bài giảng điện tử môn di truyền học

bài giảng điện tử môn di truyền học tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các l...

Bài giảng điện tử Môn: Di truyền học (45 tiết)

Trương Thị Bích Phượng Khoa Sinh học, Trường đại học Khoa học, Đại học Huế

Chương 1.

Bản chất của vật chất di truyền

Mục tiêu của chương

Giới thiệu bản chất của vật chất di truyền là DNA, thành phần, cấu trúc của phân tử DNA,dạng DNA khác nhau trong tế bào

Năm 1914, R Feulgen (nhà hóa học người Đức) tìm ra phương pháp nhuộm màu đặc hiệuđối với DNA Sau đó các nghiên cứu cho thấy DNA của nhân giới hạn trong NST Nhiều sự kiệncho gián tiếp cho thấy DNA là chất di truyền Mãi đến năm 1944 vai trò mang thông tin di truyềncủa DNA mới được chứng minh và đến năm 1952 mới được công nhận

1 Các chứng minh gián tiếp

Nhiều số liệu cho thấy có mối quan hệ giữa DNA và chất di truyền

- DNA có trong tế bào của tất cả các vi sinh vật, thực vật, động vật chỉ giới hạn ở trongnhân và là thành phần chủ yếu của nhiễm sắc thể Đó là một cấu trúc mang nhiều gen xếp theođường thẳng

- Tất cả các tế bào dinh dưỡng của bất kỳ một loại sinh vật nào đều chứa một lượng DNArất ổn định, không phụ thuộc vào sự phân hóa chức năng hoặc trạng thái trao đổi chất Ngược lại,

số lượng RNA lại biến đổi tùy theo trạng thái sinh lý của tế bào

- Số lượng DNA tăng theo số lượng bội thể của tế bào Ở tế bào sinh dục đơn bội (n) sốlượng DNA là 1, thì tế bào dinh dưỡng lưỡng bội (2n) có số lượng DNA gấp đôi

- Tia tử ngoại (UV) có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bước sóng 260nm Đây chính làbước sóng DNA hấp thu tia tử ngoại nhiều nhất

Tuy nhiên trong các số liệu trên, thành phần cấu tạo của NST ngoài DNA còn có cácprotein Do đó cần có các chứng minh trực tiếp mới khẳng định vai trò vật chất di truyền củaDNA

2 Thí nghiệm biến nạp DNA (Transformation)

Hiện tượng biến nạp do Griffith phát hiện vào năm 1928 ở vi khuẩn Diplococcus pneumoniae (gây sưng phổi ở động vật có vú) Vi khuẩn này có hai dạng:

- Dạng S (gây bệnh): có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, ngăn cản bạch cầu phá vỡ tếbào Dạng này tạo khuẩn lạc láng trên môi trường agar

- Dạng R (không gây bệnh) không có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, tạo khuẩn lạcnhăn

Thí nghiệm được tiến hành như sau:

a Tiêm vi khuẩn dạng S sống gây bệnh cho chuột, sau một thời gian nhiễm bệnh, chuộtchết

b Tiêm vi khuẩn dạng R sống không gây bệnh cho chuột, chuột sống

c Tiêm vi khuẩn dạng S bị đun chết cho chuột, chuột chết

d Tiêm hỗn hợp vi khuẩn dạng S bị đun chết trộn với vi khuẩn R sống cho chuột, chuộtchết Trong xác chuột chết có vi khuẩn S và R

Hình 1.1 Thí nghiệm biến nạp ở chuột

Hiện tượng trên cho thấy vi khuẩn S không thể tự sống lại được sau khi bị đun chết, nhưngcác tế bào chết này đã truyền tính gây bệnh cho tế bào R Hiện tượng này gọi là biến nạp

Đến 1944, ba nhà khoa học T Avery, Mc Leod, Mc Carty đã tiến hành thí nghiệm xácđịnh rõ tác nhân gây biến nạp Nếu tế bào S bị xử lý bởi protease hoặc RNAase thì hoạt tính biếnnạp vẫn còn, cứng tỏ RNA và protein không phải là tác nhân gây bệnh Nhưng nếu tế bào chết S

bị xử lý bằng DNAase thì hoạt tính biến nạp không còn nữa, chứng tỏ DNA là nhân tố biến nạp.Kết quả thí nghiệm được tóm tắc như sau:

DNA của S + tế bào R sống à chuột chết (có S, R )

Kết luận: hiện tượng biến nạp là một chứng minh sinh hóa xác nhận rằng DNA mang tínhiệu di truyền Nhưng vai trò của DNA vẫn chưa được công nhận vì cho rằng trong các thí nghiệmvẫn còn một ít protein

Hình 1.2 Vật chất di truyền của phage là DNA

3 Sự xâm nhập của DNA virus vào vi khuẩn

Năm 1952, A Hershey và M Chase đã tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T2 xâm

nhập vi khuẩn E.coli

Phage T2 cấu tạo gồm vỏ protein bên ngoài và ruột DNA bên trong Thí nghiệm này nhằmxác định xem phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào tế bào vi khuẩn: chỉ DNA, chỉ proteinhay cả hai

Vì DNA chứa nhiều phosphor, không có lưu huỳnh; còn protein chứa lưu huỳnh nhưngkhông chứa phosphor nên có thể phân biệt giữa DNA và protein nhờ đồng vị phóng xạ Phageđược nuôi trên vi khuẩn mọc trên môi trường chứa các đồng vị phóng xạ P32 và S35 S35 xâm nhậpvào protein và P32 xâm nhập vào DNA của phage

Thí nghiệm: phage T2 nhiễm phóng xạ được tách ra và đem nhiễm vào các vi khuẩn khôngnhiễm phóng xạ, chúng sẽ gắn lên mặt ngoài của tế bào vi khuẩn Cho phage nhiễm trong mộtkhoảng thời gian đủ để bám vào vách tế bào vi khuẩn và bơm chất nào đó vào tế bào vi khuẩn.Dung dịch được lắc mạnh và ly tâm để tách rời tế bào vi khuẩn khỏi phần phage bám bên ngoàivách tế bào Phân tích phần trong tế bào vi khuẩn thấy chứa nhiều P32 (70%) và rất ít S35, phần bênngoài tế bào vi khuẩn chứa nhiều S35 và rất ít P32 Thế hệ mới của phage chứa khoảng 30% P32 banđầu

Thí nghiệm này đã được chứng minh trực tiếp rằng DNA của phage T2 đã xâm nhập vào tếbào vi khuẩn và sinh sản để tạo ra thế hệ phage mới mang tính di truyền có khả năng đến nhiễmvào các vi khuẩn khác

II Thành phần và cấu tạo hóa học của acid nucleic

DNA và RNA là những hợp chất cao phân tử Các đơn phân là các nucleotide

+ Pyrimidin Cytosin (C) Cytosin (C)

(a)

(a) Base purin và pyrimidin

(b) Đường ribose và deoxyribose

(c) Sự khác nhau giữa Thymine và Uracil

Trong nucleotide, base purin sẽ gắn với C1 của đường ỏ N9 Nếu là pyrimidin thì sẽ gắn với C1

của đường ở N3 C5 của đường gắn với nhóm phosphate

Trong mạch, 2 nucleotide nối với nhau nhờ mối liên kết giữa nhóm 3’-OH của đường vớinhóm -OH của H3PO4, cùng nhau mất đi một phân tử nước

Nếu phân tử chỉ gồm đường và nitrogenous base gọi là nucleoside

1 DNA

1.1 Cấu tạo hóa học của DNA

Trên cơ sở các nghiên cứu của mình, Chargaff (1951) đã đưa ra kết luận:

+ Số lượng A = T, G = C + Tỉ số đặc trưng cho mỗi loài sinh vật

Các base căn bản của acid nucleic bắt cặp bổ sung Cũng trong thời gian này, Wilkins và Franklin (người Anh) nghiên cứu, phân tích tán xạbằng tia rơnghen, kết luận:

+ Các purin và pyrimidin có cấu trúc phẳng, mặt phẳng của chúng được xếp vuông góc vớitrục dài của mạch polynucleotide cái này xếp chồng lên cái kia, khoảng cách trung tâm giữa haimặt phẳng kề nhau là 3,4Ao

+ Mạch polynucleotide xoắn thành lò xo quanh trục giữa, mỗi bước xoắn là 34Ao (ứng với

10 nu)

+ Việc so sánh nồng độ DNA đo được với các số liệu tính toán trên cơ sở sắp không giancủa các nguyên tử cho thấy DNA có nhiều hơn một mạch polynucleotide

Năm 1951, J Watson và F Crick: tổng hợp các số liệu phân tích hóa học và tán xạ của tia

X, để xây dựng nên mô hình cấu trúc phân tử DNA Theo mô hình này, phân tử DNA có nhữngđặc trưng chủ yếu trong cấu trúc không gian như sau:

1 Phân tử DNA gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn song song ngược chiều quanh mộttrục chung

2 Các gốc base quay vào phía trong của vòng xoắn, còn các gốc H3PO4, pentose quay rangoài tạo phần mặt của hình trụ Các mặt phẳng của phân tử đường nằm về phía phải của cácbase Còn các base thì xếp trên những mặt phẳng song song với nhau và thẳng góc với trục phân

tử Khoảng cách giữa các cặp base là 3,4 Ao Chúng lệch nhau một góc 360 nên cứ 10 gốc (10nucleotide) tạo nên một vòng quay

3 Chiều cao của mỗi vòng xoắn là 34 Ao, gồm 10 bậc thang do 10 cặp base tạo nên

Đường kính của vòng xoắn là 20 Ao

4 Hai chuỗi polynucleotide gắn với nhau qua liên kết hydro được hình thành giữa các cặpbase đứng đối diện nhau theo nguyên tắc bổ sung cặp đôi nghiêm ngặt: A luôn luôn liên kết với Tbằng 2 mối liên kết hydro, G liên kết với X bằng 3 mối liên kết hydro Do đó trong phân tử DNAtổng số base loại pirimidin luôn bằng tổng số các base loại purin (quy luật Chargaff)

+ Khoảng cách giữa hai mạch polynucleotide luôn xác định, không thay đổi Khoảng cáchnày bằng kích thước của một base loại purin cộng với kích thước của một base loại pirimidin

+ A luôn luôn đi với T là vì giữa 2 base này chỉ có khả năng hình thành nên hai liên kếthydrro ở các vị trí N6 - O6 và N1 - N1

G luôn luôn đi với X vì giữa 2 base này có thể tạo ra 3 liên kết hydro ở các vị trí N6 - O6, N1 -N1

và N2 - O2

Vì vậy mà A chỉ liên kết với T và G chỉ liên kết với C

5 Tính chất bổ sung giữa các cặp base dẫn đến tính chất bổ sung giữa hai chuỗipolynucleotide của DNA Do đó biết thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi này

sẽ suy ra thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi kia Đặc điểm quan trọng nhấtcủa mô hình là đối song song (antiparallel) Để các bazơ tương ứng đối diện nhau, hai mạch cầnphải bố trí: đầu của sợi này đối diện với đuôi của sợi kia Mô hình Watson-Crick ra đời từ năm

1953 và trong vòng 25 năm tiếp theo nó được công nhận và sử dụng rộng rãi

Mãi đến những năm 70, nhờ dùng các phân tích chính xác nhiều dạng DNA đã được pháthiện, dạng thường gặp là dạng B theo mô hình của Watson-Crick, đây là cấu trúc phổ biến chohầu hết sinh vật Mỗi dạng DNA là một dòng họ các phân tử có kích thước dao động quanh các trị

số trung bình

Hai chỉ số được dùng để đánh giá DNA

- Chỉ số h: là chiều cao giữa hai nu kề nhau

- Chỉ số n: số nucleotide của một vòng xoắn

Ngoài DNA dạng B, còn nhiều dạng xoắn phải khác (A, C, D ) chúng phân biệt vớiDNA dạng B về khoảng cách giữa các base cũng như độ nghiêng của chúng so với trục và sựphân bố trên chuỗi kép

Gần đây, người ta còn phát hiện ra một dạng DNA có bộ khung zigzag và đóng xoắn theochiều trái, gọi là DNA xoắn trái hay DNA Z, trên mỗi vòng xoắn có tới 12 cặp base Giải thích sựtồn tại của DNA Z có nhiều quan niệm khác nhau: Theo Watson, chỉ trong những điều kiện đặcbiệt, như nồng độ muối cao thì các vùng chứa trình tự GCGCGC chuyển sang cấu hình Z,ngược lại ở nồng độ muối thấp chúng quay trở lại dạng B Điều đó chứng tỏ DNA Z có thể đóngvai trò giảm sức căng cục bộ trong phân tử DNA siêu xoắn hoặc có thể tương tác đặc thù với cácprotein điều hòa Tuy nhiên A Rich cho rằng DNA Z xảy ra trong tự nhiên mà bằng chứng là cómặt trong ruồi giấm bình thường Có thể là vùng DNA Z nằm xen kẻ với vùng DNA B và chúng

có thể xoay hình dáng thành dạng B khi xảy ra các biến đổi hóa học nào đó làm cho DNA Z trởnên không ổn định Rich còn gợi ý rằng những gen nằm ở các vùng bị xoay như thế thì có thể tháoxoắn sau đó và bắt đầu phiên mã Nhờ vậy mà protein có thể được tổng hợp Mặc dù đây mới chỉ

là giả thiết song khám phá này đã cung cấp một công cụ tiềm năng cho nghiên cứu về hoạt độngcủa các gen và DNA.Việc phát hiện các dạng DNA cho thấy DNA trong tế bào không đơn điệu.tùy trạng thái sinh lý mà DNA ở dạng này hoặc dạng khác

a Mô hình dạng B của Watson-Crick, là dạng xoắn phải với trục đều

b Mô hình dạng Z, là dạng xoắn trái với trục không đều

1.2 DNA cuộn lại trong tế bào

Hầu hết trong cơ thể sinh vật, DNA có chiều dài dài hơn rất nhiều lần so với chiều dài của

tế bào

Ví dụ: phage T2 có chiều dài tế bào khoảng 0,16 µm, trong khi chiêu dài ADN của chúng khoảng

50 µm

Do đó DNA ở trong tế bào phải cuộn xoắn Sự cuộn xoắn này rất tinh vi vì trong quá trìnhtồn tại, các gen phải hoạt động, như vậy nó phải là một chất có hoạt tính thường xuyên Người ta thấy DNA có thể ở 3 dạng cấu trúc:

- Dạng siêu xoắn: mạch kép vặn xoắn lại thành hình số 8 Đây là dang tự nhiên ở vi khuẩn

- Dạng vòng tròn: sợi DNA căng tròn có được do DNA siêu xoắn bị cắt đứt 1 trong haimạch kép

- Dạng thẳng: khi DNA bị cắt đứt cả hai mạch

Mô hình về bộ gen của E coli

Ở E coli, chiều dài DNA được rút ngắn đáng kể, sự cuộn lại được thực hiện nhờ vào các

RNA nối Khi các RNA nối bị cắt thì các DNA bung dài ra, thuận lợi cho sự sao chép DNA Nếumạch DNA bị cắt, DNA được tháo xoắn, căng ra thuận lợi cho sự tổng hợp protein

Hình 1.10 Mô hình cấu trúc nhiễm sắc thể (bộ gen) của E coli

(Theo Pettijohn và Hecht, 1974)

Hình 1.11 Sự tháo xoắn DNA trong tế bào vi khuẩn

tế bào có ba loại RNA:

2.1 RNA riboxom (ribosomal RNA-rRNA)

rRNA cùng với protein cấu tạo nên ribosome rRNA chiếm tỷ lệ cao trong tế bào có thểđến 75% của tổng RNA Ở các ribosome khác nhau có các rRNA khác nhau, chúng được đặctrưng bởi hằng số lắng S:

- Eukaryote : ribosome có hệ số lắng khi ly tâm là 80S, gồm hai đơn vị:

+ Đơn vị lớn ( 60S) có rRNA 28S; 5,8S; 5S

+ Đơn vị nhỏ (40S) có rRNA 18S

- Prokaryote và lục lạp, ty thể có hệ số lắng khi ly tâm là 70S, gồm 2 đơn vị:

+ Đơn vị lớn (50S): có loại rRNA 23S; 5S

+ Đơn vị nhỏ (30S): có rRNA 16S

RNA ribosom có cấu trúc bậc I (mạch thẳng) và cấu trúc bậc hai Trong ribosome, cácrRNA tồn tại ở dạng cấu trúc bậc hai RNA ribosom có cấu tạo là một sợi xoắn có nhiều vùng liênkết đôi theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với U, G liên kết với X và có khi G liên kết với U.Trong tế bào rRNA chiếm tỷ lệ cao có thể lên đến 75-80% tổng số RNA

Hình 1.12 rRNA cấu tạo nên ribosom

2.2 RNA vận chuyển (Transfer RNA - tRNA)

Mỗi tRNA gắn với một phân tử amino acid, mang đến ribosome để tham gia tổng hợpprotein Mỗi tRNA đặc hiệu cho một loại amino acid Có hơn 20 loại tRNA khác nhau tương ứngvới hơn 20 loại amino acid Trong thực tế, người ta thấy số lượng tRNA lớn hơn rất nhiều so với

số lượng amino acid vì một amino acid có nhiều bộ ba mã hóa Đồng thời cùng một bộ ba mã hóa,vẫn có thể có nhiều tRNA do hiện tượng biến đổi của các nucleotide trong tRNA tạo nên các loạitRNA mới và trong quá trình tổng hợp tRNA, sau khi hình thành chuỗi polynucleotide còn chịu sựtác động của các yếu tố của môi trường nội và ngoại bào làm các nucleotide bị biến đổi, tạo ra cáctRNA mới

Các tRNA cùng tham gia vận chuyển một acid amin là các izoaceptor Số lượng izoaceptorthay đổi tùy acid amin

Cấu trúc bậc I của tRNA: tRNA vận chuyển có phân tử lượng nhỏ: 25.000-30.000, gồm75-90 nucleotide, có hằng số lắng 4S Trong thành phần cấu trúc của tRNA có khoảng 10% cácnucleotide hiếm với khoảng 30 loại khác nhau Mọi cấu trúc của tRNA đều có 2 đầu 5' và 3' giốngnhau: đầu 5' luôn chứa G với gốc P tự do, còn đầu 3' luôn có 3 nucleotide là CCA 3'-OH Nhóm3'-OH của A có thể liên kết với acid amin để tạo phức hợp tRNA-aminoacyl

Chuỗi polynucleotide cuộn lại có những đoạn tạo mạch xoắn kép, hình thành cấu trúc bậchai của tRNA

Hình 1.13 Cấu trúc của tRNA Enzyme aminoacyl tRNA synthetase gắn amino acid với tRNA tương ứng Mỗi enzymeđặc hiệu cho một loại amino acid riêng biệt và xúc tác phản ứng gắn với tRNA của nó nhờ năng

lượng ATP tạo ra aminoacyl tRNA Phức hợp aminoacyl tRNA đến ribosome gắn với mRNAbằng nhờ các bộ ba đối mã (anticodon) trên tRNA bắt cặp bổ sung với các bộ ba mã hóa (codon)trên mRNA

Các tRNA có một số đặc tính cấu trúc chung: chiều dài khoảng 73-93 nucleotide, cấu trúcgồm một mach cuộn lại như hình lá chẻ ba nhờ bắt cặp bên trong phân tử Đầu mút 3’ có trình tựkết thúc là CCA, amino acid luôn gắn vào đầu này Đầu 5 chứa gốc phosphate của G

Mỗi tRNA có có 4-5 vùng với chức năng khác nhau:

- Vòng DHU: có chứa nucleotide dihydrouridin, vùng này có chức năng nhận biếtaminoacyl tRNA synthetase

- Vòng anticodon: đọc mã trên mRNA theo nguyên tắc kết cặp anticodon ’ codon

- Vòng phụ: có thể không có ở một số RNA

- Vòng TφC: có chứa nucleotide pseudouridin, vùng này có chức năng nhận biết ribosom

để vào đúng vị trí tiếp nhận aminoacyl tRNA (vị trí A)

- Đấu 3’ ’CCA: vị trí gắn với acid amin

tRNA chiểm khoảng 15% tổng số RNA của tế bào

2.3 RNA thông tin (messenger RNA ’ mRNA)

RNA thông tin làm nhiệm vụ truyền đạt thông tin di truyền từ DNA đến protein mRNAchiểm khoảng 5% tổng số RNA tế bào

Cấu trúc của mRNA:

DNA polymerase khởi sự phiên mã ở đoạn nằm ngay trước vùng mã hóa được gọi là đoạn

5’ không mã hóa (5’-non coding) Do đó mRNA có đoạn đầu mang các tín hiệu cho ribosomenhận biết để gắn vào dịch mã Ở đuôi 3’ sau dấu kết thúc có đoạn 3’ không mã hóa là nới gắnpoly-A

Các mRNA của prokaryote có nữa thời gian (half life) tồn tại ngắn trung bình 2 phút CácmRNA của Eukaryote có nữa thời gian tồn tại khoảng 30 phút - 24 giờ

Hình 1.14 mRNA ở Prokaryote

Hình 1.15 mRNA ở eukaryote

2.4 Ribozym và self- splicing

Vào 1981, phát minh về vai trò xúc tác của một số phân tử RNA đã làm đảo lộn quan điểm

về chất này

Các phân tử rRNA của các loài nguyên sinh động vật, lúc đầu được tổng hợp với một sốlượng lớn tiền chất, từ số các rRNA này sẽ có một được tạo ra bằng cách tự cắt nối (self -

splicing) Quá trình cắt nối này có thể xảy ra ở in vitro trong sự vắng mặt của protein Điều đó cho

thấy rằng các trình tự intron tự nó có hoạt tính xúc tác tương tự enzyme Phản ứng self-splicing

trong đó trình tự intron tự xúc tác quá trình tự cắt rời khỏi phân tử rRNA ở loài Tetrahymena qua

Hình 1.16 Hoạt động cắt intron và nối exon trên mRNA

Trình tự intron dài 400 nucleotide đã được tổng hợp trong ống nghiệm và nó cuộn lại tạophức hợp bề mặt có hoạt tính tương tự enzyme trong các phản ứng với các RNA khác Mặc dù

splicing phần lớn không được thực hiện tự động như ở Tetrahymena nhưng hiện tượng này cũng

được phát hiện ở những sinh vật khác, cả ở nấm và vi khuẩn

Các RNA có khả năng tự xúc tác được gọi là ribozyme Phát hiện này có ý nghĩa quantrọng trong việc tìm hiểu cơ chế và nguồn gốc sự sống

Hình 1.17 Phản ứng self-splicing của RNA

III Các tính chất của DNA

1 Biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation)

Hai mạch đơn của phân tử AND gắn với nhau nhờ các liên kết hydro.Khi đun nóng DNA

từ từ, vượt quá nhiệt độ sinh lý (khoảng 80-95oC), các liên kết hydro giữa 2 mạch bị đứt và chúngtách rời nhau Trước tiên các mối liên kết A-T, khi nhiệt độ > 90oC các liên kết G -C bị đứt Đó làhiện tượng biến tính của DNA

Nhiệt độ mà ở đó 2 mạch DNA tách rời nhau được gọi là điểm chảy melting poin) củaDNA: Tm Nhiệt độ này đặc trưng cho mỗi loại DNA, phụ thuộc vào số lượng các liên kết hydro.DNA có tỷ lệ G-C cao sẽ có điểm chảy cao DNA có 60% G-C thì điểm chảy là 95oC

Hình 1.18 Sự biến tính và hồi tính của DNA

Ngoài nhiệt độ, người ta còn dùng chất formanide (NH2 -CH = 0) làm biến chất DNA ở

40oC

Các DNA bị biến chất được hạ nhiệt độ từ từ, ở 60o -700C các nucleotide sẽ gắn lại vớinhau để tạo nên DNA mạch kép Hiện tượng này gọi là hồi tính

Có thể biết được DNA bị biến tính hoặc chưa nhờ vào sự gia tăng hấp thụ tia cực tím khi

bị biến tính và sự giảm hấp thu tia cực tím khi hồi tính Giá trị mật độ quang tăng lên khi phân tửmạch đôi chuyển thành mạch đơn, điều này xảy ra do ’hiệu ứng siêu sắc’ (hyperchromiceffect), hoặc dựa vào sự thay đổi độ lắng tụ trong ống nghiệm khi ly tâm

2 Lai acid nucleic

Sử dụng đặc tính biến tính rồi hồi tính có thể tiến hành lai DNA với DNA, DNA với RNA,RNA với RNA

Nguyên tắc: lấy DNA A làm biến tính thành mạch đơn, trộn với DNA B cũng bị biến tínhthành mạch đơn Dung dịch được hạ nhiệt độ từ từ để xảy ra hồi tính Đây là kiểu lai lỏng hay laitrong dung dịch Quá trình hồi tính xảy ra, sợi A kết với A, B kết với B, đồng thời có sợi A kết với

B tạo thành phân tử lai Muốn lai được với nhau, giữa 2 loại DNA phải có những đoạn có trình tự

bổ sung nhau Có thể dùng đồng vị phóng xạ đánh dấu để phát hiện đoạn lai

Hiện nay còn sử dụng phương pháp lai trên pha rắn, được sử dụng rộng nhất:

+ Phương pháp Southern blot, dùng cho DNA

+ Phương pháp Northern blot dùng cho RNA

+ Phương pháp dot (điểm) và slot (khe) blot dùng cho RNA và DNA

- Lai tại chỗ (in situ hybridization) là kiểu lai phân tử trong đó trình tự acid nucleic cần tìm

(trình tự đích) nằm ngay trong tế bào hay trong mô Lai tai chỗ cho phép nghiên cứu NST, khuẩnlạc hay mô tế bào mà không cần tách chiết chúng

Dùng phương pháp lai DNA:

+ Có thể xác định mối quan hệ họ hàng giữa các loài DNA người và DNA chuột chỉ laiđược 25%

+ Có thể tiến hành lai mRNA với DNA để xác định vị trí gen trên DNA tạo ra mRNAtương ứng

Phương pháp lai acid nucleic giúp hiểu chi tiết hơn về bộ gen, nó là cơ sở của phươngpháp chẩn đoán mới dùng acid nucleic đang đuợc sử dụng rộng rãi

Hình 1.19 Phát hiện các DNA lai với mẫu dò

IV Những cấu trúc chứa DNA trong tế bào

1 Những đoạn DNA chứa thông tin di truyền

Đại phân tử DNA là do polynucleotide tạo thành, được chia làm nhiều đoạn Mỗi đoạn làmột đơn vị chức năng, gọi là gen

Gen được định nghĩa trong di truyền học:

+ Mendel là người đầu tiên nêu lên khái niệm ’nhân tố di truyền’

+ J Morgan cụ thể hóa khái niệm về gen: gen nằm trên nhiễm sắc thể chiếm một locusnhất định Gen là đơn vị chức năng xác định một tính trạng

+ Sau khi học thuyết trung tâm ra đời: gen là đoạn DNA trên nhiễm sắc thể không những

mã hóa cho các loại protein mà cả các loại RNA

+ Cuối những năm 70, sau khi phát hiện ra gen gián đoạn: gen là một đoạn DNA đảm bảocho việc tạo ra một polypeptid nó bao gồm cả vùng trước và sau vùng mã hóa cho protein và cảnhững đoạn không mã hóa xen giữa các đoạn mã hóa

Hiện nay có thể định nghiã tổng quát như sau: gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy

di truyền chiếm một locus nhất định trên NST và xác định một tính trạng nhất định Các gen lànhững đoạn vật chất di truyền mã hóa cho những sản phẩm riêng lẻ như các RNA được sử dụngtrực tiếp cho tổng hợp các enzym, các protein cấu trúc hay các mạch polypeptid để gắn lại tạo racác protein có hoạt tính sinh học

Toàn bộ những gen khác nhau của cơ thể, gọi là Idiotype Ở Eukaryote nó bao gồm cácgen trên nhiễm sắc thể (chromotype) và các gen ngoài nhân (plasmotype) Ở prokaryote, nó baogồm bộ gen và plasmid

2 Virus chứa DNA và virus chứa RNA

Virus gây bệnh đốm thuốc lá (mosaic tobacco virus - MTV) là virus chứa RNA sợi đơn

Nó là một hạt hình que dài 300 nm, có đường kính 18 nm Bên ngoài có một vỏ chứa 2130 phân

tử và một vòng xoắn RNA ở bên trong Chiều cao vòng xoắn: 23Ao, khối lượng phân tử = 2.106

nhau, nên khi trộn lẫn các DNA mạch đơn đã bị biến tính của chúng với nhau thì các mạch đơnnày có thể tạo thành phân tử lai Phân tử DNA của T3, T7 không thể hình thành phân tử DNA laivới DNA của T số chẵn Còn virus ΦX174 có chứa DNA sợi đơn gồm 5400 nucleotide vớikhoảng 9 gen

3 Nhiễm sắc thể chính và plasmid của vi khuẩn

DNA của vi khuẩn làm thành thể nhân, tiếp xúc trực tiếp với tế bào chất, không có màngnhân làm giới hạn DNA của thể nhân là DNA mạch vòng, xoắn kép

Ví dụ: DNA E.coli có đường kính 350 µm, gồm 4.106 đôi nucleotide và chứa khoảng 500 gen xếpnối tiếp nhau thành chuỗi dài chi phối tất cả các hoạt động chức năng của sự sống

Plasmid cũng là phân tử DNA mạch kép, dạng vòng ở bên cạnh thể nhân Khối lượng phân

tử trung bình khoảng 1% DNA của thể nhân

Các plasmid có thể gắn tạm thời hoặc vĩnh viễn ở trên NST chính của vi khuẩn Có thểtham gia sự tự nhân đôi và tham gia tiếp hợp khác như là một phần của NST chính

4 Nhiễm sắc thể Eukaryota

4.1 Các trình tự lặp lại và đơn độc

DNA được cắt thành từng đoạn nhỏ, cho biến tính, sau đó hồi tinh thì các đoạn có trình tự

bổ sung dễ tái tổ hợp với nhau hơn các đoạn khác Nhờ vậy có thể nhận biết được các trình tự lặplại Dựa vào đó phân DNA thành ba loại:

+ DNA đơn độc (tái hợp rất chậm)

+ DNA lặp lại trung bình (tái hợp nhanh vừa)

+ DNA lặp lại cao (tái hợp rất nhanh)

Mặc dù DNA mang thông tin mã hóa cho các protein nhưng trong thực tế chỉ có khoảng10% trong số 3 tỷ cặp nucleotide trong genome của người thực sự làm chức năng này Căn cứ vàođặc điểm cấu trúc và phân, chia DNA thành các loại sau:

- DNA đơn độc (Single copy DNA)

Đây là loại phổ biến nhất, chiếm khoảng 75% genome Các đoạn DNA này chỉ thấy 1 lần(hoặc vài lần) trong genome Một phần nhỏ của DNA loại này là các gen mã hóa cho protein Hẫuhết các DNA đơn độc là các intron hoặc là các đoạn nằm xen giữa các gen

- DNA lặp lại (repetitive DNA)

Chiểm 25% còn lại của genome, đây là các đoạn DNA được lặp đi lặp lại hàng ngàn lầntrong genome DNA lặp lại gồm 2 loại:

+ DNA vệ tinh (satellite DNA): loại DNA tập trung ở 1 số vùng nhất định trên NST, ở đóchúng xếp đuôi nhau, cái này tiếp cái kia Loại này chiếm 10% bộ gen

+ DNA lặp lại rãi rác: loại DNA này chiếm khoảng 15% genome, gồm 2 loại:

Các yếu tố rãi rác có kích thước ngắn SINEs (short interspersed repetitive elements): kíchthước từ 90-500 bp Trong nhóm này có loại DNA lặp lại tên Alu với kích thước khoảng 300 bp,mang đoạn DNA có thể bị enzyme hạn chế Alu I cắt (đây là enzyme có nguồn gốc từ vi khuẩn

Arthrobacter luteus) Đoạn lặp Alu là 1 họ bao gồm các đoạn DNA có độ giống nhau cao, phân

bố rãi rác khắp hệ gen với khoảng 300.000 bản sao, chiếm khoảng 2-3% toàn bộ DNA của người,chúng được xem như là các yếu tố vận động Ở 2 đầu mỗi đoạn Alu có các đoạn lặp cùng chiềungắn khoảng 7-10 bp Bên trong đoạn Alu có các đoạn lặp dài khoảng 40 bp Điểm đặc biệt củacác đoạn lặp DNA này là có thể tạo ra bản sao của mình và có thể cài vào các phần khác của bộgen Hiện tượng này đôi khi có thể làm gián đoạn một gen mã hóa cho protein nào đó và gây ratình trạng bệnh lý di truyền

Vai trò của các trình tự Alu đến nay chưa rõ Một điều đáng kinh ngạc là có sự tương đồng(homologus) từ 80-100% giữa phần 3' của Alu với đầu mút 5' và 3' của RNA 7SL, là phần tươngtác với các tín hiệu peptid trước khi vận chuyển ra tế bào chất Việc xác định trình tự nucleotidecủa Alu cho thấy có ít nhất 6 nhóm phụ và tất cả đều bắt nguồn từ DNA mã hóa cho RNA 7SL

Các yếu tố rãi rác có kích thước dài LINEs (long interspersed repetitive elements): baogồm các họ LINE 1 (hay Kpn 1) và THE 1 Các trình tự LINE có chiều dài khoảng 6000-7000 bpvới gần 5.000 bản sao nguyên vẹn và 100.000 bản sao từng phần rãi rác khắp bộ gen người.Chúng là những trình tự lặp lại không mã hóa dài nhất và thường ở vùng giàu AT Các bản phiên

mã trình tự LINE gắn với protein tạo thành phức hợp ribonucleoprotein Ở một dòng tế bào người

bị ung thư (teratocarcinome), người ta quan sát thấy có các ribonucleoprotein này Sự xen đoạnLINE vào các vị trí khác nhau có thể gây hậu quả nhất định, như trong một trường hợp bệnh máukhông đông A (hemophilia)

4.2 Nhiễm sắc thể của Eukaryota

Nhiễm sắc thể chứa một phân tử DNA thẳng, mạch kép NST Eukaryote gồm DNA vàprotein, trong số đó histon là protein cốt lõi trong việc cuộn lại và điều hòa hoạt tính của DNA

Sự hình thành NST kỳ giữa từ chuỗi xoắn kép DNA qua hệ thống các bậc cấu trúc sau: + Nucleosome là đơn vị cấu trúc của NST được tạo nên do sợi DNA dài quấn quanh cácprotein histon thành sợi 11nm Đơn vị này là phức hợp gồm 146 cặp nucleotide của DNA quấnquanh 8 phân tử histon: 2H2A, 2H2B, 2H3 ,2H4 Các nucleosome kề nhau được nối qua một phân

tử histon trung gian H1

+ Sợi chromatin dày 30nm: các nucleosome xếp sít nhau tạo thành phức hợpnucleoprotein

+ Vùng xếp cuộn dày 300 nm do sợi chromatin sau nhiều lần xoắn uốn khúc tạo nên + Chất dị nhiễm sắc 700 nm

+ Kỳ giữa 1400nm

Hình 1.21 DNA quấn quanh bởi protein histon

Hình 1.22 Phức hợp nucleoprotein cuộn lại thành NST

4.3 Trình tự CEN: trình tự lặp lại cao CEN là của các tâm động

4.4 Trình tự TEL: thuộc các telomer (đầu mút của NST) với nhiều vai trò khác nhau: bảo vệ đầumút NST khỏi bị cắt bởi nuclease, giữ chiều dài của NST khi sao chép, gắn với màng nhân và kìmhãm sự biểu hiện của các gen ở đầu mút Các trình tự TEL có tính bảo tồn cao trong tiến hóa.Chúng có số lần lặp lại cao, giàu A và C

Câu hỏi ôn tập

1 Nêu chứng minh gián tiếp cho thấy DNA là vật chất di truyền

2 Trình bày thí nghiệm biến nạp qua đó chứng minh DNA là vật chất di truyền

3, Các đặc điểm của mô hình cấu trúc của Watson và Crick (1953)

4 Mô tả các dạng tồn tại của DNA trong tế bào

5 Mô hình vầ cấu trúc bộ gene của E coli

6 Cấu trúc và chức năng các loại RNA trong tế bào Eukaryote

7 DNA và RNA khác nhau ở những cấu phần nào

8 Hãy nêu các tính chất của phân tử DNA

9 Các trình tự lặp lại ở DNA Eukaryote

10 Trình bày các mức độ kết cuộn của DNA để hình thành nhiễm sắc thể

Tài liệu tham khảo Trịnh Văn Bảo, Phan Thị Hoan, Trần Thị Thanh Hương, Trần Thị liên, Trần Đức Phấn,Phạm Đức Phùng, Nguyễn Văn Rực, Nguyễn Thị Trang 2002 Các nguyên lý sinh học NXB Yhọc Hà Nội

Phạm Thành Hổ (2000) Di truyền học NXB Giáo Dục

Nguyễn Bá Lộc (2004) Acid nucleic và sinh tổng hợp protein Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đạihọc Huế

Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998) Cơ sở di truyền học NXB Giáo Dục

Hoàng Trọng Phán (1995) Di truyền học phân tử Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế Anthony J F Griffiths, Susan R Wessler, Richard C Lewontin, William M Gelbart, David

T Suzuki, Jeffrey H Miller 2004 An introduction to genetics analysis W.H FreemanPublishers

Harlt D.L., Jones E.W (1998) Genetics - Principle and analysis Jone and Bartlett Publshers.Toronto, Canada

Stansfield W.D 1991 Schaum’s outline of theory and problems of genetics McGraw-Hill,Inc., New York

Chương 2 Sao chép DNA

Mục tiêu của chương

Giới thiệu về sao chép DNA, nguyên tắc của sao chép và các nhân tố tham gia vào quátrình sao chép DNA, các hệ thống sửa sai DNA nhằm duy trì tính chính xác của thông tin ditruyền qua các thế hệ

Số tiết: 3

Nội dung

I Sự bền vững của DNA với thời gian và qua nhiều thế hệ

1 DNA bị biến đổi ngay cả không sao chép

Hình 2.1 Sự mất amin của các base (desamination)

DNA là những phân tử rất dài, nhưng mảnh (đường kính: 20 Ao), lại thường xuyên chịutác động môi trường bên trong và bên ngoài tế bào nên dễ có những đứt gãy, biến đổi ngay cả khikhông có sao chép

Người ta tính ra rằng DNA của tế bào người mỗi ngày mất 5000 purin do quá trình mấtpurin (depurination): dưới tác dụng của nhiệt liên kết N-glycosil bị thủy phân

Quá trình biến đổi làm mất amin (desamination): biến cytosin thành uracin Mỗi ngày tếbào người có khoảng 100 biến đổi như vậy

Con người cũng thường xuyên chịu tác động của tia tử ngoại làm tạo ra các dimerthymine

Hình 2.2 Sự hình thành dimer thymine dưới tác dụng của tia tử ngoại

2 Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ

Dùng các nucleotid và các enzyme DNA polymerse để tổng hợp DNA in vitro Sai sót

trong trường hợp này là 10-5 Như vậy sao chép trong ống nghiệm có mức chính xác cao, nhưngđối chiếu lên các sinh vật thì mức sai sót này hãy còn quá lớn

Bằng cách đánh giá tần số các đột biến mới xuất hiện trong quần thể lớn và theo dõi biếnđổi enzyme nào đó trong nuôi cấy mô tế bào, người ta tính được rằng trong cơ thể sinh vật sai sót

trong khi sao chép in vivo là 1.10-9

Đánh giá tốc độ biến đổi trong tiến hóa cũng khẳng định mức chính xác rất cao trong sao

chép in vitro.

3 Các hệ thống bảo vệ DNA

Trong tế bào có một loạt hệ thống để bảo vệ DNA:

- Các sinh vật tiền nhân và nhân thực đều chứa các enzyme có nhiệm vụ methyl hóa ởnhững điểm nhất định Các enzyme cắt hạn chế của mỗi dòng vi khuẩn không cắt DNA của chúng

vì đã được methyl hóa ở những điểm cần thiết, còn DNA ngoại lai vì không được methyl hóa ởnhững điểm nhất định nên bị cắt

Tế bào còn có các hệ thống sửa sai (repair system):

+ Sửa sai bắng cách cắt bỏ rồi tổng hợp sợi mới

Các enzyme DNA polymerase I, II, III đều có hoạt tính polymerase hóa, còn có hoạt tínhexonuclease theo hướng 5-3

Hình 2.3 Sửa sai bằng cắt bỏ và tổng hợp lại đoạn bị hỏng

+ Sửa sai nhờ cơ chế tái tổ hợp

Ngay cả khi không có sao chép vẫn có hệ thống bảo vệ: do DNA có hai mạch, khi sai hỏngtrên một mạch, có thể dựa vào mạch còn lại để tổng hợp đoạn sai hỏng

Một số enzyme đặc hiệu phát hiện sự bắt cặp sai, như trong trường hợp mất purin Cókhoảng 50 enzyme chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử DNA

Hình 2.4 Sửa sai nhờ enzyme

4 Sửa sai do phục quang hồi

Dưới tác dụng của tia tử ngoại, làm các timin đứng gần nhau sẽ gắn lại tạo thànhdimertimin

Khi trở lại ánh sáng, ánh sáng sẽ kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin tạo timin bìnhthường Hiện tượng ánh sáng kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin gọi là quang phục hồi

5 Hệ thống SOS

Ở tế bào vi khuẩn hoặc tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng do chiếu tia UV, tia X hoặc dotác dụng của các hóa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp được khởi động, tăng cường sửasai Ở E.coli, hệ thống này có liên quan với 2 protein được mã hóa bởi gene LexA và RecA.Protein LexA là một chất ức chế, nó gắn vào hộp SOS, chồng lấp các promotor của các gene SOS,ngăn cản sự mã nhóm các gen của hệ thống SOS Một vài sản phẩm của DNA bị tổn thương sẽlàm hoạt hóa protease recA Protein recA bị hoạt hóa sẽ cắt bỏ protein lexA, cho phép các gen của

hệ thống SOS phiên mã Phẩn ứng của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhưng phức tạp

Nó bao gồm các quá trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi trong khởi sự sao chép, ức chếnuclease và kích thích phục hồi sao chép và chuyển sai hỏng thành sửa sai úp sấp (error-pronereplication) Tế bào bây giờ sẽ xảy ra sự sao chép nhanh hơn bình thường

+ Nếu sửa sai kịp, tế bào ổn định, sinh trưởng trở lại

+ Nếu không sửa sai kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc chết hoặc bị đột biến

Hình 2.5 Sửa chữa do quang phục hồi

II Cơ chế phân tử của sao chép DNA

1 Nguyên tắc chung

- DNA sao chép theo khuôn

Ưu điểm: + Với phân tử lớn như vậy thì việc tổng hợp theo khuôn sẽ chính xác hơn

+ Tiết kiệm được ezyme

+ Đạt hiệu quả nhanh

- Sao chép theo nguyên tắc bán bảo tồn (semi-conservative) phân tử DNA mới được tổnghợp gồm một mạch cũ làm khuôn và một mạch mới tổng hợp

- Quá trình tổng hợp DNA xảy ra đòi hỏi phải có “ mỗi “ (primer)

- Quá trình tổng hợp xảy ra theo chiều 5 - 3

Hình 2.6 Sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn

2 Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA

Kornberg (1956) thực hiện phản ứng tổng hợp DNA in vitro Trong quá trình tổng hợp ông

sử dụng DNA polymerase I, 4 loại desoxynucleotid triphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP), Mg2+

làm xúc tác Ngoài ra còn có ít DNA làm khuôn mẫu

3 Thí nghiệm chứng minh có sự tự nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo tồn

Meselson, Stahl (1958) đã chứng minh kiểu sao chép bán bảo tồn Nuôi E.coli nhiều thế hệtrên môi trường có nguồn nitơ đồng vị nặng N15 Như vậy tất cả DNA của vi khuẩn đều mangđồng vị nặng N15 thay cho N14 bình thường Sau đó tế bào được chuyển sang môi trường chỉ chứa

N14 nhẹ, mẫu các tế bào được lấy ra theo những khoảng thời gian đều đặn và chiết tách DNA.Bằng phương pháp ly tâm trên thang nồng độ CsCl, các loại DNA nặng, nhẹ và lai được tách ra

Hình 2.7 Thí nghiệm của Meselson và Stahl

Kết quả cho thấy DNA nặng ban đầu (thế hệ 0) chứa N15, sau một lần phân chia cho thế hệ

I với DNA lai có tỷ trọng nằm giữa DNA nặng N15 và DNA nhẹ N14 Nói cách khác sau một lầnsao chép phân tử DNA mới chứa một nữa mang N15 và một nữa N14 Ở thế hệ II một nữa số phân

tử DNA là lai, nữa còn lại là DNA nhẹ N14 Thí nghiệm này khẳng định giả thuyết của Watson vàCrick là đúng tức 2 mạch DNA mẹ tách ra, mỗi cái làm khuôn để tổng hợp nên mạch mới bổsung

4 Diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli

Quá trình sao chép DNA ở E.Coli diễn ra qua hai giai đoạn:

4.1 Giai đoạn khởi sự (initiation)

Hình 2.8 Sao chép DNA ở vi khuẩn E.coli

+ Mở xoắn:

Ở E.coli quá trình bắt đầu khi một protein B đặc hiệu nhận biết điểm khởi sự sao chép

(replication orgine) ori và gắn vào trình tự base đặc biệt đó Tiếp theo enzyme gyrase (một loạitopoisomerase) cắt DNA làm tháo xoắn ở 2 phía của protein B Trong khi 2 phân tử enzymegyrase chuyển động ngược chiều nhau so với điểm ori thì 2 phân tử của enzyme helicase tham giatách mạch tạo chẻ ba sao chép Helicase sử dụng năng lượng ATP làm đứt các liên kết hydro giữa

2 base bắt cặp với nhau

+ Các protein làm căng mạch SSB (single-strand binding protein) gắn vào các mạch đơnDNA làm chúng tách nhau, thẳng ra và ngăn không cho chập lại hoặc xoắn để việc sao chép được

dễ dàng

+ Tổng hợp mồi (primer) dặc trưng cho quá trình kéo dài chuỗi là DNA polymerase chỉhoạt động khi đã có mồi, nên trước khi tổng hợp chuỗi thì phải có qua trình tổng hợp mồi Mồi làmột đoạn khoảng 9 -10 nu, có thể là DNA hoặc ARN

4.2 Giai đoạn nối dài (elongation)

Do tính chất đối song song nên khi tách ra thành 2 mạch đơn khuôn thì một mạch có đầu

3’, mạch kia có đầu 5’ nên để đảm bảo hướng sao chép của DNA theo chiều 5’ -3’ thì sự polymerhóa dựa vào 2 mạch khuôn DNA diễn ra khác nhau

Mạch khuôn có đầu 3’ được DNA polymerase III gắn vào và tổng hợp ngay mạch bổ sung

5’-3’ hướng vào chẻ ba sao chép Mạch khuôn này được gọi là mạch khuôn trước, còn mạch mớiđược tổng hợp gọi là mạch trước (leading strand)

Ở mạch có đầu 5’ (mạch khuôn sau) việc tổng hợp phức tạp hơn và thực hiện từ chẻ ba saochép hướng ra ngoài để đảm bảo đúng hướng 5’-3’ Khi mạch kép tách ra ở gần chẻ ba sao chép ,enzyme primase gắn mồi (primer) ARN khoảng 10 nucleotid có trình tự bổ sung với mạch khuôn.DNA-polymerase III nối theo mồi ARN, theo hướng ngược với chẻ ba sao chép, tổng hợp cácđoạn ngắn 1000-2000 nucleotid, gọi là các đoạn Okazaki (người phát hiện là Reiji Okazaki) DNApolymerase nối dài đoạn Okazaki đến khi gặp ARN mồi phía trước thì dừng lại, rồi lùi ra sau tiếptục tổng hợp từ ARN mồi mới được tạo nên gần chẻ ba sao chép Tiếp theo DNA-polymerase Inhờ hoạt tính exonuclease 5’-3’ cắt bỏ mồi ARN, lắp các nucleotid của DNA vào chỗ trống vàthực hiện polymer hóa hướng 5’-3’ Đoạn DNA ngắn 10 nucleotid này còn hở 2 đầu, chỗ hở đượcnối nhờ enzyme ligase của DNA mạch được tổng hợp từ chẻ ba sao chép hướng ra ngoài đượctổng hợp chậm hơn nên gọi là mạch sau (lagging strand).

Quá trình sao chép DNA ở E.coli diễn ra với tốc độ rất nhanh, có thể đạt đến 50.000nucleotid/phút

III Sao chép DNA trong tế bào

1 Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote

Để theo dõi sao chép DNA đồng vị phóng xạ Thymidin (tiền chất đặc hiệu cho DNA)được sử dụng Quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori (điểm xuất phát sao chép) và triểnkhai ra cả 2 phía Khi DNA vòng tròn đang sao chép, quan sát thấy dạng DNA hình con mắt Chẻ

ba sao chép lan dần cuối cùng tạo ra 2 phân tử DNA lai: một mạch có mang dấu phóng xạ(thymidin-H3) Có trường hợp sao chép chỉ xảy ra về một phía

E.coli chỉ có một điểm xuất phát sao chép ori nên cả phân tử DNA thành một đơn vị sao

chép thống nhất được gọi là replicon Bộ gen của sinh vật tiền nhân thường chỉ có một replicon

Hình 2.9 Sao chép DNA từ một điểm về 2 phía và về một phía

2 Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào eukaryote

Tế bào nhân thực có số lượng DNA lớn hơn nhiều so với tế bào tiền nhân, tạo nên nhiềunhiễm sắc thể mà mỗi cái gồm một sợi DNA thẳng kết hợp với protein Do đó sao chép DNA của

tế bào nhân thực phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn (khoảng 50 nucleotid/giây)

Hình 2.10 Sao chép của nhiều replicon

Điểm khác căn bản là DNA của tế bào nhân thực có nhiều replicon

Ví dụ: Saccharomyces cerevisiae có tới 500 replicon, tức có 500 điểm xuất phát sao chép Quátrình sao chép cũng bắt đầu từ ori rồi lan về 2 phía Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quátrình sao chép, điểm ori nào đã sao chép qua một lần rồi thì không lặp lại trước khi toàn bộ DNAđược sao chép hoàn toàn

Ở các eukaryote có 5 loại DNA polymerase được ký hiệu là pol α, pol β, pol γ, pol δ, pol

ε Các loại DNA polymerase này không đồng nhất về phân tử lượng và một số đặc tính hóa học.Pol γ phân bố trong ty thể và tham gia tái bản DNA ở ty thể, các DNA polymerase còn lại ở trong

nhân Trong nhân, DNA polymerase δ và DNA polymerase ε là 2 enzyme chính tham gia tổnghợp trên sợi khuôn dẫn đầu và sợi chậm Pol β và tiểu đơn vị bé của pol δ có hoạt tính đọc sửa.

Câu hỏi ôn tập

1 Hãy trình bày thí nghiệm chứng minh sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn

2 Sao chép DNA trên 2 mạch khuôn xảy ra như thế nào?

3 Các cơ chế nào đã đảm bảo sự ổn định rất cao của thông tin di truyền

4 Hãy nêu các nhân tố tham gia vào sao chép DNA

5 Trình bày diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli

6 Mục đích của cơ chế sao chép từ một phân tử DNA cho ra nhiều bản sao

Tài liệu tham khảo

Phạm Thành Hổ (2000) Di truyền học NXB Giáo Dục

Nguyễn Bá lộc (2004) Acid nucleic và sinh tổng hợp protein Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đạihọc Huế

Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998) Cơ sở di truyền học NXB Giáo Dục

Hoàng Trọng Phán (1995) Di truyền học phân tử Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế.Anthony J F Griffiths, Susan R Wessler, Richard C Lewontin, William M Gelbart, David

T Suzuki, Jeffrey H Miller 2004 An introduction to genetics analysis W.H FreemanPublishers

Harlt D.L., Jones E.W (1998) Genetics - Principle and analysis Jone and Bartlett Publshers.Toronto, Canada

Stansfield W.D 1991 Schaum’s outline of theory and problems of genetics McGraw-Hill,Inc., New York

Chương 3

Cơ sở tế bào học của tính di truyền

Mục tiêu của chương

Giới thiệu các cấu trúc trong tế bào có khả năng tự tái sinh, chu trình tế bào, các hình thứcphân bào, các phương thức sinh sản

Số tiết: 3

Nội dung

I Các cấu trúc tế bào và khả năng tự tái sinh

Tế bào của những sinh vật ở mức tiến hóa thấp như vi khuẩn, vi khuẩn lam chưa có nhânhoàn chỉnh nên gọi là tế bào tiền nhân và những sinh vật này gọi là những sinh vật tiền nhân(Prokaryote)

Các tế bào có nhân hình thành rõ ràng được gọi là tế bào nhân thực, có ở các sinh vật nhânthực (Eukaryote) Sự khác nhau giữa tế bào Prokaryote và Eukaryote lớn hơn sự khác nhau giữa tếbào động vật và thực vật

Các tế bào Prokaryote không có phần lớn các bào quan và màng nhân, có vùng tương tựnhân gọi là nucleoid Ngoài ra bộ gen gồm DNA không kèm histon Điểm nổi bậc để phân biệt tếbào Eukaryote là có nhân (nucleus) điển hình với màng nhân bao quanh Bên trong tế bào có hệthống màng phức tạp và các bào quan như lưới nội sinh chất, bộ golgi, lysosome, ty thể, lục lạp.Nhiễm sắc thể của Eukaryote thẳng, phức tạp được cấu tạo từ DNA và protein

1 Các cấu trúc có khả năng tự tái sinh

Các tế bào Prokaryote có vùng nhân chứa DNA được tái tạo và phân đều về các tế bào conkhi sinh sản

Các tế bào Eukaryote có nhiều bào quan nhưng chỉ có nhân, ty thể, lục lạp có chứa DNA

và nhờ khả năng tự tái sinh nên tham gia vào các cơ chế di truyền

Nhân chứa thông tin di truyền giữ vai trò chủ yếu trong sinh sản, chiếm khoảng 10% thểtích và hầu như toàn bộ DNA của tế bào (95%) Nó được giới hạn bởi màng nhân do 2 lớp màngxếp đồng tâm, bên trong có 2 cấu trúc chủ yếu là hạch nhân (nucleolus) như một nhân nhỏ trongnhân và chất nhiễm sắc (chromatin) là dạng tháo xoắn của nhiễm sắc thể (chromosome) Sự phânchia đều NST về các tế bào con đảm bảo sự chia đều thông tin di truyền cho thế hệ sau

2 Nhiễm sắc thể

2.1 Hình thái NST

Hình 3.1 Nhiễm sắc thể với vùng tâm động

Khi nhuộm tế bào đang phân chia bằng một số màu base, có thể nhìn thấy dưới kính hiển

vi thường các cấu trúc hình que nhuộm màu đậm, nên được gọi là NST (chromosome) Mỗi NST

có hình dạng đặc trưng, rõ nhất ở kỳ giữa của nguyên phân Tâm động là điểm thắt eo chia NSTthành 2 vai với chiều dài khác nhau, vai ngắn hơn là vai p và vai dài hơn là vai q Dựa vào vị trícủa tâm động có thể phân biệt hình thái các NST:

- Tâm giữa (metacentric): 2 vai bằng nhau

- Tâm đầu (acrocentric): 2 vai không bằng nhau

- Tâm mút (telocentric): tâm động nằm gần cuối

Ở các tế bào sinh dưỡng (soma), mỗi NST có một cặp giống nhau về hình thái, được gọi làcác NST tương đồng (homologous) Bộ NST có cặp gọi là lưỡng bội và khi mỗi NST chỉ có mộtchiếc gọi là đơn bội

Hình 3.2 Sơ đồ các kiểu nhiễm sắc thể ở kì giữa và kì sau

2.2 Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ:

Tất cả các tế bào của một loài nói chung có số lượng NST đặc trưng cho loài đó Mỗi loạiNST có hình dáng đặc trưng

Sự mô tả hình thái của NST gọi là kiểu nhân (Karyotype)

Kiểu nhân có thể biểu hiện ở dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) khi các NST được xếp theothứ tự bắt đầu từ dài nhất đến ngắn nhất

Sau này kỹ thuật nhuộm màu (màu giemsa hay quinacrin) hoàn chỉnh làm rõ hơn các vệtđặc trưng, hình thái của mỗi NST được xác định chi tiết hơn Dựa vào nhiễm sắc đồ nhuộm màu,

có thể tìm thấy các đoạn tương đồng trên các NST cùng loại của các loài có họ hàng gần nhau Ví

dụ so sánh nhiễm sắc đồ của người và vượn cho thấy có mối quan hệ họ hàng rất gần và NST thứhai của người do sự nối lại của 2 NST khác nhau ở vượn người

Hình 3.3 Cặp nhiễm sắc thể tương đồng

2.3 Chất nhiễm sắc

Vào những năm 1930, khi quan sát bằng kính hiển vi quang học ở gian kỳ nhận thấy trênNST có vùng nhuộm màu đậm được gọi là chất dị nhiễm sắc (heterochromatin) phân biệt với phầncòn lại nhuộm màu nhạt là chất nguyên nhiễm sắc (euchromatin) Chất nguyên nhiễm sắc là chấtnhiễm sắc ở trạng thái dãn xoắn, còn chất dị nhiễm sắc là chất nhiễm sắc biểu hiện dạng cuộnxoắn cao DNA chất nguyên nhiễm sắc ở trạng thái hoạt động, còn ở chất dị nhiễm sắc thì DNAkhông phiên mã được và thường sao chép muộn hơn

Hình 3.4 Sự phân hóa các phần trên nhiễm sắc thể

3 Các nhiễm sắc thể đặc biệt

Bằng các kỹ thuật tế bào học hiện đại, căn cứ các mặt chức năng, cấu trúc, hình thái và đặcthù trong hoạt động, người ta đã phân biệt các loại NST khác nhau:

- Nhiễm sắc thể thường (NST A: autosome): giống nhau ở cả 2 giới đực, cái

- Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome) khác nhau giữa giới đực và cái

- Nhiễm sắc thể B (nhiễm sắc thể phụ): được phát hiện ở một số loài thực vật như ngô,mạch đen ngoài các NST A bình thường Các NST B ít gặp hơn trong các giống đã được chọn lọccủa các loài nói trên

Ở ngô có 20 NST A, ở một số cây còn có thêm NST B với số lượng biến động từ 1-20hoặc nhiều hơn Những cây có NST B thì yếu hơn và kém hữu thụ hơn các cây khác

Ở mạch đen, những cây có hơn 9 NST B thường không có khả năng sống NST B có hiệuquả di truyền rất thấp NST B cũng có nhiều ở sâu bọ, giun dẹp nhưng bé và không có hiệu quả ditruyền rõ rệt

- NST khổng lồ (polytene chromosome): có trong một số cơ quan, tế bào tuyến nước bọt,tuyến Manpighi, màng ruột một số côn trùng bộ 2 cánh (Diptera): Drosophilidae, Chironomidae

Năm 1981, E Balbiani phát hiện NST khổng lồ ở tuyến nước bọt ấu trùng Chironomus,chúng có số lượng sợi nhiễm sắc nhiều gấp hàng ngàn lần so với NST thường, có thể chứa tới1500-1600 sợi nhiễm sắc Nguyên nhân của hiện tượng này là do cơ chế nội nguyên phân(endomitosis) NST tự nhân đôi bình thường, nhưng không phân ly, nhân tế bào không phân chia,tạo NST có dạng chùm nhiều sợi, bề ngang của NST tăng lên Chiều dài của NST khổng lồ có thểtới 250-300 µm (gấp 100-200 lần NST thường) do các NST thể này không đóng xoắn Dọc theochiều dài của NST khổng lồphân hóa thành những khoanh bắt màu xẫm, nhạt không đồng nhấtnhư các đĩa sáng, tối xen nhau Người ta cho rằng các đĩa xẫm màu là nơi tích lũy nhiều DNA,được tạo ra do độ xoắn định khu dày đặc hoặc do tập trung nhiều hạt nhiễm sắc

Hình 3.5 Nhiễm sắc thể khổng lồ của ruồi giấm

Ở ruồi giấm, NST khổng lồ ở tuyến nước bọt được hình thành do DNA tự nhân đôi 10 lần,tạo ra 210 = 1024 sợi dính liền nhau suốt dọc theo chiều dài

- NST chổi đèn (lambrush chromosome): NST này có thể dài đến 800µm, có ở tiền kì củagiảm phân trong tế bào trứng của động vật có xương sống nhất là ở giai đoạn Diplotene của trứng

có nhiều noãn hoàng (trứng gà, chim hoặc bò sát)

Hình 3.6 Nhiễm sắc thể khổng lồ ruồi giấm

(a) Nhiễm sắc thể khổng lồ của ruối giấm tạo tâm sắc (chromocenter)

(b) Bộ nhiễm sắc thể cơ bản trong tế bào đang phân chia với các nhánh được biểu hiện bằng các màu khác nhau

(c) Ảnh chụp nhiễm sắc thể khổng lồ

Hình 3.7 Nhiễm sắc thể chổi đèn

Đặc điểm của NST kiểu chổi đèn là từ trục của NST có nhiều vòng DNA, cạnh các vòngDNA này là những loại ARN được tổng hợp từ các vòng DNA mở xoắn

II Chu trình tế bào và phân bào ở Eukaryote

1 Chu trình tế bào

Hình 3.8 Chu trình tế bào

Các tế bào của sinh vật Eukaryote trải qua nhiều giai đoạn nối tiếp nhau và kết thúc bằng

sự phân chia tạo ra tế bào mới Toàn bộ quá trình từ tế bào đến tế bào thế hệ kế tiếp được gọi làchu trình tế bào, gồm 4 giai đoạn: M, G1, S và G2 Sự phân chia tế bào chỉ chiếm một phần củachu trình tế bào

- M (Mitose) là giai đoạn nguyên phân

- Giai đoạn G1 (Gap): kéo dài từ sau khi tế bào phân chia đến bắt đầu sao chép vật chất ditruyền Sự tích lũy vật chất nội bào đến một lúc nào đó đạt điểm tới hạn thì tế bào bắt đầu tổnghợp DNA

- S (Synthesis) là giai đoạn tổng hợp DNA Cuối giai đoạn này số lượng DNA tăng gấpđôi

- G2 là giai đoạn được nối tiếp sau S đến bắt đầu phân chia tế bào

Khoảng thời gian gồm G1, S và G2 tế bào không phân chia và được gọi chung là gián kỳhay kỳ trung gian (interphase) Trong kỳ này tế bào thực hiện các hoạt động sống chủ yếu khác vàsao chép bộ máy di truyền

2 Nguyên phân (Mitosis)

Sự phân bào ở sinh vật nhân thực gồm 2 quá trình: chia nhân (mitosis) và chia tế bào chất(cytokinesis)

Nguyên phân được chia thành 4 kì:

a Kì trước (Prophase)

Các trung thể (centriole) chuyển động về 2 cực của nhân, các NST co lại thành sợi MỗiNST gồm 2 sợi chromatid gắn nhau nhờ tâm động (centromere) Các sợi vô sắc tỏa ra từ tâm động

và trung thể Màng nhân và hạch nhân biến mất dần Các tế bào thực vật khác với tế bào động vật

là không có trung thể và thoi vô sắc

b Kì giữa (Metaphase)

Tâm động của mỗi NST đôi gắn với thoi vô sắc và xếp ở mặt phẳng xích đạo của tế bào

Kỳ giữa chấm dứt khi mỗi tâm động của mỗi chromatid chị em bắt đầu tách ra Như vậy tâm động

là điểm chia cuối cùng của NST Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, nhờ đó chất di truyền đượcchia đều và đồng bộ cho các tế bào con

Sự phân chia tế bào chất: thường kèm theo ngay sau giảm phân Ở tế bào động vật sự chia

tế bào chất bắt đầu bằng nếp nhăn phân cách (cleavage furrow) bao vòng tế bào và mọc sâu dẫnđến chia tế bào thành hai Ở tế bào thực vật, phiến tế bào (cell plate) hình thành ở trung tâm tế bàochất và lan rộng dần đến cắt tế bào thành hai

Nguyên phân tạo ra 2 tế bào con có số lượng và chất lượng NST như tế bào mẹ

Hình 3.9 Phân bào nguyên nhiễm

3 Giảm phân (meiosis): là quá trình phân bào chuyên biệt trong đó số lượng NST giảm một nữa

nhưng đủ bộ, xảy ra ở tế bào sinh dục Giảm phân trải qua 2 lần phân chia nối tiếp nhau:

Hình 3.10 Phân bào giảm nhiễm

Giảm nhiễm I:

a Kì trước I (Prophase I)

Các sự kiện xảy ra giống kì trước của nguyên phân chỉ khác căn bản ở chỗ các NST tươngđồng cùng chuyển động với nhau và nằm kề sóng đôi nhau trong quá trình bứt cặp hay tiếp hợp(synapsis) Các sợi nhiễm sắc chi em được gắn nhẹ nhau nhờ một cặp protein trục (protein axe)

Các protein trục của 2 NST tương đồng nối nhau bởi cầu protein để tạo nên phức hợp bắt cặp(synaptonemal complex) Cặp NST tương đồng lúc này tạo thành đôi gọi là lưỡng trị (bivalent).Các NST sau khi tiếp hợp xong bắt đầu tách ra, có thể quan sát thấy các đoạn đan chéo nhau gọi làhình chéo (chiasma) Các hình chéo giữa các chromatid có thể xảy ra trao đổi chéo dính nhau.

Hình 3.11 Các quá trình xảy ra trong kỳ đầu I phân bào giảm nhiễm

Hai nhân mới được hình thành, mỗi cái với nữa bộ NST (n) có ở tế bào mẹ Các nhân con

có số lượng NST bằng nhau nhưng kiểu gen không tương tự nhau

Tiếp theo là thời kì gián kì rất ngắn, trong kì này không xảy ra sao chép vật chất di truyền.Giảm nhiễm II:

e Kì trước II (Prophase II): Các NST co lại

f Kì giữa II (Prophase II): Các NST xếp trên mặt phẳng xích đạo, thường các chromatid đã táchnhau một phần

g Kì sau II (Anaphase II): Các tâm động phân chia, các chromatid đẩy nhau về các cực

h Kì cuối II (Telophase II): 4 tế bào đơn bội chứa các NST đơn được tạo thành

Như vậy giảm nhiễm I tạo 2 tế bào đơn bội chứa NST đôi, mỗi tế bào đó lại chia lần nữatrong giảm nhiễm II để tạo ra 4 tế bào đơn bội chứa các NST đơn.

- Phân bào giảm phân có ý nghĩa rất quan trọng

+ Đảm bảo số lượng NST trong sinh sản hữu tính không thay đổi

+ Đảm bảo cho sự tạo thành của các tế bào sinh dục khác nhau

+Tạo NST có thành phần mới do tái tổ hợp giữa các NST bố mẹ

So sánh nguyên phân và giảm phân

Giống nhau

- Sao chép DNA trước khi vào phân bào

- Đều phân thành 4 kỳ

- Sự phân đều mỗi loại NST về các tế bào con

- Màng nhân và nhân con biến mất cho đến gần cuối

- Hình thành thoi vô sắc

Khác nhau

So sánh các đặc tính chủ yếu của nguyên phân và giảm phân

1 Xảy ra ở tế bào soma

2 Một lần phân bào: 2 tế bào con

3 Số NST giữ nguyên: 1 tế bào 2n à 2 tế bào

2n

4 Một lần sao chép DNA , một lần chia

5 Thường các NST tương đồng không bắt cặp

6 Thường không có trao đổi chéo

7 Tâm động chia ở kỳ sau

8 Duy trì sự giống nhau: tế bào con có kiểu

gen giống kiểu gen tế bào mẹ

9 Tế bào chia nguyên phân có thể là lưỡng

bội (2n) hay đơn bội (n)

1 Xảy ra ở tế bào sinh dục

2 Hai lần phân chia tạo 4 tế bào con

3 Số NST giảm đi một nữa: 1 tế bào 2n à 4

tế bào n

4 Một lần sao chép DNA , 2 lần chia

5 Các NST tương đồng bắt cặp ở kỳ trước I

6 nhất 1 trao đổi chéo cho 1 cặp tương đồng

7 Tâm động không chia ở kỳ sau I mà chia ở

Hình 3.12 So sánh nguyên phân và giảm phân

Sự biến đổi trong quá trình phân bào

- Hình thành NST khổng lồ: vào kì trước, sau khi DNA tự nhân đôi, hình thành các nhiễmsắc tử, nhưng sau đó chúng không tách rời nhau

- Nội nguyên phân: ở tiền kì, màng nhân không tiêu biến, quá trình phân chia sẽ xảy ra ởbên trong màng nhân Kết quả tạo ra nhân mới có bộ NST tăng gấp đôi

- Hình thành thể đa bội: Sau khi NST tự nhân đôi, màng nhân tiêu biến nhưng thoi vô sắckhông xuất hiện, tạo ra những tế bào có số lượng NST tăng gấp bội.

- Tế bào 2 nhân: sau khi phân chia nhân, tế bào chất không phân chia hình thành tế bàomới có hai nhân

Trong giảm phân cũng xảy ra những biến đổi: do sự tiếp hợp và phân ly không bìnhthường của các NST, có thể làm phát sinh các giao tử thừa hoặc thiếu NST Có trường hợp thoi vôsắc không xuất hiện, sẽ tạo thành các giao tử không giảm nhiễm

III Các kiểu sinh sản

1.Sinh sản vô tính

Sinh sản vô tính là kiểu sinh sản từ một tế bào hoặc một nhóm tế bào mẹ chỉ qua nguyênphân để tạo ra các cơ thể con Kiểu sinh sản này giữ nguyên các đặc tính di truyền của cá thể mẹban đầu ở cơ thể con Nguyên phân là cơ sở của sự tăng trưởng ở các sinh vật đa bào và sinh sản

vô tính ở các sinh vật nói chung Sinh sản vô tính có ở cả sinh vật đơn bội và lưỡng bội, là cơ chế

ổn định bộ gen qua nhiều thế hệ

Sự tăng số lượng tế bào của sinh vật đa bào nhờ nguyên phân Ở người hợp tử sau nhiều lầnnguyên phân hình thành nên cơ thể gồm nhiều tỉ tế bào Nhờ đó, trừ tế bào sinh dục các tế bào của

cơ thể đều có bộ NST như nhau, tương ứng có lượng thông tin di truyền giống nhau

Sinh sản vô tính được ứng dụng rộng rãi trong nhân giống và nuôi cấy mô tế bào thực vật và độngvật

2 Sinh sản hữu tính

Sinh sản hữu tính là kiểu sinh sản trong đó có sự kết hợp các tế bào sinh dục của 2 cá thểkhác nhau Sinh sản hữu tính tạo sự đa dạng di truyền làm nguồn nguyên liệu cho tiến hóa Mộttrong những xu hướng tiến hóa của sinh giới là sinh sản hữu tính Sự đa dạng của các kiểu sinhsản hữu tính thể hiện một phần ở các kiểu xác định giới tính Sự tiến hóa tạo ra nhiều cơ chế đểduy trì sự đa dạng

* Hướng tiến hóa trong sinh sản hữu tính

Theo sự phân hóa tế bào, có 3 hướng tiến hóa:

+ Hình thái các giao tử: theo hình thái giao tử, sinh vật tiến hóa từ chỗ giao tử đực và giao

tử cái đều có hình thái và chức năng giống nhau (đẳng giao) đến chỗ khác nhau: giao tử đực nhỏ

có khả năng di động, giao tử cái lớn chứa các chất dinh dưỡng (dị giao và noãn giao)

+ Theo sự phân hóa của các tế bào trong cơ thể: từ chỗ tế bào nào trong cơ thể cũng có khảnăng làm nhiệm vụ sinh sản đến chỗ phân hóa thành tế bào sinh sục và tế bào sinh dưỡng

+ Phân hóa giới tính: ở đa số thực vật và động vật bậc thấp, cơ quan sinh dục đực, cái ởngay trên một cơ thể, gọi là sinh vật lưỡng tính Ở một số thực vật và động vật bậc cao, mỗi cơ thểchỉ mang một cơ quan sinh dục (hoặc đực hoặc cái) gọi là sinh vật đơn tính

Theo hình thức thụ tinh

Ở các động vật bậc thấp đặc biệt là động vật thủy sinh, tinh trùng được thụ tinh với trứng ởngoài môi trường nên hiệu quả thụ tinh thấp Hình thức thụ tinh này được gọi là thụ tinh ngoài Vídụ: ruột túi, cá chúng phóng tinh vào nước để thụ tinh, lưỡng cư (ếch nhái) con đực rưới tinhtrùng lên trứng của con cái Hình thức thụ tinh cao hơn là thụ tinh trong Phần lớn cấc loài ở cạn,