhân t bào soma c a con cái (th y rõ nh t trong t bào xoang miệng nữ giới) Thể nhiễm sắc

X b t hoạt tồn tại trong t t c t bào soma c a cơ thể, nhưng trong dòng t bào mầm (t bào

sinh d c) thì X b t hoạt được tái hoạt hóa vì sự cần thi t cho qúa trình sinh tr ng (oogenesis)

ngư i trong trư ng hợp sai lệch thể nhiễm sắc giới tính, nữ giới có số lượng XXX vẫn là

bình thư ng vì 2 trong 3 X c a họ là b t hoạt

- T ăng hoạt tính của các gen liên kết thể nhiễm sắc X ở ruồi quả đực Đối với ruồi qu

sự bù liều gen x y ra theo cơ ch tăng cư ng hoạt động c a gen trong thể nhiễm sắc X con đực, trong đó có vai trò c a gen Sxl (gen gây ch t) là gen có tác động ch đạo trong sự xác định giới tính con cái gen Sxl hoạt động, còn con đực gen Sxl không hoạt động Khi

không có s n phẩm c a gen Sxl (gen Sxl không hoạt động con đực), một ph c hệ protein s

tác động kích thích các gen trong X tăng cư ng hoạt động g p hai lần Khi gen Sxl hoạt động

( con cái), s n phẩm c a gen Sxl s kìm hãm ph c hệ protein do đó sự tăng cư ng hoạt động gen trong X không x y ra Bằng cơ ch bù liều như vậy sự hoạt động c a các gen liên k t với

X được cân bằng như nhau

2.2.2 Trung ti ết (Centromere)

Trung ti t là c u trúc định khu trên chiều dọc thể nhiễm sắc vùng được gọi là eo thắt

c p 1 (primary constriction) trung kỳ ta dễ dàng quan sát th y trung ti t vì trung ti t là nơi hai nhiễm sắc tử đính k t với nhau trung kỳ sớm trung ti t phân hóa thành tâm động (kinetochore) để đính với các sợi tâm động c a thoi phân bào c 2 phía đối mặt với 2 cực và

có ch c năng di chuyển nhiễm sắc tử về 2 cực Nghiên c u về sinh học phân tử cho bi t vùng trung ti t (c a thể nhiễm sắc c a N m men mọc chồi – Saccharomyces cerevisiae) được c u

tạo gồm đoạn ADN không có c u trúc nucleoxom, ch a kho ng 125 cặp nucleotit gồm 3 đoạn, đoạn I và đoạn III hai đầu cuối và đoạn II giữa, trong đó đoạn II có kho ng 90 cặp nucleotit và giàu A:T (>90%) có kh năng liên k t với protein c a sợi tâm động c a thoi phân bào tạo thành tâm động Trung ti t có vai trò vận chuyển nhiễm sắc tử về hai cực t bào (thông qua sự tạo tâm động) Ngoài ra, ngư i ta cho rằng tâm động còn có ch c năng tham gia vào di truyền ngoại sinh (epigenetic) là bi n đổi di truyền không do sự bi n đổi nucleotit c a ADN mà do sự thay đổi sự biểu hiện c a gen do sự methyl hóa ADN và do sự liên k t c a ADN với protein cũng như do c u trúc không gian c a sợi nhiễm sắc trong thể nhiễm sắc Đối

với N m men phân đôi (Schizosaccharomyces pombe), ruồi qu cũng như ngư i, trung ti t

có c u tạo ph c tạp hơn nhiều Trung ti t c a S pombe gồm 110.000 cặp nucleotit, c a ruồi

qu gồm 420.000 cặp nucleotit và c a ngư i gồm từ 300.000 cặp (trung ti t c a thể nhiễm sắc

Y) cho đ n 5 triệu cặp nucleotit (trung ti t thể nhiễm sắc số 7), trong đó ch a nhiều ADN satellit là ADN ch a r t nhiều nucleotit lặp

Trung ti t chia thể nhiễm sắc thành hai vai, chiều dài c a hai vai ph thuộc vào vị trí trung ti t Ngư i ta thành lập chỉ số trung ti t (centromere index Ic) để xác định vị trí c a trung ti t và phân loại các thể nhiễm sắc (xem hình 1.7)

Q P

P Ic

+

=

P: chiều dài vai ngắn

Q: chiều dài vai dài

a Thể nhiễm sắc tâm mút (acrocentric chromosome) có trung ti t đầu mút c a vai ngắn

b Thể nhiễm sắc cận mút (telocentric chromosome) có trung ti t gần đầu mút c a vai

ngắn

c Thể nhiễm sắc cận tâm (tâm lệch) (submetacentric chromosome) có trung ti t gần chính

giữa (vai P ngắn hơn vai Q)

d Thể nhiễm sắc tâm giữa (metacentric chromosome) có trung ti t chính giữa chia 2 vai

bằng nhau

Hình 2.3

Phân lo ại các thể nhiễm sắc theo vị trí c a trung ti t

A NST tâm mút; B NST tâm cận mút; C NST tâm lệch; D NST tâm giữa

2.2.3 Thể mút (telomere)

Mỗi thể nhiễm sắc ch a một phân tử ADN liên k t với protein tạo thành các sợi nhiễm

sắc xoắn, g p khúc chạy suốt thể nhiễm sắc Đầu tận cùng c a phân tử ADN đầu tận cùng

c a thể nhiễm sắc được gọi là thể mút Từ năm 1938, Herman J Muller gọi đầu tận cùng thể nhiễm sắc là thể mút (telomere) và ch ng minh rằng các thể nhiễm sắc bị tác động tia X làm

đ t gãy thể mút s không còn kh năng truyền cho th hệ sau Khi nghiên c u trên thể nhiễm

sắc c a ngô Barbara McKlintock đã ch ng minh là các thể nhiễm sắc bị đ t gãy thể mút có xu

th dính k t với các đoạn thể nhiễm sắc khác bị m t thể mút và như vậy thể mút có vai trò giữ cho các thể nhiễm sắc trong bộ không dính k t với nhau Do đó, thể mút có c u trúc đặc biệt

Những dẫn liệu về c u trúc phân tử đã ch ng minh là thể mút có ba ch c năng quan trọng: (1)

ngăn c n không cho enzym deoxiribonucleaza phân gi i đầu tận cùng c a phân tử ADN, (2)

ngăn c n không cho các thể nhiễm sắc trong bộ dính k t với nhau và (3) tạo thuận lợi cho sự tái b n ADN phần đầu cuối c a phân tử Thể mút có c u trúc và thành phần nucleotit đặc thù gồm những đoạn lặp nucleotit, tuy các loài khác nhau thì khác nhau nhưng thư ng thể

hiện theo phương th c 5’ – T1-4 A0-1 G1-8 – 3’ Ví d ngư i cũng như các động vật có xương

sống đoạn lặp đó là TTAGGG, bọn đơn bào Tetrahymena thermophila có đoạn lặp là

TTGGGG, thực vật Arabidopsis thaliana có đoạn lặp là TTTAGGG Đối với động vật có

xương sống thì đoạn lặp TTAGGG mang tính ổn định cao và đã được phát hiện th y trên 100

loài khác nhau bao gồm động vật có vú, chim, bò sát, ch nhái và cá Số lượng đoạn lặp thay đổi tùy loài, tùy thể nhiễm sắc trong bộ c a loài, hoặc ngay trong một thể nhiễm sắc nhưng các t bào biệt hóa khác nhau ngư i trong các t bào soma lành (không bị ung thư) thể mút

thư ng ch a tới 500 – 3.000 đoạn lặp TTAGGG và chúng bị bớt ngắn dần theo tuổi thọ Trái

lại trong các t bào dòng sinh d c và t bào ung thư thì số lượng đoạn lặp c a thể mút không

bị bớt đi theo tuổi Nhiều nghiên c u về thành phần nucleotit và c u trúc phân tử c a thể mút

đã ch ng minh rằng các trình tự lặp nucleotit c a thể mút được tạo nên với sự tham gia c a enzym telomeraza (n u thi u enzym telomeraza các điểm mút s bị ngắn dần dẫn tới làm m t các gen quan trọng) và có các protein đặc thù liên k t với ti t mút tạo nên tính bền vững c a

thể mút (không cho các thể nhiễm sắc dính nhau) Như vậy, thể mút có vai trò không chỉ là

ngăn c n không cho các thể nhiễm sắc trong bộ dính k t lại với nhau nhưng đồng th i còn tham gia vào sự điều chỉnh tần số phân bào Nhiều dẫn liệu còn cho rằng thể mút còn có vai trò tạo điều kiện cho các thể nhiễm sắc tương đồng nhận bi t nhau và bắt cặp tiền kỳ gi m phân I

Đa số các t bào soma c a ngư i thi u hoạt tính c a enzym telomeraza và khi các t bào soma được đem nuôi c y invitro chúng có có số lượng lần phân bào hạn ch (chỉ kho ng 20-

70 lần), sau đó đi vào thoái hóa và ch t Ngư i ta đã quan sát th y tỷ lệ chiều dài c a thể mút

với số lần phân bào T bào có thể mút dài hơn có số lần phân bào nhiều hơn, t c là sống lâu

hơn Các t bào ung thư được coi là “b t tử” trong nuôi c y invitro, chúng luôn phân bào vì

các t bào con luôn có hoạt tính telomeraza như t bào mẹ (thể mút không bị ngắn đi qua mỗi

lần phân bào) Cũng có ngư i đề nghị sử d ng enzym telomeraza như là tác nhân chống ung

thư vì hoạt tính phân bào c a chúng s bị c ch và gi m dần Khi nghiên c u những ngư i bị

bệnh già trước tuổi (progeria) đã có biểu hiện sự già tuổi 8 - 10 (giống các c già 70 - 80)

ngư i ta th y rằng thể mút c a các t bào soma c a họ r t ngắn do đó kh năng tăng sinh t

bào invitro bị gi m hẳn Chắc chắn là có sự tương quan giữa ch c năng c a thể mút với sự già

2.2.4 Các b ăng nhiễm sắc (chromosome bands)

Bằng kỹ thuật nhuộm cắt băng – nhuộm bằng các ch t huỳnh quang hoặc nhuộm màu k t

hợp với xử lý bằng enzym hoặc bằng nhiệt s làm xu t hiện các băng trên thể nhiễm sắc (xem

phần 2.5) Ngư i ta phân biệt các băng Q, C, G, hoặc R Sự phân bố c a các băng thể hiện đặc tính c a từng thể nhiễm sắc trong bộ, cũng như giữa các loài khác nhau

Hình 2.4

Ki ểu nhân c a ngư i (nhuộm cắt băng)

Sự hiện diện và phân bố c a các băng thể nhiễm sắc trung kỳ có thể là sự ph n ánh

kiểu tổ ch c thành nhóm đơn vị c a sự hoạt hóa gen Ví d băng C là tương ng với vùng

ch a ch t dị nhiễm sắc ổn định ch a ADN lặp liên k t r t chặt với các protein axit Băng

C thư ng phân bố vùng quanh trung ti t (xem hình 2.4)

2.3 C ấu trúc siêu vi của thể nhiễm sắc

Trong thể nhiễm sắc, ADN liên k t với protein tạo nên c u trúc sợi xoắn nhiều c p được

gọi là sợi nhiễm sắc (chromonema) Sợi nhiễm sắc cơ b n có đư ng kính 11nm là chuỗi hạt

cư m được gọi là sợi nucleoxom (nucleosome fiber)

Mỗi hạt cư m là một nucleoxom có kích thước 11nm dạng khúc giò gồm lõi được c u tạo

b i 8 phân tử histon (2H2A, 2H2B, 2H3 và 2H4); sợi xoắn kép ADN cuốn xung quanh lõi histon với một 3/4 vòng (ch a kho ng 146 đôi nucleotit) Các nucleoxom nối với nhau qua

sợi xoắn kép ADN dài kho ng 60 nucleotit Các sợi nucleoxom 11nm g p khúc, cuộn lại nh các histon H1 để tạo thành các sợi nhiễm sắc lớn hơn có đư ng kính 30nm được gọi là sợi solenoid (solenoid fiber), chắc rằng trong nhân gian kỳ các sợi nhiễm sắc tồn tại trạng thái các sợi solenoid

Sợi nhiễm sắc 30nm s g p khúc tạo nên sợi có c p độ đư ng kính lớn hơn (kho ng 300nm) ch a các vòng bên (looped domains) Mỗi vòng bên ch a kho ng 20.000 - 80.000

cặp nucleotit Các sợi 300nm s cuộn lại tạo nên các sợi nhiễm sắc c p độ lớn hơn từ 700 - 1400nm t c là các nhiễm sắc tử và thể nhiễm sắc th y rõ trung kỳ c a phân bào (xem hình 2.5)

Nhiều tác gi cho rằng c u trúc vòng bên là đơn vị hoạt động c a gen và thể hiện rõ nh t các c u trúc vòng bên c a thể nhiễm sắc khổng lồ (giant chromosome) hoặc thể nhiễm sắc

chổi bóng đèn (lampbush chromosome) Ngoài protein histon, liên k t với thể nhiễm sắc còn

có các protein axit, chúng r t đa dạng về thành phần và ch c năng nhưng ch y u là đóng vai trò tham gia điều hòa hoạt động c a gen

Hình 2.5

C u trúc siêu vi và phân tử c a thể nhiễm sắc

Như vậy, Eucaryota, c u trúc thể nhiễm sắc không chỉ là giá thể ch a ADN mà là tổ ch c trong đó gen và hệ gen hoạt động một cách có hiệu qu cao nh t đáp ng sự tồn tại và phát triển

c a cơ thể

Trong các t bào soma và t bào sinh d c nguyên th y, thể nhiễm sắc tồn tại thành cặp 2n (ví d ngư i 2n = 46) gồm một chi c từ bố và một chi c từ mẹ (n=23) do đó dẫn đ n các locut gen định vị trên thể nhiễm sắc đều tạo thành cặp gen – alen, chúng phân ly qua phân bào gi m nhiễm và tái tổ hợp qua th tinh Trong t bào soma, gen - alen phối hợp hoạt động theo quy

luật nh t định để tạo nên các tính trạng c a cơ thể (Xem phần sau)

Trong mỗi thể nhiễm sắc được phân hóa thành các c u trúc có vai trò nh t định như vùng

ch t nhiễm sắc thực (eurochromatine), vùng ch t dị nhiễm sắc (heterochromatine), vùng trung

ti t hay tâm động (centromere), vùng tận cùng hay thể mút (telomere)

Trong bộ thể nhiễm sắc cũng được phân hóa thành các cặp thể nhiễm sắc thư ng (autosome) và cặp thể nhiễm sắc giới tính (gonosome), các thể nhiễm sắc có thể kèm và ch a vùng NOR – nơi định khu các gen rARN

2.4 H ọc thuyết thể nhiễm sắc của Di truyền

2.4.1 Thí nghiệm của T Morgan

Từ năm 1910, các nhà di truyền học gi thi t rằng các nhân tố di truyền Mendel là gen Gen định khu trong thể nhiễm sắc b i vì tập tính c a thể nhiễm sắc qua phân bào nguyên nhiễm, phân bào gi m nhiễm, th tinh thể hiện tập tính c a gen, t c là c a nhân tố di truyền Mendel qua các th hệ Nhưng các nhà di truyền t bào cần ch ng minh bằng thực nghiệm là các gen định khu và liên k t với thể nhiễm sắc

Năm 1909, Thomas H.Morgan đã ti n hành nghiên c u với đối tượng ruồi qu

(Drosophila melanogaster) Ruồi qu là đối tượng thí nghiệm lý tư ng về di truyền học do chúng dễ nuôi trong phòng thí nghiệm, sinh s n nhanh và trong th i gian ngắn có thể quan sát được nhiều th hệ con cháu Hơn nữa, t bào c a chúng chỉ ch a 4 đôi thể nhiễm sắc (2n=8) trong đó có 3 đôi thể nhiễm sắc thư ng và 1 đôi thể nhiễm sắc giới, đối với ruồi đực là XY và đối với ruồi cái là XX, do đó dễ dàng phân tích kiểu nhân (caryotip) c a chúng Một trong các

đặc tính r t quí c a ruồi là qua các th hệ con cháu r t dễ quan sát th y thể đột bi n về màu

mắt, dạng cánh v.v Bằng nhiều thí nghiệm r t tỷ mỷ, Morgan đã ch ng minh rằng đột bi n

về màu mắt ruồi qu là có liên quan đ n thể thể nhiễm sắc X và gi thi t là gen qui định màu

mắt là định vị trong thể nhiễm sắc X

Khi quan sát các quần thể ruồi qu , Morgan nhận th y có nhiều ruồi đực mang mắt trắng trong lúc đó ruồi dạng dại mang mắt đỏ Ruồi đực mắt trắng là dạng đột bi n : khi đem lai

ruồi đực mắt trắng với ruồi cái mắt đỏ (dạng dại) thì cho F1 toàn ruồi mắt đỏ Như vậy, mắt

trắng là tính trạng lặn so với tính trạng mắt đỏ Khi đem lai các ruồi mắt đỏ F1 với nhau Morgan quan sát th y sự phân tính đặc biệt F2 : t t c các ruồi cái đều mang mắt đỏ, trong lúc đó ruồi đực có 1/2 là mắt đỏ và 1/2 là mắt trắng Morgan đã gi định là ruồi qu tính di truyền c a màu mắt là có liên quan đ n thể nhiễm sắc giới tính c thể là gen qui định màu mắt

định vị trong thể nhiễm sắc X Như vậy, gen qui định màu mắt có 2 alen: alen W là alen đột

bi n (lặn) và alen dại W+

(trội)

Ruồi cái (kiểu gen XX) n u mang 2 alen W+

W s là ru ồi cái mắt đỏ (vì alen W+

trội qui định

mắt đỏ) N u chúng mang 2 alen WW s là ruồi cái mắt trắng (vì alen W là lặn qui định mắt

trắng)

Đối với ruồi đực XY, vì X không có alen tương ng (thư ng được gọi là bán hợp tử -

hemizygote) cho nên ruồi đực chỉ cần mang một alen W+

s có mắt đỏ và khi mang một

alen W s có mắt trắng

Ta hãy xem xét các công th c lai mà Morgan đã thí nghiệm dưới đây s th y rõ gi thi t

c a Morgan: