Đột biến gen mã hóa các protein cảm thụ ánh sáng và thị lực

Đ t bi n gen mã hóa các protein c m ộ ế ả

th ánh sáng và th l c ụ ị ự

Nh ng nghiên c u đ u tiên mô t s b tữ ứ ầ ả ự ấ

thường trong kh năng c m th ánh sángả ả ụ

ng i đ c b t đ u t kho ng 200

năm trước Th i đó, ngờ ười ta phát hi nệ

ra nhi u đ t bi n có th gây nh hề ộ ế ể ả ưở ng

đ n th l c ngế ị ự ở ười

B ng vi c phân tích các ki u hình liênằ ệ ể quan đ n m i lo i đ t bi n và sau đóế ỗ ạ ộ ế

ki m tra s bi n đ i c a ADN Ngàyể ự ế ổ ủ nay, chúng ta đã có nh ng hi u bi t chiữ ể ế

ti t h n v c ch di truy n phân t c aế ơ ề ơ ế ề ử ủ tính tr ng c m nh n ánh sáng, màu s cạ ả ậ ắ

và các lo i protein mà nh ng gen này mãạ ữ

hóa Có m t s d ng b nh r i lo n c mộ ố ạ ệ ố ạ ả

nh n màu s c khác nhau ngậ ắ ở ười đã giúp

vi c phân tích và làm sáng t c chệ ỏ ơ ế

c m nh n màu s c ngả ậ ắ ở ười Đ u tiên,ầ các nhà nghiên c u nh n bi t và mô tứ ậ ế ả

s khác bi t trong cách nh ng ngự ệ ữ ười có

r i lo n v c m nh n màu s c nhìnố ạ ề ả ậ ắ

th y s v t t s khác bi t nh khi nhìnấ ự ậ ừ ự ệ ỏ

th y m c đ màu đ , t i vi c khôngấ ứ ộ ỏ ớ ệ phân bi t đệ ược màu đ và màu xanh l c,ỏ ụ

đ n vi c không nhìn th y b t c màuế ệ ấ ấ ứ nào Th hai, s phát tri n khoa h c tâmứ ự ể ọ

- sinh lý h c cung c p các phép th đọ ấ ử ể xác đ nh và so sánh chính xác các ki uị ể hình Ch ng h n, m t phép phân tíchẳ ạ ộ

d a trên s ki n là m i ngự ự ệ ọ ười có thể

c m nh n m i m t màu nh s hòa tr nả ậ ỗ ộ ư ự ộ

c a ba d i bủ ả ước sóng c b n tơ ả ương ngứ

v i màu đ , xanh dớ ỏ ương (xanh lam) và xanh l c và có th đi u ch nh t lụ ể ề ỉ ỉ ệ

cường đ sáng c a ba màu này đ thuộ ủ ể

được m t d i bộ ả ước sóng tương ng v iứ ớ

m t màu th t , ch ng h n màu vàng.ộ ứ ư ẳ ạ

M t ngộ ườ ới v i th l c bình thị ự ường, sẽ

ch n m t t l màu thích h p c a màuọ ộ ỉ ệ ợ ủ

đ và màu xanh l c đ t o nên màu vàngỏ ụ ể ạ

đ c thù, nh ng n u m t ngặ ư ế ộ ười không có

kh năng phân bi t màu đ v i màuả ệ ỏ ớ xanh l c thì m i s k t h p gi a haiụ ọ ự ế ợ ữ màu này s ch cho ra m t màu gi ngẽ ỉ ộ ố nhau Cu i cùng, do nh ng bi n d diố ữ ế ị truy n liên quan đ n th giác hi m khiề ế ị ế gây nh hả ưởng đ n ho t đ ng sinh s nế ạ ộ ả hay tu i th trong các xã h i ngổ ọ ộ ười hi nệ

đ i, nh ng đ t bi n này có th t o raạ ữ ộ ế ể ạ nhi u alen m i làm thay đ i kh năngề ớ ổ ả

c m nh n màu s c và nh ng alen đ tả ậ ắ ữ ộ

bi n này đế ược duy trì lâu dài trong qu nầ

th ể

Chúng ta c m nh n đả ậ ược hình nh quaả các n ron th n kinh võng m c ph nơ ầ ở ạ ầ phía sau nhãn c u (hình 8a) Nh ngầ ữ

n ron này có hai lo i: t bào hình nón vàơ ạ ế

t bào hình que Các t bào hình queế ế chi m 95% s lế ố ượng các t bào c mế ả

nh n ánh sáng và đậ ược kích thích b i cácở ánh sáng y u trong các bế ước sóng ánh sáng cở ường đ sáng l n h n, các tộ ớ ơ ế bào hình que b bão hòa và không cònị

ch c năng g i các tín hi u thêm n a đ nứ ử ệ ữ ế não b Lúc này, các t bào hình nón sộ ế ẽ

ti p qu n ch c năng này, x lý các bế ả ứ ử ướ c sóng ánh sáng c a củ ường đ sáng m nhộ ạ

và giúp chúng ta có th phân bi t để ệ ượ c các màu s c Các t bào hình nón có baắ ế

lo i Lo i th nh t chuyên hóa đ c mạ ạ ứ ấ ể ả

nh n ánh sáng đ , lo i th hai c mậ ỏ ạ ứ ả

nh n ánh sáng xanh l c và lo i th baậ ụ ạ ứ

c m nh n ánh sáng xanh dả ậ ương Đ i v iố ớ

m i t bào th quan ánh sáng nh v y,ỗ ế ụ ư ậ

ho t đ ng c m nh n ánh sáng bao g mạ ộ ả ậ ồ

s h p th các photon t ánh sáng m tự ấ ụ ừ ở ộ

d i bả ước sóng nh t đ nh, chuy n cácấ ị ể thông tin v s lề ố ượng và năng lượng c aủ các photon thành các tín hi u đi n, vàệ ệ

chuy n các tín hi u đó qua t bào th nể ệ ế ầ kinh th giác t i b não.ị ớ ộ

B n gen mã hóa b n chu i polypeptitố ố ỗ

c m nh n màu s cả ậ ắ

Các protein c m nh n photon và kh iả ậ ở

đ u quá trình truy n tín hi u trong các tầ ề ệ ế bào hình nón là rhodopsin Protein này là

m t chu i polypeptit duy nh t g m 348ộ ỗ ấ ồ axit amin x p thành m t chu i zigzagế ộ ỗ xuyên màng t bào (hình 8.b.1) M t axitế ộ amin lysine n m trong chu i liên k t v iằ ỗ ế ớ

m t phân t carotenoid s c t trên võngộ ử ắ ố

m c có kh năng h p th photon Cácạ ả ấ ụ axit amin g n vùng liên k t võng m cở ầ ế ạ

c u trúc nên v trí ho t đ ng c aấ ị ạ ộ ủ rhodopsin B ng vi c thay đ i v trí võngằ ệ ổ ị

m c qua m t c ch đ c bi t, cácạ ộ ơ ế ặ ệ rhodopsin xác đ nh s đáp ng l i ánhị ự ứ ạ sáng c a các t bào võng m c M i m tủ ế ạ ỗ ộ

t bào hình que thế ường ch a kho ng 100ứ ả tri u phân t rhodopsin trên l p màngệ ử ớ

đ c thù c a nó Gen mã hóa t ng h pặ ủ ổ ợ rhodopsin ngở ườ ằi n m trên NST s 3.ố

Protein có vai trò c m nh n và kh i đ uả ậ ở ầ quá trình truy n tín hi u trong các t bàoề ệ ế hình nón đ i v i photon màu xanh dố ớ ươ ng

có liên quan đ n rhodopsin Protein nàyế cũng là m t chu i polypeptit duy nh tộ ỗ ấ

g m 348 axit amin và bao quanh m tồ ộ phân t s c t c a võng m c G n 50%ử ắ ố ủ ạ ầ trên phân t protein c m nh n ánh sángử ả ậ xanh dương là gi ng h t trình t c aố ệ ự ủ rhodopsin; ph n còn l i có s khác bi tầ ạ ự ệ

gi a hai protein này và là ph n đ c thùữ ầ ặ

cho s c m nh n ánh sáng màu xanhự ả ậ

dương (hình 8.b.2) Gen mã hóa protein

c m nh n ánh sáng xanh dả ậ ương n mằ trên NST s 7.ố

Cũng có quan h v i protein rhodopsin làệ ớ các protein c m nh n ánh sáng màu đả ậ ỏ

và xanh l c n m trong các t bào hìnhụ ằ ế nón màu đ và xanh l c Hai protein nàyỏ ụ cũng ch g m m t chu i polypeptit duyỉ ồ ộ ỗ

nh t, g m 364 axit amin, cũng liên k tấ ồ ế

v i võng m c và n m xuyên qua màngớ ạ ằ

t bào (các hình 8.b.3 và 4) Cũng gi ngế ố

nh protein c m nh n màu xanh dư ả ậ ương, các protein c m nh n màu đ và xanhả ậ ỏ

l c có kho ng g n 50% trình t axitụ ả ầ ự amin gi ng v i rhodopsin; các proteinố ớ này ch khác bi t nhau trung bình 4 / 100ỉ ệ axit amin M c dù ch khác bi t nhauặ ỉ ệ

nh nh v y, nh ng protein này đ đỏ ư ậ ữ ủ ể

đ bi t hóa hai lo i t bào hình nón m nể ệ ạ ế ẫ

c m v i các photon ánh sáng thu c bả ớ ộ ướ c sóng khác nhau, là các t bào hình nónế màu đ và xanh l c C hai gen mã hóaỏ ụ ả cho các protein màu đ và xanh l c đ uỏ ụ ề

n m trên NST X thành m t chu i kằ ộ ỗ ế

ti p nhau Ph n l n m i NST X trong tế ầ ớ ỗ ế bào ngở ười mang m t gen duy nh t mãộ ấ hóa protein c m nh n ánh sáng đ , cònả ậ ỏ

có t m t đ n ba b n sao gen mã hóaừ ộ ế ả protein c m nh n ánh sáng xanh l c.ả ậ ụ

H gen rhodopsin hình thành do hi nọ ệ

tượng l p đo n và phân lyặ ạ

S gi ng nhau v c u trúc và ch c năngự ố ề ấ ứ

gi a b n lo i protein rhodopsin cho th yữ ố ạ ấ các gen mã hóa các chu i polypeptit nàyỗ

xu t hi n do hi n tấ ệ ệ ượng l p đo n c aặ ạ ủ

m t gen th th c m nh n ánh sáng ti nộ ụ ể ả ậ ề

thân, r i sau đó phân ly do s tích lũyồ ự

c a nhi u đ t bi n Các đ t bi n thúcủ ề ộ ế ộ ế

đ y kh năng c m nh n màu s c đãẩ ả ả ậ ắ

đượ ưc u tiên ch n l c qua quá trình ti nọ ọ ế hóa hàng tri u năm Các protein c mệ ả

nh n ánh sáng đ và xanh l c gi ngậ ỏ ụ ố nhau h n c , và ch khác nhau kho ng 15ơ ả ỉ ả axit amin Đi u này cho th y hai gen nàyề ấ

ch phân ly trong th i gian g n đây Sỉ ờ ầ ự khác bi t c a hai protein này so v iệ ủ ớ protein c m nh n màu xanh dả ậ ương và rhodopsin cho th y các protein này phânấ

ly s m h n trong quá trình ti n hóa tớ ơ ế ừ gen mã hóa th th c m nh n ánh sángụ ể ả ậ

ti n thân (hình 8.d).ề

b) Các đ t bi n h gen rhodopsin gâyộ ế ở ọ

nh h ng đ n th l c và kh năng c m

nh n màu s cậ ắ

Nhi u đ t bi n thay th axit amin genề ộ ế ế ở rhodopsin gây nên b nh mù m t ph nệ ộ ầ hay mù hoàn toàn

Người ta đã phát hi n đệ ược ít nh t 29ấ

lo i đ t bi n axit amin duy nh t trongạ ộ ế ấ gen mã hóa rhodopsin gây nên m t nhómộ

b nh di truy n tr i n m trên NSTệ ề ộ ằ

thường được g i chung là các b nh lo nọ ệ ạ

s c t võng m c (ắ ố ạ retinitis pigmentosa)

v i nh ng tri u ch ng đ u tiên là sớ ữ ệ ứ ầ ự

m t ch c năng c a các t bào hình que,ấ ứ ủ ế

r i d n đ n s thoái hóa d n d n c aồ ẫ ế ự ầ ầ ủ các t bào võng m c ngo i vi Nh ngế ạ ạ ữ

đ t bi n này thộ ế ường gây nên s hìnhự thành protein rhodopsin không được g pấ

n p theo đúng c u trúc không gian thôngế ấ

thường, ho c tr nên kém b n v ng Doặ ở ề ữ protein rhodopsin bình thường là thành

ph n c u trúc quan tr ng c a màng tầ ấ ọ ủ ế

bào hình que, nh ng protein đ t bi nữ ộ ế

m t ch c năng này đấ ứ ược duy trì trong tế bào nh ng không đữ ược g n vào màng tắ ế bào nh bình thư ường Các t bào hìnhế que không có đ rhodopsin trên màngủ ở

thường b ch t sau đó Tùy thu c vào sị ế ộ ố

t bào hình que b ch t, mà ngế ị ế ườ ệ i b nh

có th b mù hoàn toàn hay mù m tể ị ộ

ph n.ầ

Các đ t bi n khác ộ ế ở gen mã hóa rhodopsin gây nên m t d ng b nh lý ítộ ạ ệ nghiêm tr ng h n là b nh mù ban đêm.ọ ơ ệ Các đ t bi n có m c đ đa hình cao nàyộ ế ứ ộ làm thay đ i trình t c a các axit aminổ ự ủ trong phân t protein theo hử ướng làm tăng ngưỡng ánh sáng kích thích c nầ thi t đ kh i đ u chu i truy n tín hi uế ể ở ầ ỗ ề ệ

c m nh n ánh sáng V i nh ng thay đ iả ậ ớ ữ ổ

này, khi cường đ ánh sáng y u, m tộ ế ắ không c m nh n đả ậ ược màu s c.ắ

Các đ t bi n trong gen mã hóa các s c tộ ế ắ ố

c a t bào hình nón làm thay đ i th l củ ế ổ ị ự theo m t s cách có th ph ng đoánộ ố ể ỏ

được

Các r i lo n th l c gây ra b i các đ tố ạ ị ự ở ộ

bi n liên quan đ n các gen s c t thu cế ế ắ ố ộ

t bào hình nón ít nghiêm tr ng h n soế ọ ơ

v i các r i lo n th l c gây ra b i cácớ ố ạ ị ự ở

đ t bi n tộ ế ương t x y ra v i các genự ả ớ rhodopsin trong các t bào hình que.ế Nguyên nhân ch y u có l b i vì các tủ ế ẽ ở ế bào hình que chi m đ n 95% s n ronế ế ố ơ

th n kinh c m nh n màu s c ngầ ả ậ ắ ở ườ i, trong khi các t bào hình nón ch chi mế ỉ ế 5% M t s đ t bi n liên quan đ n genộ ố ộ ế ế

mã hóa protein c m nh n màu xanhả ậ

dương n m trên NST s 7 gây nên h iằ ố ộ

ch ng r i lo n th l c s c t xanhứ ố ạ ị ự ắ ố (tritanopia) Các đ t bi n gen mã hóaộ ế ở protein c m nh n s c t đ trên NST Xả ậ ắ ố ỏ

có th làm m t ch c năng c m nh nể ấ ứ ả ậ màu đ c a các t bào hình nón và gâyỏ ủ ế

b nh mù màu đ V i m t s đ t bi nệ ỏ ớ ộ ố ộ ế

nh khác liên quan đ n gen quy đ nhỏ ế ị protein c m nh n màu đ có th gây nênả ậ ỏ ể

b nh mù màu đ m t ph n ho c hoànệ ỏ ộ ầ ặ toàn tùy vào v tr đ t bi n.ị ị ộ ế

Trao đ i chéo không cân b ng gi a cácổ ằ ữ gen mã hóa protein xanh l c và đ gâyụ ỏ nên ph n l n các bi n d v tính tr ngầ ớ ế ị ề ạ

c m nh n màu s cả ậ ắ

M t ngộ ười có th l c bình thị ự ường thông

thường có m t gen mã hóa protein c mộ ả

nh n màu đ M t s trong nh ngậ ỏ ộ ố ữ

người bình thường này có m t gen xanhộ

l c n m g n k , còn m t s ngụ ằ ầ ề ộ ố ười khác

có s gen xanh l c dao đ ng t hai đ nố ụ ộ ừ ế năm b n sao Các gen đ và xanh l cả ỏ ụ

gi ng nhau đ n 96% v trình t ADN.ố ế ề ự Các gen màu xanh l c khác nhau gi ngụ ố nhau đ n 99,9% Do s gi ng nhau vàế ự ố

n m g n nhau c a nh ng gen này nênằ ầ ủ ữ

hi n tệ ượng trao đ i chéo không tổ ươ ng

đ ng d x y ra v i nh ng gen này Hàngồ ễ ả ớ ữ

lo t các d ng TĐC khác nhau vùng genạ ạ ở này có th t o ra các ki u hình đ t bi nể ạ ể ộ ế thi u v ng hoàn toàn gen màu đ , ho cế ắ ỏ ặ gen màu xanh l c, có s t h p khácụ ự ổ ợ nhau c a các gen màu xanh l c, mangủ ụ gen lai xanh l c - đ Do kh năng c mụ ỏ ả ả

nh n màu đ và xanh l c ph thu c vàoậ ỏ ụ ụ ộ

t l ánh sáng đ và xanh l c đỉ ệ ỏ ụ ược ph nả chi u t hình nh, nh ng ngế ừ ả ữ ười thi uế các gen đ và xanh l c s c m nh nỏ ụ ẽ ả ậ màu đ và xanh l c là m t màu gi ngỏ ụ ộ ố nhau

M t s đ t bi n có th làm m t hoànộ ố ộ ế ể ấ toàn kh năng nhìn màu đ và xanh l cả ỏ ụ

Đ n nay, các nhà di truy n h c đã tìmế ề ọ

th y b y lo i đ t bi n m t đo n gâyấ ả ạ ộ ế ấ ạ

b nh mù màu đ và xanh l c liên k tệ ỏ ụ ế

v i NST gi i tính X B nh lý này đớ ớ ệ ượ c

g i là h i ch ng t bào hình nón đ nọ ộ ứ ế ơ

s c xanh dắ ương (blue cone monochromacy), b i nh ng ngở ữ ười này

ch c m nh n đỉ ả ậ ược màu liên quan đ nế màu xanh dương Nghiên c u phân tứ ử cho th y c b y đ t bi n m t đo n nàyấ ả ả ộ ế ấ ạ

đ u liên quan đ n m t đo n trình tề ế ộ ạ ự

g m 600 bp n m ngoài vùng mã hóa c aồ ằ ủ các gen đ và xanh l c Đi u này choỏ ụ ề

th y kh năng trình t này là m t đo nấ ả ự ộ ạ trình t (gen) đi u hòa dài c n thi t choự ề ầ ế

s bi u hi n c a chu i các gen đ vàự ể ệ ủ ỗ ỏ xanh l c.ụ

Tóm l i, chúng ta nhìn đạ ược và c mả

nh n đậ ược các màu s c đa d ng, phongắ ạ phú c a v n v t m t ph n là nh b nủ ạ ậ ộ ầ ờ ố gen tr c ti p t o ra b n lo i phân tự ế ạ ố ạ ử protein trong các t bào hình que và hìnhế nón võng m c m t Các đ t bi n làmở ạ ắ ộ ế thay đ i nh ng chu i polypeptit nàyổ ữ ỗ

ho c s lặ ố ượng c a chúng đ u có thủ ề ể làm thay đ i ho c làm h ng th l c ho cổ ặ ỏ ị ự ặ

kh năng c m nh n màu s c c a m t.ả ả ậ ắ ủ ắ