Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình di truyền học
11 Lời nói đầu Đến nay, di truyền học đời trăm năm song phát triển với tốc độ nhanh chóng Đặc biệt là, vịng 50 năm lại kể từ ngày James Watson Francis Crick khám phá cấu trúc phân tử DNA, 25/4/1953 Sự hoàn thành việc giải mã di truyền hai nhóm nghiên cứu Marshall Nirenberg Har Gobind Khorana vào tháng năm 1966 đời Kỹ thuật Di truyền Công nghệ DNA tái tổ hợp vào thập niên 1970 hai kiện bật kể từ sau sinh học phân tử đời Kế đó, hồn tất Dự án Bộ gene Người vào tháng năm 2003 xem kỳ công thám hiểm vĩ đại lồi người Lần người đọc cách đầy đủ tồn trình tự 3.164.700.000 cặp base gene Tất kiện bật minh chứng điều rằng: Sự phát triển với thành tựu đạt di truyền học thời gian qua vơ to lớn! Để góp phần đổi nội dung giáo trình Di truyền học theo hướng cập nhật kiến thức phương pháp dạy học môn bậc Đại học, tham cứu nhiều tài liệu khác nỗ lực biên soạn giáo trình tinh thần Chúng tơi hy vọng giáo trình đáp ứng phần nhu cầu giảng dạy học tập giảng viên sinh viên, sử dụng tài liệu tham khảo bổ ích cho giáo viên Sinh học trường THPT bối cảnh đổi giáo dục Nội dung giáo trình gồm phần Mở đầu cộng với 12 chương bao quát kiến thức đại cương giáo trình Di truyền học Các chương 14 đề cập chủ yếu nội dung thuộc Di truyền học cổ điển, chương 5-10 tập trung vào phần Di truyền học phân tử chương 12 xem phần nhập môn Di truyền học quần thể, chương 11 kết hợp kiến thức di truyền cổ điển đại đối tượng người Cuối chương có phần Câu hỏi Bài tập Tài liệu Tham khảo để bạn đọc tiện ôn tập tra cứu Giáo trình Di truyền học đời khuôn khổ Dự án Giáo dục thuộc Đại học Huế, số kiến thức nâng cao đề cập giáo trình riêng, như: Di truyền Vi sinh vật Ứng dụng,và Công nghệ DNA Tái tổ hợp Bên cạnh đó, số thuật ngữ khoa học thống sử dụng tiếng Anh để giúp người học dễ dàng việc tiếp cận với thơng tin qua sách báo nước ngồi internet 12 Giáo trình ThS Hồng Trọng Phán (chủ biên), TS Trương Thị Bích Phượng TS Trần Quốc Dung giảng viên công tác Khoa Sinh học trường Đại học Sư phạm Đại học Khoa học thuộc Đại học Huế biên soạn, với phân cơng sau: ThS Hồng Trọng Phán biên soạn phần Mở đầu chương 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10 12; TS Trương Thị Bích Phượng biên soạn chương 7, 9; TS Trần Quốc Dung biên soạn chương 11 Để giáo trình kịp thời mắt bạn đọc, xin trân trọng cảm ơn Dự án Giáo dục Đại học Huế tài trợ cho việc biên soạn xuất giáo trình khn khổ Dự án Giáo dục Đại học mức B Chúng tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn đặc biệt đến GS TS Phan Cự Nhân, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, dày công đọc thảo cho nhiều ý kiến quý báu khích lệ nhiều kể từ đề cương giáo trình bắt đầu hình thành Do khả cịn hạn chế, chắn giáo trình cịn nhiều thiếu sót Chúng tơi mong nhận phê bình bảo đồng nghiệp bạn đọc để giáo trình hồn chỉnh lần in sau Huế, ngày 25 tháng năm 2005 Các tác giả 13 Mở đầu I Khái niệm di truyền học Theo quan niệm Bateson (1906), di truyền học (genetics) khoa học nghiên cứu đặc tính di truyền biến dị vốn có sinh vật với nguyên tắc phương pháp điều khiển đặc tính Ở đây, tính di truyền (heredity) biểu giống với cha mẹ; tính biến dị (variability) biểu sai khác cha mẹ với Cần lưu ý rằng, gene khái niệm di truyền học nội dung khái niệm gene không ngừng phát triển với phát triển di truyền học II Lược sử phát triển di truyền học Sự đời phát triển di truyền học gắn liền với cơng trình nghiên cứu Gregor Mendel năm 1865 Tuy nhiên, trước thời Mendel đặc biệt từ kỷ XVII có số kiện quan trọng sau đây: (1) Sự đời kính hiển vi sơ khai A.van Leuvenhook (1632-1723); (2) Sinh học bắt đầu phát triển mạnh vào kỷ XIX với đời thuyết tế bào M.Schleiden T.Schwann (1838,1839) thuyết tiến hóa J.B.Lamarck (1809) đặc biệt R.C.Darwin (1859) Nhìn chung, quan niệm phổ biến thời di truyền tính trạng tập nhiễm (inheritance of acquired characters) Lamarck đề xuất di truyền hòa hợp (blending inheritance), nghĩa pha lẫn "tinh cha huyết mẹ" Sự đời phát triển di truyền Mendel Từ đậu Hà Lan (Pisum sativum), với ý tưởng phương pháp nghiên cứu độc đáo, năm 1865 Gregor Mendel (Hình 1) phát quy luật di truyền sở qua suy tồn tất yếu đơn vị truyền đặc thù - nhân tố di truyền (genetic factor) - quy định tính trạng truyền từ hệ sang hệ khác mà sau gọi gene Tuy nhiên, giới khoa học đương thời khơng hiểu khơng thể đánh giá tầm vóc vĩ đại phát minh Hình G Mendel Mãi đến năm 1900, ba nhà thực vật học Carl Correns (Germany), Hugo de Vries (Netherlands) Erich von Tschermak (Austria) độc lập khám phá lại quy luật di truyền Mendel Và di truyền học thức đời từ mà người sáng lập Mendel 14 Trong năm đầu kỷ XX, nhờ ứng dụng di truyền Mendel, nhà chọn giống phát thêm tượng như: trội khơng hồn tồn, đồng trội, gene gây chết, đa allele, kiểu tương tác gene Ở giai đoạn này, thuyết đột biến H.de Vries năm 1901, cịn có hai kiện liên quan đến đời thuyết di truyền nhiễm sắc thể di truyền học quần thể sau này, khởi xướng "thuyết nhiễm sắc thể" Walter Sutton Theodor Bovary năm 1902 việc thiết lập quy luật Hardy-Weinberg năm 1908 Một số thuật ngữ thông dụng đề xuất giai đọan này, như: di truyền học (genetics) W.Bateson năm 1906, gene, kiểu gene (genotype) kiểu hình (phenotype) W.Johannsen năm 1909 Sự đời phát triển thuyết di truyền nhiễm sắc thể Từ 1910, Thomas Hunt Morgan (Hình 2) với ba cộng Alfred H.Sturtevant, Calvin Bridges Herman J Muller xây dựng thành công thuyết di truyền nhiễm sắc thể (chromosome theory of inheritance) dựa đối tượng nghiên cứu ruồi giấm Drosophila melanogaster Học thuyết xác nhận gene đơn vị sở tính di truyền nằm nhiễm sắc thể (ở nhân); gene xếp theo đường thẳng Hình T.H.Morgan tạo thành nhóm liên kết Những đóng góp đáng kể mơn đệ xuất sắc Morgan là: xây dựng đồ di truyền (Sturtevant 1913), chế xác định kiểu hình giới tính ruồi giấm (Bridges 1916) phát triển phương pháp gây đột biến tia X (Muller 1927) Với đóng góp to lớn Morgan trao giải Nobel năm 1933 Muller năm 1946 Năm 1931, Barbara McClintock (Hình 3) Harriet Creighton thu chứng vật lý trực tiếp tái tổ hợp ngơ Sau đó, tượng C Stern quan sát Drosophila Như tái tổ hợp phát mặt vật lý lẫn di truyền động vật thực vật Đến 1944, McClintock phát yếu tố di truyền vận động (transposable genetic elements), bà trao giải Nobel năm 1983 khám phá Hình B.McClintock Sự đời phát triển di truyền học phân tử Sự đời di truyền học phân tử (molecular genetics) gắn liền với khám phá DNA (deoxyribonucleic acid) từ kỷ XX đối 15 tượng nghiên cứu chủ yếu vi sinh vật Tuy nhiên, trước Friedrich Miescher (1869) khám phá hỗn hợp nhân tế bào gọi nuclein mà thành phần sau biết DNA Hình Beadle, Tatum, Jacob Monod (từ trái sang) Về mối quan hệ gene protein, từ 1902 Archibald Garrod qua nghiên cứu bệnh alcaptonuria người gợi ý tính trạng lặn Mendel, liên quan tới sai hỏng enzyme Bằng thí nghiệm gây đột biến gene liên quan đến đường sinh hóa nấm mốc Neurospora, năm 1941 George Beadle E.L.Tatum (Hình 4) xác nhận gene kiểm soát tổng hợp enzyme đặc thù Chính giả thuyết gene-một enzyme (one gene-one enzyme hypothesis) tiếng mở đường cho đời di truyền hóa-sinh, hai ơng trao giải Nobel với Joshua Lederberg năm 1958 Về sau, giả thuyết xác hóa gene xác định chuỗi polypeptid cấu trúc sơ cấp protein, có enzyme Vậy chất gene gì? Năm 1944, Oswald Avery (Hình 5) cộng MacLeod McCarty thí nghiệm biến nạp in vitro chứng minh DNA vật chất mang thông tin di truyền Năm 1949, Erwin Chargaff công bố kết thành phần hóa học DNA số lồi Hình O.T Avery Việc nghiên cứu cấu trúc phân tử DNA 1951 với dẫn liệu nhiễu xạ tia X Rosalind Franklin Maurice Wilkins (Hình 6) Các số liệu hóa học vật lý sở mà từ James Watson Francis Crick (Hình 7) xây dựng thành cơng mơ hình cấu trúc phân tử DNA năm 1953, cịn gọi chuỗi Hình R.Franklin (trái) M.Wilkins 16 xoắn kép (double helix) Phát minh vĩ đại mở kỷ nguyên cho phát triển di truyền học sinh học nói chung Với phát minh đó, Watson Crick với Wilkins trao giải Nobel năm 1962 Bài báo nhan đề "Một cấu trúc cho Deoxyribose Nucleic Acid" Watson Crick đăng tạp chí Nature ngày 25/4/1953 đánh giá Hình J.D.Watson (trái) F.H.C.Crick báo khơng bình thường Chỉ vỏn vẹn có 128 dịng đàng sau báo bước tiến lịch sử vĩ đại di truyền học mà dòng câu chuyện Thật vậy, sau cấu trúc chuỗi xoắn kép hàng loạt khám phá Năm 1958 Matthew Meselson Franklin Stahl chứng minh tái bán bảo toàn DNA; năm 1961 Seymour Benzer hồn tất cơng trình nghiên cứu cấu trúc tinh vi gene; Francois Jacob Jacques Monod (Hình 4) tìm chế điều hịa sinh tổng hợp protein (giải Nobel 1965 với Andre Lwoff); S.Brenner, Jacob Meselson khám phá RNA thông tin; S.Brenner F.Crick chứng minh mã ditruyền mã ba; cơng trình giải mã Hình H.G.Khorana (trái) M.Nirenberg di truyền hoàn thành vào tháng năm 1966 hai nhóm nghiên cứu Marshall Nirenberg Har Gobind Khorana (giải Nobel năm 1968; Hình 8) Sự đời phát triển công nghệ DNA tái tổ hợp Có thể nói, tảng cơng nghệ DNA tái tổ hợp (recombinant DNA technology) thành lập từ 1972 Paul Berg (Hình 10) tạo phân tử DNA tái tổ hợp ống nghiệm (recombinant DNA in vitro) Một năm sau Herbert Boyer Stanley Cohen (Hình 10) lần sử dụng plasmid để tạo dòng DNA Lĩnh vực ứng dụng sinh học phân tử tạo cách mạng sinh học Đóng góp đáng kể lĩnh vực khám phá enzyme giới hạn (restriction enzyme) từ 1961-1969 Werner Arber, Daniel Nathans 17 Hamilton Smith (giải Nobel 1978; Hình 10); đề xuất phương pháp xác định trình tự base nucleic acid năm 1977 P.Berg, W.Gilbert Hình Các nhà khoa học đoạt giải Nobel y học liên quan kỹ thuật gene Từ trái sang: D.Nathans, H.Smith, W.Arber, P.Sharp R.Robert Hình 10 Các nhà khoa học đoạt giải Nobel hóa học liên quan kỹ thuật gene Từ trái sang: H.Boyer, S.Cohen, P.Berg, W.Gilbert, F.Sanger K.Mullis Frederick Sanger (giải Nobel hóa học 1980; Hình 10); khám phá gene phân đoạn (split gene) năm 1977 Phillip Sharp Richard Robert (giải Nobel 1993; Hình 9); phát minh phương pháp PCR (polymerase chain reaction) Kary B.Mullis năm 1985 (Hình 10) phương pháp gây đột biến định hướng (site-directed mutagenesis) Michael Smith từ 1978-1982 (giải Nobel hóa học 1993) Cùng với thành tựu ứng dụng ly kỳ sản xuất đời sống xã hội, việc sản xuất chế phẩm y-sinh học công nghệ DNA tái tổ hợp, sử dụng liệu pháp gene (gene therapy) điều trị bệnh di truyền, tạo giống sinh vật đường biến đổi gene (genetically modified organisms = GMOs), dự án gene người (Human Genome Project = HGP) gây khơng hồi nghi, tranh cãi xung quanh vấn đề đạo lý sinh học (bioethics) an toàn sinh học (biosafety) III Đối tượng lĩnh vực nghiên cứu di truyền học Trong giai đoạn đầu, đối tượng di truyền học thực vật, động vật, người vi sinh vật Từ dẫn tới hình thành lĩnh vực nghiên cứu tương ứng di truyền học thực vật, động vật, người di truyền học vi sinh vật, di truyền học tế bào sở Giai đoạn 18 kéo dài từ thời Mendel thập niên 1940, với đặc trưng nghiên cứu quy luật di truyền tính trạng qua hệ Vì thường gọi giai đoạn di truyền học Mendel hay di truyền học cổ điển (Mendelian or classical genetics) Từ thập niên 1950 đến nay, với đời di truyền học phân tử (molecular genetics), đối tượng nghiên cứu tổ chức, cấu trúc, chức chế hoạt động gene (genomes), gene sản phẩm chúng mức phân tử Đặc biệt với đời kỹ thuật tạo dòng gene (gene-cloning techniques) từ thập niên 1970, việc nghiên cứu ứng dụng trở nên thuận lợi Sự phân hóa thành chuyên ngành lúc vô phong phú đa dạng, như: di truyền học bệnh (genetics of disease), di truyền học ung thư (genetics of cancer), di truyền học phát triển (developmental genetics), công nghệ sinh học (biotechnology) Gần xuất số lĩnh vực nghiên cứu genomics, DNA chip technology, DNA microarray technology Một hướng khác di truyền học chuyên nghiên cứu cấu trúc di truyền quần thể biến đổi di truyền bên quần thể quần thể Đó nhánh di truyền học quần thể (population genetics), mà nguyên lý sở G.Hardy (England) W.Weinberg (Germany) độc lập đưa năm 1908 Tuy nhiên, lĩnh vực nghiên cứu thực thập niên 1930 với công trình R.A.Fisher, J.B.S.Haldane Sewall Wright Ngày nhà di truyền học khơng cịn thiên nghiên cứu biến đổi mức kiểu hình mà tập trung vào biến đổi phân tử quần thể nhằm tìm hiểu ý nghĩa tiến hóa biến đổi Và di truyền học quần thể trở thành tảng cho thuyết tiến hóa đại Qua phân tích cho thấy ba nhánh di truyền học, là: di truyền học Mendel, di truyền học phân tử di truyền học quần thể IV Các phương pháp nghiên cứu di truyền học Việc nghiên cứu di truyền học tiến hành nhiều phương pháp khác Bên cạnh phương pháp kinh điển đặc thù cịn có phát triển tích hợp phương pháp từ tốn học, tin học, vật lý hóa học đặc biệt lĩnh vực sinh học phân tử Các phương pháp kinh điển đặc thù di truyền học Trước hết phương pháp tự thụ phấn dùng để chọn dòng làm bố mẹ phép lai, phương pháp lai đồng thời nhiều tính trạng bố mẹ Mendel đề xuất Trong bao gồm hình thức lai thuận nghịch lai phân tích (testcross) nhằm rút 19 quy luật, kiểm tra kiểu gene dùng để thiết lập đồ di truyền Đối với nghiên cứu di truyền người số vật nuôi giao phối cận huyết (consanguineous), đặc trưng phương pháp phân tích phả hệ (pedigree analysis) nhằm xác định đặc điểm di truyền trội-lặn tính trạng bệnh tật; nghiên cứu trẻ sinh đôi trứng khác trứng nhằm xác định hệ số di truyền (heritability) tính trạng; phương pháp gây đột biến (mutagenesis) kết hợp với lai hữu tính dùng nghiên cứu chọn tạo giống, đặc biệt thực vật Phương pháp tốn học Trong nghiên cứu khoa học nói chung di truyền học nói riêng, việc áp dụng cơng cụ toán thống kê lý thuyết xác suất để phân tích định lượng lý giải kết nghiên cứu thiết yếu Chính điều làm cho di truyền học trở thành khoa học xác mang tính dự báo Điều thể rõ cơng trình nghiên cứu Mendel, Morgan nghiên cứu di truyền số lượng di truyền quần thể Các phương pháp vật lý hóa học Trong nghiên cứu di truyền, đặc biệt di truyền phân tử tế bào đòi hỏi phải sử dụng kỹ thuật phương pháp vật lý hóa học Chẳng hạn, nghiên cứu hình thái nhiễm sắc thể khơng thể thiếu loại kính hiển vi quang học điện tử, kỹ thuật nhuộm băng (banding techniques); nghiên cứu thành phần hóa học cấu trúc DNA địi hỏi phương pháp sắc ký nhiễu xạ tia X Các phương pháp tế bào học Trong nghiên cứu di truyền tế bào có nhiều phương pháp sử dụng để quan sát hình thái nhiễm sắc thể thiết lập kiểu nhân (karyotype) loài để chẩn đoán bệnh tật liên quan đến biến đổi số lượng cấu trúc nhiễm sắc thể Bên cạnh kỹ thuật nuôi cấy mô chuẩn bị nhiễm sắc thể kỹ thuật nhuộm băng khác nhau, kỹ thuật lai huỳnh quang chỗ (fluorescence in situ hybridization = FISH), kỹ thuật miễn dịch tế bào học (xem Verma Babu 1995) Các phương pháp sinh học phân tử - kỹ thuật di truyền Sự tiến nhanh chóng gần sinh học phân tử công nghệ sinh học nhờ phát triển mạnh mẽ kỹ thuật tái tổ hợp DNA, lai phân tử, sử dụng mẫu dò phương pháp đánh dấu khác nhau, phương pháp PCR, phương pháp xác định trình tự nucleic acid phương pháp biến đổi vật liệu di truyền Với công cụ kỹ thuật cho phép sâu nghiên cứu tổ 317 vào allele nhập cư thông qua giao phối sinh sản sau Như vậy, dịng gene không làm thay đổi tần số allele lồi, làm biến đổi cục (tần số allele so với nguyên lý H-W) tần số allele cá thể di cư tới khác với cá thể cư trú chỗ Giả sử cá thể từ quần thể xung quanh di cư tới quần thể địa phương ta nghiên cứu với tốc độ m hệ giao phối với cá thể cư trú Và giả sử tần số allele A quần thể nguồn gene nhập cư P quần thể nghiên cứu po Khi đó, hệ thứ sau nhập cư, tần số allele A quần thể nghiên cứu là: p1 = (1 − m)po + mP = po − m(po − P) Sự biến đổi ∆p tần số allele sau hệ là: ∆p = p1 − po Thay trị số p1 thu trên, ta có: ∆p = − m(po − P) Điều có nghĩa là, tỷ lệ cá thể di cư lớn chênh lệch hai tần số allele lớn, đại lượng ∆p lớn Lưu ý ∆p = m = (po − P) = Như vậy, di cư dừng lại (m = 0) cịn tần số allele tiếp tục biến đổi trở nên giống quần thể địa phương quần thể phụ cận (po − P = 0) Sau hệ thứ nhất, hiệu số tần số allele hai quần thể là: p1 − P = po − m(po − P) − P = (1 − m)(po − P) Tương tự, sau hệ thứ hai, hiệu số tần số allele là: p2 − P = (1 − m)2.(po − P) Và sau n hệ di cư, ta có: pn − P = (1 − m)n.(po − P) Công thức cho phép ta tính tốn hiệu n hệ di cư tốc độ m đó, biết tần số allele khởi đầu (po P): pn = (1 − m)n.(po − P) + P Hoặc biết tần số allele khởi đầu (po P), tần số allele quần thể nghiên cứu thời điểm (pn) số hệ n, ta tính tốc độ dịng gene (m) Ví dụ: Ở Mỹ (USA), người có nguồn gốc hỗn chủng da trắng Capca (Caucasian) da đen Châu Phi (African) coi thuộc quần thể người da đen Sự pha tạp chủng tộc xem q trình dòng gene từ quần thể Capca sang quần thể da đen Tần số allele Ro locus xác định nhóm máu rhesus P = 0,028 quần thể Capca nước Mỹ Trong số quần thể Châu Phi mà từ tổ tiên 318 người Mỹ da đen di cư đến, tần số allele Ro 0,630 Tổ tiên Châu Phi người Mỹ da đen đến nước Mỹ cách khoảng 300 năm hay khoảng 10 hệ; nghĩa n = 10 Tần số allele Ro số người Mỹ pn = 0,446 Bằng cách biến đổi lại phương trình trên, ta có: (1 − m)n = (pn − P) : (po − P) Thay trị số cho, ta có: (1 − m)10 = (0,446 − 0,028) : (0,630 − 0,028) = 0,694 1−m= 10 0,694 = 0,964 Suy ra: m = 0,036 Như vậy, dòng gene chuyển từ người Mỹ Capca vào quần thể người Mỹ da đen xảy tốc độ tương đương với trị số trung bình 3,6% hệ Những tính tốn tương tự cách sử dụng tần số allele nhiều locus khác cho kết khác chút Hơn nữa, mức độ pha tạp hỗn chủng khác vùng khác nước Mỹ; rõ ràng trao đổi gene đáng kể xảy (Ayala Kiger 1980, tr.644; Hartl et al 1988, tr.214) Chọn lọc tự nhiên Cả ba trình gây biến đổi tần số gene xét có điểm chung khơng q trình định hướng thích nghi (adaptation) Theo nhận định số tác giả (Mayer 1974; Ayala Kiger 1980), trình ngẫu nhiên thích nghi, tự thân chúng phá hoại tổ chức đặc tính thích nghi sinh vật Chỉ có chọn lọc tự nhiên (natural selection) trình thúc đẩy thích nghi hạn chế hiệu phá hoại tổ chức trình khác Trong ý nghĩa đó, chọn lọc tự nhiên q trình tiến hóa khốc liệt nhất, có giải thích chất thích nghi, tính đa dạng (diversity) có tổ chức cao sinh vật Ý tưởng chọn lọc tự nhiên trình tảng, động lực biến đổi tiến hóa Charles Darwin Alfred Russel Wallace độc lập đưa năm 1858 Lý luận tiến hóa chọn lọc tự nhiên phát triển đầy đủ, với chứng ủng hộ xác đáng, Nguồn gơc lồi (The Origin of Species) Darwin xuất năm 1859 Theo Hartl et al (1988, 1997), quan điểm thuyết tổng hợp đại, hình dung chọn lọc tự nhiên xảy dựa ba điểm chính: (1) Ở sinh vật, đời sinh nhiều số sống sót sinh sản; (2) Các cá thể khác khả sống sót sinh sản phần lớn 319 khác biệt kiểu gene; (3) Trong hệ, kiểu gene sống sót sinh sản nhiều định phân bố lại kiểu gene hệ sau Hậu là, allele tăng cường sống sót sinh sản gia tăng tần số từ hệ sang hệ khác, quần thể ngày sống sót sinh sản tốt với mơi trường Trên quan điểm đó, chọn lọc tự nhiên định nghĩa sống sót sinh sản biệt hóa kiểu gene Để hiểu tác dụng chọn lọc lên biến dị di truyền, ta phải xét xem độ phù hợp tương đối (relative fitness) kiểu gene khác Nó có nhiều thuật ngữ đồng nghĩa như: độ phù hợp Darwin (Darwinian fitness), giá trị chọn lọc (selective value), hay giá trị thích nghi (adaptive value) Tựu trung, định nghĩa khả tương đối kiểu gene khác việc truyền lại allele cho hệ tương lai (Weaver Hedrick 1997) Bởi chọn lọc tự nhiên tác động sinh sản biệt hóa, nên ta xem số đo hiệu sinh sản kiểu gene Để cho tiện, nhà di truyền học thường đặt định trị số độ phù hợp (w) cho kiểu gene có hiệu sinh sản cao Một đơn vị đo liên quan hệ số chọn lọc (selection coefficient), ký hiệy s, định nghĩa s = − w Hệ số chọn lọc đo mức độ giảm bớt độ phù hợp kiểu gene Giả sử hệ kiểu gene AA Aa sinh 100 con, thể đồng hợp lặn sinh 80 con; ta coi độ phù hợp cá thể mang allele trội 1, độ phù hợp thể đồng hợp lặn 0,8 Hiệu số trị số độ phù hợp hệ số chọn lọc (s), trường hợp s = − 0,8 = 0,2 Nếu kiểu gene có khả sống sót sinh sản s = 0; kiểu gene gây chết làm bất thụ hồn tồn s = 4.1 Chọn lọc đột biến Chọn lọc có xu hướng đào thải allele có hại khỏi quần thể, đột biến tạo allele có hại Quần thể giữ nguyên trạng thái phân bố kiểu gene tần số đột biến xuất vừa tần số allele bị chọn lọc đào thải Sau ta thử xét cân trường hợp "Chọn lọc chống lại đồng hợp tử lặn" Giả sử A allele bình thường a allele có hại với tần số tương ứng chúng p q Khi độ phù hợp hay giá trị thích nghi kiểu gene AA, Aa aa tương ứng 1: 1: 1-s Trong trường hợp tốc độ đào thải allele a khỏi quần thể chọn lọc sq2 Nếu cho tốc độ đột biến thuận (A → a) u, tốc độ xuất allele a quần thể up Vì p ≈ (do tần số a thấp) nên coi up ≈ u Với chế 320 ngẫu phối, quần thể trạng thái cân tốc độ xuất đột biến tốc độ đào thải, nghĩa u = sq2, hay tần số allele lặn quần thể mức q = u / s Tương tự, allele trội, u = sp hay p = u/s Ví dụ: Tần số mắc bệnh PKU trẻ sơ sinh khỏang 100.000; q2 = 4×10-5 Hiệu sinh sản bệnh nhân không chữa trị zero, hay s = Khi u = sq2 = ×10-5 x10 −5 = 6,3×10-3 tần số thể dị hợp là: 2pq ≈ 2q = 2(6,3×10-3) = 1,26×10-2 Điều có nghĩa là, 100 người có khoảng 1,3 người mang allele đó, có 100.000 người mắc bệnh PKU Tần số allele có mặt thể dị hợp nửa 1,26×10-2 hay 6,3×10-3; tần số allele thể đồng hợp ×10-5 Do allele PKU có mặt thể dị hợp nhiều 6,3×10-3 / ×10-5 = 158 lần so với thể đồng hợp Như nói từ đầu, allele tồn quần thể hầu hết thể dị hợp 4.2 Ưu dị hợp tử Ưu dị hợp tử hay siêu trội (overdominance) trường hợp chọn lọc ưu ủng hộ thể dị hợp nhiều hai dạng đồng hợp tử Khi chọn lọc khơng loại thải allele Ở hệ, thể dị hợp sinh sản mạnh cho nhiều cháu thể đồng hợp chọn lọc giữ lại hai allele quần thể tạo trạng thái cân bằng, với tần số allele khơng thay đổi Một ví dụ bật tượng siêu trội quần thể người bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, bệnh phổ biến châu Phi châu Á Bệnh có liên quan đến dạng sốt rét ký sinh trùng phổ biến gây Plasmodium falciparum Allele HbS gây chết trước tuổi trưởng thành người đồng hợp tử HbSHbS Tần số allele cao 10% vùng có sốt rét nói trên, thể dị hợp HbAHbS đề kháng nhiễm sốt rét, thể đồng hơp HbAHbA khơng có khả Tần số allele quần thể người q = Câu hỏi Bài tập (a) Định nghĩa khái niệm sau: di truyền học quần thể, quần thể, vốn gene, tần số allele tần số kiểu gene (b) Đặc trưng di truyền quần thể giao phối nội phối gì? Tại nói khái niệm cơng cụ thiết yếu di truyền học 321 quần thể tần số allele tần số kiểu gene? Hãy thiết lập cơng thức tính tần số allele khác cho ví dụ (a) Nêu nội dung điều kiện nghiệm nguyên lý Hardy-Weinberg Từ chứng minh nêu hệ ứng dụng (b) Thế trạng thái cân di truyền quần thể? Các phương pháp khảo sát trạng thái cân di truyền quần thể? Nguyên lý Hardy-Weinberg mở rộng cho trường hợp đa allele, tần số allele sai khác hai giới tính gene liên kết với giới tính nào? Hãy tính tần số allele khảo sát trạng thái cân theo cách khác hệ nhóm máu M-N quần thể người sau (số liệu từ F.J Ayala J.A Kiger 1980): Quần thể M MN N Tổng Thổ dân Úc 22 216 492 730 Bộ lạc da đỏ Navaho 305 52 361 Người Mỹ gốc Capca 1787 3039 1303 6129 Hãy tính tần số allele trường hợp sau: a) Các thể đồng hợp lặn nhiều gấp hai lần thể dị hợp b) Các thể đồng hợp lặn nhiều gấp sáu lần thể dị hợp Màu sắc vỏ ốc sên châu Âu kiểm soát ba allele locus đơn: CB (nâu), CP (hồng) CY (vàng) Allele màu nâu trội so với hồng vàng; màu hồng trội so với vàng; màu vàng lặn hoàn toàn Trong quần thể ốc sên màu sắc phân bố sau: 472 nâu, 462 hồng, 66 vàng Nếu quần thể dạng cân bằng, tần số allele sao? Chứng mù màu allele lặn m liên kết X gây Cứ mười người có người nam mắc chứng mù màu Hỏi: (a) Tỷ lệ nữ giới bao nhiêu? (b) Nếu nửa số trẻ sinh giới tính bị mù màu, tỷ lệ nhân gây hậu bao nhiêu? (c) Nếu tất trẻ sinh bình thường, tỷ lệ nhân nào? Chứng minh quần thể tiến tới trạng thái cân gene liên kết giới tính, thì: (a) Sự dao động tần số allele hai giới thu hẹp dần sau hệ theo quy luật sau: (p’c − p’đ) = − ½ (pc − pđ) , pc pđ tần số gene tương ứng hai giới đực đời bố mẹ, p’c p’đ tần số tương ứng đời (b) Tần số gene quần thể ( p ) không đổi qua hệ ⅔pc + ⅓ pđ 322 10 (a) Ở quần thể sinh vật, tần số thể đồng hợp trội, dị hợp đồng hợp lặn tương ứng 0,67; 0,06 0,27 Hệ số nội phối bao nhiêu? (b) Nếu quần thể với hai allele locus nhiễm sắc thể thường có p = 0,8, q = 0,2, tần số thể dị hợp 0,20, hệ số nội phối bao nhiêu? Tài liệu Tham khảo Tiếng Việt Trần Bá Hồnh 1988 Học thuyết tiến hóa NXB Giáo Dục, Hà Nội Kimura M 1983 Thuyết tiến hóa phân tử trung tính (Bản dịch Hồng Trọng Phán) NXB Thuận Hóa, Huế -1993 Mayer E 1974 Quần thể, lồi tiến hóa (Bản dịch Lương Ngọc Toản, Hoàng Đức Nhuận, Nguyễn Đức Khảm Nhuyễn Văn Thảo) NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1981 Hoàng Trọng Phán 2001 Hệ số định luật di truyền ứng dụng chúng giảng dạy di truyền học Trong: Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Khoa Sinh-KTNN, Trường ĐHSP Hà Nội, tr.5-8 Hoàng Trọng Phán 2003 Di truyền học quần thể (Bài giảng lưu hành nội bộ) Trường ĐHSP Huế Tiếng Anh Ayala FJ, Kiger JA 1980 Modern Genetics Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc, Menlo Park, CA Crow JF 1986 Basic Concepts in Population, Quantitative, and Evolutionary Genetics WH Freeman and Co., New York Crow JF 1993 Mutation, mean fitness, and genetic load In: Oxford in Evolutionary Biology, Volume (Futuyma D., Antonovics J eds), pp 3-42, Oxford University Press, Inc., Oxford -New York Falconer DS, Mackay TFC 1996 Introduction to Quantitative Genetics 4th ed., Longman Group, Harlow Hartl DL, Freifelder D, Snyder LA 1988 Basic Genetics Jones and Bartlett Publishers, Inc., Boston - Portola Valley Hartl DL, Clark AG 1997 Principles of Population Genetics 3rd ed., Sinauer Associates Inc., Sunderland, Massachusets ISBN: 0-87893-306-9 Holman DJ 2003 Human Population Genetics BIO A 482 Autumn 2003) Ridley M 1993 Evolution Blackwell Scientific Publishing, Boston 323 Standfield WD 2002 Genetics, 4th ed Schaum's Outline Series McGraw-Hill Inc., Toronto Suzuki DT, Griffiths AJF, Miller JH, Lewontin RC 1989 An Introduction to Genetic Analysis 4th ed., W-H Freeman and Company, New York Yablokov V.A 1986 Population Biology: Progress and Problems on Natural Populations Mir Publishers, Moscow Weaver RF, Hedrick PW 1997 Genetics 3rd ed., McGraw-Hill Companies, Inc./ Wm.C.Browm Publishers, Dubuque, IA Wrights 1988 Surfaces of selective value revisited The American Naturalist 131: 115-123 Một số trang web http://wbar.uta.edu/jands/jands.htm http://science.kennesaw.edu/~rmatson/Biol%203380/3380species.html http://www.users.nac.net/jmele/ECO.HW.html http://nitro.biosci.arizona.edu/courses/EEB182/Lecture04/lect4.html Mục lục 11 Lời nói đầu Mở đầu Hoàng Trọng Phán I Khái niệm di truyền học II Lược sử phát triển di truyền học III Đối tượng lĩnh vực nghiên cứu di truyền học IV Các phương pháp nghiên cứu di truyền học V.Các nguyên tắc nghiên cứu phương pháp học tập di truyền học VI Di truyền học với công nghệ sinh học, tin học vấn đề xã hội 13 13 13 17 18 20 21 Chương 1: Cơ sở Di truyền học Mendel Hoàng Trọng Phán I Tiểu sử Mendel - Cha đẻ di truyền học II Đối tượng phương pháp thí nghiệm Mendel Đối tượng Phương pháp III Lai tính nguyên lý phân ly Kết thí nghiệm lai tính Giải thích kiểm chứng nguyên lý phân ly Nguyên lý phân ly tính phổ biến IV Lai hai tính nguyên lý phân ly độc lập Kết thí nghiệm lai hai tính Giải thích nội dung nguyên lý phân ly độc lập V Sự di truyền Mendel người Các tính trạng lặn Các tính trạng trội VI Lý thuyết xác suất dự đốn phân tích di truyền học Một số khái niệm tính chất xác suất Một số nguyên lý xác suất VII Phương pháp χ2 (Chi-square method) đánh giá độ phù hợp số liệu quan sát kỳ vọng 24 24 25 25 26 26 26 27 28 28 28 29 30 31 32 33 33 34 39 Chương 2: Mở rộng Áp dụng Di truyền học Mendel Hoàng Trọng Phán I Các kiểu quan hệ gene allele tính trạng Các kiểu trội hồn tồn, khơng hồn toàn đồng trội Tác động gene gây chết (lethals) Hiện tượng đa allele (multiple allelism) II Tính đa hiệu gene (pleiotropy) III Các kiểu tương tác gene không allele Tương tác bổ trợ (complementary) Tương tác át chế (epistasis) Tương tác cộng gộp- di truyền đa gene tính trạng số lượng IV Các mối quan hệ kiểu gene - kiểu hình Thường biến mức phản ứng Độ thâm nhập (penetrance) độ biểu (expressivity) 43 43 43 45 46 47 48 49 52 54 59 59 60 Chương 3: Cơ sở Tế bào Sinh sản, Di truyền Biến dị Hoàng Trọng Phán I Sinh sản hữu tính tính ổn định nhiễm sắc thể II Hình thái học nhiễm sắc thể eukaryote Kích thước nhiễm sắc thể Tâm động kiểu nhiễm sắc thể Các kiểu băng nhiễm sắc thể (chromosomal bands) III Chu kỳ tế bào nguyên phân Chu kỳ tế bào (cell cycle) Nguyên phân (mitosis) IV Giảm phân, phát sinh giao tử thụ tinh Giảm phân (meiosis) Sự phát sinh giao tử (gametogenesis) Sự thụ tinh (fertilization) V Các biến đổi nhiễm sắc thể Các biến đổi cấu trúc nhiễm sắc thể Các biến đổi số lượng nhiễm sắc thể 67 67 70 70 71 72 74 75 76 78 78 81 83 84 84 91 Chương 4: Di truyền học Nhiễm sắc thể Hoàng Trọng Phán 103 I Trường phái Morgan với thuyết di truyền nhiễm sắc thể Tầm quan trọng ruồi giấm Drosophila Thuyết di truyền nhiễm sắc thể II Sự xác định giới tính (sex determination) Sự xác định giới tính kiểu gene (GSD) Sự xác định giới tính mơi trường (ESD) III Sự di truyền liên kết với giới tính (sex-linked inheritance) Đặc điểm di truyền gene nhiễm sắc thể X Y Sự bất hoạt nhiễm sắc thể X số vấn đề liên quan Các tính trạng giới hạn giới tính chịu ảnh hưởng giới tính IV Liên kết tái tổ hợp gene nhiễm sắc thể Khám phá trao đổi chéo ruồi giấm Liên kết gene hồn tồn (giảm phân khơng có trao đổi chéo) V Trao đổi chéo lập đồ di truyền Tần số tái tổ hợp Bản đồ di truyền Trao đổi chéo bốn sợi VI Lập đồ gene từ phép lai phân tích ba điểm Trao đổi chéo kép với việc xác định trật tự khoảng cách gene Độ nhiễu hệ số trùng hợp (coefficient of coincidence) VII Lập đồ phân tích bốn (tetrad analysis) 103 103 107 108 108 112 113 113 117 120 121 122 124 125 125 127 131 134 134 137 139 Chương 5: Bản chất Hoá học Tái Vật chất Di truyền Hoàng Trọng Phán 147 I Bằng chứng vật chất di truyền nucleic acid Các thí nghiệm biến nạp vi khuẩn Tính ổn định hàm lượng DNA sinh vật bậc cao Các thí nghiệm virus II Thành phần hoá học cấu trúc DNA Cấu trúc nucleotide 147 147 148 149 150 150 Cấu trúc chuỗi polynucleotide Thành phần hoá học cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA Sơ lược đặc tính hố lý nucleic acid III Kích thước gene tính phức tạp mặt tiến hố Sơ lược gene virus, prokaryote eukaryote Mối quan hệ kích thước gene tính phức tạp tiến hoá Hàm lượng DNA nghịch lý giá trị C Về kích thước DNA bào quan IV Tổ chức phân tử nhiễm sắc thể Cấu trúc chất nhiễm sắc Sơ lược thành phần DNA gene eukaryote V Tái DNA (DNA replication) Các nguyên tắc đặc điểm chung tái DNA Các enzyme tham gia tái DNA Cơ chế tái DNA VI Tái gene RNA (RNA genomes) Đặc điểm tái gene RNA virus Tái gene RNA Phiên mã ngược 151 152 155 157 157 159 159 161 161 161 163 164 164 167 168 174 174 174 175 Chương 6: Gene Quá trình Sinh tổng hợp Protein Hoàng Trọng Phán 179 I Sự phát triển khái niệm gene Các quan niệm Mendel Morgan gene Giả thuyết gene - enzyme Beadle Tatum Quan niệm Benzer đơn vị cấu trúc chức di truyền Mối quan hệ gene - cistron prokaryote eukaryote II Cấu trúc chức protein Cấu trúc protein Chức protein III Mã di truyền Bằng chứng di truyền học mã ba Giải mã di truyền 179 179 180 180 182 186 186 187 189 190 190 Các đặc tính mã di truyền Những ngoại lệ so với mã di truyền "phổ biến" Sự linh hoạt việc kết cặp anticodon-codon IV Cơ chế phiên mã (transcription) sửa đổi sau phiên mã Các RNA đặc điểm chung phiên mã Các RNA polymerase prokaryote eukaryote Các promoter prokaryote eukaryote Các giai đoạn trình phiên mã Sự sửa đổi sau phiên mã mRNA eukaryote V Cấu trúc chức loại RNA ribosome RNA thông tin (messenger RNA = mRNA) RNA vận chuyển (transfer RNA = tRNA) RNA ribosome (ribosomal RNA = rRNA) Ribosome VI Cơ chế dịch mã (translation) Hoạt hoá amino acid Cơ chế trình dịch mã (tổng hợp polypeptide) 191 192 193 194 194 196 196 197 198 200 200 200 201 201 202 202 202 Chương 7: Sự Điều hoà Biểu Gene Trương Thị Bích Phượng 208 I Các ngun lý điều hồ mức độ kiểm sốt phiên mã II Điều hoà biểu gene prokaryote Cấu trúc operon Điều hồ dương tính operon lactose Điều hồ âm tính operon tryptophan Phiên mã dở (attenuation) III Điều hoà biểu gene eukaryote Sự biến đổi DNA Các promoter Những trình tự tăng cường phiên mã (enhancer) Trình tự bất hoạt gene (gene silencing) Promoter chọn lọc (alternative promoter) Splicing chọn lọc 202 209 210 212 213 215 217 218 218 219 220 220 220 Chương 8: Đột biến Gene, Tái tổ hợp Yếu tố Di truyền Vận động Trương Thị Bích Phượng 223 I Đột biến gene Các kiểu đột biến gene Các tác nhân gây đột biến gene Cơ chế phân tử đột biến gene II Sửa chữa bảo vệ DNA III Các yếu tố di truyền vận động (transposable genetic elements) Các yếu tố di truyền vận động prokaryote Các yếu tố di truyền vận động eukaryote 223 223 228 228 232 237 237 239 Chương 9: Sự Di truyền Tế bào chất Trương Thị Bích Phượng 245 I Sự di truyền tế bào chất Sự di truyền gene lạp thể Sự di truyền gene ty thể Hiệu dòng mẹ lên chiều xoắn vỏ ốc II Lập đồ ty thể lạp thể Lập đồ gene DNA lạp thể Lập đồ gene DNA ty thể III Di truyền học phân tử bào quan Các gene lạp thể (cpDNA) Các gene ty thể (mtDNA) 245 245 246 249 251 251 253 254 254 255 Chương 10: Đại cương Cơng nghệ DNA Tái tổ hợp Hồng Trọng Phán 258 I Các cơng cụ kỹ thuật tạo dịng DNA tái tổ hợp Các enzyme giới hạn Các vector thông dụng kỹ thuật di truyền Thiết lập phân tử DNA tái tổ hợp in vitro II Tạo dòng gene hay DNA tái tổ hợp Ngun tắc chung Quy trình tạo dịng gene tái tổ hợp Tổng hợp tạo dòng cDNA 258 258 260 261 263 263 264 267 III Các phương pháp biểu gene tạo dòng IV Ứng dụng công nghệ DNA tái tổ hợp Công nghệ DNA tái tổ hợp với việc nghiên cứu gene Công nghệ DNA tái tổ hợp với y-dược học Kỹ thuật di truyền với sinh vật biến đổi gene 267 269 269 271 274 Chương 11: Di truyền học Người Trần Quốc Dung 278 I Các phương pháp nghiên cứu di truyền học người Phương pháp phân tích phả hệ (genealogy analysis) Phương pháp nghiên cứu trẻ sinh đôi Phương pháp di truyền tế bào học người Phương pháp nghiên cứu quần thể Các kỹ thuật sinh học phân tử II Các phương pháp lập đồ di truyền người Phân tích liên kết (linkage analysis) Các phương pháp lập đồ vật lý (physical mapping) III Nhiễm sắc thể Y chất nhiễm sắc giới tính người Nhiễm sắc thể Y người Chất nhiễm sắc thể giới tính người IV Sự di truyền gene trội-lặn nhiễm sắc thể thường nhiễm sắc thể giới tính Sự di truyền gene trội-lặn nhiễm sắc thể thường Sự di truyền gene trội-lặn nhiễm sắc thể giới tính V Di truyền y học Các bệnh di truyền rối loạn chuyển hoá bệnh nhiễm sắc thể Cơ sở di truyền ung thư VI Tư vấn di truyền y học 278 278 279 279 279 280 280 280 280 283 283 284 285 285 286 288 288 291 292 Chương 12: Di truyền học Quần thể Hoàng Trọng Phán 296 I Các khái niệm di truyền học quần thể Quần thể (population) Các hệ thống giao phối 296 296 296 10 Vốn gene (gene pool) Tần số kiểu gene tần số allele II Nguyên lý Hardy-Weinberg trạng thái cân quần thể Nguyên lý Hardy-Weinberg Những ứng dụng nguyên lý Hardy-Weinberg III Mở rộng nguyên lý Hardy-Weinberg Đa allele (multiple alleles) Tần số allele sai biệt hai giới tính Các gene liên kết X IV Nội phối (inbreeding) Tự thụ tinh (self-fertilization) Hệ số nội phối (inbreeding coefficient) Tính tốn hệ số nội phối V Các nhân tố tác động lên thành phần di truyền quần thể Đột biến Biến động di truyền ngẫu nhiên Dòng gene hay di nhập cư Chọn lọc tự nhiên 297 297 299 299 302 305 305 308 309 310 311 312 313 315 315 316 316 318 ... biến đổi Và di truyền học quần thể trở thành tảng cho thuyết tiến hóa đại Qua phân tích cho thấy ba nhánh di truyền học, là: di truyền học Mendel, di truyền học phân tử di truyền học quần thể... khái niệm di truyền học nội dung khái niệm gene không ngừng phát triển với phát triển di truyền học II Lược sử phát triển di truyền học Sự đời phát triển di truyền học gắn liền với cơng trình nghiên... y-sinh học, nông nghiệp lĩnh vực khác đời sống-xã hội V Các nguyên tắc nghiên cứu phương pháp học tập di truyền học Các nguyên tắc nghiên cứu di truyền học Trong nghiên cứu di truyền học sinh học