Di truyền học và .. hơn thế.

Về sau, những bước phát triển lớn của di truyền học đều gắn liền với các đối tượng mô hình nhất định: đó là ruồi dấm Drosophila Melanogaster với học thuyết di truyền nhiễm sắc thể hay cá

Di truyền học

ADN, cơ sở phân tử của di truyền Mỗi sợi ADN là một chuỗi các nucleotide, liên kết với nhau ở chính giữa có dạng như những nấc thang trong một chiếc thang xoắn

Di truyền học là một bộ môn sinh học, nghiên cứu về tính di truyền và biến dị ở các sinh vật[1] [2] Kể

từ thời tiền sử, thực tế về việc các sinh vật sống thừa hưởng những đặc tính từ bố mẹ đã được ứng dụng để tăng sản lượng cây trồng và vật nuôi, thông qua quá trình sinh sản chọn lọc hay chọn lọc nhân tạo Tuy nhiên, di truyền học hiện đại, tìm hiểu về quá trình di truyền, chỉ được ra đời vào giữa

thế kỷ 19 với những công trình của Gregor Mendel[3] Dù không hiểu về nền tảng vật chất của tính di truyền, Mendel vẫn nhận biết được rằng sinh vật thừa kế những tính trạng theo một cách riêng rẽ -

mà trong đó những đơn vị cơ bản của di truyền được gọi là gen

Các gen tương ứng với những vùng nằm trong ADN, một cao phân tử được cấu thành từ bốn loại đơn phân nucleotide; chuỗi những nucleotide này mang thông tin di truyền ở sinh vật ADN trong điều kiện tự nhiên có dạng chuỗi xoắn kép, trong đó nucleotide ở mỗi chuỗi liên kết bổ sung với nhau Mỗi chuỗi lại có thể hoạt động như một khuôn để tổng hợp một chuỗi bổ sung mới - đó là cách thức tự nhiên tạo nên những bản sao của gen mà có thể được di truyền lại

Chuỗi nucleotide trong gen có thể được phiên mã và dịch mã trong tế bào để tạo nên chuỗi các axít amin, hình thành protein; trình tự của các axít amin trong protein cũng tương ứng với trình tự của các nucleotide trong gen Trình tự này được biết với tên mã di truyền Nó xác định cách thức gập xoắn trong cấu trúc ba chiều của phân tử protein; cấu trúc này tiếp đó quy định nên chức năng của protein Những protein sẽ thực hiện hầu hết các chức năng cần thiết cho sự sống của tế bào Một thay đổi nhỏ của gen trong phân tử ADN cũng sẽ dẫn đến thay đổi trình tự axít amin, thay đổi cấu trúc và chức năng của protein, và điều này có thể tác động không nhỏ lên tế bào cũng như toàn bộ cơ thể sống

Dù di truyền đóng một vai trò to lớn trong sự hình thành và hoạt động của sinh vật, thì sự kết hợp giữa yếu tố di truyền và những gì sinh vật trải qua mới xác định được kết quả sau cùng Một ví dụ, trong khi gen có thể quy định nên chiều cao của một người, thì dinh dưỡng và sức khỏe của người đó trong thời niên thiếu cũng có ảnh hưởng không nhỏ

Lịch sử

Gregor Mendel, "người cha của di truyền học"

Gregor Johann Mendel(20 tháng 7, 1822 , Áo – 6 tháng 1, 1884 Bruno, Đế quốc Áo-Hung:

61 tuổi)

Nơi công tác Tu viện của St Thomas ở Bruno Học trường Đại học Vienna

Gregor Johann Mendel là một nhà khoa học, một linh mục người Áo, ông được coi là "cha đẻ của di truyền hiện đại" vì những nghiên cứu của ông về đặc điểm di truyền của đậu Hà Lan Mendel chỉ ra rằng đặc tính di truyền tuân theo những quy luật nhất định, ngày nay chúng ta gọi là Định luật

Mendel Nội dung định luật của ông rất đơn giản, tuy nhiên, khi ông còn sống, ý nghĩa và tầm quan trọng trong các công trình nghiên cứu của ông không được công nhận, người ta cũng không quan tâm đến các nghiên cứu của ông Đến tận đến thế kỷ 20 các kết luận của ông mới được công nhận, khi đó ông được tôn vinh như là nhà khoa học thiên tài, một danh hiệu ông xứng đáng được nhận từ lúc sinh thời Ngày nay người ta vẫn xem năm 1866 là mốc đánh dấu cho sự ra đời của Di truyền học và Mendel là cha đẻ của ngành này

Tiểu sử:

Mendel sinh ra trong một gia đình nói nông dântiếng Đức ở Hynčice thuộc Đế quốc Áo (nay là

Cộng hòa Séc) Ông là con trai của Anton và Rosine Mendel Họ sinh sống và làm việc trong một nông trại vốn đã được gia tộc Mendel sở hữu suốt 130 năm, Mendel làm việc như một thợ làm vườn, nghiên cứu về cách nuôi ong Thuở bé, học lực của ông cũng tốt, do đó một giáo sĩ cùng quê phải để mắt đến ông Song, ngoài việc học ông cũng phải làm việc kiếm sống, do số tiền cha mẹ cung cấp cho Mendel không được bao nhiêu Nhờ sự tiến cử của giáo viên dạy vật lý của ông tên Friedrich Franz, ông được nhận vào học tại một tu viện ở Brno năm 1843 Với sự hỗ trợ của Cha cố Napp, vào năm 1851 ông được gửi tới Đại học tổng hợp Viên để nghiên cứu, ở đây ông nghiên cứu về toán học

và khoa học Năm 1853, Gregor Mendel hoàn tất việc học tại Viên, và quay về tu viện Khi Mendel

31 tuổi, ông đến giảng dạy tại Trường Cao đẳng thực hành Thành phố Brunn

Việc khẳng định các công trình nghiên cứu của Mendel:

Tính trội và tính lặn (1) Thế hệ cha mẹ (2) Thế hệ F1 (3) Thế hệ F2

Bảng thống kê các tính trạng thí nghiệm của Mendel

Mãi đến năm 1900đã xảy ra một sự kiện quan trọng: ba nhà khoa học Hugo de Vries người Hà Lan,

Carl Correns người Đức và Erich von Tschermak làm việc độc lập với nhau, đã tình cờ đọc được các báo cáo của Mendel Họ tiến hành lặp lại các thí nghiệm thực vật và đều nhận thấy tính đúng đắn của

Định luật Mendel Như vậy, Di truyền học chào đời vào năm 1900.

Khoa học di truyền được khởi đầu với công trình ứng dụng và lý thuyết của Mendel từ giữa thế kỷ

19, tuy nhiên trước đó vẫn tồn tại những quan điểm khác nhau về di truyền Từ thế kỷ V trước Công nguyên, Hippocrates và Aristotle đã lần lượt đưa ra những lý thuyết của riêng mình, mà đã có ảnh hưởng không nhỏ đến các học thuyết khác sau đó Nếu Hippocrates cho rằng các vật liệu sinh sản ("humor") được thu thập từ tất cả các phần của cơ thể và truyền cho thế hệ con, thì Aristotle lại phản bác lại ý kiến này, nêu ra rằng sự sinh sản bắt nguồn từ chất dinh dưỡng, trên con đường đi tới các bộ phận cơ thể thì bị chệch tới phần sinh sản, và bản chất các chất này vốn đã quy định cho cấu tạo các phần cơ thể khác nhau Ở thời kỳ Mendel sống, một thuyết phổ biến là quan niệm về di truyền hòa hợp (blending): cho rằng các cá thể thừa kế từ bố mẹ một hỗn hợp pha trộn các tính trạng, ví dụ như

lai cây hoa đỏ với hoa trắng sẽ cho ra hoa hồng Nghiên cứu của Mendel đã bác bỏ điều này, chỉ ra tính trạng là sự kết hợp các gen độc lập với nhau hơn là một hỗn hợp liên tục Một thuyết khác cũng nhận sự ủng hộ thời đó là sự di truyền các tính trạng tập nhiễm: tin rằng sinh vật thừa kế những tính trạng đã được biến đổi do quá trình luyện tập và nhiễm ở bố mẹ Học thuyết này, chủ yếu gắn với

Jean-Baptiste Lamarck, hiện nay không được di truyền học hiện đại thừa nhận; khi sự tập nhiễm của

cá thể thực tế không ảnh hưởng đến các gen mà chúng truyền cho con cái Bên cạnh đó, Charles Darwin đề ra thuyết pangen (thuyết mầm, pangenesis), có sự tương đồng với quan niệm của

Hippocrates, cho rằng có các gemmule (mầm), tập trung từ các tế bào trong cơ thể về cơ quan sinh

dục để thụ tinh, và con cái sinh ra chịu ảnh hưởng từ cả di truyền lẫn tính trạng tập nhiễm Thí

nghiệm của Francis Galton kiểm chứng thuyết pangen của Darwon, cho thấy rằng các gemmule ít nhất không xuất hiện trong máuthỏ Đến tận cuối thế kỷ 19, ngay cả sau khi tác phẩm của Mendel đã công bố, hiểu biết của giới khoa học về tính di truyền vẫn còn ít ỏi và chưa thực sự đúng đắn[

Menđen – thầy tu trồng đậu, gieo hạt di truyền

Đối tượng thí nghiệm – Đậu Hà Lan

Trong các thí nghiệm, Mendel chọn đối tượng thuận tiện là đậu Hà Lan Pisum sativum có lẽ do dễ

trồng và có nhiều đặc điểm phân biệt rõ ràng Là loại cây hàng năm, tự thụ phấn bắt buộc Bộ NST

có số lượng vừa phải 2n=14 Thời Mendel việc chọn giống đậu được quan tâm, nên đã có những thí nghiệm lai ở đậu Bản thân Mendel đã tạo được vài giống đậu có giá trị kinh tế Tuy nhiên, các thí nghiệm của ông đã làm cho đậu Hà Lan trở thành đối tượng mô hình đầu tiên của di truyền học

Về sau, những bước phát triển lớn của di truyền học đều gắn liền với các đối tượng mô hình nhất

định: đó là ruồi dấm (Drosophila Melanogaster) với học thuyết di truyền nhiễm sắc thể hay các đối

tượng vi sinh vật với di truyền học phân tử

Tiến sĩ Francis S Collins vừa được Tổng thống B Obama bổ nhiệm lãnh đạo viện Sức khoẻ quốc gia (N.I.H) Vinh dự cao quý Collins chính là giám đốc Dự án giải mã vốn gen người hoàn thành năm 2003, phác thảo đầu tiên bộ gen chứa mã di truyền, cuốn sách về chính con người Thành tựu thời nay lại bắt đầu từ thầy tu trẻ Gregor Mendel trồng đậu Hơn một thế kỷ rồi…

Thomas vùng Brunn xứ Czech Nhiều năm trời nhà vườn chăm lo nuôi dưỡng, cẩn thận thụ phấn cho đậu, bọc che từng cây để tránh thụ tinh bất ngờ do côn trùng Mendel đã gây giống loài chuột, nhưng viện trưởng muốn thầy tu trẻ nghiên cứu cái gì thanh bai hơn Cây đậu thực dụng, lại rẻ, cần ít đất, sinh sôi nhanh chóng Năm này sang năm khác, Mendel tỉ mỉ đếm và xếp loại cây Riêng năm 1859, ươm hơn 5.000 cây đậu và năm 1860 hơn 6.000 cây Sử gia Peter Atkins dí dỏm: “chắc xúp đậu là món ngán ngẩm thường thấy trên bàn ăn tu viện”

trên các cây đậu trong vườn: màu của hột, dáng của hột, màu của trái, dáng của trái, màu của bông, chỗ của bông, chiều cao của thân Mất hai năm nhà vườn ươm trồng nhiều loại đậu để có được các cây cháu chắt giống nhau, nghĩa là thuần chủng Rồi mới trồng chung các loại khác nhau để có chủng lai Cấy phấn của các cây đậu vàng trên các cây đậu lục Cứ thế lai các cây theo bảy cặp đặc điểm Lại nuôi trồng thế hệ này sang thế hệ khác các chủng lai, và dõi theo sự chuyển giao các đặc điểm

Chẳng mất đi đâu: lặn và nổi Mendel nhận thấy khi lai các cây đậu đời cha mẹ cao và lùn, ông thu hoạch được đời con F1 thì có dáng cao của cha mẹ chớ không phải có dáng vừa, nghĩa là cây lùn biến mất Ông gọi đặc điểm lùn này là lặn (ẩn), còn đặc điểm cao là nổi (trội) Đối với các cặp đặc điểm kia thì cũng thấy tương tự ở chủng lai thế hệ F1 Ở những đời sau, các đặc điểm lặn xuất hiện trở lại, tiên đoán được bằng cách tính toán, chẳng hạn như, thế hệ F2 cứ có một cây màu lục thì ba cây màu vàng Cùng tỷ lệ 1-3 này hiện diện ở bảy cặp đặc điểm Ông ươm trồng khoảng 30.000 cây đậu trong khoảng tám năm, bắt đầu từ năm 1856.

khoa học trước cũng đã ghi nhận sự ẩn mặt và ló mặt của các đặc điểm các chủng lai, nhưng điều Mendel làm khác là đếm, đếm và đếm Dùng toán học để rút ra kết luận cái gì đã xảy ra sâu thẳm trong tế bào Mendel kết lại là mỗi đặc điểm phải do hai yếu tố (ngày nay gọi là các gen), nằm trong mỗi cây đậu Khi sinh sôi, hai yếu tố rời ra và riêng từng cái một “rớt” xuống đời sau Một cây có màu lục hoặc vàng tuỳ thuộc vào việc gắn ráp các yếu tố nó nhận từ cha mẹ Nếu một cây gom được hai yếu tố nổi thì đặc điểm sẽ nổi (cây màu vàng) Nếu tụ được cả hai yếu tố lặn thì đặc điểm lặn lại hiện ra (màu lục) Một nổi một lặn thì nổi sẽ che lấp lặn (cây màu vàng)

Mendel lại lai giống các cây đậu khác nhau nhiều hơn một đặc điểm – hột vàng tròn với lục nhăn hoặc cây đậu cao – bông tía với đậu lùn – bông trắng Các đặc điểm hiện ra theo tỷ lệ đúng như dự đoán Vậy là các yếu tố hướng dẫn các đặc điểm không gắn dính nhau mà đến đời sau thì tách ra

“anh đường anh, tôi đường tôi” Thầy tu Mendel là người đầu tiên đã hiểu làm thế nào các đặc điểm

di truyền được chuyển từ thế hệ này sang thế hệ nọ

lịch sử tự nhiên ở Brno Chẳng có tiếng vang Nếu Mendel là một khoa học gia hàn lâm thì ông có thể trình bày rộng rãi công trình của mình và có thể công bố ở nước ngoài Ông đã cố gắng gởi bài báo cáo tới một số nhà khoa học Chỉ là một phấn đấu yếu ớt của một tác giả ít ai biết, viết trên một

tờ báo không mấy người để ý Hai năm sau Mendel được bầu làm tu viện trưởng Ông vẫn tiếp tục vài công trình lai giống Muốn nâng cấp nghiên cứu lên loài vật, lần này thì nuôi ong, Mendel thành công lai tạo giống ong cho mật thật tốt, nhưng các con ong này chích nhiều người trong vòng vài dặm và bị giết lần lần Phần lớn quãng đời còn lại phải tập trung lo cho tu viện Ngưng hẳn nghiên cứu vào năm 1870 Ông qua đời vào năm 1884 ở tuổi 62 Tu viện trưởng mới đốt hết giấy tờ tài liệu của Mendel Công trình trồng đậu bị lãng quên

một khoa học mới ra đời Năm 1900 công trình của Mendel được ba nhà thảo mộc học độc lập nhau nhìn nhận, uy tín nhất là Hugo de Wries Sau 34 năm, mới khỏi cảnh hẩm hiu Các kính hiển vi đời mới cho phép nhìn sâu hơn trong tế bào, đặc biệt là khám phá các thể nhiễm sắc (TNS) và DNA Năm 1903, người ta gắn kết hoạt động của TNS với những điều Mendel tìm thấy Năm 1905, một nhà khoa học người Anh đặt tên genetics cho ngành học mới về sự di truyền Bốn năm sau, người ta chè xôi đổi từ “các yếu tố” (elements) của Mendel thành ra “các gen” (genes)

Các khám phá tiếp theo càng làm sáng giá công trình của Mendel Thomas Hunt Morgan đại học Columbia, nổi tiếng với “phòng ruồi”, đã khảo sát nhiều đời ruồi dấm với các đặc điểm – như là màu mắt và độ rộng của cánh Rõ ràng có mối quan hệ giữa các đặc điểm này với TNS và lại còn biết chỗ của gen Rồi đến khám phá lớn nhất kể từ Mendel: Watson và Crick hoàn chỉnh cấu trúc xoắn đôi DNA năm 1953 Thế hệ tiếp nối thực hiện nhiều thành tựu

Chỉ vài tháng trước khi qua đời, Mendel vững một niềm tin: “việc nghiên cứu đã cho tôi hạnh phúc

vô bờ, chẳng bao lâu nữa cả thế giới sẽ nhìn nhận các khám phá của tôi” Ông đoán đúng Không, ông đã thấy trước Cũng như đã thấy trước mọi người các yếu tố di truyền chuyển từ thế hệ này sang thế hệ khác Mendel đúng là tổ sư của di truyền

Di truyền học Mendel và cổ điển

Chú thích

Gregor Johann Mendel, đã tiến hành thí nghiệm về tính di truyền ở 7 tính trạng trên cây đậu Hà Lan

từ năm 1856 đến 1863 Các nghiên cứu của ông sau đó được công bố trong bài báo "Versuche über Pflanzenhybriden" (Các thí nghiệm lai ở thực vật) tại Hội Lịch sử Tự nhiên của Brünn năm 1865 Cách nghiên cứu của ông là cho nhân giống theo từng tính trạng, sử dụng toán học để đánh giá số lượng và từ đó rút ra quy luật di truyền Dù các quy luật này chỉ quan sát được cho số ít tính trạng, nhưng Mendel vẫn tin rằng sự di truyền là riêng rẽ, không phải tập nhiễm, và tính di truyền của nhiều tính trạng có thể được diễn giải thông qua các quy luật và tỷ lệ đơn giản

Tầm quan trọng của công trình Mendel không được nhận biết rộng rãi cho tới năm 1900, sau khi ông mất; trong năm đó, cả ba nhà khoa học Hugo de Vries (Hà Lan), Erich von Tschermak (Áo) và Carl Correns (Đức) đã nghiên cứu độc lập với nhau và cùng tái phát hiện các quy luật Mendel Năm 1900 đánh dấu một mốc khởi đầu mới cho sự phát triển của di truyền học Năm 1905, William Bateson,

một người ủng hộ Mendel, đã đặt ra thuật ngữ genetics (di truyền học).[15][16] (Tính từ genetic, xuất

phát từ tiếng Hy Lạp, genesis - γένεσις, "nguồn gốc" và từ genno γεννώ, "sinh ra", có trước danh từ

này và được sử dụng lần đầu trong sinh học từ năm 1860)[17] Bateson đã phổ biến cách dùng của từ

genetics để miêu tả ngành khoa học nghiên cứu về di truyền trong bài phát biểu khai mạc Hội nghị

Quốc tế lần thứ ba về lai giống cây trồng tại London, Anh năm 1906[18] Riêng thuật ngữ gen, vốn đã được Hugo de Vries định nghĩa với tên gọi pangen từ năm 1889 là: "phần tử nhỏ nhất [đại diện cho]

một đặc điểm di truyền", được Wilhelm Johannsen giới thiệu lại trong các tác phẩm của ông vào hai thập niên sau đó - trong đó ông cũng nêu ra thuật ngữ kiểu gen (genotype) và kiểu hình (phenotype).

Thomas Hunt Morgan (1866-1945),

Quan sát của Morgan về sự di truyền liên kết giới tính của đột biến mắt trắng ở Drosophila cho phép ông đưa ra giả thuyết rằng gen nằm trên nhiễm sắc thể

Sau sự tái phát hiện công trình của Mendel, các nhà khoa học đã cố gắng xác định những phân tử nào trong tế bào đảm nhận tính di truyền Trước đó, nhiễm sắc thể đã được phát hiện, và những quan điểm đầu tiên về di truyền nhiễm sắc thể đã được đưa ra, phải kể đến là thuyết di truyền nhiễm sắc thể của August Weismann năm 1892 và giả thuyết gắn các nhân tố Mendel với nhiễm sắc thể của

Walter Sutton năm 1903 Năm 1910, Thomas Hunt Morgan khẳng định rằng gen nằm trên nhiễm sắc thể, dựa trên sự quan sát về đột biến mắt trắng ở ruồi giấm Năm 1913, một sinh viên của ông, Alfred

Sturtevant đã sử dụng hiện tượng di truyền liên kết để chỉ ra rằng gen được sắp đặt theo đường thẳng (tuyến tính) trên nhiễm sắc thể, và xây dựng nên bản đồ liên kết gen đầu tiên.

Di truyền học phân tử

Dù sự tồn tại của gen trên nhiễm sắc thể - hợp thành từ protein và ADN - đã được xác nhận, tuy nhiên người ta vẫn chưa biết đến cái gì trong hai chất đó đóng vai trò di truyền Năm 1928, Frederick Griffithtìm ra hiện tượng biến nạp: những vi khuẩn đã chết có thể chuyển vật liệu di truyền của chúng để làm biến đổi những vi khuẩn còn sống khác Năm 1944, Oswald Theodore Avery, Colin McLeod và Maclyn McCarty trực tiếp xác định ADN là phân tử đảm nhận biến nạp Tuy nhiên, đến tận năm 1952, thí nghiệm Hershey-Chase mới cho thấy ADN (chứ không phải protein) là vật liệu di truyền của virus xâm nhiễm vi khuẩn, cung cấp thêm bằng chứng chứng tỏ ADN là phân tử đảm nhận chức năng di truyền

James D Watson và Francis Crick cho ra đời mô hình cấu trúc ADN năm 1953, sử dụng công trình

tinh thể học tia X của Rosalind Franklin, chứng tỏ rằng ADN có cấu trúc xoắn kép Mô hình ADN của họ bao gồm hai chuỗi với những nucleotide phía trong, mỗi một nucleotide liên kết bổ sung với một nucleotide ở chuỗi khác tạo thành hình dạng giống như thanh ngang trên một chiếc thang xoắn Cấu trúc này chỉ ra rằng thông tin di truyền tồn tại trên dãy nucleotide ở mỗi chuỗi ADN, và cũng đưa ra gợi ý về một cách thức nhân đôi đơn giản: nếu chuỗi kép bị tách rời, chuỗi bổ sung mới có thể được tái dựng lại từ mỗi chuỗi đơn cũ

Dù cấu trúc ADN cho thấy được cách thức di truyền, người ta vẫn chưa biết rõ ràng về cách mà ADN ảnh hưởng lên hoạt động của tế bào Trước đấy, năm 1941, George Wells Beadle và Edward Lawrie Tatum đã đề ra thuyết "một gen-một enzym", chứng minh vai trò điều khiển và điều hòa của gen lên các phản ứng sinh hóa ở mốc bánh mỳ Neurospora, đồng thời phương pháp của họ - ứng dụng di truyền học vào sinh hóa ở vi sinh vật - cũng mở ra một phạm vi nghiên cứu mới ngay sau đó Trong những năm sau đó, các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra cách ADN điều khiển quá trình tổng hợp protein Họ đã khám phá được rằng tế bào đã sử dụng ADN như một khuôn để tạo nên phân tử

ARN thông tin tương ứng Dãy nucleotide trên ARN thông tin lại tiếp tục được sử dụng để tạo nên dãy axít amin ở protein; trình tự của dãy nucleotide được dịch mã để tạo thành dãy axít amin được gọi là mã di truyền Nó được dựa trên sự sắp xếp những bộ ba bazơ nitơ không chồng lấn nhau, gọi

là codon, mỗi codon mã hóa cho một axít amin Điều này lần đầu tiên được miêu tả trong thí nghiệm

của Crick, Brenner và các cộng sự năm 1961[36] Trong những năm 1961-1966 đã ghi nhận kết quả nỗ lực của các nhà khoa học để giải mã được toàn bộ 64 codon, chủ yếu là những công trình do nhóm của M Nirenberg và nhóm của H Khorana thực hiện

Những hiểu biết mới tầm phân tử về tính di truyền đã tạo nên sự bùng nổ trong nghiên cứu Một bước phát triển quan trọng là phương pháp xác định trình tự ADNgián đoạn chuỗi năm 1977 của

Frederick Sanger: công nghệ này cho phép các nhà khoa học đọc được trình tự nucleotide trên một phân tử ADN Năm 1983, Kary Banks Mullis phát triển phản ứng chuỗi trùng hợp (PCR), cung cấp một phương pháp nhanh chóng để phân lập và khuyếch đại một đoạn ADN riêng biệt từ một hỗn hợp Những cố gắng chung trong Dự án Bản đồ gen Người và nỗ lực song song của công ty tư nhân

Celera Genomics, cũng như các công nghệ khác, cuối cùng đã thành công trong việc xác định trình

tự bộ genngười vào năm 2003

Đặc trưng của di truyền

Di truyền riêng rẽ và quy luật Mendel

B

(b).

Ở cấp độ cơ bản nhất, tính di truyền của các sinh vật xuất hiện ở các tính trạng riêng rẽ, được gọi là

gen Đặc tính này lần đầu được nhận biết bởi Gregor Mendel, khi nghiên cứu sự phân ly các tính trạng di truyền ở đậu Hà Lan Trong thí nghiệm nghiên cứu về tính trạng màu hoa của mình, Mendel quan sát được rằng hoa của mỗi cây đậu Hà Lan có màu tía hoặc trắng - và không bao giờ có tính trạng trung gian giữa hai màu Những dạng khác nhau, riêng biệt của cùng 1 gen được gọi là allele

Ở đậu Hà Lan, mỗi gen của mỗi cá thể có hai allele, và cây đậu sẽ thừa hưởng một allele từ mỗi cây

bố mẹ Nhiều sinh vật khác, bao gồm cả con người, cũng có kiểu di truyền như vậy Cá thể mà có hai allele giống nhau ở một gen được gọi là đồng hợp tử ở gen đấy, còn nếu có hai allele khác nhau thì

cá thể gọi là dị hợp tử

Tập hợp tất cả allele ở một cá thể được gọi là kiểu gen của cá thể đó, còn tập hợp các tính trạng quan sát được của cá thể được gọi là kiểu hình Với những cá thể dị hợp tử ở một gen, thường sẽ có một allele được gọi là trội, bởi đặc tính của nó trội hơn và thể hiện ra kiểu hình ở sinh vật, và allele còn lại được gọi là lặn, bởi đặc tính của nó bị lấn át và không được biểu hiện ra Một số allele không lấn

át hẳn, thay vì thế có tính trội không hoàn toàn tức thể hiện ra kiểu hình trung gian, hoặc đồng trội, tức cả hai allele đều được biểu hiện cùng lúc[43]

Nhìn chung, khi một cặp cá thể sinh sản hữu tính, con cái của chúng sẽ thừa kế ngẫu nhiên một allele

từ bố và một allele từ mẹ Những phát hiện về sự di truyền riêng rẽ và sự phân ly của các allele được phát biểu chung với tên gọi Quy luật thứ nhất của Mendel hay "Quy luật phân ly"

Ký hiệu và biểu đồ

Một sơ đồ phả hệ giúp theo dõi được kiểu di truyền của một tính trạng đã cho

Các nhà di truyền học sử dụng các biểu đồ và biểu tượng để mô tả sự di truyền Một gen được biểu trưng bởi một (hay vài) ký tự — trong đó ký tự viết hoa tượng trưng cho allele trội và ký tự viết thường tượng trưng cho allele lặn Thông thường biểu tượng "+" được sử dụng để biểu thị allele thường, không đột biến ở một gen

Ở các thí nghiệm lai và thụ tinh (đặc biệt về các quy luật Mendel), bố mẹ được xem là thế hệ "P", con cái của chúng được gọi là thế hệ "F1" ("first filial") Khi các cá thể F1 giao phối với nhau, con của F1 lại tiếp tục gọi là "F2" Một trong những biểu đồ thường được sử dụng để dự đoán kết quả lai

là bảng Punnett (do Reginald Punnett sáng tạo)

Khi nghiên cứu về các bệnh di truyền ở người, các nhà di truyền học thường dùng sơ đồ phả hệ để diễn tả sự di truyền ở các tính trạng[45] Các sơ đồ này sẽ sắp xếp sự di truyền của một tính trạng trên một cây phả hệ

Tương tác của nhiều gen

Chiều cao con người là một tính trạng di truyền phức hợp Các dữ liệu của Francis Galton từ 1889 cho thấy: sự liên hệ tất cả chiều cao của con cái là một hàm trung bình của chiều cao cha mẹ Trong khi mức biến đổi tương quan, còn lại trong chiều cao con cái biểu thị rằng môi trường cũng là một nhân tố quan trọng ở tính trạng này.

Mỗi sinh vật có hàng ngàn gen và ở các sinh vật sinh sản hữu tính, sự phân ly các gen này nhìn chung độc lập với nhau Điều này có nghĩa là sự di truyền của một allele tính trạng hạt đậu vàng hay xanh không có liên quan tới sự di truyền của cặp allele màu hoa trắng hoặc tía Hiện tượng này, được biết đến là Quy luật thứ hai của Mendel hay "Quy luật phân ly độc lập", mang ý nghĩa: các allele của những gen khác nhau sẽ thay đổi ngẫu nhiên khi phân ly từ bố mẹ và sẽ tạo ra thế hệ con với nhiều tổ hợp gen khác nhau Dù thế, một số gen lại không phân ly độc lập với nhau, biểu thị tính liên kết gen.Thực tế, các gen khác nhau lại có thể tương tác với nhau theo một cách nào đấy và ảnh hưởng lên một tính trạng chung Một ví dụ là ở loài hoa Omphalodes verna, tồn tại một gen với hai allele xác định tính trạng màu hoa: xanh lam hoặc đỏ tía Một gen khác điều khiển khả năng có màu của hoa:

có màu hoặc không màu (màu trắng) Khi một cây có hai allele hoa trắng, hoa của cây đấy luôn màu trắng - cho dù gen đầu tiên có allele hoa đỏ hay xanh Sự tương tác được gọi là tương tác át chế

(epistasis), khi gen thứ hai át chế sự biểu hiện của gen thứ nhất Bên cạnh tương tác át chế còn có

kiểu tương tác bổ trợ, nghĩa là sự biểu hiện của hai hay nhiều allele ở các gen khác nhau sẽ tạo kiểu hình mới, khác với kiểu hình riêng được biểu hiện khi có mặt các allele ở từng gen riêng lẻ[

Có nhiều tính trạng không riêng rẽ (ví dụ hoa màu trắng/tía) mà thay vì thế lại biểu hiện liên tục (ví

dụ chiều cao và màu da) Các tính trạng phức hợp này được tạo bởi tác động cộng gộp của nhiều gen

Sự chi phối của các gen này là tương đương, có vai trò biến đổi mức độ biểu hiện, bên cạnh điều kiện môi trường của sinh vật Tỷ lệ mà các gen của sinh vật đóng góp cho một tính trạng phức hợp được gọi là mức di truyền (heritability) Số đo của mức di truyền chỉ là tương đối - khi môi trường càng dễ

biến đổi sẽ càng tác động lớn hơn lên toàn bộ mức thay đổi của tính trạng Một ví dụ, chiều cao của con người là một tính trạng phức hợp với mức di truyền là 89% tại Mỹ Ở Nigeria, nơi người dân có điều kiện dinh dưỡng và y tế hay thay đổi hơn, chiều cao của họ có mức di truyền chỉ là 62%

Cơ sở phân tử của tính di truyền

ADN và nhiễm sắc thể

Cơ sở phân tử của gen là axít deoxyribonucleic (ADN hay DNA) ADN được cấu thành từ một chuỗi các nucleotide; có bốn loại nucleotide là: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và thymine (T) Thông tin di truyền tồn tại dưới dạng trình tự sắp xếp các nucleotide, và gen tồn tại như một đoạn liên tục trên chuỗi ADN[51] Virus là ngoại lệ duy nhất của quy luật này - có những virus sử dụng phân

tử ARN đơn giản thay thế cho ADN làm vật liệu di truyền

ADN bình thường là một phân tử chuỗi kép, cuộn với nhau tạo thành dạng xoắn kép Mỗi nucleotide

ở ADN liên kết một cách chọn lọc với nucleotide ở chuỗi đối diện: A liên kết với T, G liên kết với C Nguyên tắc liên kết này gọi là nguyên tắc bổ sung Theo cách này, dù có dạng chuỗi kép, nhưng mỗi chuỗi đơn thực tế vẫn chứa tất cả các thông tin cần thiết, không cần đến chuỗi đối diện Cấu trúc này của ADN chính là cơ sở vật lý của tính di truyền: quá trình sao chép ADN nhân đôi thông tin di truyền bằng cách chia tách hai chuỗi của ADN, sử dụng mỗi chuỗi như một khuôn để tổng hợp một chuỗi bổ sung mới

Các gen được sắp xếp thẳng hàng dọc theo chuỗi dài ADN, được gọi là nhiễm sắc thể Ở vi khuẩn, mỗi tế bào có một nhiễm sắc thể đơn, vòng, trong khi các sinh vật nhân chuẩn lại có bộ nhiều nhiễm sắc thể mạch thẳng Chuỗi ADN của chúng thường vô cùng dài; một ví dụ, nhiễm sắc thể lớn nhất của con người có độ dài khoảng 247 triệu cặp bazơ (bp) Trong nhiễm sắc thể, ADN thường kết hợp với những protein cấu trúc, có vai trò tổ chức, kết chặt và điều khiển thu nhận ADN, tạo thành loại vật chất gọi là chromatin (chất di truyền) Ở sinh vật nhân chuẩn, chromatin thường cấu tạo từ các

nucleosome (thể nhân), bao gồm những đơn vị ADN nhất định quấn quanh một lõi gồm các protein

histon Tập hợp toàn bộ vật chất di truyền của một sinh vật (bao gồm các chuỗi ADN phức hợp của tất cả nhiễm sắc thể) gọi chung là bộ gen (genome).

Biểu đồ năm 1882 của Walther Flemming về sự phân chia tế bào nhân chuẩn Các nhiễm sắc thể được nhân đôi, co xoắn và tổ chức lại Sau đó, khi tế bào phân chia, các nhiễm sắc thể tương đồng cũng phân cách vào các tế bào con

Nếu các sinh vật đơn bội (mức bội thể bằng 1) chỉ có duy nhất một phiên bản cho mỗi nhiễm sắc thể, thì đa phần động vật và nhiều thực vật là lưỡng bội (mức bội thể bằng 2), tức mỗi nhiễm sắc thể sẽ

có một nhiễm sắc thể khác giống hệt nó (nhiễm sắc thể tương đồng), và như thế sẽ có hai bản sao cho mỗi gen Hai allele của một gen nằm trên những locus giống nhau của nhiễm sắc tử chị em, mỗi allele được thừa hưởng từ bố hoặc từ mẹ

Ngoại lệ xuất hiện ở các cặp nhiễm sắc thể giới tính, tức các nhiễm sắc thể chuyên biệt mà nhiều động vật đã tiến hóa nên, giữ vai trò xác định giới tính của mỗi cá thể[56] Ở người và những động vật

có vú nói chung, nhiễm sắc thể Y có rất ít gen và khởi động sự phát triển các đặc tính sinh dục đực, trong khi nhiễm sắc thể X lại tương tự các nhiễm sắc thể khác, chứa nhiều gen không liên quan đến xác định giới tính Những cá thể cái có hai nhiễm sắc thể X tương đồng (XX), trong khi cá thể đực

có một nhiễm sắc thể X và một nhiễm sắc thể Y (XY) - sự khác biệt về số nhiễm sắc thể X dẫn tới những rối loạn di truyền liên kết giới tính khác thường

Sinh sản

Sinh sản vô tính

Sinh sản hữu tính

Khi tế bào phân chia, toàn thể bộ gen đều được sao chép và mỗi tế bào con đều nhận được một bản sao bộ gen của tế bào mẹ Quá trình này gọi là nguyên phân, là dạng đơn giản nhất của sinh sản và là

cơ sở của sự sinh sản vô tính Sinh sản vô tính có thể xuất hiện ở cả các sinh vật đa bào, tạo ra thế hệ con thừa hưởng bộ gen từ chỉ duy nhất một cá thể bố (mẹ) Thế hệ con mà nhìn chung giống hệt như

bố mẹ được gọi là dòng vô tính (clone).

Sinh vật nhân chuẩn thường sinh sản hữu tính để tạo ra con cái có vật liệu di truyền lấy từ hai bộ gen khác nhau của cả hai cá thể bố mẹ Quá trình sinh sản hữu tính luân phiên nhau giữa hai dạng đơn bội (1n) và lưỡng bội (2n) Các tế bào đơn bội kết hợp vật chất di truyền của chúng, tạo ra tế bào lưỡng bội với những nhiễm sắc thể ghép cặp Các sinh vật lưỡng bội tạo ra thể đơn bội bằng cách phân chia, tạo ra tế bào con thừa kế ngẫu nhiên một nhiễm sắc thể trong mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng Đa phần động vật và nhiều thực vật ở thể lưỡng bội trong hầu hết vòng đời, với thể đơn bội biến đổi thành các giao tử đơn bào Một quá trình chủ yếu trong sinh sản hữu tính là giảm phân, quá trình phân bào chuyên biệt diễn ra ở tế bào sinh dục, trong đó bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội được nhân đôi, trải qua hai lần phân bào để tạo nên các tế bào con đơn bội có số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa so với tế bào mẹ ban đầu[

Dù không sử dụng cơ chế sinh sản hữu tính kiểu lưỡng bội/đơn bội như trên, vi khuẩn vẫn có nhiều cách để thu nhận thông tin di truyền Một số vi khuẩn có khả năng tiếp hợp, chuyển một vòng nhỏ ADN tới một vi khuẩn khác Vi khuẩn cũng có thể lấy những đoạn ADN thô từ môi trường và kết

hợp chúng vào trong bộ gen của vi khuẩn, hiện tượng này được biết đến là sự biến nạp Quá trình này có thể dẫn đến sự chuyển gen ngang, truyền những đoạn thông tin di truyền giữa những sinh vật không có mối liên hệ với nhau.

Minh họa năm 1916 của Thomas Hunt Morgan về quá trình trao đổi chéo kép giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng

Tái tổ hợp và liên kết gen

Bài chi tiết: Trao đổi chéo và Liên kết gen

Trạng thái lưỡng bội tự nhiên của bộ nhiễm sắc thể cho phép gen nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau phân ly độc lập với nhau trong quá trình sinh sản hữu tính, tái tổ hợp tạo tổ hợp gen mới Gen trên cùng một nhiễm sắc thể về lý thuyết không bao giờ tái tổ hợp, tuy nhiên, thực tế vẫn diễn ra do xuất hiện quá trình trao đổi chéo nhiễm sắc thể Khi trao đổi chéo, hai nhiễm sắc thể trao đổi các đoạn ADN cho nhau, và đổi chỗ các allele giữa hai nhiễm sắc thể Trao đổi chéo thông thường diễn

ra vào kỳ trước I (kỳ đầu của lần phân chia đầu) của quá trình giảm phân

Xác suất trao đổi chéo giữa hai điểm đã cho trên nhiễm sắc thể có liên quan đến khoảng cách giữa chúng Ở một khoảng cách dài tùy ý, xác suất trao đổi chéo đủ cao để sự di truyền các gen diễn ra tương đối riêng rẽ Tuy nhiên, với các gen gần nhau hơn, xác suất trao đổi chéo thấp chứng tỏ các gen có tính liên kết di truyền - allele của hai gen này có khuynh hướng di truyền gắn liền với nhau Các chỉ số về tính liên kết của chuỗi nhiều gen có thể được kết hợp tạo nên một bản đồ liên kết, giúp xác định gần đúng vị trí sắp xếp các gen trên nhiễm sắc thể

Biểu hiện gen

Mã di truyền

Mã di truyền: ADN , qua một trung gian ARN thông tin , mã hóa cho protein với các bộ ba mã hóa.

Gen nhìn chung biểu hiện tác động của chúng thông qua việc tổng hợp protein, những phân tử phức hợp đảm nhận hầu hết chức năng trong tế bào Protein là một chuỗi các axít amin; trình tự ADN của một gen, thông qua trung gian ARN thông tin (mARN), được sử dụng để tạo nên trình tự phân tử protein riêng biệt Quá trình này khởi đầu với việc tổng hợp một phân tử mARN với trình tự tương ứng trình tự ADN của gen giai đoạn này gọi là phiên mã

Phân tử mARN sau đó lại được sử dụng như một khuôn để tạo thành trình tự axít amin tương ứng thông qua một quá trình gọi là dịch mã Mỗi bộ ba nucleotide (codon) ở dãy này tương ứng với một

trong 20 loại axít amin có mặt trong protein - sự tương ứng này gọi là mã di truyền[ Dòng thông tin

đi theo một hướng duy nhất: thông tin khi được truyền từ chuỗi nucleotide tới chuỗi axít amin của protein, nó không bao giờ được truyền ngược lại từ protein tới chuỗi ADN - hiện tượng này được

Francis Crick gọi là "luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử"

Trình tự đặc hiệu của axít amin dẫn đến cấu trúc ba chiều độc nhất của protein, và điều này lại liên quan đến chức năng của protein[66][67] Một số protein là những phân tử có cấu trúc đơn giản, ví dụ như

collagen tạo nên các sợi mô Protein cũng có thể gắn kết với nhau và với những phân tử đơn giản khác, nhiều khi hoạt động như những enzymxúc tác cho phản ứng hóa học của các phân tử gắn kết với nó (các phản ứng không làm thay đổi cấu trúc của bản thân protein) Cấu trúc của protein có tính động, ví dụ hemoglobin có thể chuyển đổi thành các dạng khác biệt đôi chút mỗi khi protein này thu nhận, vận chuyển và giải phóng oxy trong máu động vật có vú

Chỉ một thay đổi nucleotide trong ADN cũng có thể gây biến đổi trình tự axít amin trong protein Bởi cấu trúc protein là kết quả của trình tự axít amin, nên những thay đổi trình tự có thể làm thay đổi đột ngột các đặc tính của protein, do sự mất ổn định cấu trúc hay biến đổi bề mặt protein là nguyên nhân dẫn tới thay đổi về tính tương tác của nó với những protein và phân tử khác Một ví dụ, bệnh

thiếu máu hồng cầu liềm là một bệnh di truyền ở người, gây ra do khác biệt một bazơ trong vùng mã hóa phần β-globin của hemoglobin, khiến một axít amin ở protein này cũng biến đổi theo và làm thay đổi đặc tính vật lý của hemoglobin Những hemoglobin này kết hợp với nhau, làm biến đổi hình dạng tế bào hồng cầu; các tế bào hồng cầu hình liềm không còn di chuyển dễ dàng trong mạch máu, chúng có xu hướng tắc nghẽn và thoái hóa, gây nên những vấn đề sức khỏe gắn liền với bệnh này.Một vài gen được phiên mã tạo ARN, nhưng ARN lại không tiếp tục dịch mã thành sản phẩm protein

- được gọi chung là ARN không mã hóa (non-coding RNA) Trong một số trường hợp, ARN không

mã hóa lại gập uốn hình thành những cấu trúc, tham gia các chức năng then chốt của tế bào (ví dụ

ARN ribosome và ARN vận chuyển) ARN cũng có thể có tác động điều hòa thông qua tương tác lai với những phân tử ARN khác (ví dụ microARN)

Kiểu gen, kiểu hình và môi trường

Một con mèo Xiêm mang đột biến mẫn cảm nhiệt độ về tổng hợp sắc tố.

Dù các gen chứa đựng mọi thông tin một sinh vật để thực hiện chức năng, môi trường vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kiểu hình sau cùng— tính lưỡng phân trên được nói đến trong cụm

từ "bản chất đối chọi môi trường" (nature vs nurture) Kiểu hình của các sinh vật phụ thuộc vào sự

tương tác giữa kiểu gen và môi trường Ví dụ: trường hợp đột biến mẫn cảm với nhiệt độ Thông thường, một axít amin đơn lẻ thay đổi trong chuỗi protein không làm thay đổi hoạt động và tương tác của nó với các phân tử khác, tuy nhiên điều này lại làm mất ổn định cấu trúc Trong môi trường nhiệt

độ cao, các phân tử chuyển động nhanh hơn và va chạm vào nhau, kết quả protein không còn giữ được cấu trúc và mất đi chức năng Ở môi trường nhiệt độ thấp, cấu trúc protein lại ổn định và thực hiện chức năng bình thường Loại đột biến này có thể quan sát thấy ở màu lông những con mèo Xiêm, khi một đột biến xảy ra ở enzym phụ trách sản xuất sắc tố, khiến enzym mất ổn định và mất chức năng ở nhiệt độ cao Protein này sẽ duy trì chức năng ở những vùng da lạnh hơn - như chân, tai, đuôi và mặt - làm cho giống mèo này vẫn có phần lông màu đen ở những vùng nói trên

Một ví dụ khác là ảnh hưởng sâu sắc của môi trường lên bệnh di truyền phenylketon niệu ở người Đột biến tạo nên chứng bệnh này, phá hoại khả năng phân giải axít amin phenylalanine, tích tụ các chất trung gian gây độc, tiếp đó gây nên những tác động rất xấu lên thần kinh Nếu một người bị mắc đột biến phenylketon niệu đi theo một chế độ ăn uống nghiêm ngặt tránh xa loại axít amin này, anh

ta vẫn duy trì được tình trạng bình thường và khỏe mạnh

Điều hòa gen

Nhân tố phiên mã gắn kết với ADN, ảnh hưởng lên sự phiên mã của các gen đã liên kết.

Bộ gen của một sinh vật bao gồm hàng nghìn gen, nhưng không phải bất cứ gen nào cũng cần được hoạt động tại mọi thời điểm Một gen chỉ có thể được biểu hiện khi nó được phiên mã thành mARN (và dịch mã thành protein); thực tế tồn tại nhiều cách thức trong tế bào để điều khiển sự biểu hiện của gen, đảm bảo cho protein nào được sản xuất chỉ khi tế bào cần Các nhân tố phiên mã là những protein điều hòa được gắn vào điểm khởi đầu của gen, có vai trò hoạt hóa hay ức chế sự phiên mã của gen đó[71] Ví dụ, trong bộ gen của vi khuẩn E coli có một dãy nhiều gen cần thiết cho việc tổng hợp axít amin tryptophan Tuy nhiên, khi tryptophan đã sẵn có trong tế bào, những gen tổng hợp trytophan sẽ không được duy trì hoạt động Sự có mặt của trytophan trực tiếp ảnh hưởng đến hoạt

động của những gen này - những phân tử trytophan liên kết với chất ức chế trytophan (trp repressor - một nhân tố phiên mã), thay đổi cấu trúc của phân tử này giúp nó gắn được vào gen Trytophan repressor ngăn chặn quá trình phiên mã và sự biểu hiện của các gen tổng hợp trytophan, do đó tạo

nên sự điều hòa liên hệ ngược âm tính của quá trình tổng hợp loại axít amin này[72]

Những khác biệt trong biểu hiện gen đặc biệt rõ ràng ở các sinh vật đa bào, khi các tế bào cùng có chung bộ gen nhưng lại có cấu trúc và hoạt động rất khác nhau, dựa trên sự biểu hiện của các tập hợp gen khác nhau Tất cả tế bào trong một cơ thể đa bào đều có nguồn gốc từ một tế bào duy nhất, được biệt hóa thành các dạng tế bào khác nhau khi phản ứng lại các tín hiệu ngoại và gian bào, và dần dần kiến lập các phương thức biểu hiện gen khác nhau để thực hiện các hoạt động khác nhau Bởi không

có một gen riêng lẻ nào chịu trách nhiệm cho sự phát triển các cấu trúc bên trong sinh vật đa bào, nên những phương thức biển hiện trên đều phát sinh từ những tương tác phức tạp giữa nhiều tế bào

Ở sinh vật nhân chuẩn, tồn tại những đặc tính cấu trúc của chromatin có ảnh hưởng đến sự phiên mã

của gen, thường ở dạng thường biến (modification) trên ADN hay chromatin mà vẫn được di truyền

ổn định sang các tế bào con[73] Những đặc tính này được gọi là "ngoại di truyền" (epigenetic) bởi

chúng xuất hiện ở ngoài phạm vi trình tự ADN và vẫn được duy trì từ tế bào này sang thế hệ kế tiếp Bởi có những đặc tính ngoại di truyền, các dạng tế bào khác nhau sinh trưởng trong cùng một môi trường có thể giữ lại những đặc điểm riêng biệt của chúng Dù các đặc tính ngoại di truyền nhìn chung mang tính động trong tiến trình phát triển và không được giữ lại ở thế hệ sau của thế hệ kế tiếp, nhưng một số, như hiện tượng cận đột biến (paramutation), vẫn được di truyền qua nhiều thế hệ

và tồn tại như những ngoại lệ hiếm hoi nằm ngoài quy luật chung của ADN (được xem như cơ sở căn bản của tính di truyền)[74]

[sửa] Biến đổi di truyền

[ sửa ] Đột biến

Bài chi tiết: Đột biến

Sự lặp gen (lặp đoạn nhiễm sắc thể) cho phép đa dạng hóa bằng cách cung cấp thêm nguyên liệu di truyền: một gen có thể đột biến và mất đi chức năng ban đầu mà không làm tổn hại đến sinh vật.Trong quá trình tự nhân đôi ADN, những sai sót đôi lúc diễn ra khi tổng hợp chuỗi thứ hai Những lỗi này, gọi là đột biến, có thể có tác động lên kiểu hình của cá thể, đặc biệt nếu chúng xảy ra tại phần mã hóa protein của một gen Tỷ lệ sai sót thường rất thấp - 1 lỗi trong 10-100 triệu bazơ - nhờ khả năng "đọc sửa" của ADN polymerase [75] [76] (Nếu không được đọc sửa, tỷ lệ lỗi sẽ cao hơn hàng nghìn lần, bởi nhiều virus dựa vào ADN hay ARN polymerase thiếu khả năng đọc sửa, làm tăng tỷ lệ đột biến lên cao) Quá trình làm tăng tỷ lệ biến đổi ở ADN được gọi là "gây đột biến" (mutagenic):

các hóa chất gây đột biến đẩy mạnh làm tăng sai sót trong tái bản ADN, gây nhiễu loạn kết cấu của

sự ghép cặp bazơ; trong khi tia UV tạo ra đột biến bằng cách gây tổn hại cấu trúc ADN[77] Các tổn thương về hóa học ở ADN cũng có thể diễn ra một cách tự nhiên, và tế bào sử dụng cơ chế sửa chữa ADN để sửa lại các ghép đôi không cân xứng hay đứt gãy ở ADN - tuy nhiên việc sửa chữa này thỉnh thoảng vẫn thất bại và không thể đưa ADN trở lại chuỗi ban đầu

Với những sinh vật sử dụng trao đổi chéo nhiễm sắc thể để trao đổi ADN và tái tổ hợp gen, những sai sót khi bắt cặp thẳng hàng ở giảm phân cũng có thể tạo ra đột biến[78] Lỗi trong trao đổi chéo đặc biệt xảy ra khi những phần giống nhau trên các nhiễm sắc thể khiến chúng bắt cặp nhầm lẫn, làm một số vùng của bộ gen bị đột biến Những lỗi này tạo nên sự thay đổi cấu trúc lớn trong nhiễm sắc thể và trình tự ADN - dẫn đến sự lặp đoạn, đảo đoạn hay mất đoạn của tất cả các vùng trên, hoặc sự hoán đổi ngẫu nhiên các đoạn giữa các nhiễm sắc thể khác nhau (được gọi là chuyển đoạn)

[ sửa ] Chọn lọc tự nhiên và tiến hóa

Bài chi tiết: Tiến hóa

Đột biến tạo nên các cá thể với kiểu gen khác nhau, và những khác biệt này dẫn tới những kiểu hình khác nhau Nhiều đột biến có tác động không lớn lên kiểu hình, sức khỏe và sự thích ứng sinh sản của sinh vật Tác động của đột biến thường là có hại, nhưng đôi khi lại trở nên có ích Những nghiên cứu trên ruồi giấm Drosophila melanogaster cho thấy nếu một đột biến thay đổi một protein mã hóa bởi một gen, điều này hầu như sẽ gây tác hại: 70% trong những đột biến này là có hại, số còn lại là trung tính hoặc có lợi nhưng rất thấp[79]

Một cây tiến hóa của sinh vật nhân chuẩn, xây dựng từ sự so sánh trình tự của một vài gen trực giao

(orthologous).

Di truyền học quần thể nghiên cứu về sự phân bố những khác biệt di truyền trong các quần thể và những thay đổi của sự phân bố đó theo thời gian[80] Thay đổi về tần số một allele trong quần thể có thể là do ảnh hưởng của chọn lọc tự nhiên, khi tỷ lệ những cá thể mang một allele nào đấy sống sót

và sinh sản được cao hơn khiến allele này xuất hiện nhiều hơn trong quần thể qua thời gian[81] Sự lạc dòng di truyền (genetic drift) cũng có thể diễn ra, khi những sự kiện bất chợt làm biến đổi ngẫu nhiên

tần số allele[82]

Trải qua nhiều thế hệ, bộ gen của các sinh vật có thể thay đổi, dẫn đến hiện tượng tiến hóa Đột biến

và chọn lọc các đột biến có lợi giúp các loài tiến hóa và tồn tại tốt hơn trong môi trường của chúng, quá trình này gọi là thích nghi[83] Những loài mới được tạo thành thông qua quá trình hình thành loài, quá trình thường có nguyên nhân từ cách biệt địa lý dẫn đến những quần thể khác nhau trở nên cách

ly về di truyền[84] Việc ứng dụng các nguyên lý di truyền vào nghiên cứu sinh học quần thể và tiến hóa được xem là thuyết tiến hóa tổng hợp hiện đại