Thể nhiễm sắc của tế bào - tổ chức chứa ADN
Hình thái thể nhiễm sắc
2.1.1 Kích thước thể nhiễm sắc
Thể nhiễm sắc của tế bào nhân chuẩn ở trung kỳ nguyên phân thường có dạng hình chấm hoặc hình que, kích thước khoảng 0,2 - 3μm đường kính và 0,2 - 50μm chiều dài Ở người, thể nhiễm sắc nhỏ nhất là số 21 và 22 với kích thước L = 1,5μm, trong khi thể nhiễm sắc lớn nhất là số 1 với L = 10μm Kích thước thể nhiễm sắc mang tính đặc trưng cho các tế bào và cá thể trong cùng một loài Tuy nhiên, trong các mô khác nhau của cùng một cơ thể, hình dạng và kích thước thể nhiễm sắc có thể biến đổi để thích nghi với chức năng của giai đoạn phát triển Ví dụ, trong tế bào mô tuyến nước bọt của ấu trùng ruồi quả (Drosophila), các thể nhiễm sắc khổng lồ (hay thể nhiễm sắc đa sợi) có kích thước lên tới L = 300μm và D = 20μm, lớn gấp hàng chục lần so với thể nhiễm sắc bình thường ở các mô khác của cơ thể ruồi.
Sơ đồ chi tiết bộ thể nhiễm sắc khổng lồ ở tuyến nước bọt Drosophilla
2.1.2 Số lượng thể nhiễm sắc
Số lượng thể nhiễm sắc là chỉ tiêu đặc trưng cho loài và bộ thể nhiễm sắc Theo quy luật chung, mỗi cá thể trong cùng một loài đều có số lượng thể nhiễm sắc đặc trưng riêng.
Cá sấu (Alligator mississipiensis) 2n = 32 Ếch (Rana pipiens) 2n = 26
Ruồi quả (Drosophila melanogaster) 2n = 8 Đỉa phiến (Planaria torva) 2n = 16
Giun tròn (Caenorhabditis elegens) 2n = 11(đực), 12(cái)
Lúa mì mềm (Triticum vulgare) 2n = 42 Đậu (Pisum sativum) 2n = 14
Không thể chỉ dựa vào số lượng thể nhiễm sắc để đánh giá mức độ tiến hóa của các loài, vì những loài tiến hóa cao hơn lại có thể nhiễm sắc ít hơn, như con người với 46 thể nhiễm sắc so với 48 của vượn và 78 của gà Hàm lượng ADN cũng không hoàn toàn phản ánh bậc thang tiến hóa Cần xem xét mức độ tổ chức và hoạt động của hệ gen trong ADN và thể nhiễm sắc để có cái nhìn chính xác hơn về sự tiến hóa.
Số lượng thể nhiễm sắc còn đặc trưng cho bộ thể nhiễm sắc Người ta phân biệt:
Bộ đơn bội (haploid) ký hiệu là n, thể hiện các tế bào và cơ thể đơn bội, cũng như tế bào sinh dục chín (giao tử) trong sinh sản hữu tính Ở con người, tinh trùng và tế bào trứng có bộ nhiễm sắc thể n = 23.
Bộ lưỡng bội (diploid) được ký hiệu là 2n, đặc trưng cho các tế bào và cơ thể lưỡng bội Trong cơ thể sinh sản hữu tính, các tế bào soma chứa 2n thể nhiễm sắc Ví dụ, ở người, 2n = 46, bao gồm 23 thể nhiễm sắc từ tinh trùng và 23 thể nhiễm sắc từ tế bào trứng, sau khi thụ tinh tạo thành hợp tử với 2n = 46.
Trong cơ thể lưỡng bội, các nhiễm sắc thể tồn tại thành từng cặp tương đồng, với một nhiễm sắc thể đến từ bố và một từ mẹ Các cặp này được hình thành ngay từ thời điểm thụ tinh (2n) và sẽ phân ly trong quá trình phân bào giảm nhiễm (n).
Bộ đa bội (polyploid) là đặc trưng của tế bào và cơ thể có số lượng nhiễm sắc thể tăng lên theo bội số n, chẳng hạn như tam bội (3n) và tứ bội (4n).
Nhiều loài trong cùng một giống (genus) có số thể nhiễm sắc tạo thành dãy đa bội, và người ta phân biệt số đơn bội khởi nguyên là x, từ đó hình thành các dạng đa bội.
Ví dụ: ở lúa mì (Triticum) có dãy đa bội là:
Trong đó số đơn bội khởi nguyên x = 7
Đa bội là hiện tượng thường gặp ở thực vật, nhưng hiếm gặp hơn ở động vật Một ví dụ điển hình là ếch, nơi ghi nhận trường hợp bát bội với 8n = 104 thể nhiễm sắc Trong động vật có vú, đa bội đã được quan sát ở chuột đồng (Cricetus cricetus) Nói chung, ở các động vật bậc cao, sự hiện diện của tế bào hoặc mô đa bội thường liên quan đến các tình trạng bệnh lý.
Chu kỳ xoắn của thể nhiễm sắc thay đổi theo chu kỳ tế bào, với các sợi nhiễm sắc ở trạng thái mở xoắn khác nhau trong gian kỳ Trong tiền kỳ của mitosis, các sợi nhiễm sắc trở nên xoắn hơn, dẫn đến việc đông đặc và co ngắn lại, đạt trạng thái xoắn tối đa ở trung kỳ, co ngắn gấp 2,5 lần so với đầu tiền kỳ Đến mạt kỳ, chúng sẽ được giãn xoắn để trở về trạng thái mở xoắn trong gian kỳ của tế bào con Sự thay đổi này liên quan mật thiết đến chức năng của thể nhiễm sắc.
Cấu trúc hiển vi của thể nhiễm sắc
2.2.1 Thể nhiễm sắc thường và thể nhiễm sắc giới tính
Trong bộ lưỡng bội, các thể nhiễm sắc tồn tại thành 23 cặp tương đồng, bao gồm 22 cặp thể nhiễm sắc thường (autosome) và 1 cặp thể nhiễm sắc giới tính (sex chromosome) Mỗi cặp thể nhiễm sắc thường có 2 thành viên giống nhau về hình dạng và kích thước, một từ bố và một từ mẹ Cặp thể nhiễm sắc giới tính ở nam giới là XY, trong khi ở nữ giới là XX.
Kiểu nhân (Caryotip) của người
Cặp thể nhiễm sắc giới tính đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giới tính và tính di truyền liên kết giới tính ở hầu hết các sinh vật sinh sản hữu tính.
2.2.1.1 Cơ sở thể nhiễm sắc của xác định giới tính Đa số cơ thể đa bào sinh sản bằng phương thức hữu tính và được phân hóa giới tính đực và giới tính cái Giới tính được biểu hiện ở các tính trạng sinh dục nguyên sinh (có tuyến sinh dục tinh hoàn, buồng trứng) và tính trạng sinh dục thứ sinh (các phần phụ sinh dục và tính trạng khác của cơ thể phân biệt đực cái) Những tính trạng này được qui định bởi nhân tố di truyền và nhân tố môi trường trong cơ thể và môi trường ngoài Đối với đa số cơ thể giới tính được xác định bởi thể nhiễm sắc giới tính (sex- chromosome) thể hiện ở 3 kiểu:
Kiểu đồng giao tử (XX) ở con cái và dị giao tử (XY) ở con đực là đặc điểm di truyền phổ biến ở nhiều loài, bao gồm động vật có vú và một số thực vật có hoa Trong đó, con cái mang cặp thể nhiễm sắc X dài hơn và chứa nhiều gen hơn so với thể nhiễm sắc Y của con đực Giới tính con cái được xác định bởi sự hiện diện của hai thể nhiễm sắc X, trong khi giới tính con đực phụ thuộc vào thể nhiễm sắc Y Nghiên cứu cho thấy gen SRY trên thể nhiễm sắc Y đóng vai trò quyết định trong sự phát triển của tinh hoàn và sản xuất hormone testosterone, kích thích sự hình thành các đặc điểm sinh dục thứ sinh ở con đực Ngược lại, con cái không có gen SRY, dẫn đến sự phát triển của buồng trứng và sản xuất hormone estrogen Ngoài ra, sự tương tác giữa gen SRY và các gen khác như DAX1, SOX9, và WNT4 cũng ảnh hưởng đến sự phát triển giới tính Trong khi đó, ở ruồi quả, giới tính được xác định bởi tỷ lệ giữa thể nhiễm sắc X và thể nhiễm sắc thường, mà không có sự tham gia của gen SRY.
NSTgiới (X) và NST thường (A) Tỷ lệ X/A Kiểu hình về giới
Theo bảng trên, cả ruồi đực và cái đều không bị ảnh hưởng kiểu hình giới tính bởi nhiễm sắc thể Y Tuy nhiên, nhiễm sắc thể Y có tác động đến khả năng sinh sản của ruồi đực Hiện nay, gen Sxl, hay còn gọi là gen gây chết giới (Sex-lethal), nằm trên nhiễm sắc thể X, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định giới tính ở ruồi quả thông qua cơ chế nhất định.
- XY/ AA → 0.5 → gen Sxl không hoạt động → con đực
- XX/ AA → 1.0 → gen Sxl hoạt động → con cái
Gen Sxl nếu hoạt động ngược lại, tức là chỉ hoạt động ở phôi đực và không hoạt động ở phôi cái, sẽ dẫn đến cái chết của phôi, do đó được gọi là gen gây chết.
Trạng thái hoạt động của gen Sxl trên nhiễm sắc thể X có mối liên hệ chặt chẽ với hoạt động của các gen khác trên thể nhiễm sắc thường Chẳng hạn, gen lặn tra trên nhiễm sắc thể số 3 của ruồi quả có thể làm biến đổi ruồi cái lưỡng bội thành ruồi đực bất thụ khi ở trạng thái đồng hợp Các cá thể mang kiểu gen XX/tratra sẽ có đặc điểm giống như ruồi đực bình thường nhưng lại không có khả năng sinh sản.
Kiểu đồng giao tử ở loài con đực là ZZ, trong khi kiểu dị giao tử ở con cái là ZW, điều này được quan sát thấy ở nhiều loài bướm, chim và một số loài bò sát Ở đây, con đực sở hữu hai thể nhiễm sắc tương đồng, trong khi con cái có cặp nhiễm sắc khác nhau, với thể nhiễm sắc W nhỏ hơn và không có đoạn tương đồng với Z.
Kiểu xác định giới tính 2n-n, đặc biệt ở một số loài sâu bọ sống xã hội như ong mật, cho thấy con đực phát triển từ trứng đơn bội không thụ tinh (n), trong khi ong thợ và ong chúa là con cái phát triển từ trứng thụ tinh (2n) Ong chúa điều chỉnh tỷ lệ giới trong quần thể bằng cách thụ tinh với ong đực và lưu trữ tinh trùng trong túi chứa tinh Khi đẻ trứng, nếu được thụ tinh, trứng sẽ phát triển thành ong cái 2n; nếu không, trứng đơn bội sẽ phát triển thành ong đực n Ong chúa sinh sản nhiều ong cái thợ không sinh sản, chỉ thực hiện nhiệm vụ kiếm ăn và chăm sóc Trong quá trình giảm phân, các noãn bào của ong chúa tạo ra trứng đơn bội, trong khi tinh bào của ong đực phát triển qua nguyên phân để tạo tinh trùng đơn bội Ong chúa, phát triển từ ấu trùng cái nhờ thức ăn đặc biệt (sữa ong chúa), lớn hơn và có khả năng sinh sản Mỗi tổ ong thường chỉ có một ong chúa, và ong chúa mới chỉ được tạo ra từ ấu trùng cái khi có sự san đàn.
2.2.1.2 Sự bù liều của các gen liên kết X
Cơ thể sinh sản hữu tính ở cả con đực và con cái đều có hai bản sao của mỗi gen (gen-alen) nằm trong hai thể nhiễm sắc tương đồng Tuy nhiên, ở thể nhiễm sắc giới tính, con cái có hai nhiễm sắc X, trong khi con đực chỉ có một nhiễm sắc X Điều này có nghĩa là các gen trong nhiễm sắc X của con cái có alen tương ứng, trong khi con đực thiếu alen tương ứng cho các gen này Để bù đắp cho sự thiếu hụt này, có hai cơ chế bù liều (dosage compensation): (1) bất hoạt một trong hai thể nhiễm sắc X ở con cái, thường thấy ở động vật có vú, và (2) tăng cường hoạt động của thể nhiễm sắc X ở con đực.
X ở con đực (quan sát thấy ở ruồi quả)
Bất hoạt một trong hai nhiễm sắc thể X ở con cái động vật có vú là một quá trình quan trọng, được Mary Lyon đề xuất vào năm 1961 qua nghiên cứu trên chuột nhắt Quá trình này xảy ra trong giai đoạn phát triển phôi, khi phôi đạt kích thước khoảng vài nghìn tế bào.
Sự lựa chọn bất hoạt X trong tế bào động vật có vú diễn ra ngẫu nhiên, dẫn đến việc mỗi tế bào chứa một X bất hoạt Con cái động vật có vú là dị hợp tử về gen liên kết X, cho phép chúng có hai kiểu hình khác nhau, như màu lông khảm ở chuột và mèo Sự khảm này thể hiện qua các đốm màu khác nhau, với màu trắng do một alen và màu đen do alen khác quy định Mặc dù cơ chế bất hoạt X vẫn còn nhiều điều chưa rõ, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình này xảy ra tại trung tâm bất hoạt X (XIC), nơi sự bất hoạt lan rộng ra toàn bộ nhiễm sắc thể X qua methyl hóa ADN và sự hình thành dị nhiễm sắc hóa.
X bị dị nhiễm sắc hóa thể hiện dưới dạng thể Barr, được phát hiện lần đầu bởi Muray Barr, trong nhân tế bào soma của con cái, đặc biệt rõ ràng trong tế bào xoang miệng nữ giới.
X bất hoạt hiện diện trong mọi tế bào soma của cơ thể, nhưng trong tế bào mầm, X bất hoạt được tái hoạt hóa để hỗ trợ quá trình sinh trứng (oogenesis) Ở người, trong trường hợp có sai lệch về thể nhiễm sắc giới tính, nữ giới với số lượng XXX vẫn giữ số lượng bình thường, do 2 trong 3 X của họ là bất hoạt.
Sự tăng hoạt tính của các gen liên kết thể nhiễm sắc X ở ruồi quả đực diễn ra thông qua cơ chế bù liều gen, trong đó gen Sxl đóng vai trò chủ đạo trong việc xác định giới tính Ở con cái, gen Sxl hoạt động, trong khi ở con đực, gen này không hoạt động Khi không có sản phẩm của gen Sxl ở con đực, một phức hệ protein sẽ kích thích các gen trong thể nhiễm sắc X tăng cường hoạt động gấp đôi Ngược lại, khi gen Sxl hoạt động ở con cái, sản phẩm của nó sẽ ức chế phức hệ protein, dẫn đến việc không xảy ra sự tăng cường hoạt động gen trong thể nhiễm sắc X.
X được cân bằng như nhau
Cấu trúc siêu vi của thể nhiễm sắc
Trong nhiễm sắc thể, ADN kết hợp với protein để hình thành cấu trúc sợi xoắn phức tạp gọi là sợi nhiễm sắc (chromonema) Sợi nhiễm sắc cơ bản có đường kính 11nm, được cấu thành từ chuỗi hạt cườm, được gọi là sợi nucleoxom (nucleosome fiber).
Mỗi hạt cườm là một nucleoxom có kích thước 11nm, bao gồm lõi cấu tạo từ 8 phân tử histon (2H2A, 2H2B, 2H3 và 2H4) và sợi xoắn kép ADN cuốn xung quanh lõi histon với khoảng 146 đôi nucleotit Các nucleoxom liên kết với nhau qua sợi ADN dài khoảng 60 nucleotit Các sợi nucleoxom 11nm gấp khúc và cuộn lại nhờ các histon H1, tạo thành các sợi nhiễm sắc lớn hơn có đường kính 30nm, được gọi là sợi solenoid Trong nhân tế bào, các sợi nhiễm sắc tồn tại chủ yếu ở trạng thái sợi solenoid.
Sợi nhiễm sắc 30nm gấp khúc tạo nên sợi có đường kính lớn hơn khoảng 300nm, chứa các vòng bên (looped domains) với mỗi vòng chứa từ 20.000 đến 80.000 cặp nucleotit Những sợi 300nm này tiếp tục cuộn lại để hình thành các sợi nhiễm sắc lớn hơn, có kích thước từ 700 đến 1400nm, tức là các nhiễm sắc tử và thể nhiễm sắc rõ ràng trong giai đoạn trung kỳ của phân bào.
Cấu trúc vòng bên được coi là đơn vị hoạt động của gen, thể hiện rõ qua các cấu trúc vòng bên của thể nhiễm sắc khổng lồ và thể nhiễm sắc chổi bóng đèn Ngoài protein histon, thể nhiễm sắc còn liên kết với các protein axit đa dạng về thành phần và chức năng, chủ yếu tham gia vào việc điều hòa hoạt động của gen.
Cấu trúc siêu vi và phân tử của thể nhiễm sắc
Ở Eucaryota, cấu trúc thể nhiễm sắc không chỉ là nơi chứa ADN mà còn là tổ chức giúp gen và hệ gen hoạt động hiệu quả, đáp ứng nhu cầu tồn tại và phát triển của cơ thể.
Trong tế bào soma và tế bào sinh dục nguyên thủy, thể nhiễm sắc tồn tại thành cặp 2n, ví dụ ở người là 2n = 46, với một chiếc từ bố và một chiếc từ mẹ Điều này dẫn đến việc các locut gen trên thể nhiễm sắc tạo thành cặp gen - alen, phân ly qua phân bào giảm nhiễm và tái tổ hợp qua thụ tinh Trong tế bào soma, các gen - alen phối hợp hoạt động theo quy luật nhất định để hình thành các tính trạng của cơ thể.
Mỗi thể nhiễm sắc được phân hóa thành các cấu trúc quan trọng, bao gồm vùng chất nhiễm sắc thực (eurochromatine), vùng chất dị nhiễm sắc (heterochromatine), vùng trung tiết hay tâm động (centromere) và vùng tận cùng hay thể mút (telomere).
Bộ thể nhiễm sắc được chia thành hai loại chính: cặp thể nhiễm sắc thường (autosome) và cặp thể nhiễm sắc giới tính (gonosome) Các thể nhiễm sắc này có thể chứa vùng NOR, nơi quy định vị trí của các gen rARN.
Học thuyết thể nhiễm sắc của Di truyền
Từ năm 1910, các nhà di truyền học đã khẳng định rằng các nhân tố di truyền của Mendel chính là gen Những gen này được xác định vị trí trong thể nhiễm sắc và thể hiện tính chất của chúng qua các quá trình phân bào nguyên nhiễm, phân bào giảm nhiễm và thụ tinh Điều này cho thấy rằng các nhân tố di truyền của Mendel được truyền qua các thế hệ Tuy nhiên, các nhà di truyền tế bào cần thực hiện các thí nghiệm để chứng minh rằng các gen này có vị trí cố định và liên kết với thể nhiễm sắc.
Năm 1909, Thomas H Morgan đã nghiên cứu ruồi quả (Drosophila melanogaster) như một đối tượng lý tưởng trong di truyền học nhờ vào khả năng nuôi dưỡng dễ dàng, tốc độ sinh sản nhanh và khả năng quan sát nhiều thế hệ trong thời gian ngắn Ruồi quả có 4 đôi thể nhiễm sắc (2n=8), bao gồm 3 đôi thể nhiễm sắc thường và 1 đôi thể nhiễm sắc giới (XY cho ruồi đực và XX cho ruồi cái), giúp dễ dàng phân tích kiểu nhân (caryotip) Một đặc điểm nổi bật của ruồi là sự xuất hiện dễ dàng của các thể đột biến về màu mắt và dạng cánh qua các thế hệ Qua nhiều thí nghiệm tỉ mỉ, Morgan đã chứng minh rằng đột biến màu mắt ở ruồi quả liên quan đến thể nhiễm sắc X, cho thấy gen quy định màu mắt nằm trên thể nhiễm sắc này.
Morgan quan sát các quần thể ruồi quả và phát hiện nhiều ruồi đực mang mắt trắng, trong khi ruồi dạng dại có mắt đỏ Ruồi đực mắt trắng là một dạng đột biến, và khi lai giữa ruồi đực mắt trắng với ruồi cái mắt đỏ, tất cả con F1 đều có mắt đỏ, cho thấy mắt trắng là tính trạng lặn Khi lai các ruồi mắt đỏ F1 với nhau, Morgan nhận thấy ở F2 có sự phân tính đặc biệt: tất cả ruồi cái đều có mắt đỏ, trong khi ruồi đực có 50% mắt đỏ và 50% mắt trắng Morgan giả định rằng di truyền màu mắt ở ruồi quả liên quan đến thể nhiễm sắc giới tính, với gen quy định màu mắt nằm trên nhiễm sắc thể X, bao gồm hai alen: alen W (đột biến, lặn) và alen W+ (trội).
Ruồi cái kiểu gen XX mang hai alen W + W sẽ có mắt đỏ do alen W trội quy định, trong khi nếu mang hai alen WW sẽ có mắt trắng vì alen W là lặn Đối với ruồi đực XY, do X không có alen tương ứng, ruồi đực chỉ cần mang một alen W để có mắt đỏ, và khi mang một alen W sẽ có mắt trắng.
Ta hãy xem xét các công thức lai mà Morgan đã thí nghiệm dưới đây sẽ thấy rõ giả thiết của Morgan:
Di truyền liên kết giới tính là quá trình di truyền các tính trạng do các gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính Ở người, nhiều tính trạng bệnh như mù màu và bệnh máu khó đông đều liên quan đến giới tính, với các gen gây ra những bệnh này được xác định trên nhiễm sắc thể X.
Học trò của Morgan, Bridges, đã thực hiện nhiều thí nghiệm với ruồi quả mắt đỏ và mắt trắng, từ đó phát hiện ra hiện tượng không phân ly của thể nhiễm sắc X trong quá trình giảm phân.
Trong quá trình giảm phân bình thường, hai thể nhiễm sắc X phân ly vào tế bào trứng đơn bội, mỗi tế bào trứng chứa một thể nhiễm sắc X, trong khi các thể nhiễm sắc XY phân ly vào tinh trùng (một chứa X và một chứa Y) Kết quả là khi thụ tinh, sẽ tạo ra ruồi cái XX và ruồi đực XY Ngược lại, trong trường hợp giảm phân bất bình thường, cả hai thể nhiễm sắc X không phân ly, dẫn đến sự hình thành tế bào trứng chứa hai thể nhiễm sắc X và một loại tế bào trứng không có thể nhiễm sắc.
Khi thụ tinh, có thể tạo ra hợp tử với kiểu gen XXY, XO, XXX hoặc Y.
Bridges đã phát hiện rằng ruồi cái có kiểu gen X w+ sẽ có mắt đỏ, trong khi ruồi cái với kiểu gen X w X w+ Y hoặc X w+ X w+ Y cũng sẽ có mắt đỏ Ruồi đực với kiểu gen X w+ O sẽ có mắt đỏ và có khả năng sinh sản, trong khi ruồi đực có kiểu gen YO mặc dù là đực nhưng lại không có sức sống và chết sớm.
Hiện tượng không phân ly của thể nhiễm sắc qua giảm phân, được gọi là Bridges, liên quan đến các tính trạng do các gen định khu trong thể nhiễm sắc tương ứng Tuy nhiên, ông vẫn chưa nghiên cứu được nguyên nhân của hiện tượng này.
Nghiên cứu di truyền tế bào người đã chỉ ra rằng hiện tượng không phân ly thể nhiễm sắc qua giảm phân xảy ra ở người, dẫn đến sự hình thành các dạng lệch bội (aneuploide) không chỉ ở các thể nhiễm sắc giới tính như XO và XXY, mà còn ở các thể nhiễm sắc thường, ví dụ như thể ba nhiễm sắc 21 gây ra hội chứng Down Một trong những nguyên nhân chính của hiện tượng này là tuổi đời người mẹ quá cao, đặc biệt là trên 35 tuổi.
2.4.3 Cơ sở thể nhiễm sắc của các quy luật Mendel
Vào năm 1865, Mendel đã công bố các thí nghiệm và quy luật di truyền, nhưng phải đến năm 1900, các nghiên cứu của ông mới được công nhận rộng rãi nhờ vào sự tái phát hiện của H de Vries, C Correns và E Tschermak Sự công nhận này diễn ra sau khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra cấu trúc của nhiễm sắc thể và cách thức chúng tạo thành cặp tương đồng ở bố mẹ (2n), phân ly vào giao tử (n) và kết hợp lại thành hợp tử (2n) khi thụ tinh.
Mendel giả định rằng các nhân tố di truyền tồn tại thành cặp ở bố mẹ, cùng quy định các tính trạng nhưng không hòa lẫn vào nhau Chúng phân ly và được tổ hợp lại ở thế hệ sau Các nhân tố di truyền này sau này được gọi là gen, theo nghiên cứu của Johannsen.
Trong nghiên cứu về di truyền, một cặp thể nhiễm sắc tương đồng có thể chứa alen A từ bố và alen a từ mẹ, hoặc ngược lại Cơ thể của bố mẹ có thể có kiểu gen AA (đồng hợp trội), aa (đồng hợp lặn) hoặc Aa (dị hợp) Khi các alen phân ly, chúng tạo ra các alen A và a, và khi tổ hợp lại, sẽ cho ra các kiểu gen AA, aa hoặc Aa Đây chính là quy luật phân ly của Mendel khi nghiên cứu một cặp gen - alen.
Hai cặp gen - alen định khu trong hai cặp thể nhiễm sắc tương đồng khác nhau sẽ phân ly độc lập và tổ hợp tự do theo quy luật thứ hai của Mendel Ví dụ, cặp gen - alen này minh chứng cho nguyên tắc di truyền độc lập trong quá trình phân chia tế bào.
Kiểu nhân - Tiến hóa của kiểu nhân
Kiểu nhân là tập hợp tất cả các thể nhiễm sắc ở trung kỳ phân chia của một tế bào Hầu hết các sinh vật có cùng một kiểu nhân, nhưng số lượng, hình dạng và kích thước của thể nhiễm sắc lại đặc thù cho từng loài Ngay cả những sinh vật có quan hệ gần gũi cũng có kiểu nhân khác nhau; ví dụ, con người có 46 thể nhiễm sắc, trong khi tinh tinh có 48, thỏ có 44, chuột nhà có 40, và đậu vườn có 14 Thêm vào đó, lục tảo có 16 thể nhiễm sắc, nấm men bánh mì có 17, và nấm mốc xanh bánh mì có 8.
Kiểu nhân của người bao gồm 46 thể nhiễm sắc, được chia thành 22 cặp thể nhiễm sắc thường và 1 cặp thể nhiễm sắc giới tính Các cặp thể nhiễm sắc thường được phân loại thành bảy nhóm từ A đến G dựa trên kích thước và vị trí Cặp thể nhiễm sắc số 1 là lớn nhất, tiếp theo là số 2, và như vậy cho đến cặp số 21, nhỏ hơn cặp số 22 do yếu tố lịch sử Cặp thể nhiễm sắc số 23 quyết định giới tính, với nam giới có 1 thể nhiễm sắc X và 1 thể nhiễm sắc Y, trong đó X lớn hơn Y, còn nữ giới có hai thể nhiễm sắc X.
Hiểu biết về kích thước, hình thái và các kiểu nhuộm băng thể nhiễm sắc giúp xác định một số đột biến của chúng Thể nhiễm sắc hiếm khi thay đổi hình dạng, nhưng có thể mất hoặc thêm một phần, hoặc thay đổi một số đoạn với thể nhiễm sắc không tương đồng Ngoài ra, số lượng thể nhiễm sắc có thể thay đổi trong kiểu nhân do sai sót trong quá trình phân chia tế bào, như thể nhiễm sắc không phân chia và đột biến thể nhiễm sắc.
2.5.1.1 Nghiên cứu kiểu nhân ở người
Các chất nhuộm như giêm sa và orcein là những chất nhuộm đồng hình, làm cho việc phân biệt các thể nhiễm sắc có kích thước và hình dạng tương tự trở nên khó khăn Tuy nhiên, một số phương pháp nhuộm có thể tạo ra các băng nhuộm với màu sắc khác nhau, giúp dễ dàng phân biệt các thể nhiễm sắc Trong tế bào nhân chuẩn, thể nhiễm sắc có sự phân hóa cao về cấu trúc và chức năng, thể hiện qua sự phân hóa cả chiều ngang và chiều dọc Các phương pháp nhuộm đặc biệt, được gọi là nhuộm cắt băng, cho phép quan sát rõ ràng vùng dị nhiễm sắc, đặc trưng cho từng thể nhiễm sắc ở mỗi loài.
Nghiên cứu sinh hóa tế bào cho thấy miền dị nhiễm sắc chứa một lượng gen rất nhỏ, với sợi nhiễm sắc luôn ở trạng thái xoắn và hàm lượng ADN cao Chất dị nhiễm sắc có vai trò quan trọng trong quá trình tiếp hợp và phân ly của các thể nhiễm thể tương đồng, đặc biệt trong tiến hóa thông qua tái cấu trúc nhiễm sắc và điều hòa hoạt động của gen.
Có thể phát hiện các vùng dị nhiễm sắc trên thể nhiễm sắc thông qua các phương pháp nhuộm băng Rooney đã tổng hợp hơn 20 phương pháp nhuộm băng điển hình, bao gồm băng Giêmsa (G-banding), băng Quinacrin (Q-banding), băng C (C-banding) và băng huỳnh quang (Hoechest - 33258: H-33258 banding), cùng nhiều phương pháp khác Trong số đó, kỹ thuật nhuộm băng Giêmsa được ứng dụng rộng rãi nhất trong các nghiên cứu thể nhiễm sắc, đặc biệt là ở côn trùng.
Chi tiết của phương pháp nhuộm băng được trình bày dưới đây: a) Ph ươ ng pháp nuôi c ấ y t ủ y x ươ ng
Phương pháp nuôi cấy máu và tủy xương trong 24 giờ ở môi trường nhân tạo giúp phát hiện các thể nhiễm sắc bất thường Kỹ thuật này dựa trên sự phân bào tự nhiên của tế bào non trong máu và tủy mà không cần dùng chất kích thích phân bào P.H.A (Phytohaemaglutinin).
Nuôi cấy tủy xương trong 24 giờ (dựa theo kỹ thuật của B Durtillaux và J Coutuier, 1981; C Harison, 1987)
+ Bước 1: Chuẩn bị dụng cụ
Trước khi sử dụng, các dụng cụ như kim chọc tủy, bơm tiêm và lọ nuôi cấy cần được sấy vô trùng Quy trình này phải được thực hiện cẩn thận từ khâu lấy bệnh phẩm, bao gồm lấy tủy hoặc máu, cho đến khi kết thúc quá trình nuôi cấy.
Bước 2: Thao tác lấy bệnh phẩm bao gồm việc đặt bệnh nhân nằm sấp với chân duỗi thẳng và tay để phía trên đầu Tiến hành sát trùng vùng mào chậu bằng cồn iot và cồn 70 độ, sau đó gây tê điểm chọc tủy để lấy mẫu Sử dụng bơm tiêm vô trùng đã được tráng 0,1ml heparin 5000UI/ml nhằm chống đông máu Cuối cùng, hút khoảng 0,5-1ml dịch tủy xương và lắc nhẹ để hòa đều với heparin, tránh tình trạng đông máu.
Dùng một phần nhỏ dịch tủy đã lấy được và tiến hành đếm bạch cầu
+ Bước 4: Nuôi cấy dịch tủy
Môi trường nuôi cấy cho mỗi lọ:
Tủy chống đông được sử dụng trong nuôi cấy tế bào với tỉ lệ bạch cầu lý tưởng là 5 x 10^5 bạch cầu/1ml môi trường, tương đương với khoảng 40 x 10^5 bạch cầu cho mỗi lọ cấy.
Các lọ nuôi cấy được đậy bằng nút cao su đã vô trùng, lắc nhẹ tay cho đều sau đó để tủ ấm 37 o C trong 24 giờ b) Nuôi c ấ y máu ngo ạ i vi
Theo kỹ thuật của B Dutrillaux và J Couturier, 1981
+ Bước 1: Chuẩn bị dụng cụ
Giống như nuôi cấy tủy xương
+ Bước 2: Thao tác lấy bệnh phẩm
Bơm kim tiêm vô trùng, tráng 0,1 heparin 5000UI/ml Lấy 1-2ml máu tĩnh mạch của người bệnh, lắc nhẹ cho máu hòa đều Heparin để không bị đông
Môi trường nuôi cấy của mỗi lọ cũng giống như nuôi cấy tủy xương 24 giờ Lọ cấy cũng được để ở tủ ấm 37 o C trong 24 giờ
* Thu hoạch dịch cấy làm tiêu bản
Tiến trình thu hoạch dịch cấy tủy và máu giống nhau dựa theo các nhà nghiên cứu trên + Bước 5: Ức chế phân bào bằng Colchicine
Sau khi nuôi cấy ở 37 độ C trong 22 giờ 30 phút, Colchicine được sử dụng để làm đứt thoi vô sắc và ức chế phân bào tại giai đoạn Metaphase Tại giai đoạn này, các nhà nghiên cứu quan sát thấy thể nhiễm sắc có kích thước lớn và hình dạng rõ ràng Mỗi lọ nuôi cấy được bổ sung 0,05ml Colchicine với nồng độ 4mg/ml, sau đó lắc nhẹ và giữ trong tủ ấm ở 37 độ C trong 1 giờ 30 phút.
+ Bước 6: Nhược trương tế bào
Dung dịch nhược trương có nồng độ tương ứng như sau:
Nước cất để ấm: 5ml
Chuyển dịch cấy vào ống ly tâm đáy nhọn và ly tâm ở 1000 vòng/phút Hút bỏ phần dịch phía trên và thêm 7ml dung dịch nhược trương đã được làm ấm ở 37 oC vào mỗi ống Trộn nhẹ bằng pipet Pasteur và đặt ống trong tủ ấm ở 37 oC để tế bào thẩm thấu dung dịch nhược trương.
12 phút Sau đó cho thêm vào mỗi ống 0,1ml dung dịch Carnoy II trộn nhẹ, lại ly tâm 1000 vòng/phút Hút bỏ phần trên
+ Bước 7: Cố định thể nhiễm sắc Để giữ hình dạng thể nhiễm sắc ở metaphase cần định hình bằng hai dung dịch Carnoy có thành phần như sau:
Bước đầu tiên trong quy trình định hình là cho 6ml dung dịch Carnoy I vào mỗi ống ly tâm đáy nhọn, sau đó trộn nhẹ và để ở nhiệt độ phòng trong 5 phút Tiếp theo, thực hiện ly tâm với tốc độ 1000 vòng/phút trong 5 phút và hút bỏ phần dịch ở trên.
Bước tiếp theo trong quy trình định hình là sử dụng dung dịch Carnoy II, cho vào mỗi ống ly tâm nhọn đáy 6ml Trộn nhẹ và để ở nhiệt độ phòng trong 5 phút, sau đó ly tâm ở 1000 vòng/phút trong 5 phút Cuối cùng, hút bỏ phần dịch ở trên và lấy dịch ở đáy ống ly tâm để làm tiêu bản.
Để chuẩn bị lam kính cho quan sát, trước tiên hãy làm sạch lam kính và đặt vào ngăn đá tủ lạnh để tạo một lớp băng trên bề mặt Tiếp theo, nhỏ một giọt dịch tế bào vào mỗi ống ly tâm, đảm bảo rằng hỗn dịch sẽ lan đều trên lớp băng và tan chảy trên bề mặt lam Quá trình này sẽ giúp các thể nhiễm sắc tập trung thành từng cụm trên lam kính Cuối cùng, áp dụng các kỹ thuật nhuộm tiêu chuẩn để quan sát thể nhiễm sắc.
1) Nhuộm Giêm sa nguyên chất
Bột Giêm sa nguyên chất: 1g