4 đa HINH đột BIẾN TIẾN hóa THẦY d THẢO (1)

ĐA HÌNH, ĐỘT BIẾN VÀ TIẾN HÓAMỤC TIÊU: Hiểu định nghĩa và phân loại được một số dạng đa hình Hiểu định nghĩa và giải thích cơ chế phát sinh đột biến Hiểu được vai trò tiến hóa của gie

ĐA HÌNH, ĐỘT BIẾN VÀ TIẾN HÓA

MỤC TIÊU:

Hiểu định nghĩa và phân loại được một số dạng đa hình

Hiểu định nghĩa và giải thích cơ chế phát sinh đột biến

Hiểu được vai trò tiến hóa của gien đối với sự phát triển của sinh vật

Trong một quần thể, luôn luôn có sự xuất hiện của các cá thể

dị biệt so với phần còn lại của quần thể Sự khác biệt này có thể xuất hiện dưới dạng hình thái của cơ thể sinh vật, dưới dạng khác biệt về gien, về sự sắp xếp cấu trúc DNA hay sự khác biệt về sản phẩm của gien (protein) Sự khác biệt này người ta gọi là sự đa hình của sinh vật Sự đa hình bắt nguồn từ nhiều nguyên nhân,

có thể là dưới tác động của môi trường sống hoặc tự bản thân bên trong sinh vật xảy ra các biến đổi (phát sinh các đột biến) Các đột biến này đôi khi bất lợi cho sinh vật, làm phát sinh ra các bệnh lý Tuy nhiên, các đột biến mới phát sinh đôi khi lại là căn nguyên giúp cho cá thể đó tồn tại và phát triển tốt trong quần thể và đó là căn nguyên của tiến hóa Tiến hóa luôn luôn xảy ra

dù nhiều hay ít nhưng là một phần tất yếu của sự sống và đảm bảo cho sinh giới tồn tại và phát triển

II SỰ ĐA HÌNH

Trong tự nhiên, các sinh vật cùng loài thường khác nhau về một số khía cạnh về ngoại hình của chúng Sự khác biệt được xác định về mặt di truyền và được gọi là sự đa hình Thuật ngữ

“đa hình” lần đầu tiên được sử dụng để mô tả sự đa dạng về mặt

di truyền được nghiên cứu bởi các nhà di truyền học quần thể

Đa hình được định nghĩa là sự xuất hiện của hai hoặc nhiều kiểu hình khác biệt về mặt di truyền do các alen khác nhau tạo ra trong một quần

Mặt khác, đối với y học lâm sàng, thuật ngữ này được sử dụng một cách tổng quát hơn Đa hình có thể xuất hiện ở cấp độ của toàn bộ cơ thể (kiểu hình), ở nhiều dạng biến thể của protein

và các nhóm máu (đa hình về sinh hóa), trong các đặc điểm hình thái của nhiễm sắc thể (đa hình về nhiễm sắc thể) hoặc ở trong cấu tạo DNA (đa hình về DNA)

Như vậy, có thể xem đa hình là những biến đổi xảy ra một cách tự nhiên bên trong các gien, trong trình tự DNA hoặc trên các nhiễm sắc thể mà không gây ra các bất lợi nghiêm trong đối với cá thể và xảy ra với tần suất khá cao trong quần thể nói chung Một đa hình được coi là trung tính nếu sự hiện diện hoặc vắng mặt của một alen nhất định không tạo ra bất kỳ lợi thế hoặc bất lợi nào Một đa hình có thể mang lại một lợi thế cho quần thể, bởi vì nó có khả năng tạo ra các cá thể thích nghi tốt với những thay đổi của môi trường sống hoặc có mang các biến thể mới so với sự đồng nhất về mặt di truyền của các thể còn lại,

điều này có thể giúp giải thích một phần nguyên nhân xuất hiện

sự tiến hóa của các loài

II.2.1 Phân loại về đa hình

Đa hình về mặt kiểu hình

Một ví dụ ấn tượng về đa hình kiểu hình là màu sắc hiện

diện trên cánh của bọ rùa châu Á (Asiatic beetle Harmonia axyridis) Trong khu vực phân bố, loài bọ này kéo dài từ Siberia

đến Nhật Bản, nhiều biến thể có thể được phân biệt với nhau Sự khác biệt về màu sắc hiện diện trên cánh của loài bọ này là do các alen khác nhau của cùng một gen Ở loài rắn vua California

(California king snake Lampropeltis getulus californiae), các

kiểu màu sắc khác nhau xuất hiện trong cùng một loài và mỗi kiểu màu sắc này dường như đại diện cho các loài khác nhau trong cùng một họ

Đa hình liên quan đến môi trường sống

Hầu hết các sinh vật sống có sự biến động rất lớn điều kiện sinh sống Điều này, làm xuất hiện sự khác biệt về tần số alen giữa các quần thể cùng một loài ở các khu vực sống khác nhau

Sự khác biệt có thể xuất hiện dần dần và phản ánh sự thích nghi với điều kiện môi trường sống Ví dụ, chiều cao trung bình của cây yarrow sống trên sườn núi ở Sierra Nevada ở California càng giảm khi độ cao càng tăng Để so sánh sự phát triển về chiều cao của các cây này, một nghiên cứu được thực hiện để thu nhận hạt của chúng và được trồng trong cùng một khu vườn, kết quả chỉ

ra rằng chiều cao trung bình của cây ở các độ cao khác nhau được xác định do yếu tố di truyền

Hình 1 Sự đa hình về kiểu hình (1) Sự khác biệt về màu sắc

trên cánh của loài bọ rùa Asiatic beetle Harmonia axyridis (2)

Sự khác biệt về hình thái ở loài rắn vua California (Nguồn:

Passarge, Color Atlas of Genetics © 2001 Thieme).

Hình 2 Sự đa hình về kiểu hình (1) Sự khác biệt về chiều cao

của cây Yarrow sống ở các sườn núi Sierra Nevada (2) Sự khác

biệt về hình thái ở loài rắn vua California (Nguồn: Passarge, Color Atlas of Genetics © 2001 Thieme).

Một trong những trường hợp ấn tượng nhất của chọn lọc tự nhiên đối với sự đa hình về màu sắc đã được quan sát ở loài bướm bạch dương (Biston betularia) Ở vùng trung du nước Anh, người ta đã quan sát thấy hai giống, một màu xám nhạt (typica), với các đốm sắc tố và một loại màu xám đen hiếm gặp (carbonaria) Người ta cho rằng giống màu đen rất hiếm vì nó dễ

bị các loài săn mồi ăn thịt và do đó chọn lọc tự nhiên chống lại chúng Vào cuối những năm 1880, loại xám nhạt trở nên hiếm và loại màu đen chiếm ưu thế Người ta cho rằng, đây là do chọn lọc tự nhiên phù hợp với loài này, chúng sống ngụy trang trên vỏ cây sẫm màu do các loài địa y sống bám trên thân cây và đá đã bị chết do ô nhiễm công nghiệp Sau khi ô nhiễm đã giảm vào những năm 1950, loại xám nhạt xuất hiện trở lại và trở nên phổ biến

Đa hình di truyền (Đa hình DNA)

Đa hình di truyền là sự tồn tại của các biến thể liên quan đến một locus của gien (alen), cấu trúc nhiễm sắc thể (như kích thước của tâm động nhiễm sắc thể), một sản phẩm của gien (các biến thể hoạt tính của enzyme hoặc ái lực gắn kết) hoặc là một kiểu hình Thuật ngữ đa hình DNA đề cập đến một loạt các biến thể trong thành phần base của nucleotide, độ dài lặp lại của nucleotide hoặc các biến thể nucleotide đơn Các đa hình DNA rất quan trọng được xem như là các dấu hiệu di truyền để xác định và phân biệt các alen tại một vị trí gien và để xác định nguồn gốc từ cha mẹ của các gien này

Đa hình trong các nucleotide đơn

Các biến thể alen có sự khác nhau trong một nucleotide đơn tại một vị trí cụ thể Ít nhất một trong hàng nghìn các base DNA

có sự khác nhau giữa các cá thể

Hình 3 Sự đa hình về di truyền (chủ yếu là sự đa hình về DNA) (A) Sự đa hình của của các nucleotide đơn (B) Sự đa

hình về chiều dài của các trình tự đơn

Đa hình trong chiều dài trình tự DNA đơn (Simple sequence length polymorphism -SSLP)

Các biến thể alen này khác nhau về số lượng các chuỗi nucleotide ngắn lặp đi lặp lại trong vùng DNA không mã hóa (noncoding DNA region) Các trình tự ngắn được lặp lại (Short tandem repeats-STR) có thể gồm 1, 2, 3 hoặc 4 cặp base được lặp lại từ 3 đến khoảng 10 lần Trình tự được lặp lại điển hình là lặp lại cặp base CA theo chiều 5’ – 3’ trong chuỗi nhanh, cũng

có thể là cặp CG và AT trong chuỗi xoắn kép Mỗi alen được xác định bởi số lần CA được lặp lại, ví dụ: lặp lại 3 và 5 (hình 3B) Chúng cũng được gọi là microsatellites Sự khác biệt về kích thước do số lần lặp lại được xác định bằng kỹ thuật PCR Các biến thể số lần lặp lại (Variable number of tandem

repeats-VNTR), còn được gọi là minisatellites, gồm sự lặp lại của các cặp base có độ dài từ 20 - 200 base (hình 3B)

Các đa hình DNA, bao gồm SNP, rất quan trọng đối với nhân bản, lập bản đồ gien, phân lập nhiều gien gây bệnh, nghiên cứu sự di cư của quần thể và khoa học pháp y Chúng cũng được

sử dụng trong theo dõi gien trong các ứng dụng lâm sàng dùng

để chẩn đoán di truyền trước ghép và xét nghiệm loại trừ

III ĐỘT BIẾN

III.1 Định nghĩa

Đột biến là bất kỳ những thay đổi vĩnh viễn xảy ra trên trình

tự của các base trên chuỗi DNA trong cơ thể sinh vật Những biến đổi trên trình tự DNA có thể phản ánh qua những thay đổi trong trình tự các base của mRNA và đôi khi dẫn đến những thay đổi trong trình tự acid amin của phân tử protein

Đột biến có thể gây ra các bệnh di truyền Chúng cũng có thể gây ra những thay đổi trong hoạt động của enzyme, nhu cầu dinh dưỡng, tính nhạy cảm với kháng sinh, hình thái, tính kháng nguyên và nhiều đặc tính khác của tế bào

Một loại đột biến rất phổ biến là sự biến đổi của một base đơn lẻ hoặc đột biến điểm

• Quá trình chuyển đổi là một loại đột biến điểm làm thay thế cặp base pyrimidine bằng một cặp base

purine-pyrimidine khác Ví dụ: cặp base A-T trở thành cặp base G-C.

• Quá trình đảo đổi là một loại đột biến điểm thay thế cặp

base purine-pyrimidine bằng cặp base pyrimidine-purine Ví dụ: cặp base A-T đảo chuyển thành cặp base T-A hoặc một cặp C-G.

Đột biến thường được phân loại dựa theo tác động của chúng trên cấu trúc của sản phẩm protein của những gien tương ứng Sự thay đổi trong cấu trúc protein này có thể được dự đoán bằng cách sử dụng bảng mã di truyền kết hợp với trình tự base của phân tử DNA hoặc mRNA Một loạt các đột biến như vậy được liệt kê trong Bảng 1

Bảng 3.1 Tác động của một số loại đột biến phổ biến trên cấu

trúc protein

Loại đột biến Tác động lên phân tử protein

Dạng im lặng (silent mutation):

codon mới xuất hiện mã hóa cho

cùng một acid amin

Không

Dạng nhầm nghĩa (missene

mutation): codon mới xuất hiện

mã hóa cho một acid amin khác

với acid amin ban đầu,

Có thể làm giảm chức năng; gây

ra những biến đổi đa dạng

Dạng vô nghĩa (nonsense

mutation): codon mới là codon

kết thúc dịch mã

Ngắn hơn bình thường; hoặc thường không có chức năng

Dạng lệch khung đọc

(frameshifts/in-frame): thêm hoặc

mất các base

Thường không có chức năng; thường ngắn hơn bình thường

Dạng mất đoạn (trao đổi đoạn

không đều trong giảm phân)

Mất chức năng; ngắn hơn bình thường hoặc hoàn toàn vô nghĩa

Dạng 5′ splice site (donor) hoặc

3′ splice site (acceptor)

Các tác động khác nhau, từ việc thêm hoặc mất một vài acid amin đến mất toàn bộ một exon

Dạng lặp lại 3 nucleotide

( Trinucleotide repeat expansion )

Sự lặp lại trong các vùng mã hóa (coding regions) làm cho sản phẩm protein dài hơn bình thường

và không ổn định

Bệnh thường có liên quan đến yếu

tố phả hệ Những đột biến điểm và đột biến lệch khung đọc (frameshifts) được minh họa chi tiết hơn trong 4

Hình 4 Một số loại đột biến phổ biến trên phân tử DNA.

(Nguồn: USMLE Step 1 Lecture Notes 2018: Biochemistry and

Medical Genetics Kaplan Publishing).

III.2 Đột biến mất đoạn DNA

Các đoạn DNA lớn có thể bị xóa khỏi nhiễm sắc thể trong quá trình trao đổi chéo không đồng đều trong quá trình giảm phân Sự trao đổi chéo hoặc tái tổ hợp giữa các nhiễm sắc thể tương đồng là một tiến trình xảy ra ở giảm phân I để tạo ra sự đa dạng di truyền trong các giao tử (trứng và tinh trùng) Trong trường hợp trao đổi chéo bình thường, nhiễm sắc thể tương đồng của cha và mẹ trao đổi các đoạn tương đồng với nhau, mặc dù điều này dẫn đến sự hình thành của các nhiễm sắc thể khảm (mang các đoạn nhiễm sắc thể khác nhau của cha và mẹ) nhưng không có thông tin di truyền nào bị mất đi từ một trong hai chuỗi chromatid Trong các trường hợp rất hiếm, sự trao đổi chéo có thể không đồng đều trên hai chuỗi chromatid và một trong hai chuỗi này mất đi một số thông tin di truyền vốn có của nó

Ví dụ: α-thalassemia là một ví dụ nổi tiếng về bệnh di truyền trong đó sự trao đổi chéo không đồng đều đã làm mất đi một hoặc nhiều gen α-globin khỏi nhiễm sắc thể số 16 Cri-du-chat cũng là một ví dụ phổ biến, là do kết quả của việc mất đầu cuối của nhánh ngắn trên nhiễm sắc thể số 5 Bệnh Cri-du-chat làm

cho trẻ chậm phát triển trí tuệ, đầu teo, mắt rộng và giọng nói như tiếng mèo kêu

III.3 Đột biến trong quá trình splicing (splice sites)

Đột biến xảy ra tại các vị trí ghép nối (splice sites) ảnh hưởng đến độ chính xác trong việc loại bỏ intron khỏi hnRNA (heterogeneous nuclear RNA) trong quá trình xử lý sau phiên

mã Nếu tại một vị trí ghép nối bị mất thông qua đột biến, thì spliceosome (small nuclear RNA) có thể:

 Mất đi các nucleotide khỏi exon liền kề

 Thêm các nucleotide của intron trong quá trình xử lý mRNA

 Làm mất đi một exon trong quá trình ghép nối mRNA Hiện tại, y văn thế giới đã được ghi nhận nhiều bệnh lý khác nhau có nguyên nhân là do các đột biến xuất hiện trong quá trình ghép nối như β-thalassemia, bệnh Gaucher và Tay-Sachs

III.4 Đột biến do lặp lại trinucleotide

Một số alen đột biến trong một số bệnh nhất định, như bệnh Huntington, hội chứng đứt gãy X (fragile X syndrome) và bệnh loạn dưỡng cơ, khác với các trình tự bình thường của chúng chỉ

ở số lượng bản sao lặp lại của một trinucleotide Trong những bệnh này, số lần lặp lại thường gia tăng theo các thế hệ kế tiếp và

có liên quan với mức độ nghiêm trọng ngày càng tăng của tuổi cũng như làm khởi phát bệnh nhanh hơn so với độ tuổi

Ví dụ, ở alen Huntington bình thường, có 5 lần lặp lại CAG trong vùng mã hóa của gien Các thành viên gia đình bị ảnh hưởng có thể có 30 đến 60 lần lặp lại trình tự CAG này Protein bình thường này có chứa 5 gốc glutamine kế cận, trong khi đó protein được mã hóa bởi các alen liên quan đến bệnh này có từ

30 hoặc nhiều hơn gốc glutamine kế cận Việc kéo dài chuỗi glutamine làm cho các protein bất thường gần như không ổn định Một biểu hiện lâm sàng chính yếu của các bệnh liên quan đến việc lặp lại các trinucleotide là sự thoái hóa thần kinh của các tế bào thần kinh đặc hiệu

Sự lặp lại các trinucleotide trong alen đột biến có thể xuất hiện ở vùng mã hóa hoặc ở vùng không mã hóa của gien

Bảng 3.2 Hai loại bệnh liên quan đến lặp lại các trinucleotide

Những rối loạn lặp lại ở mức

độ dịch mã

Những rối loạn lặp lại chưa được dịch mã

Hungtington: (CAG)n Hội chứng đứt gãy X (fragile X

syndrome) Bệnh teo cơ (Spinobulbar

muscular atrophy): (CAG)n

Loạn dưỡng cơ (Myotonic dystrophy): (CTG)n

Friedreich’s ataxia: (GAA)n

Liên quan đến các khía cạnh lâm sàng

Bệnh Huntington, một rối loạn di truyền trội trên nhiễm sắc thể thường, tuổi khởi phát bệnh trong vòng 40 tuổi Các triệu chứng của bệnh xuất hiện dần và xấu đi trong khoảng 15 năm tiếp theo và cho đến khi chết Lo âu, suy giảm trí nhớ và tăng phản xạ tự phát (hyperreflexia) là những dấu hiệu đầu tiên của bệnh, sau đó là dáng đi bất thường, các cơn co giật không có chủ đích (mất kiểm soát vận động), loạn dưỡng cơ, mất trí nhớ

và chứng khó nuốt.

Các trường hợp khởi phát ở tuổi vị thành niên (<10 tuổi) thường nghiêm trọng hơn và thường xảy ra nhất khi các alen khiếm khuyết được di truyền từ cha Khoảng 25% trường hợp bệnh có khởi phát muộn, tiến triển chậm hơn và các triệu chứng nhẹ hơn.

Hình 5 Cơ chế phát sinh bệnh Hungtington.

(Nguồn:https://ghr.nlm.nih.gov/condition/huntington-disease#)

IV SỰ TIẾN HÓA CỦA BỘ GIEN

Các gien và bộ gien tồn tại ngày nay là kết quả tích lũy của các sự kiện đã diễn ra trong quá khứ Lý thuyết tiến hóa cổ điển được Charles Darwin đưa ra vào năm 1859 cho rằng:

(i) tất cả các sinh vật sống ngày nay đã có nguồn gốc từ các sinh vật sống trong quá khứ;

(ii) các sinh vật sống trong thời kỳ trước khác biệt với những sinh vật sống ngày nay;

(iii) các thay đổi là nhiều hơn hoặc ít dần, chỉ có những thay đổi nhỏ tại một thời điểm xác định;

(iv) những thay đổi thường dẫn đến các cá thể dị biệt, với số lượng các loại sinh vật tổ tiên nhỏ hơn nhiều so với số lượng các loài hiện nay;

(v) kết quả của các tất cả những thay đổi này là căn nguyên để các loài tiếp tục tồn tại cho đến ngày nay và điều này cần thiết phải được nghiên cứu để giúp ích cho sự tồn tại của chúng ta và các loài sinh vật sống

IV.1 Gien tiến hóa bằng cách nhân đôi