1 Mở đầu Mục tiêu: - Khái quát môn học - Vị trí của các môn học trong các môn cơ sở - Ý nghĩa đối với chọn giống, nông nghiệp hiện đại. I. Đối tượng và nhiệm vụ của di truyền học, thế nào là di truyền học hiện đại - Di truyền học nghiên cứu hai tính chất cơ bản, gắn liền của cơ thể sống: tính di truyền và tính biến dị. - Sự thống nhất biện chứng của hai tính chất này thể hiện ở tất cả các mức độ tổ chức của sự sống: phân tử, tế bào, cá thể và quần thể. - Mọi cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của cơ thể sống đều được kiểm tra bởi các gen. ->Di truyền học đề cập đến những vấn đề cơ bản và bao trùm nhất của sự sống. - Di truyền học hiện đại là một khoa học nghiên cứu về gen ở những cấu độ khác nhau. 1.V ề phươ ng di ện lý luận, di truyền học tập trung g i ải quyết những vấn đề cơ b ản sau: - Vấn đề tàng trữ TTDT: Nghiên cứu về cơ sở vật chất, cấu trúc, tổ chức của bộ máy di truyền: gen - NST- genom - cấu trúc di truyền của quần thể. - Vấn đề thực hiện TTDT: Cơ sở biểu hiện của gen, điều hoà hoạt động của gen, vấn đề thể hiện kiểu hình của tính trạng trong mối tương tác kiểu gen - môi trường. - Vấn đề về cơ chế truyền đạt TTDT qua các thế hệ: Cơ chế phát sinh các dạng đột biến, cơ chế biến đổi định hướng, chuyển nạp gen 2. V ề phươ ng di ện ứng dụng, di truyề n h ọc tập trung giải quyết những vấn đề c ơ b ản sau: - Ứng dụng những cơ sở lý luận về di truyền để tuyển chọn ra những phương thức lai tối ưu nhất, phù hợp với từng đối tượng cụ thể. -Tuyển lựa ra những phương thức chọn lọc hiệu quả nhất để thu sản phẩm: tế bào, dòng, quần thể 2 - Điều khiển sự phát triển của tính trạng di truyền - Gây các đột biến thực nghiệm, chuyển nạp gen, bảo vệ và sửa chữa những hỏng hóc di truyền. II. Các giai đoạn phát triển của di truyền học. 1. Giai đ o ạn trước Menđ en và s ự ra đờ i công trình c ủa Menđ en: - Thế kỷ thứ V trước CN: + Hippocrate (thuyết di truyền trực tiếp) Vật liệu sinh sản được thu nhận từ tất cả các phần của cơ thể -> tất cả các cơ quan đều trực tiếp ảnh hưởng tới các tính trạng của hậu thế. - Thế kỷ thứ IV trước CN: Vật liệu sinh sản không thu nhận từ các bộ phận của cơ thể mà được tạo ra từ chất dinh dưỡng, mà về bản chất chúng ấn định cho sự cấu tạo các phần khác nhau của cơ thể. - Darwin (1809-1882) - Thuyết pangen: Mỗi phần của cơ thể đều sinh sản ra những phần tử nhỏ gọi là chất mầm(genmule), từ các phần của cơ thể chúng theo máu tập trung vềcơ quan sinh dục, qua đó các tính trạng được truyền đạt cho hậu thế. Mỗi cá thể sinh ra do sự hoà hợp đặc tính di truyền của cả bố và mẹ. -1865 Menđen - các thí nghiệm lai ở thực vật: Međen đã chứng minh: sự di truyền có tính giai đoạn, được kiểm tra bởi các nhân tố di truyền mà sau này gọi là gen -> đạt nền móng cho sự phát triển của di truyền học. 2. Giai đ o ạn phát triển của di truyền học kinh đ i ển: - 1900, Hugo de Vries (Hà Lan), Erich Karl Correns (Đức) và E. von Tschermark (Áo) độc lập phát hiện ra các quy luật Menđen -> 1900 - năm khai sinh của di truyền học. -1902, W. Bateson và L. Cuenot: chứng minh quy luật Menđen ở động vật. - 1909 W. Bateson dẫn tới 100 tính trạng ở thực vật và động vật di truyền theo các quy luật Menđen. - 1901, Hugo de Vries đưa ra thuyết đột biến. - Đầu thế kỷ 20 hình thành các quan điểm đầu tiên về vai trò cảu NST đối với sự di truyền. - 1911, T.H. Morgan + cs xây dựng thuyết di truyền NST 3 - 1920, N.I.Vavilov (Nga) thiết lập quy luật “dãy biến dị tương đồng”. - 1925, G.A.Nadson và G.S. Philipov phát hiện ảnh hưởng gây đột biến phóng xạ - 1933, T. Painter phát hiện ra NST khổng lồ -> cơ sở cho nghiên cứu đột biến cấu trúc NST và thiết lập bản đồ tế bào học của NST. 3. S ự phát triển của di truyền học phân tử v à k ỹ thuật di truyền: -1944, O. Avery, MC Leod và Mc Carty chứng minh ADN là vật chất di truyền -> sự ra đời của di truyền học phân tử. -1953, J. Oatson và F. Cric phát minh ra mô hình cấu trúc phân tử của ADN. - Những năm 60 xác định toàn bộ 60 codon - 1961, F. Jacod, J. Monod đưa ra mô hình operon giải thích cơ chế điều hoà sao mã ở vi khuẩn -> nghiên cứu về cơ chế điều hoà hoạt động của gen. - Từ những năm 70 nhiều tri thức mới trong di truyền ra đời. III. Các phương pháp nghiên cứu di truyền: - Phương pháp lai - Phương pháp toán học - Phương pháp tế bào học - Phương hpáp vật lý, hoá học và sinh học khác IV. Ý nghĩa của di truyền học đối với chọn giống và phát triển một nền nông nghiệp bền vững. - Ý nghĩa lớn đối với thực tiễn và các môn khoa học khác (y học, sinh thái ) - Di truyền học là phương thức luận cơ bản của tiến hoá, đặc biệt là cơ sở của chọn giống. 4 Chương 1: Cấu trúc và tái bản vật chất di truyền ở mức độ phân tử, tế bào Mở đầu: ADN là vật chất mang thông tin di truyền. Thực nghiệm trực tiếp chứng minh vật chất di truyền là ADN. a. Hi ện tượng biến nạp Thí nghiệm của Griffith (1928): thí nghiệm trên vi khuẩn diplococcus pneumococcus. Gồm: + dạng có vỏ polysacarit độc, gây bệnh (S) + dạng không có vỏ bọc, lành (R) Tiêm cho chuột : + dòng R hoặc dòng S bị chết do nhiệt -> chuột không nhiễm bệnh. + dòng R + dòng S bị chết do nhiệt -> chuột chết. -> Kết kuận: tế bào vi khuẩn nòi R đã nhận được đặc tính tạo vỏ ở nòi S. - 1994, Oswald Avery, Colin Malead và Maclyn MC Carti đã tách ADN từ nòi S đưa vào môi trường nuôi cấy nòi R -> xuất hiện nòi S-> ADN nòi S đã biến nạp vào nòi R -> Rb có tính tạo vỏ. Kết luận : ADN là vật chất di truyền b. Các ch ứng minh tr ên th ực khuẩn thể - 1952, Alfred Hershey và Martha Chase: - 2 mẫu virus: + một mẫu trên ADN được đánh dấu bằng 32 P + mẫu kia trên protein được đánh dấu bằng 35 S Sau 1 chu kỳ sinh sản khi cho E. coli phát triển trên môi trường đồng vị phóng xạ 32 P và 35 S được dùng làm chất đánh dấu đặc thù để phân biệt ADN và protein. 1 dòng E. coli được lây nhiễm phage đánh dấu 32 P và dòng kia 35 S. Kết quả: 35 S nằm lại ngoài tế bào vi khuẩn với vỏ bọc virus trống rỗng. 32 P nằm bên trong tế bào -> vi khuẩn sinh sản cho thế hệ virus mới Kết luận: vật chất di truyền của virus là ADN chứa không phải protêin - Virus khảm thuốc lá chứa ARN. Chúng sử dụng ARN như vật chất di truyền 1.1. C ấu trúc ADN 1.1.1. Thành ph ần hoá học v à c ấu trúc khô ng gian c ủa ADN 5 * Thành ph ần hoá học: ADN là phân tử trùng hợp lớn (polymer), gồm nhiều đơn phân (monomer) gọi là nucleotit, mỗi nucleotit gồm: + Đường pentose, 5 cacbon (deoxyribose –C 5 H 10 O 4 + Nhóm photphát + Bazơ nitơ - Nhóm photphat gắn vào C số 5 ’ của deoxyribose, bazơ nitơ gắn vào C số 1 ’. Có 4 loại nucleotit: + Dẫn xuất của purin:  Adenin (A)  Guanin (G) + Dẫn xuất của pyrimidin:  Timin (T)  Xytodin (X) Các nucleotit được nối với nhau thành chuỗI polypeptit. Nhóm photphat liên kết với C số 5 ’ ở 1 đường tiếp theo (liên kết photphodieste) -> đầu 5 ’ (5 ’ – P) và đầu 3 ’ (3 ’ – OH). (Hình 2.3 – tr51) - [A] + [G] = [T] + [C] - [A] = [T] ; [G] = [C] - Tỷ lệ A+T - 1 chỉ số đặc trưng của loài (tỷ số bazơ) G+C *C ấu trúc không gian (Hình 2.4 - tr 52) -1953, James Watson và Fransis Cric: + Hai mạch đơn polynucleotit xoắn nhau-> chuỗi xoắn kép, trong đó bazơ nitơ mạch này liên kết với bazơ nitơ mạch kia bằng cầu nối hiđrô, theo nguyên tắc bổ sung. + Mỗi vòng của chuỗi xoắn kép gồm 10 cặp bazơ, l= 34A 0 -> khoảng cách giữa 2 bazơ liền nhau là 3,4A 0 = 0,34nm. + Các vòng xoắn nối tiếp nhau và cuốn quanh 1 trục dọc chung, các bazơ nằm ngang song song và vuông góc với trục của chuỗi xoắn kép. 6 + Hai sợi trong phân tử ADN có hướng ngược nhau -> tính chất phân cực đối ngược, song song ngược chiều nhau của hai sợi. (Hình 25- tr53) + Chiều xoắn: * Dang Watson Crick - dạng B - xoắn phải: các cặp bazơ nằm thẳng góc với trục chuỗi xoắn. * Dạng Z - xoắn trái, mỗi vòng xoắn 12 cặp bazơ * Dạng A, C: khác nhau về số cặp bazơ ở chu kỳ xoắn và độ nghiêng. 1.1.2. Nh ững đ òi h ỏi tất yếu của vật chất di truyền mà ADN đáp ứng được. - Vật chất di truyền phải tàng trữ tất cả thông tin cần thiết để điều khiển những cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của tế bào. - Vật chất di truyền được tái bản một cách chính xác để truyền đạt thông tin cho các thế hệ tế bào sau. - Vật chất di truyền phải có khả năng xảy ra và ghi nhận những biến đổi, thông tin khi đã biến đổi phải được ổn định và di truyền được. 1.2. Các dạng kiến trúc các trật tự nuclêotit trong ADN nhiễm sắc thể 1.2.1. ADN ki ến trúc đơn bản Là phần ADN chính của genom. 1.2.2. Các d ạng ADN kiến trúc lặp bản, các ý nghĩa của chúng - ADN có các trật tự lặp lại với bội số trung và cao. + Trung bình: số bản sao 20-50 + Cao: số bản sao 250 –6000 hoặc 10 5 - ADN có các trật tự lặp lại với bội số rất cao :10 6 bản - Ý nghĩa: Tham gia vào quá trình tiếp hợp của đôi NST tương đồng, tham gia vào quá trình trao đổi chéo gen, quá trình tái cấu trúc của NST và quá trình hoạt hoá gen. Ngoài ra còn bảo vệ các gen qua trọng, bảo toàn khối liên kết gen 1.3. Tái bản ADN 1.3.1. Nguyên lý b ản bảo to àn - Trong cơ chế tái bản bán bảo toàn, chuỗi xoắn kép được tách ra 2 mạch đơn, mỗi mạch đơn của ADN gốc được dùng làm khuôn cho tổng hợp 1 mạch mới. Kết quả 2 chuỗi kép được hình thành, mỗi một trong chúng chứa một mạch gốc và một mạch mới. 7 - Thí nghiệm của Meselson – Stahl (1957): Dựa vào hiệu lực của đồng vị phóng xạ nặng 15 N và kỹ thuật tách các đại phân tử trên cơ sở trọng lượng: (Hình 2.7 – tr55) + Nuôi E. coli qua một số thế hệ với nguồn độc nhất chứa 15 N. + Đặt một mẫu các tế bào vi khuẩn chứa 15 N trong môi trường 14 N đến khi ADN tái bản trở lại -> đưa ADN này vào ly tâm siêu tốc. + Một thế hệ thứ 2 lại được cho phát triển trong môi trường 14 N -> ADN lại được đưa vào siêu ly tâm. (Dung dịch chloride cesium – Cscl-> được dùng trong siêu ly tâm, nó tạo thành 1 gradien nồng độ liên tục. Khi cho ADN vào chúng sẽ lắng xuống với 1 hàm lượng tương đương với nồng độ chúng). -> Kết quả: + Các mẫu thí nghiệm chứa nhiều ADN nhẹ hơn. + Nồng độ của ADN thế hệ thứ nhất = ½ ADN ban đầu và nhẹ bình thường -> ADN chứa 1 sợi cũ (nặng) và 1 sợi mới (nhẹ). + Thế hệ thứ 2 chứa một nửa của một nửa ADN nặng và 1 nưả ADN nhẹ. Kết luận: ADN được tái bản theo kiểu bán bảo toàn 1.3.2. Cơ chế tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ – sinh v ật nhân chuẩn a. H ệ enzim tái bản ADN Vi khu ẩn * ADN – polymerase I : 400 phân tử trong 1 tế bào, TLPT- 109.000 dalton Chức năng: sửa chữa ADN * ADN - polymerase II: 100 phân tử trong 1 tế bào. TLPT- 120.000 dalton Chức năng: xác định sự bắt đầu tổng hợp 1 phân đoạn mới ADN và kết thúc sự tổng hợp ADN. * ADN - polymerase III: 10 phân tử trong 1 tế bào. TLPT- 180.000 dalton. Chức năng: gia tăng chiều dài của sợi mới được tổng hợp. T ế b ào nhân chu ẩn * ADN - polymerase : 120.000 – 300.000 dalton Chức năng : tái bản ADN của nhân * ADN - polymerase :30.000-50.000 dalton Chức năng : sửa đổi ADN * ADN - polymerase : 150.000 –300.000 dalton. Chức năng: tái bản hệ gen ty thể. 8 b. Cơ chế tái bản ADN theo Okazaki (tái bản nửa gián đoạn) - Quá trình tái bản ở vi khuẩn và tế bào nhân chuẩn là tương tự nhau. Tuy nhiên ở tế bào nhân chuẩn xảy ra phức tạp hơn. - Quá trình tháo xoán chuỗi kép: + Enzim topoizomerase tham gia vào sự cắt ADN ở 1 sợi và nhanh chóng khôi phục khía đứt. + ADN helicase tham gia vào tháo duỗi xoắn của chuỗi kép -> tạo mạch đơn. + Protêin tham gia vào việc căng, ổn định đoạn ADN có cấu trúc mạch đơn (SSB- single Stand binding). Mỗi SSB bám vào 8 bazơ của sợi đơn ADN. Chặc tái bản: - Vi khuẩn (Hình 2.8 – tr56) - Tế bào nhân chuẩn : (Hình 2.11 – tr58) - Quá trình lắp ráp các nuleotit ở chạc tái bản: + Khởi đầu tái bản ADN bằng ARN - mồi: Enzim ARN - polymerase hoạt động tổng hợp nên đoạn ARN mồi ngắn (trình tự bazơ trong ARN mồi được định hướng theo trình tự nucleotit của sợi ADN khuôn), tạo ra đầu 3 ’ OH tự do, để sau đó enzim polymerase III bắt đầu hoạt động tái bản. + Loại bỏ ARN mồi và hình thành những phân đoạn okazaki: ADN polymerase I có hoạt động loại bỏ ARN mồi nhờ cắt từ đầu 5 ’ –3 ’ và thay vào chỗ của ARN mồi 1 đoạn ADN khác. 1969,R. Okazaki chứng minh kiểu tái bản nửa gián đoạn của ADN: Bằng cách đánh dấu nhanh ADN đang tái bản với 3H - thimidin Okazaki đã chứng minh: ADN mới tái bản đều ở dạng những đoạn ngắn từ 1000 - 2000 Nu (đoạn okazaki). Đoạn okazaki được bắt đầu bằng một đoạn ngắn (10 đơn vị), ARN mồi. Đoạn mồi dùng làm chất mồi kéo dài tiếp chuỗi polydeoxyribonucleotit, Nu gắn vào đầu 3 ’ –OH tự do và kéo dài, theo chiều 5 ’ –3 ’ .Sau khi loại bỏ ARN và lấp đầy khoảng trống dưới tác dụng của ADN- polymerase I các đoạn okazaki được nối lại với nhau bằng enzim nối ADN ligase. 9 Sợi ADN được tổng hợp bằng cách nối các đoạn okazaki gọi là sợi ra chậm, là sợi được tổng hợp không liên tục, dùng khuôn cũ, chiều 5 ’ –3 ’ . Sợi kia được tổng hợp liên tục, dựa trên khuôn sợi cũ, chiều 3 ’ –5 ’ (chiều mở của chạc ba) gọi là sợi dẫn đầu, đây là sợi mang đoạn mồi. -> Đó là kiểu tái bản nửa gián đoạn. + Nối các đoạn okazaki nhờ enzim nối ligase: ADN polymerase III vừa hoàn thành tổng hợp đoạn mới, sẽ tách khỏi ADN và ADN - polymerase I sẽ thế chỗ, tiếp tục tổng hợp phân đoạn mồi theo chiều 5 ’ –3 ’ , đồng thời do hoạt tính exonuclease, nó loại bỏ đoạn mồi của đoạn okazaki trước đó theo chiều 5 ’ –3 ’ . Khi ADN polymerase I kết thúc, tồn tại khe hở giữa 2 đoạn okazaki liền nhau mới hình thành. Khe hở được lấp kín bởi xúc tác của enzim nối (ADN ligase). (Hình 2.10- tr57) -> Ở nhân chuẩn khác vi khuẩn: - Hệ thống các yếu tố tham gia vào quá trình tái bản ở tế bào nhân chuẩn phức tạp hơn nhiều. - Quá trình tái bản ở các NST ở tế bào nhân chuẩn xảy ra không đồng thời, xảy ra tại nhiều điểm, thời gian tái bản lâu hơn. 1.3.3.Tái b ản ADN theo cơ chế v òng l ăn: Tái bản bắt đầu từ một điểm cắt trên 1 sợi của chuỗi xoắn kép.Từ điểm cắt mở ra đầu 3 ’ -OH và đầu 5 ’ –P. Sự tổng hợp mới bắt đầu bằng sự lắp ráp vào đầu 3 ’ –OH, đồng thời đầu 5 ’ –P dịch khỏi vòng và sự lắp ráp được tiến hành theo những đoạn nhỏ. Khi sự chuyển động kết thúc 1 vòng, thì 1vòng ADN mới được hoàn tất. (Hình 2.13 – tr60) 1.4. Tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn 1.4.1. Đặc điểm cấu trúc NST ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn) - Trong tế bào sinh vật nhân sơ nhân chưa được hình thành hoàn chỉnh, chưa có màng bao bọc. - Cấu trúc của tế bào vi khuẩn điển hình bao gồm một khối nguyên sinh, trong đó có thể nhân, trong thể nhân phân tử ADN cụm lại được bao bọc quanh bởi chất nhân 10 (nucleoplasme), thể nhân không có màng riêng. Phân tử ADN có cấu trúc dạng vòng, được gấp và cuộn thành nhiều vòng xoắn. (Hình 1.1- tr16) - E.coli: ADN 300m được thắt vòng bởi phân tử ADN -> 25m -> 1,5m - Phương thức truyền đạt vất chất di truyền cho thế hệ sau: - Vi khuẩn sinh sản bằng phân chia đơn giản hoặc phân cắt sau quá trình tự nhân đôi của NST. - Ngoài NST chính, vi khuẩn còn có các plasmid mang ADN vòng, kép có khả năng tự sao độc lập với NST. 1.4.2. Đặc điểm cấu trúc nhân của tế b ào nhân chu ẩn - Tế bào có cấu trúc nhân hoàn chỉnh – nhân có màng bao bọc, có từ 2 NST trở lên. - ADN mạch thẳng. (Hình 1.2-tr16) - Nhân tế bào: + Màng nhân + Dịch nhân + Chất nhiễm sắc - Tiểu hạch: Phương thức truyền đạt vật chất di truyền cho thế hệ sau: Phương thức hoạt động chính xác của các NST trong nguyên phân và giảm phân với các cơ chế sinh học chặt chẽ như cơ chế tự nhân đôi, phân ly và tổ hợp của các NST. Có khối lượng nhiều loại protêin khác nhau kết hợp với ADN trong NST (80%): + Protêin histon (protêin bazơ). + Protêin không có histon (proêin axít). 1.5.Cấu trúc trên phân tử của sợi nhiễm sắc 1.5.1. Thành ph ần hoá học của sợi nhiễm sắc - ADN dài: + protêin histon (chứa các ARN - - ARN nhân) + Protêin không histon + Ion kim loại (Mg 2+ , Ca 2+ , Na + …) - Histon: là các protêin có phân tử ngắn, chứa từ 100 – 200aa. 5 loại: H 1 , H 2A , H 2B ,H 3 , H 4 . Menđen -& gt; 19 00 - năm khai sinh của di truyền học. -1 902, W. Bateson và L. Cuenot: chứng minh quy luật Menđen ở động vật. - 19 09 W. Bateson dẫn tới 10 0 tính trạng ở thực vật và động vật di truyền. nhiều vòng xoắn. (Hình 1. 1- tr16) - E.coli: ADN 300m được thắt vòng bởi phân tử ADN -& gt; 25m -& gt; 1, 5m - Phương thức truyền đạt vất chất di truyền cho thế hệ sau: - Vi khuẩn sinh sản bằng. là vật chất di truyền -& gt; sự ra đời của di truyền học phân tử. -1 953, J. Oatson và F. Cric phát minh ra mô hình cấu trúc phân tử của ADN. - Những năm 60 xác định toàn bộ 60 codon - 19 61,