Đề cương di truyền học 1. Tế bào là đơn vị cơ sở của sinh giới Học thuyết tế bào khẳng định tất cả các sinh vật được cấu tạo từ các tế bào (J.Schleiden 1938, T.Schwann 1939). 1958, R.Virchov phát triển thêm: tất cả các tế bào đều bắt nguồn từ những tế bào sống trước nó và không có sự hình thành tế bào ngẫu nhiên từ chất vô sinh Học thuyết tế bào hiện đại khẳng định: tất cả các sinh vật đều cấu tạo nên từ tế bào và các sản phẩm của tế bào, những tế bào mới được tạo nên từ sự phân chia của những tế bào trước nó, có sự giống nhau căn bản về thành phần hóa học và các hoạt tính trao đổi chất giữa tất cả các loại tế bào và hoạt động của cơ thể là sự tích hợp hoạt tính của các đơn vị độc lập Sinh giới có nhiều mức độ tổ chức khác nhau. Tế bào là cấu trúc nhỏ nhất có biểu hiện đầy đủ các tính chất của sự sống. Các sinh vật có cấu trúc hóa học phức tạp, chúng được tổ chức lại trong phức hệ phân tử của nhiều bào quan với những chức năng chuyên biệt khác nhau để hình thành tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống Các đặc tính của sự sống chỉ biểu hiện thống nhất, đồng bộ, hài hòa, đầy đủ ở mức tế bào và cao hơn. Di truyền là một đặc tính của tế bào, liên quan chặt chẽ với các cấu trúc phức tạp, nhờ nguồn năng lượng và sự sinh sản của tế bào. Tính di truyền biểu hiện trọn vẹn ở mức tế bào, ngược lại, nhờ có tính di truyền mà hệ thống cấu trúc tinh vi và sự biến đổi năng lượng phức tạp của tế bào được tái tạo 2. Đặc điểm của bệnh di truyền gen lặn và gen trội trên NST thường? * 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 thừa ngón, a quy định ngón bình thường. Đặc điểm quan trọng của các bệnh di truyền 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 tyrosine. 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. 3. 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 nguyên 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. DNA là chất mang thông tin di truyền Năm 1868, Frederich Miescher (Thụy Điển) phát hiện ra trong nhân tế bào bạch cầu một chất không phải là protein và gọi là nuclein. Do có tính acid nên gọi là acid nucleic. Acid nucleic có 2 loại là desoxyribonucleic (DNA) và ribonucleic (RNA) Năm 1914, R. Feulgen (nhà hóa học người Đức) tìm ra phương pháp nhuộm màu đặc hiệu đối với DNA. Sau đó, các nghiên cứu cho thấy DNA của nhân giới hạn trong NST. Nhiều sự kiện cho gián tiếp cho thấy DNA là chất di truyền. Mãi đến năm 1944 vai trò mang thông tin di truyền của DNA mới được chứng minh và đến năm 1952 mới được công nhận 1.1. Chứng minh gián tiếp - DNA có trong tế bào của tất cả các vi sinh vật, thực vật, động vật chỉ giới hạn ở trong nhân và là thành phần chủ yếu của NST - Tất cả các tế bào dinh dưỡng của bất kỳ một loại sinh vật nào đều chứa một lượng DNA rất ổn định, không phụ thuộc vào sự phân hóa chức năng hoặc trạng thái trao đổi chất. Ngược lại, số lượng RNA lại biến đổi tùy theo trạng thái sinh lý của tế bào - Số lượng DNA tăng theo số lượng bội thể của tế bào. Ở tế bào sinh dục đơn bội (n) số lượng DNA là 1, thì tế bào dinh dưỡng lưỡng bội (2n) có số lượng DNA gấp đôi - Tia tử ngoại (UV) có hiệu quả gây đột biến cao nhất ở bước sóng 260nm. Đây chính là bước sóng DNA hấp thu tia tử ngoại nhiều nhất 1.2. Chứng minh trực tiếp (biến nạp) Hiện tượng biến nạp do Griffith phát hiện vào năm 1928 ở vi khuẩn Diplococcus pneumoniae (gây sưng phổi ở động vật có vú). Vi khuẩn này có hai dạng: Dạng S (gây bệnh): có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, ngăn cản bạch cầu phá vỡ tế bào, tạo khuẩn lạc láng trên môi trường agar. Dạng R: không có vỏ bao tế bào bằng polysaccharid, tạo khuẩn lạc nhăn Thí nghiệm được tiến hành như sau: - Tiêm vi khuẩn dạng S sống gây bệnh cho chuột, sau một thời gian nhiễm bệnh, chuột chết - Tiêm vi khuẩn dạng R sống không gây bệnh cho chuột, chuột sống - Tiêm vi khuẩn dạng S bị đun chết cho chuột, chuột chết - Tiêm hỗn hợp vi khuẩn dạng S bị đun chết trộn với vi khuẩn R sống cho chuột, chuột chết. Trong xác chuột chết có vi khuẩn S và R Hình 2.1. Thí nghiệm biến nạp ở chuột Hiện tượng trên cho thấy vi khuẩn S không thể tự sống lại được sau khi bị đun chết, nhưng các tế bào chết này đã truyền tính gây bệnh cho tế bào R. Hiện tượng này gọi là biến nạp. Đến 1944, ba nhà khoa học T. Avery, Mc Leod, Mc Carty đã tiến hành thí nghiệm xác định rõ tác nhân gây biến nạp. Nếu tế bào S bị xử lý bởi protease hoặc RNAase. thì hoạt tính biến nạp vẫn còn, cứng tỏ RNA và protein không phải là tác nhân gây bệnh. Nhưng nếu tế bào chết S bị xử lý bằng DNAase thì hoạt tính biến nạp không còn nữa, chứng tỏ DNA là nhân tố biến nạp. Kết quả thí nghiệm được tóm tắc như sau: DNA của S + tế bào R sống → chuột → chuột chết (có S, R ) Kết luận: hiện tượng biến nạp là một chứng minh sinh hóa xác nhận rằng DNA mang tín hiệu di truyền. Nhưng vai trò của DNA vẫn chưa được công nhận vì cho rằng trong các thí nghiệm vẫn còn một ít protein Hình 2.2. Vật chất di truyền của phage là DNA Năm 1952, A. Hershey và M. Chase đã tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T 2 xâm nhập vi khuẩn E.coli. Phage T 2 cấu tạo gồm vỏ protein bên ngoài và ruột DNA bên trong. Thí nghiệm này nhằm xác định xem phage nhiễm vi khuẩn đã bơm chất nào vào tế bào vi khuẩn: chỉ DNA, chỉ protein hay cả hai. Vì DNA chứa nhiều phosphor, không có lưu huỳnh; còn protein chứa lưu huỳnh nhưng không chứa phosphor nên có thể phân biệt giữa DNA và protein nhờ đồng vị phóng xạ. Phage được nuôi trên vi khuẩn mọc trên môi trường chứa các đồng vị phóng xạ P 32 và S 35 . S 35 xâm nhập vào protein và P 32 xâm nhập vào DNA của phage Thí nghiệm: phage T 2 nhiễm phóng xạ được tách ra và đem nhiễm vào các vi khuẩn không nhiễm phóng xạ, chúng sẽ gắn lên mặt ngoài của tế bào vi khuẩn. Cho phage nhiễm trong một khoảng thời gian đủ để bám vào vách tế bào vi khuẩn và bơm chất nào đó vào tế bào vi khuẩn. Dung dịch được lắc mạnh và ly tâm để tách rời tế bào vi khuẩn khỏi phần phage bám bên ngoài vách tế bào. Phân tích phần trong tế bào vi khuẩn thấy chứa nhiều P 32 (70%) và rất ít S 35 , phần bên ngoài tế bào vi khuẩn chứa nhiều S 35 và rất ít P 32 . Thế hệ mới của phage chứa khoảng 30% P 32 ban đầu Thí nghiệm này đã được chứng minh trực tiếp rằng DNA của phage T 2 đã xâm nhập vào tế bào vi khuẩn và sinh sản để tạo ra thế hệ phage mới mang tính di truyền có khả năng đến nhiễm vào các vi khuẩn khác. Hình 2.3. Sự xâm nhập DNA của virus vào vi khuẩn 4. Trình bày cấu trúc của AND? 3.1. Cấu trúc phân tử của ADN 3.1.1. Cấu trúc hóa học của ADN Phân tử ADN gồm những đơn vị gọi là nucleotid. Mỗi nucleotid gồm 1 phân tử đường 5C, 1 nhóm phosphat và 1 baz có N. Theo qui ước, 5 carbon của đường được đánh số từ 1 đến 5. Nguyên tử carbon trong đường của nucleotid được đánh số 1' đến 5' theo chiều kim đồng hồ từ nguyên tử oxy. Dấu (') xác định rằng carbon thuộc về đường đúng hơn là thuộc base Hình 2.5. Cấu trúc hóa học của ADN Hình 2.6. Sự đánh số nguyên tử carbon ở nucleotide Một nhánh phosphate Có 4 loại nucleotid khác nhau bởi các baz N. Hai baz Adenin và Guanin là các purin, có cấu trúc vòng đôi, còn Timin và Cytosin là các pyrimidin có cấu trúc vòng đơn. Trong phân tử ADN các nucleotid được sắp xếp theo một trình tự đặc biệt, đó là các phân tử đường nối với nhau bởi các nhóm phosphat liên kết với C3 của đường này và với C5 của đường kế tiếp thành chuỗi, các baz N được sắp xếp phía ngoài chuỗi Phân tử ADN thường gồm 2 sợi được nối với nhau bằng liên kết hydro giữa các baz (cơ cấu bậc thang). Những liên kết này chỉ xảy ra giữa cytosine và guanin hoặc giữa timin và adenin. Do vậy, trình tự của các baz trên sợi này xác định trình tự bổ sung trên sợi còn lại Tính chất bổ sung giữa các cặp base dẫn đến tính chất bổ sung giữa hai chuỗi polynucleotide của DNA. Do đó biết thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi này sẽ suy ra thành phần, trật tự sắp xếp của các nucleotide trên chuỗi kia. Cần lưu ý rằng sự phân cực của hai sợi là ngược chiều nhau: 1 sợi từ 5’ đến 3’, còn 1 sợi từ 3’ đến 5’. Phân tử sợi đôi xoắn lại làm thành cấu trúc xoắn kép nhờ các liên kết hydro. * Cấu trúc không gian của DNA - mô hình của Watson & Crick Trong năm 1950 hầu như người ta chưa biết gì về sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử trong phân tử ADN cũng như là không biết làm thế nào phân tử này có thể chứa đựng thông tin cần thiết để tự nhân đôi và điều khiển các chức năng của tế bào. Vào khoảng thời gian này nhiều nhà khoa học bắt đầu ứng dụng kỹ thuật phân tích sự nhiễu xạ tia X để nghiên cứu ADN. Nổi bật trong số đó là R. Franklin và F. Wilkins. Họ đã thành công trong việc tạo ra những mẫu nhiễu xạ tia X sắc nét hơn những mẫu đã có từ trước. Sau đó C. Crick dùng phương pháp toán học để phân tích các ảnh nhiễu xạ ADN đã cho thấy tinh thể ADN phải là một xoắn với 3 chu kỳ chính có lặp lại là 0,34nm; 2,0nm và 3,4nm Hình 2.7. Mô hình cấu trúc của DNA Từ những gì đã biết về thành phần hóa học của ADN, những thông tin về nghiên cứu sự nhiễu xạ tia X của ADN, về khoảng cách chính xác giữa các nguyên tử liên kết nhau trong phân tử, các góc giữa các liên kết và kích thước của các nguyên tử, J. Watson và C. Crick đã xây dựng một mô hình cấu trúc của phân tử . Đề cương di truyền học 1. Tế bào là đơn vị cơ sở của sinh giới Học thuyết tế bào khẳng định tất cả các sinh. 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