Chương 5. Di truyền học cổ điển
1.3. Lai hai tính và nhiều tính
1.3.1. Lai hai tính - Quy luật phân ly độc lập và tổ hợp tự do Lai 2 tính là lai với 2 cặp tính trạng
a. Thí nghiệm: (Tóm tắt)
P: Hạt vàng trơn (AABB) x Hạt lục nhăn (aabb) F1: 100% Vàng trơn (AaBb)
F1 x F1: vàng trơn (AaBb) x vàng trơn (AaBb)
F2: 4AaBb : 2 AaBB : 2Aabb : 2 AABb: 2aaBb : 1AABB : 1 Aabb: 1aaBB:
1aabb
Kiểu hình: 9A -B- : 3A-bb : 3aaB- : 1aabb
9 vàng trơn : 3 vàng nhăn : 3 lục trơn : 1 lục nhăn
b. Giải thích: Xét tỉ lệ: vàng / lục = 12 /4 =3/1; trơn / nhăn = 12/ 4 =3/1
Kết quả thí nghiệm cho thấy thế hệ F1 cũng đồng nhất và biểu hiện các tính trạng trội vàng trơn. Sang F2 tỉ lệ phân li kiểu hình là: 9 vàng trơn 3 vàng nhăn : 3 lục trơn : 1 lục nhăn. Xét riêng từng cặp tính trạng, tỉ lệ phân li theo kiểu hình cũng là 3:1. Điều đó cho thấy sự di truyền từng cặp tính trạng độc lập nhau: (3 : 1) x (3 : 1) = 9 : 3 : 3 : 1
Sự độc lập này có thể chứng minh bằng toán học và xác suất của 2 sự kiện độc lập với nhau cùng trùng hợp bằng tích xác suất của 2 sự kiện đó. Tỉ lệ phân li của cặp vàng - lục là 3/4 vàng : 1/4 lục và của cặp trơn - nhăn là 3/4 trơn : 1/4 nhăn. Tổ hợp của tính trạng trơn vàng sẽ có xác suất là: 3/4 ´ 3/4 = 9/16, trơn xanh: 3/4 ´ 1/4 = 3/16, vàng nhăn: 3/4 ´ 1/4 = 3/16, lục nhăn: 1/4 ´ 1/4 = 1/16.
Hoặc: Khi có hai hoặc nhiều gen trong một phép lai thì trong quá trình thành lập giao tử, các alen của một gen này sẽ di truyền độc lập với các alen của những gen khác.
1.3.2. Lai với nhiều cặp tính trạng Công thức chung của lai nhiều tính:
Số cặp gen dị
hợp tử F1 Số loại giao tử Số loại tố
hợp ở F2 Số kiểu gen
F2 Số kiểu
hình F2 1
2 3 ... n
2 22 = 4 23 = 8
2n
4 42 = 16 43 = 64
4n
3 32 = 9 33 = 27
3n
2 22 = 4
23 =8 2n 1.3.3. Một số tính trạng Mendel ở người:
Rất nhiều tính trạng của người có sự di truyền theo các quy luật Mendel. Một số tính trạng thường gặp: khớp ngón cái ngược ra phía sau được hay không, tóc mọc thành đỉnh nhọn ở trán, nhiều tàn nhan, lúm đồng tiền trên gò má, bạch tạng, dái tai người có thể thòng hay liền (dái tai thòng là trội). Có 2 gen trội ảnh hưởng đến khả năng cuốn lưỡi, một gen tạo khả năng cuốn lưỡi tròn và gen trội thứ hai cho phép gập ngược.
* Đặc điểm của bệnh di truyền gen trội trên NST thường
Các bệnh di truyền gen trội trên NST thường được gặp với tần số 1/200 cá thể.
Ví dụ: tất thừa ngón sau trục (postaxial polydactyly) với biểu hiện thừa ngón cạnh ngón út. Tật này di truyền kiểu trội trên NST thường. Trong đó gen A quy định hừa ngón, a quy định ngón bình thường. Đặc điểm quan trọng của các bệnh di ruyền do gen trội trên NST thường:
- Cả 2 giới đều có tỷ lệ mắc bệnh ngang nhau.
- Không có sự gián đoạn giữa các thế hệ.
- Người mang gen bệnh ở trạng thái dị hợp kết hôn với người bình thường sẽ truyền cho con của họ với xác suất là 1/2.
* Đặc điểm của bệnh di truyền gen lặn trên NST thường Ví dụ: Bệnh bạch tạng là một bệnh di truyền gen lặn gây ra do đột biến gen mã hóa enzyme chuyển hóa yrosine.
Sự thiếu hụt enzyme này làm đình trệ quá trình chuyển hóa để tổng hợp sắc tố melanin. Người mắc bệnh sẽ có rất ít sắc tố ở da, tóc và mắt. Vì melanin cũng cần cho sự phát triển của các sợi thần kinh thị giác nên người mắc bệnh bạch tạng cũng có thể bị tật rung giật nhãn cầu, lác mắt giảm thị lực.
Đặc điểm chính của bệnh di truyền do gen lặn trên NST thường:
- Bệnh thường được thấy ở một hoặc một số anh chị em ruột nhưng lại không có ở thế hệ bố mẹ.
- Một cặp vợ chồng mang gen bệnh sẽ có trung bình 1/4 con cái mang mắc bệnh.
- Nam và nữ đều có khả năng mắc bệnh như nhau.
- Hôn nhân giữa những người có quan hệ họ hàng được gặp nhiều trong phả hệ của loại bệnh di truyền này.
Nhiều bệnh di truyền gen trội thật ra có biểu hiện ở những người đồng hợp tử nặng hơn so với những người dị hợp tử. Ví dụ: ở bệnh loạn sản sụn bẩm sinh (achondroplasia) là bệnh di truyền gen trội trên NST thường với biểu hiện lùn. Những người dị hợp tử gần như có một cuộc sống bình thường với tuổi thọ trung bình ít hơn người bình thường khoảng 10 năm. Tuy nhiên những người đồng hợp có biểu hiện nặng hơn và thường chết ở tuổi thiếu niên do suy hô hấp.
Có thể phân biệt bệnh di truyền gen trội và gen lặn dựa trên biểu hiện lâm sàng của người dị hợp tử: bệnh di truyền trội có biểu hiện trên lâm sàng, trong khi đó bệnh di truyền lặn luôn luôn bình thường trên lâm sàng. Một điểm cần lưu ý là thuật ngữ trội và lặn trong cách nói được dùng để chỉ kiểu di truyền chứ không phải để nói về gen. Xét trường hợp bệnh hồng cầu hình liềm, người đồng hợp tử đột biến này có biểu hiện bệnh, người dị hợp tử bình thường về mặt lâm sàng nhưng có nguy cơ bị nhồi máu lách rất cao. Rõ ràng là bệnh hồng cầu hình liềm có đặc điểm của một bệnh di truyền gen lặn nhưng đặc điểm của người dị hợp làm bệnh này có tính chất của một bệnh di truyền trội.
1.3.4. Các quy luật chung của tính di truyền
Các quy luật di truyền Mendel gọi là các quy luật truyền đạt tính trạng từ thế hệ này sang thế hệ khác. Từ đó người ta rút ra được các quy luật của tính di truyền cho các sinh vật nhân thực bậc cao:
- Tính di truyền có tính gián đoạn do những nhân tố riêng biệt đảm bảo (các gen).
- Mỗi tính trạng được xác định bởi các nhân tố di truyền riêng biệt là các gen gen.
các gen này truyền cho thế hệ sau qua tế bào sinh dục
- Các gen được duy trì ở dạng thuần khiết qua nhiều thế hệ, không bị biến đổi và cũng không bị mất đi.
- Cả hai giới đều tham gia như nhau vào việc truyền đạt các dấu hiệu di truyền.
- Các gen có cặp ở trong tế bào cơ thể, đơn độc trong tế bào sinh dục. Ở các con lai một có nguồn gốc từ bố, một có nguồn gốc từ mẹ, có thể là trội hoặc lặn.
Việc tìm ra các quy luật Mendel không những có ý nghĩa lý thuyết mà có nhiều ứng dụng trong việc lai tạo giống.
1.4. Tương tác gen
Trong trường hợp trội không hoàn toàn các alen khác nhau của cùng một gen có thể tác động qua lại. Thật vậy, phần lớn các đặc điểm hình thái hoặc các đặc điểm sinh hóa đều được kiểm soát bởi nhiều gen.
1.4.1 Tương tác bổ trợ
Ðôi khi hai gen ảnh hưởng đến cùng một loại tính trạng có thể tác động qua lại để tạo ra một kiểu hình mới mà mỗi gen riêng rẽ không thể tạo ra. Kiểu tương tác này có thể thấy trong sự kiểm soát tính trạng hình dạng mào gà. Gen R qui định mào hình hoa hồng trong khi alen lặn r cho ra mào đơn. Một gen khác P qui định mào hình hạt đậu, alen lặn p cũng cho ra mào đơn. Khi R và P cùng hiện diện chung trong kiểu gen, chúng sẽ tương tác với nhau tạo ra mào hình quả hồ đào.
Kết quả phép lai giữa gà có mào hình hoa hồng với gà có mào hình hạt đậu có thể tóm tắt như sau:
này giống như trong một phép lai hai tính của Mendel. Tuy nhiên điểm khác biệt là trong tương tác bổ trợ không thể nào xác định được tác động của từng gen dựa trên cơ sở biểu hiện của kiểu hình.
1.4.2 Tương tác át chế
Trong tương tác bổ trợ, hai gen khác nhau đều góp phần vào việc biểu hiện kiểu hình mới còn trong tương tác át chế, sự biểu hiện của một gen này có thể bị át chế bởi tác động của một gen khác. Thí dụ ở chuột, một gen qui định sự tổng hợp sắc tố da melanin át chế đối với một gen khác qui định sự tích tụ melanin. Gen thứ nhất có hai alen là C qui định sự tổng hợp melanin và c làm cho sắc tố không được tổng hợp. Do đó một cá thể đồng hợp cc sẽ là một cá thể bạch tạng. Gen thứ hai có alen B gây ra sự tích tụ nhiều melanin làm cho chuột có màu lông đen và alen b gây ra sự tích tụ một lượng trung bình của melanin làm cho chuột có màu lông nâu. Cả B và b đều không tạo ra sự tích tụ melanin nếu không có C. Kết quả phép lai giữa các cá thể có hai gen này có thể tóm tắt như sau:
P: CCBB (đen) x ccbb (bạch tạng) F1 : CcBb (đen) x CcBb (đen)
F2 : 9 C - B : 3 C - bb : 3 ccB : 1 ccbb = 9(đen) : 3 (nâu): (3 (trắng) + 1(trắng)) Như vậy thay vì tỉ lệ kiểu hình ở F2 9 : 3 : 3 : 1, phép lai này đã cho ra tỉ lệ là 9 : 3 : 4.
Cần chú ý rằng tương tác át chế khác với trường hợp trội hoàn toàn. Trội hoàn toàn là trường hợp tương tác giữa hai alen của cùng một gen (alen trội lấn át sự biểu hiện của alen lặn cùng cặp) còn át chế là trường hợp tương tác giữa hai gen không alen.
1.4.3 Tác động đa gen
Các nghiên cứu đã nêu về các tính trạng của cây chỉ có một số lượng giới hạn các kiểu hình tương đối riêng biệt như hoa đậu màu tía hoặc trắng, hạt đậu màu vàng hoặc lục… Trong tự nhiên, nhiều trường hợp có những tính trạng có rất nhiều biến dị kiểu hình và không có ranh giới rõ rệt. Chẳng hạn như chiều cao, màu da, chỉ số IQ của người...
Có thể giải thích là hai hoặc nhiều gen riêng biệt có thể ảnh hưởng lên cùng một tính trạng theo cùng một cách, với tác động cộng gộp. Kiểu di truyền này gọi là di truyền đa gen. Bằng chứng đầu tiên đến năm 1909 khi nhà di truyền học Thụy Ðiển Hermen Nilsson-Ehle chỉ ra rằng màu sắc của hạt lúa mì (rất khác nhau từ màu trắng đến các dạng hồng, đỏ và đỏ thẫm) là kết quả của sự tương tác giữa ba gen. Mỗi gen có hai alen. Một alen trội không hoàn toàn cho màu đỏ và một alen cho màu trắng. Hạt đỏ thẩm là đồng hợp về các alen dỏ của cả ba gen, trong khi hạt trắng là đồng hợp về các alen trắng của cả ba gen. Tất cả các kiểu hình ở giữa là kết quả của những tổ hợp dị hợp khác nhau của các alen.
P: A’A’B’B’C’C’ (trắng) x AABBCC (đỏ thẩm) F1 A’AB’BC’C (đỏ nhạt) x A’AB’BC’C (đỏ nhạt)
F2: 1/64 trắng : 6/64 hồng nhạt: 15/64 hồng : 20/64 đỏ nhạt : 15/64 đỏ : 6/64 đỏ đậm : 1/64 đỏ thẩm
Nếu biểu diễn bằng đồ thị tần số của màu hạt ở F2, chúng ta sẽ nhận được một đường cong có dạng hình chuông, cũng là đường cong phân bố cho các tính trạng khác biệt liên tục trong quần thể như chiều cao, màu da...(hình 7.7). Tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp tương tác đa gen, không phải tất cả các gen đều có vai trò như nhau
đối với kiểu hình, do đó thường không thể xác định số lượng và bản chất các gen bằng cách chỉ đơn giản quan sát sự phân bố của các kiểu hình ở F2.
Ở người sự kiểm soát đa allen của nhóm máu ABO có thể giải thích: Kết quả hình thành các tổ hợp khác nhau của 3 allen của gen I trong 4 kiểu hình nhóm máu khác nhau: nhóm A (cả đồng hợp tử IAIA hay dị hợp tử IAi ) nhóm máu B (cả đồng hợp tử IBIB hay dị hợp tử IBi ), nhóm máu AB (đồng hợp tử IAIB ) và nhóm máu O (đồng hợp tử ii)
2. Di truyền học sau Mendel
2.1. Sự xác định giới tính và di truyền liên kết giới tính 2.1.1 Sự xác định giới tính
Ở các động vật phân tính, bộ nhiễm sắc thể của con đực và con cái có sai khác nhau, một trong hai giới có một cặp nhiễm sắc thể trong đó hai chiếc có kích thước và hình dạng khác nhau. Cặp nhiễm sắc thể này được gọi là cặp nhiễm sắc thể giới tính, giữ vai trò cơ bản trong việc xác định giới tính của sinh vật. Tất cả các nhiễm sắc thể khác được gọi là nhiễm sắc thể thường.
Thông thường giới cái có hai nhiễm sắc thể X, trong khi giới đực có một X và một Y. Bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội của ruồi giấm là 2n = 8 (4 cặp), nên con cái có 3 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính XX, con đực có 3 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính XY.
Tương tự, bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội của người là 2n = 46 (23 cặp), nữ giới có 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể XX, nam giới có 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp XY. Khi cá thể cái giảm phân tạo giao tử, tất cả các trứng đều sẽ nhận được một nhiễm sắc thể X. Khi cá thể đực giảm phân tạo tinh trùng, một nửa tinh trùng được hình thành có nhiễm sắc thể X và một nửa có nhiễm sắc thể Y. Như vậy, tất cả các trứng đều có nhiễm sắc thể giống nhau còn tinh trùng gồm hai loại với số lượng bằng nhau. Khi sự thụ tinh xảy ra, xác suất để trứng được thụ tinh bởi tinh trùng X bằng với xác suất được thụ tinh bởi tinh trùng Y = 50%. Nếu trứng được thụ tinh bởi tinh trùng X, hợp tử sẽ là XX và sẽ phát triển thành con cái. Nếu trứng được thụ tinh bởi tinh trùng Y, hợp tử sẽ là XY và sẽ phát triển thành con đực.
P: XX (cái) x XY (đực) Giao tử: X, X ; Y
F1: XX (1 cái) : XY (1 đực)
Như vậy giới tính của một cá thể thường được xác định vào thời điểm thụ tinh và tùy thuộc vào loại tinh trùng nào thụ tinh cho trứng. Hệ thống X -Y (giới cái là XX và giới đực là XY) là đặc điểm của nhiều loài động vật (bao gồm tất cả các động vật hữu nhũ) và hệ thống này cũng thấy ở các thực vật phân tính.
Ở chim, bướm, một số loài cá có một hệ thống ngược lại (giới cái là XY và giới đực là XX). Ở châu chấu, dế, gián, chỉ có một loại nhiễm sắc thể giới tính X (giới cái là XX, giới đực là XO). Ong và kiến không có nhiễm sắc thể giới tính (con cái phát triển từ trứng thụ tinh - là cá thể lưỡng bội, con đực phát triển từ trứng không thụ tinh -
những tính trạng được kiểm soát bởi các gen trên nhiễm sắc thể thường. Cá thể cái có hai bản sao (2 alen) của mỗi gen liên kết giới tính, mỗi bản sao nhận từ một cá thể bố hoặc mẹ. Con đực chỉ có một bản sao của mỗi gen và bản sao này luôn luôn nhận từ mẹ vì bố chỉ cung cấp nhiễm sắc thể Y cho con trai. Do đó ở con đực, các gen lặn không bị lấn át sẽ luôn luôn biểu hiện ra kiểu hình vì vậy kiểu hình lặn xuất hiện ở giới đực phổ biến hơn là ở giới cái.
Nhà di truyền học người Mỹ là Thomas Hunt Morgan là người đầu tiên sử dụng ruồi giấm vào việc nghiên cứu di truyền liên kết giới tính (vào năm 1910). Tính trạng đột biến đầu tiên Morgan quan sát được trên ruồi giấm là màu mắt trắng. Tính trạng này được kiểm soát bởi alen lặn w, màu mắt đỏ ở ruồi hoang dại được kiểm soát bởi alen trội W. Nếu một ruồi cái đồng hợp có mắt màu đỏ được lai với một ruồi đực mắt trắng, tất cả các cá thể F1 (không phân biệt giới tính) đều có mắt màu đỏ vì chúng đều nhận một nhiễm sắc thể X mang alen W từ mẹ (cá thể cái cũng nhận được alen w từ bố nhưng vì W trội nên lấn át sự biểu hiện của w, còn cá thể đực chỉ nhận từ bố một nhiễm sắc thể Y không mang gen qui định màu mắt). Ở phép lai ngược lại, thế hệ bố mẹ là ruồi cái mắt trắng và ruồi đực mắt đỏ, ở F1 tất cả các ruồi cái đều có mắt đỏ còn toàn bộ ruồi đực đều có mắt trắng.
So sánh kết quả của hai phép lai này chúng ta thấy rõ trong trường hợp có sự di truyền liên kết giới tính, kết quả của phép lai thuận và nghịch khác nhau tùy thuộc vào kiểu hình của bố và mẹ. Ngược lại trong trường hợp gen nằm trên nhiễm sắc thể thường, kết quả của phép lai thuận và nghịch hoàn toàn giống nhau. Ta có sơ đồ lai sau:
P GT F1
XWXW (cái đỏ) x XwY (đực trắng)
XW Xw , Y
XW Xw ; XW Y (100% đỏ)
P GT F1
XwXw cái trắng x XWY (đực đỏ) Xw XW , Y
XW Xw Xw Y (1 cái đỏ) (1 đực trắng)
Hai trường hợp được biết rõ nhất về các tính trạng lặn liên kết giới tính ở người là bệnh mù màu và bệnh máu khó đông. Các tính trạng này biểu hiện ở nam nhiều hơn ở nữ.
b. Gen trên nhiễm sắc thể Y: Các gen nằm trên nhiễm sắc thể Y nhưng không có trên nhiễm sắc thể X được gọi là gen holandric. Các tính trạng do chúng kiểm soát dĩ nhiên là chỉ xuất hiện ở giới đực. Ở người nhiễm sắc thể Y có một ít gen.
2.2. Di truyền liên kết 2.2.1 Liên kết gen
Trong mỗi tế bào số lượng gen lớn hơn rất nhiều so với số lượng nhiễm sắc thể (mỗi nhiễm sắc thể có đến hàng trăm hoặc hàng ngàn gen). Các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể có khuynh hướng di truyền cùng với nhau trong các phép lai và chúng được gọi là các gen liên kết. Tất cả các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể tập hợp thành một nhóm gen liên kết.
Chúng ta hãy xem một thí nghiệm khác của Morgan trên ruồi giấm để xem liên kết gen ảnh hưởng như thế nào đến sự di truyền của hai cặp tính trạng màu thân và dạng cánh. Ruồi kiểu dại có thân xám, cánh dài. Kiểu hình đột biến về hai tính trạng này là thân đen, cánh ngắn. Các alen kiểm soát các tính trạng này được ký hiệu: B = thân xám, b = thân đen, V = cánh dài, v = cánh ngắn. Morgan cho lai giữa ruồi đực dị hợp về hai tính trạng (BbVv) với ruồi cái có hai tính trạng lặn (bbvv). Nếu theo định luật phân ly độc lập của Mendel, phép lai này sẽ cho ra bốn loại kiểu hình ở đời con