BIẾN DỊ

BIẾN DỊ
Biến dị biểu hiện ở sự khác nhau giữa các cá thể. Nhờ có biến dị, chủ yếu là các đột biến, chúng ta mới nghiên cứu được các cơ chế di truyền.
Biến dị là quá trình phản ánh mối tương quan của cơ thể với môi trường. Xét từ quan điểm di truyền học, biến dị là kết quả của phản ứng của kiểu gen trong quá trình phát triển cá thể đối với các điều kiện của môi trường ngoài.
Biến dị là một trong ba nhân tố tiến hóa chủ yếu. Nó là nguồn nguyên liệu cho chọn lọc tự nhiên và nhân tạo.

Ngay sau khi các quy luật Mendel được phát minh lại, năm 1903 DeVries đã nêu danh từ đột biến (mutation) để chỉ các biến dị di truyền xảy ra đột ngột. Ông đã xây dựng nên "thuyết đột biến".
Năm 1925, hai nhà khoa học của Viện Phóng xạ ở Leningrad G.A.Nadson và G.S.Philopov lần đầu tiên trên thế giới đã nhận được các đột biến ở nấm men dưới ảnh hưởng của phóng xạ Radi. Năm 1927, G.Muller đã chứng minh tia X làm tăng đáng kể tần số đột biến ở ruồi dấm. Năm 1928, Stadler đã nhận được các đột biến tia X ở bắp và đại mạch.
Vào những năm 40, tác dụng gây đột biến của một số hóa chất được chứng minh. Việc thu nhận các đột biến nhân tạo góp phần thúc đẩy nhanh sự phát triển của di truyền học và phần nào đó ứng dụng vào công tác chọn giống.
CHƯƠNG VIII

ĐỘT BIẾN GEN

BIẾN DỊ KHÔNG DI TRUYỀN VÀ
DI TRUYỀN
II. PHÂN LOẠI ĐỘT BIẾN
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ĐỘT BIẾN
IV. CƠ CHẾ PHÂN TỬ CỦA ĐỘT BIẾN
V. ĐỘT BIẾN NHÂN TẠO (CẢM ỨNG)
VI. HỒI BIẾN

I. BIẾN DỊ KHÔNG DI TRUYỀN VÀ DI TRUYỀN.
1. Sơ đồ khái quát.
Thông thường, biến dị được chia thành biến dị di truyền và không di truyền. Biến dị di truyền là các biến dị của kiểu gen và được truyền cho các thế hệ sau. Biến dị không di truyền là biến đổi của kiểu hình, không được duy trì ở thế hệ sau. Thường biến là một kiểu biến dị không di truyền.
Các biến dị di truyền phần lớn liên quan đến biến đổi nhiễm sắc thể trong nhân tế bào, một số rất ít ở ngoài nhân (tế bào chất). Biến dị trong nhân có thể chia thành biến dị tổ hợp (do lai) và biến dị đột biến.
Biến dị tổ hợp gồm 2 loại:
- tổ hợp tự do khi các gen nằm trên các cặp nhiễm sắc thể tương đồng khác nhau.
- tái tổ hợp khi có trao đổi chéo giữa các nhiễm sắc thể tương đồng.
2. Thường biến
Thường biến (modification) là những biến dị không di truyền, thường có tính định hướng do một tác động biết được và xảy ra trên nhiều cá thể, Darwin gọi là biến dị xác định. Ví dụ : trong chăn nuôi cung cấp nhiều thức ăn tốt thì các động vật nuôi to béo tăng trọng nhanh.
Thường biến không di truyền nhưng mức độ biến đổi xảy ra trong mô�t giới hạn nhất định gọi là phạm vi phản ứng (reaction norme).
Ví dụ: heo mọi nếu được cung cấp dư thừa thức ăn tốt cũng không lớn được bằng heo giống nhập nội. Phạm vi phản ứng do kiểu gen xác định nên cuối cùng các biến dị không di truyền vẫn chịu sự kiểm soát của các gen.
3. Biến dị tổ hợp
Biến dị tổ hợp có được do sự sắp xếp lại các gen khi lai. Sự sắp xếp lại đó có thể do tổ hợp tự do các gen khi chúng nằm trên các cặp nhiễm sắc thể khác nhau, có thể do tái tổ hợp khi các gen liên kết với nhau.
Biến dị tổ hợp là cơ sở của sự khác nhau giữa các cá thể sinh sản hữu tính cùng loài.
Ví dụ: tế bào người có 23 cặp NST. Với số lượng nhiễm sắc thể này, nếu không có tái tổ hợp thì ở người giảm phân sẽ tạo ra 223 loại giao tử. Số tổ hợp từng ấy loại giao tử khi gặp nhau một cách ngẫu nhiên trong thụ tinh là 423 (mà 420 = 1.099.511.627.776). Nếu thêm vào đấy biến dị do tái tổ hợp thì con số sẽ lớn vô cùng. Do đó vì sao không có người nào giống người nào, trừ sinh đôi cùng trứng.
Biến dị tổ hợp giữ vai trò quan trọng nhất trong tiến hóa vì chính nó tạo nên sự đa dạng di truyền đến mức không có hai cá thể giống nhau.
Công tác lai tạo giống chủ yếu tạo ra nhiều biến dị tổ hợp để chọn lựa các dạng tốt nhất làm giống.
4. Quá trình đột biến tự nhiên
Đột biến theo nghĩa rộng chỉ các biến đổi di truyền xảy ra đột ngột. Từ xa xưa, con người đã nhận thấy nhiều đột biến tự nhiên. Nhiều giống cây trồng và vật nuôi bắt nguồn từ các đột biến . Ví dụ: giống cừu chân ngắn Ankon bắt nguồn từ dạng đột biến, được sinh ra năm 1791 ở nông trại Ankon bang Masshachusette, Hoa kì.
Ở Drosophila, đột biến đầu tiên nhận được là mắt trắng White, sau đó hàng trăm đột biến khác được phát hiện.
Đột biến gen là đột biến được hiểu theo nghĩa hẹp chỉ những biến đổi xảy ra bên trong cấu trúc gen. Mỗi đột biến gen dẫn đến sự thay đổi trình tự nucleotide tạo ra các allel khác nhau. Đột biến có thể xảy ra do biến đổi nhiều nucleotide, có thể do 1 nucleotide. Đột biến gen không phát hiện được khi quan sát tế bào học.
Trong tự nhiên, dù giữ trong điều kiện nào, tất cả các gen đều có đột biến, được gọi là đột biến tự nhiên hay ngẫu nhiên (spontanous mutation). Các đột biến tự nhiên thường xuất hiện rất ít. Khái niệm tần số đột biến được dùng để đánh giá mức độ xuất hiện nhiều hay ít đột biến ở một gen. Có người phân biệt tần số (frequency) với tốc độ (rate) đột biến.
Các gen khác nhau của cùng 1 sinh vật có thể có tần số đột biến khác nhau. Nhưng tần số đột biến tự nhiên đối với mỗi gen là một số ổn định.
Tần số đột biến được đánh giá theo các căn cứ khác nhau như : trên 1 lần sao chép, 1 lần phân bào hay trên 1 giao tử và trên 1 tế bào/1thế hệ.
Để dễ hiểu các số trên có thể tính đảo ngược lại. Ví dụ 1 : ở ruồi dấm ruồi thân xám (e+) đột biến sang có thân màu đen hổ phách e (ebony) với tần số 2 x 10-5, tức trong 105 (100.000) giao tử có 1 đột biến từ e+ ? e
Ví dụ 2 : ở E.coli đột biến từ nhạy cảm với streptomycine sang kháng tức StrS ? StrR với tần số 4.10-10 đột biến tính trên 1 tế bào/1 thế hệ. Để dễ hiểu ta có thể tính ngược lại tức trong 10 tỉ tế bào, một thế hệ có 4 đột biến Str-R (resistance) kháng streptomycine xuất hiện ngẫu nhiên.
Đột biến ảnh hưởng đến mọi tình trạng khác nhau của sinh vật và tác động theo mọi hướng.
Quần thể tự nhiên có nhiều sinh vật mang các đột biến lặn. Sự giao phối gần hoặc cận huyết dễ làm xuất hiện các đột biến lặn.
II. PHÂN LOẠI ĐỘT BIẾN
Việc phân loại các đột biến sẽ giúp hiểu rõ hơn về loại biến dị này. Các đột biến có thể phân loại theo nhiều nguyên tắc khác nhau.

Wadsworth Center
Wadsworth Center
ORNL
DEGENERACY OF THE CODE
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
U
C
A
G
Wadsworth Center
TIBS, 6/99
5’ ATG ACG GGG GGG CTA GAG 3’
5’ Met Thr Gly Gly Leu Glu 3’
Each 3 bases is a codon

Different codons can encode the same
amino acid
RNA
A SIMPLE SYSTEM
Wadsworth Center
Normal
CCG GGA AGC AAU
Pro Gly Ser Asn

Missense
CCG GCA AGC AAU
Pro Val Ser Asn

Nonsense
CCG UGA AGC AAU
Pro STOP

TYPES OF MUTATIONS
Wadsworth Center
Frameshift (insertion)
CCG AGG AAG CAA
Pro Arg Lys Gln

Frameshift (deletion)
CCG GAA GCA AUG
Pro Glu Asp Met

Trinucleotide
CAG CAG CAG CAG
Gln Gln Gln Gln

POINT
MUTATION
Painful crises
Soft tissue disease
Anemia
Pneumonia
Skin ulcers

Sickle Cell Disease
Wadsworth Center
Mange and Mange, 1997
POINT
MUTATION
Tall
Fingers
Skinny
Curved spine
Heart defects


Fibrillin
Wadsworth Center
Jones, 1988
ACHONDROPLASIA (FGFR3)
Short
Curved Spine
Large head, prominent forehead
Trident hand
Breathing problems

Wadsworth Center
Baraitser & Winter, 1996
LUCAS
AND
MEYER
1 DNA
variation per
1000-5000
bases
Wadsworth Center
Wadsworth Center
ORNL
SLIPPED STRAND MISPAIRING
Wadsworth Center
Scientific
American
Jan. 1999
DISEASES FROM REPEATS
Huntington’s Disease

Kennedy’s Disease

Fredreich’s Ataxia

Myotonic Dystrophy

Spinal Cerebellar Ataxias

Fragile X Syndrome

Wadsworth Center
A. MỨC ĐỘ BIẾN ĐỔI CỦA BỘ GEN
1. Đột biến gen hay đột biến điểm
Biến đổi rất nhỏ trên một đoạn DNA, thường liên quan đến 1 nucleotide hay 1 cặp nucleotide.
a. Đột biến đồng nghĩa (samesense) còn gọi là trung tính (neutral) hay im lặng (silent), khi codon mã hóa cho một amino acid bị biến đổi, thường ở base thứ ba nên vẫn mã hóa cho amino acid đó (do tính suy thoái của mã di truyền).
b. Đột biến vô nghĩa (non-sense) khi codon mã hóa cho một amino acid biến thành một trong ba codon UAA, UAG và UGA là các codon kết thúc không mã hóa cho amino acid nào.
c. Đột biến sai nghĩa (mis-sense) khi codon của amino acid này biến thành codon mã hóa cho amino acid khác, làm thay đổi amino acid tương ứng trên phân tử protein.
d. Đột biến lệch khung. Sự thêm 1 base hay làm mất 1 base dẫn đến các codon sai nghĩa hay vô nghĩa so với codon tương ứng ban đầu từ điểm biến đổi về sau, sự dịch mã bị lệch khung có tính dây chuyền từ bộ ba bị sai.
2. Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể.
Các đột biến nhiễm sắc thể hay còn gọi là sai hình nhiễm sắc thể được phát hiện bằng phương pháp tế bào học.
a. Biến đổi trên 1 nhiễm sắc thể: mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn.
b. Biến đổi giữa các nhiễm sắc thể: chuyển đoạn, nhiễm sắc thể đều (isochromosome), chuyển đoạn Robertson.
3. Đột biến bộ gen (genome mutation).
Đa bội thể (polyploidy) hiểu theo nghĩa rộng là sự thay đổi số lượng nhiễm sắc thể.
a. Đa bội thể nguyên (polyploidy hay euploidy).
Sự tăng nguyên lần bộ nhiễm sắc thể đơn bô�i của mô�t loài được gọi là đa bội thể nguyên hay thuần. Đây là đa bội thể hiểu theo nghĩa hẹp, và trong sách này đa bội thể thường dùng với nghĩa này. Nếu có cá thể 2n nhiễm sắc thể thì dạng 3n, 4n, 5n..... là các dạng đa bội thể.
b. Đa bội thể lai còn gọi dị bội thể (alloploidy). Đa bội thể lai có được khi cả hai bộ nhiễm sắc thể của 2 loài khác nhau cùng đứng chung trong một tế bào (2n A + 2n B).
c. Đa bội lệch (aneuploidy), hay đa nhiễm: thay đổi số lượng nhiễm sắc thể của từng cặp (ví dụ : 2n + 1 hoặc 2n - 1).
B. BIẾN ĐỔI CHẤT LƯỢNG CỦA GEN.
1. Các biến đổi vi cấu trúc.
Các thay đổi thành phần nucleotide của gen.
a. Các đột biến thay thế : thay một nucleotide này bằng cái khác.
- Đồng chuyển (transition) khi pirimidine được thay thế bởi pirimidine hay purine bởi purine. Ví dụ : T thay cho C hoặc ngược lại.
- Đảo chuyển (transversion) khi pirimidine được thay thế bởi purine hay purine bởi pirimidine.Ví dụ : T hay C thay cho A hoặc G và ngược lại.
b. Mất nucleotide (deletion): mất một phần nucleotide của gen.
c. Đột biến xen nucleotide (insertion mutant): thêm vào 1 hay nhiều nucleotide vào gen.
2. Các đột biến do xếp lại vị trí gen (rearrangement mutations). Sự thay đổi vị trí gen thường gây "hiệu quả vi trí".
a. Xếp lại trong gen : hai đột biến có thể có hiệu quả khác nhau khi ở vị trí cis hay trans.
b. Sự dời chỗ gen (transposition) : sự dời chỗ gen (ví dụ,vào vùng dị nhiễm sắc) có thể làm thay đổi biểu hiện kiểu hình.
c. Thay đổi số bản sao của gen đối với một NST : nếu số bản sao của gen khác thường có thể làm thay đổi biểu hiện kiểu hình.
C. NGUỒN GỐC CÁC ĐỘT BIẾN.
1. Đột biến ngẫu nhiên. Các đột biến xảy ra trong tự nhiên một cách ngẫu nhiên với tần số nhất định và không xác định được nguồn gốc.
2. Đột biến do nhân tố di truyền kiểm soát. Các gen gây đột biến (mutator) làm thay đổi tần số đột biến của các gen khác. Có các gen gây đột biến chuyên biệt đối với một locus và mutator không chuyên biệt đối với nhiều locus.
3. Đột biến nhân tạo hay cảm ứng (induced mutation) : được tạo ra do các tác nhân gây đột biến (mutagens).
a. Phóng xạ ion hoá. Các tia phóng xạ ?, ?, ? hoặc tia X, các chùm tia neutron hoặc proton làm bắn các điện tử gây ion hoá biến đổi DNA.
b. Phóng xạ không ion hoá. Tia tử ngoại (UV) hoặc nhiệt làm tăng mức năng lượng của nguyên tử . Tia tử ngoại thường tạo dimer thymin gắn hai thymin kề nhau của một mạch.
c. Các tác nhân gây đột biến hoá học.
- Tạo sai hỏng khi sao chép : Các chất đồng đẳng của base (ví dụ brom-uracil hay 2-amino purine) gắn vào sai khi sao chép có chúng. Các chất màu acridine có thể gắng vào giữa các base của mạch của mạch xoắn kép làm mất hay thêm vào một base.
- Tác động trực tiếp lên gen, khi không có các sao chép có thể gây các đột biến điểm hay các biến đổi A - T ? G - C hoặc G-C ? A-T.
D. CÁC ĐỘT BIẾN ẢNH HƯỞNG ĐẾN KIỂU HÌNH.
1. Các đột biến hình thái.
Các biến đổi ảnh hưởng đến hình dạng, màu sắc và kích thước.
2. Đột biến sinh hóa.
a. Các đột biến khuyết dưỡng (auxotrophe mutation) ; mất khả năng tổng hợp các chất.
b. Các đột biến có điều kiện : các đột biến không có biểu hiện trong những điều kiện giới hạn nhất định (restrictive condition) và có biểu hiện trong các điều kiện cho phép (permissive condition) . Ví du,� các đột biến nhạy cảm với nhiệt độ cao có biểu hiện ở nhiệt độ tương ứng.
c. Đột biến đề kháng : các biến đổi sinh hóa giúp kháng lại được các tác nhân bất lợi.
3. Sức sống.
a. Các đột biến kém sức sống (subvital). Sức sống của dòng đột biến kém hơn dòng hoang dại, khoảng 10 - 90% sức sống của dòng hoang dại.
b. Nửa gây chết (semi - lethal) : gây hiệu quả chết cao hơn 90% nhưng thấp hơn 100%.
c. Gây chết (lethal) : không có cá thể nào đạt trưởng thành.
E. HƯỚNG ĐỘT BIẾN.
1. Đột biến thuận hay trực tiếp (direct mutation). Biến đổi từ kiểu hình hoang dại sang khác thường.
2. Hồi biến (reversion). Đột biến từ kiểu hình đột biến quay về kiểu hình hoang dại.
a) Hồi biến thật hay đột biến nghịch. Biến đi trở lại y như ban đầu.
(Ví dụ : adenin ? guanin ? adenin)
? ?
Đột biến thuận Đột biến nghịch
b) Đột biến ức chế hay kìm hãm (supressor). Đột biến ở một điểm khác. Cả hai cùng tạo kiểu hình gần như hoang dại.
- Đột biến kìm hãm ngoài gen, xảy ra ở gen khác với gen bị đột biến.
- Đột biến kìm hãm trong gen, xảy ra ở nucleotide khác trong gen đưa gen trở về trạng thái tạo kiểu hình hoang dại.
F. CÁC TẾ BÀO BỊ TÁC ĐỘNG.
1. Các đột biến soma hay sinh dưỡng.
Đột biến ở tế bào sinh dưỡng bình thường (tế bào soma) của cơ thể, thường tạo kiểu hình thể khảm (mosaic hay chimera).
2. Đột biến giao tử.
Xảy ra ở tế bào sinh dục, biến đổi di truyền.
Nói chung, các đột biến là các biến đổi rất đa dạng của vật chất di truyền và có nhiều tác động khác nhau.
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN ĐỘT BIẾN.
Để nghiên cứu chi tiết về các đột biến, cần có các phương pháp phát hiện chúng một các tương đối đầy đủ và chính xác. Đây là công việc khó khăn vì đa số đột biến ở trạng thái lặn và nhiều dạng đột biến khó phát hiện.
Sự hoàn thiện các phương pháp phát hiện đột biến đã góp phần đáng kể cho sự phát triển của di truyền học và sinh học.
1. Phương pháp phát hiện đột biến ở Drosophila
Ở Drosophila, lúc đầu Morgan và các cộng sự đã thu được hàng trăm đột biến khác nhau. Nhưng việc thu nhận chúng một cách có hệ thống và chủ động thì chưa thực hiện được.
G. Muller là người đầu tiên có công to lớn xây dựng nên các phương pháp phát hiện và đánh giá tần số đột biến và nhờ đó có thể đánh giá hiệu quả gây tạo đột biến bằng các tác nhân vật lí và hóa học khác nhau. Phương pháp đầu tiên nêu ra là phương pháp ClB, dùng để phát hiện đột biến gây chết (l - lethal) trên nhiễm sắc thể X của ruồi dấm đực.
Về sau, phương pháp cải tiến Muller-5 được sử dụng rộng rãi hơn. Phương pháp này cũng nhằm phát hiện đột biến gây chết (l - lethal) trên nhiễm sắc thể X. Các ruồi cái dòng Muller-5 có 2 nhiễm sắc thể X, mà mỗi cái đều mang một đảo đoạn ngăn không cho xảy ra trao đổi chéo.
Ngoài ra, cả hai X đều có 1 gen lặn đồng hợp tử Wa (apricot - mắt màu trái đào chín) và 1 gen trội đồng hợp Bar (mắt hình thỏi) để làm dấu theo dõi khi lai. Khi đem ruồi đực bình thường lai với dòng Muller-5 :
- Nếu không có đột biến gây chết l xảy ra trên nhiễm sắc thể X thì tỉ lệ ruồi con sẽ là 2 đực : 2 cái như bình thường.
- Nếu có đột biến thì 1/2 ruồi đực chết do mang Xl. Tỉ lệ ruồi con sẽ là 1 đực : 2 cái.
Ngoài các đột biến liên kết với X, phương pháp phát hiện các đột biến gây chết trên nhiễm sắc thể thường số 2 của Drosophila đã được sử dụng.
2. Phương pháp phát hiện đột biến lặn ở bắp.
Các đột biến trội thường có biểu hiện kiểu hình nên việc phát hiện chúng không phải là vấn đề khó. Năm 1920, L.Stadler đã xây dựng phương pháp phát hiện đột biến lặn c có kiểu hình nội nhũ không màu từ allel trội C có màu.
Stadler đã lấy cây cái có kiểu gen cc lai với cây đực CC, hạt có nội nhũ với kiểu gen Ccc đều có màu vàng đỏ, sự biểu hiện của gen trội C. Nếu có đột biến từ C thành c, thì hạt có màu trắng. Việc quan sát các trái bắp vàng đỏ dễ phát hiện các đột biến màu trắng.
Ở đây, để phát hiện đột biến cần có hệ thống sàng lọc số lượng lớn mẫu và tìm dạng đột biến hiếm hoi. Từ phương pháp trên có thể xây dựng nguyên tắc chung để phát hiện đột biến ở các locus khác nhau.
Ví dụ:
++ ++ ++ ++ X aa bb cc dd



Bình thöôøng Ñoät bieán 1 Ñoät bieán 2
+a +b +c +d +a bb +c +d +a +b +c dd
 
3. Các hệ thống chọn lọc đột biến
ở vi sinh vật
Muốn phát hiện các đột biến có hiệu quả cần có hệ thống chọn lọc để tìm thấy các đột biến hiếm hoi trong khối rất lớn các dạng không đột biến . Các hệ thống chọn lọc đột biến có nhiều và phụ thuộc vào các đột biến khác nhau.
Các cách phát hiện 3 dạng đột biến
Khái niệm lực phân giải (resolving power) được dùng để chỉ khả năng phát hiện các đột biến rất hiếm so với không đột biến . Lực phân giải càng lớn khi phát hiện được các đột biến càng hiếm.
Ví dụ, các đột biến đề kháng có độ phân giải cao vì khi cấy số lượng rấ`t lớn tế bào lên môi trường chọn lọc có chứa tác nhân thì phần lớn tế bào chết, chỉ số rất ít tế bào có đột biến đề kháng mọc thành khuẩn lạc.
a. Phương pháp đề kháng. Ở vi khuẩn, các tác nhân chọn lọc thường là thuốc và phage. Các đột biến dễ dàng được phát hiện trên môi trường agar có thuốc hay phage ở dạng các khuẩn lạc được mọc lên.
b. Phương pháp làm giàu chậm (default enrichment method). Việc phát hiện các đột biến khuyết dưỡng khó khăn hơn. Dung dịch vi khuẩn pha loãng được cấy lên bề mặt môi trường agar tối thiểu để mọc rời thành khuẩn lạc. Một lớp môi trường tương tự được đổ lên trên, phủ lớp mỏng. Hộp pétri được ủ để các khuẩn lạc bình thường mọc lên. Sau đó, đổ phủ lên thêm một lớp môi trường dinh dưỡng có bổ sung và ủ tiếp cho chất bổ sung khuếch tán. Các đột biến khuyết dưỡng sẽ mọc sau, khi có chất bổ sung, nên khuẩn lạc nhỏ hơn do mọc chậm.
c. Phương pháp làm giàu hạn chế (limited enrichment method) là dạng đơn giản hơn của phương pháp làm giàu chậm. Các vi khuẩn được cấy trên môi trường tối thiểu có một ít bổ sung. Trong điều kiện đó, các đột biến khuyết dưỡng mọc đến khi hết chất dinh dưỡng bổ sung thì dừng, nên tạo khuẩn lạc nhỏ. Các vi khuẩn bình thường tiếp tục mọc tạo khuẩn lạc to.
d. Phương pháp làm giàu nhờ penicilline được áp dụng cho các vi khuẩn. Penicilline có tác động diệt các vi khuẩn bình thường khi phân chia. Các vi khuẩn được cho vào môi trường tối thiểu có penicilline. Các vi khuẩn đang tăng trưởng bị diệt, chỉ các tế bào đột biến không tăng trưởng còn sống sót. Sau đó, hỗn hợp được cấy lên môi trường không có penicilline thì các đột biến khuyết dưỡng mọc lên với tỉ lệ tương đối cao hơn.
e. Phương pháp lọc được sử dụng để chọn lựa các đột biến khuyết dưỡng ở nấm sợi.
Dung dịch các bào tử được nuôi trong môi trường dinh dưỡng thiếu chất bổ sung. Các đột biến thiếu chất bổ sung không mọc được, các dạng bình thường mọc ra nhiều sợi. khi lọc qua màng lọc sợi thủy tinh, các dạng bình thường nhiều sợi bị giữ lại, các dạng đột biến đi qua màng lọc. Dung dịch có nhiều dạng đột biến được cấy lên môi trường có chất bổ sung và kiểm tra tìm các dạng đột biến.
f. Trong phương pháp in, các vi khuẩn được cấy để mọc rời từng khuẩn lạc trên môi trường có dinh dưỡng. Dùng miếng nhung (có nhiều lông mịn) in đúng các vị trí khuẩn lạc trên môi trường tối thiểu. Các khuẩn lạc đột biến không mọc lên được. Căn cứ vị trí khuẩn lạc không mọc ở bản sao tách các đột biến khuyết dưỡng.
Ngoài các phương pháp nêu trên còn có các phương pháp chuyên biệt để phát hiện nhiều loài đột biến khác.
Nhiều phương pháp chọn lọc đột biến được sử dụng cho việc chọn lọc đột biến ở các tế bào nuôi cấy mô của sinh vật bậc cao.
IV. CƠ CHẾ PHÂN TỬ CỦA ĐỘT BIẾN
1. Các sai hỏng trong sao chép DNA
Chúng ta đã biết trên phân tử DNA có thể xảy ra các biến đổi, đa số các biến đổi được sửa sai, tuy nhiên vẫn có các đột biến xảy ra. Các đột biến có thể xảy ra do sai lầm khi sao chép DNA.
Mỗi base tồn tại ở 2 dạng cấu trúc được gọi là tautomer.
Ví dụ, adenine bình thường mang nhóm NH2 cung cấp nguyên tử hydrogen cho sự bắt cặp bổ sung với dạng keto (C = O - keto form) của thymine. Khi có biến đổi tautomer, adenine chuyển sang cấu trúc hiếm là dạng imino NH sẽ bắt cặp bổ sung với cytosine.
Thymine có thể chuyển sang dạng enol (COH) không có trong DNA bình thường và bắt cặp với guanine. Khả năng bắt cặp sai của base với tautomer không đúng đã được Watson và Crick nêu lên khi xây dựng mô hình chuỗi xoắn kép.
Sự bắt cặp sai này có thể các đột biến đồng chuyển, trong đó purine thay purine khác và pirimidine thay bằng pirimidine khác.
Mặc dù, các DNA polymerase III với hoạt tính sửa sai có khả năng nhận biết những chỗ bắt cặp sai và cắt bỏ, làm giảm đáng kể các sai hỏng, nhưng vẫn không hết.
Các sai hỏng trên có thể dẫn đến hai kiểu biến đổi :
- Đồng chuyển (transition) khi pirimidine được thay thế bởi pirimidine hay purine bởi purine. Cụ thể: T thay cho C hoặc ngược lại và A thay cho G hoặc ngược lại.
- Đảo chuyển (transversion) khi pirimidine được thay thế bởi purine hay purine bởi pirimidine. Cụ thể: T hay C thay cho A hoặc G và ngược lại, G hay A thay cho T hoặc C.
Các biến đổi trên, ngoài việc thay thế các nucleotide trên mạch DNA còn có thể làm tăng thêm hay khuyết các nucleotide gây nên các kiểu đột biến ảnh hưởng đến sinh tổng hợp protein.
2. Ảnh hưởng của đột biến gen đến
sinh tổng hợp protein.
a. Đột biến lệch khung.
Sau khi tìm hiểu quá trình dịch mã và mã di truyền, cần lưu ý đến biến đổi ảnh hưởng đến nghĩa của codon và vị trí biến đổi ở đầu hay cuối mạch polypeptid.
Hai kiểu đột biến có hiệu quả nặng là thêm base (addition) và mất base (delection). Các biến đổi này thường làm enzyme mất hoạt tính. Sự thêm 1 base hay làm mất 1 base dẫn đến sự dịch mã lệch khung. Từ điểm biến đổi về sau, từ bộ ba bị sai cái sai sẽ kéo dài liên tục đến cuối mạch polypeptid. Sự tổng hợp mạch polypeptid có thể bị kết thúc sớm nếu sự lệch khung dẫn đến codon kết thúc.
b. Đột biến thay thế (base substitution)
Kiểu đột biến thứ ba là thay thế base một nucleotide này thay bằng cái khác. Các đột biến sai nghĩa (mis-sense) khi codon của amino acid này biến thành codon mã hóa cho amino acid khác. Các đột biến vô nghĩa (non-sense) khi codon mã hóa cho một amino acid biến thành một trong ba codon UAA, UAG và UGA là các codon kết thúc không mã hóa cho amino acid nào.
Có nhiều đột biến được gọi là trung tính hay im lặng, khi codon mã hóa cho một amino acid bị biến đổi, thường ở base thứ ba nên vẫn mã hóa cho amino acid đó. Ví dụ: CGU mã hóa cho arginine biến thành CGA cũng mã hóa cho arginine. Rõ ràng biến đổi này không ảnh hưởng đến mạch polypeptid.
3. Sai hỏng ngẫu nhiên
Ngoài các sai hỏng trong sao chép, phân tử DNA còn chịu các sai hỏng ngẫu nhiên có thể dẫn đến đột biến. Hai kiểu sai hỏng ngẫu nhiên thường gặp là mất purine (depurination) và mất amin (desamination). Mất purine, kiểu sai hỏng thường hơn, xảy ra khi liên kết glycosidic giữa C1 của pentose với base bị đứt và làm mất A hoặc G.
Tế bào động vật có vú có thể mất 10.000 purine trong vòng 20 giờ của một thế hệ tế bào ở 37oC. sự mất purine này dẫn đến không có bắt cặp bổ sung ở điểm mất nên dễ tạo ra đột biến qua sao chép.
Sự mất amin của cytosine tạo ra uracil. Các gốc U không được sửa sai sẽ bắt cặp bổ sung với A trong sao chép, gây ra đồng chuyển G-C?A-T. Trong các enzyme sửa sai, uracil DNA-glycosylase nhận biết đặc hiệu uracil trên DNA và cắt rời tạo lổ hỏng, sau đó được tổng hợp lại đúng theo mạch bổ sung.
Trên phân tử DNA, một số cytosine được methyl hóa thành 5-methyl cytosine chất này mất nhóm amin biến thành thymine. Sai hỏng này không bị uracil-DNA-glycolase phát hiện, nên không được sửa lại. Sự chuyển C?T do mất amin thường xảy ra ở các điểm có 5-methyl cytosine. Kiểu biến đổi này có ở cả vi khuẩn và tế bào sinh vật cao.
V. ĐỘT BIẾN NHÂN TẠO HAY CẢM ỨNG
Các tác nhân làm tăng tần số đột biến cao hơn mức tự nhiên được gọi là các tác nhân gây đột biến (mutagen). Các tác nhân vật lý như phóng xạ, tia X, tia tử ngoại gây đột biến. Nhiều hóa chất là tác nhân gây đột biến như các đồng đẳng của các base nitric, HNO2 (nitrous acid), các chất alxyl hóa mạch...
Các đột biến loại này được gọi là đột biến nhân tạo hay đột biến cảm ứng (induced mutation).
1. Tác động gây đột biến của
bức xạ ion hóa
Tia X, các tia phóng xạ ?, ?, ?, các neutron và cả tia tử ngoại đều là các tác nhân gây đột biến. Trừ tia tử ngoại có khả năng xuyên thấu yếu nên chỉ tác động lên các sinh vật đơn bào và giao tử, các tia khác đều có tác dụng gây đột biến lên tất cả các dạng sinh vật.
Tác dụng gây đột biến của phóng xạ có 2 đặc điểm :
- Không ngưỡng tác dụng, tức không có liều lượng vô hại.
- Số lượng đột biến tỉ lệ thuận với liều lượng phóng xạ không phụ thuô�c cường độ và thời gian chiếu xạ.
a. Bức xạ ion hóa (ionizing radiation)
Ánh sáng nhìn thấy chỉ là một phần nhỏ của phổ sóng điện từ. Sóng có bước sóng càng ngắn có chứa năng lượng càng lớn khả năng xuyên thấu càng mạnh. So với ánh sáng nhìn thấy (bước sóng khoảng 10-4 (1 ?m), các tia X, tia ?, tia vũ trụ có bước sóng từ 1 nm và ngắn hơn, được gọi là bức xạ ion hóa. Các bức xạ này được tạo ra nhờ các máy chiếu tia X, proton, neutron và được phát ra từ các nguồn phóng xạ như radium, cobalt-60,... tạo các tia alpha, beta và gamma.
Roentgen (r) là đơn vị đo bức xạ ion hóa. 1r tạo ra 1 đơn vị tĩnh điện trong 1 cm3 không khí. (Đơn vị khác là rad, được tính theo năng lượng được hấp thu bởi vật liệu). Trong nước hay mô, gần 2 ion hóa tạo 1r trong 1cm3. Các bức xạ không ion hóa như tia tử ngoại (uv-ultraviolet) ít có khả năng xuyên thấu và không tạo vệt ion.
b. Ảnh hưởng của liều lượng (dose) và cường độ (radiation intensity)
Các thí nghiệm sau năm 1927 với bức xạ năng lượng cao cho thấy các đột biến gây tạo (còn gọi là cảm ứng) phụ thuộc rất lớn và liều lượng: liều càng lớn tần số đột biến càng cao.
Sự phụ thuộc giữa số phần trăm của đột biến gây chết liên kết với X ở Drosophila và các liều lượng tia X được tính bằng roentgen (1000r, 3000r và 6000r). Các số liệu được tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau-theo Shultz).
Đồ thị trên hình là một đường thẳng, thể hiện rõ mối tương quan tỉ lệ thuận và có sự tăng tần số đột biến tương ứng với sự tăng liều lượng phóng xạ: tăng 3% tần số đột biến / 1000r
Mối quan hệ đơn giản giữa liều lượng phóng xạ và tần số đột biến được Timofeeff - Ressovsky, Lea, Catcheside và những người khác giải thích bằng giả thuyết "bia" (target hypothesis). Theo thuyết này, mỗi "va đập" của bức xạ vào gen hay nhiễm sắc thể (như bia để tập bắn) có xác suất gây đột biến cao. Liều lượng phóng xạ càng lớn, các va đập càng nhiều và xuất hiện nhiều đột biến .
Sự phụ thuộc thẳng chỉ ở một giới hạn nhất định. Khi liều lượng quá cao sự phụ thuộc có phức tạp hơn, có thể do nhiều tế bào bị chết.
Giả thuyết bia được củng cố thêm khi bức xạ được thực hiện với cường độ khac nhau. Sự tăng tần số đột biến phụ thuộc vào liều lượng ít phụ thuộc vào cường độ cao (thực hiện 1 lần với mật độ bức xạ cao) và cường độ thấp (thực hiện nhiều lần với cường độ thấp).
Điểm đáng lưu ý, nhiều nghiên cứu cho thấy các bức xạ ion hóa có hiệu quả gây đột biến ở tất cả các sinh vật và không có liều lượng ngưỡng, có nghĩa là dù liều lượng thấp vẫn có khả năng gây đột biến. Loài người đấu tranh ngăn chặn việc thử vũ khí hạt nhân chính vì sự gia tăng độ phóng xạ trên quả đất sẽ làm tăng tần số đột biến ở người.
c. Hiệu quả của oxygen và
của môi trường
Các nghiên cứu ở đậu Vicia faba cho thấy nồng độ oxy thấp khi chiếu xạ làm giảm tần số đột biến . Ở Drosophila tần số các đột biến gây chết liên kết với X ở 4000r có thể dao động từ 8 đến 16% phụ thuộc nồng độ oxy.
Có thể khi hiện diện oxy, bức xạ tạo ra nhiều hơn các gốc peroxide :
H* + O2 ? HO*2
HO*2 + H* ? H2O2
2HO*2 ? H2O2 + O2
Các peroxide là những phân tử có phản ứng mạnh, chúng dễ tạo các đột biến .
Ngoài ra, sự xuất hiện đột biến còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường khác nhau và các trạng thái sinh lí tùy thuộc vào giai đoạn của sự phát triển cá thể. Các gen "mutator" là các gen có thể làm tăng tần số đột biến .
2. Tác động của tia tử ngoại
Tia tử ngoại có bước sóng dài (10-5 - 10-6 cm) nên khó tạo ion, có lẽ chỉ tác động đến những chất hấp thu nó trực tiếp. Trong tế bào, các chất hữu cơ có mạch vòng chủ yếu như purine và pirimidine hấp thu trực tiếp tia tử ngoại. Mối liên quan chặt chẽ giữa tia tử ngoại và các cấu phần của DNA đã được chứng minh. DNA hấp thu tia tử ngoại mạnh nhất ở bước sóng 2537A, đây chính là bước sóng làm tăng tần số đột biến ở hạt phấn cây bắp.
Dưới tác động của tia tử ngoại, cytosine gắn thêm phân tử nước vào liênkết C = C của mạch vòng và thymine bị đứt liên kết C = C mạch vòng nối 2 phân tử thành thymine dimer.
Stone và các cộng sự đã nhận thấy tần số đột biến tăng lên ở Staphylococcus aureus khi môi trường nuôi chúng được chiếu tia UV trong thời gian ngắn trước khi cấy vào. Đây là tác động gián tiếp của tia tử ngoại.
Hiện tượng quang phục hồi (photoreactivation) là một đặc điểm trong tác động của tia UV. Sau khi chiếu tia tử ngoại lên tế bào, nếu để ngoài ánh sáng, thì các sai hỏng phần lớn được phục hồi. Ánh sáng có tác động hoạt hóa enzyme sửa sai, cắt đức các thymine dimer.
3. Các tác nhân gây đột biến hóa chất
Ngay từ đầu những năm 1930, Xakharov và Lobashov (Liên xô) đã tiến hành thử nghiệm gây đột biến bằng hóa chất, nhưng hiệu quả chưa rõ. Vào những năm 40, trong thế chiến thứ hai, ở Anh Auerbach và Robson đã chứng minh hơi ngạt nitrogen và sulfur có khả năng gây đột biến ở Drosophila (thời này Đức bắn hơi ngạt sang nước Anh, nên họ phải nghiên cứu tác động sinh học của các chất độc này). Về sau, nhiều nhóm hóa chất gây đột biến đã được tìm ra.
Có nhiều hóa chất gây biến dị di truyền, đến nay tìm ra những hóa chất cho hiệu quả cao hơn cả phóng xạ.
Các hóa chất gây đột biến có đặc điểm là có thể chỉ gây hiệu quả đột biến đối với một số lượng ít đối tượng.
Ví dụ: Streptomycine chỉ gây đột biến ở tảo đơn bào và một số vi sinh vật, không gây đột biến trên nhiều đối tượng khác.
Các tác nhân gây đột biến hóa học có thể chia thành các nhóm sau:
- Nhóm 1: Các chất ức chế tổng hợp nitrogenous base trong cấu trúc DNA như coffein, ethyl uretan...
- Nhóm 2: Các chất đồng đẳng với nitrogenous base như coffein, 5-bromuracil, các chất gần giống với nitrogenous base, nên nó làm DNA gắn nhằm khi tổng hợp.
Ví dụ Bromodeoxiuridine (BUdR) và 5-bromouracil (BU) là các base đồng đẳng của thymine. Chúng thường ở dạng keto, nhưng ngẩu nhiên đôi khi chuyển sang dạng enol và có khả năng bắt cặp với guanine. Như vậy, BU có thể xâm nhập vào bắt cặp bổ sung với A (A-BU) và ở vòng sao chép tiếp theo gắn bắt cặp với G và (BU-G), A-T được thay thành G-C.
BU như vậy có thể xâm nhập sai, khi gắn thay chỗ cho cytosine tạo G-BU, tiếp theo A bắt cắp với BU tạo A-BU và vòng sao chép tiếp A bắt cặp với T thành A-T. Trong cả hai trường hợp, chất đồng đẳng Brom-uracil (BU) đều có khả năng tạo thay đổi trên DNA, cặp A-T? G-C và ngược lại G-C ? A-T.
-Nhóm 3: Các chất alkyl hóa làm đứt mạch DNA như ethyl methanesulfonate (EMS), methyl methanesulfonate MMS), ethylene imine (EI), nitrosoguanidine (NG),...
Các tác nhân alkyl hóa (akylating agent) như khí ngạt nitrogen và ethyl methanosulfonate có thể gây đột biến ít nhất bằng 3 cách:
- Thêm nhóm methyl (-CH3) hay ethyl (-C2H5) vào guanine tạo ra base đồng đẳng của adenine dẫn đến bắt cặp bổ sung sai.
- Mất guanine đã bị alkyl hóa (mất purine) tạo lỗ hỏng trên DNA, khi sao chép có thể làm đứt mạch.
- Liên kết chéo giữa các mạch của một hoặc các phân tử DNA khác nhau làmmất nucleotide.
Ngược với sai hỏng sao chép, các tác nhân gây đột biến như nitrous acid và khí ngạt nitrogen (nitrogen mustard) có thể gây biến đổi trực tiếp trên DNA. Theo Schuster và một số khác, nitrous acid tác động trước hết tách nhóm amino (mất amine - desamination) khỏi adenine và cytosine và tương ứng biến các base này thành hypoxanthine (H) và uracil (U). Sau biến đổi, H có thể bắt cặp với C và U với A, các vòng sao chép tiếp theo làm G thay chỗ A và T thay C.
Các chất khác như hydroxylamine (H2NOH) và các chất cho nhóm OH có thể gây nên đồng chuyển. Theo Freese và các cộng sự, hydroxylamine có lẽ là chất có tính đặc hiệu cao nhất trong các tác nhân gây đột biến, nhờ đó có thể chuyển cytosine sang dạng bắt cặp được với adenine.
- Nhóm 5: các chất chêm vào DNA. Nhóm các chất gồm proflavin, màu acridine và các chất được gọi là ICR (ICR compound) là những chất có phân tử mặt phẳng tương tự cặp base. Chúng có thể chêm vào phân tử DNA làm thêm hoặc mất base. Chúng thường gây đột biến lệch khung do thêm hay mất base.
Tất cả các tác nhân gây đột biến đều là tác nhân gây ung thư (cancerogen), nhưng các tác nhân gây ung thư không phải đều gây đột biến. Hiện nay nhiều tác nhân gây đột biến được sử dụng trong chọn giống nhằm tăng nguồn biến dị. Bên cạnh đó với nạn ô nhiễm trên thế giới người ta phát hiện nhiều tác nhân đột biến hóa học mới xuất hiện trong môi trường.
VI. HỒI BIẾN
Quá trình đột biến, nói chung , có tính thuận nghịch, nghĩa là nếu một gen A đột biến thành a (A -> a) thì, ngược lại allel a cũng có thể đột biến quay lại thành A ( a ->A). Thông thường một dạng được gọi là đột biến khi nó mang kiểu hình khác với dạng hoang dại.
Ví dụ, ruồi dấm hoang dại được bắt từ thiên nhiên vào phòng thí nghiệm có mắt đỏ. Trong quá trình nuôi xuất hiện dạng đột biến mắt trắng. Đột biến từ mắt đỏ hoang dại sang mắt trắng gọi là thuận vì từ hoang dại thành đột biến. Hồi biến là trường hợp từ trạng thái đột biến do biến dị di truyền quay trở về kiểu hình hoang dại như đột biến từ mắt trắng trở lại thành mắt đỏ. Hồi biến do đột biến nghịch (back mutation) hoặc do đột biến ức chế hay kìm hãm (supression).
1. Các đột biến nghịch
Đột biến nghịch có được khi gen đột biến có sự biến đổi quay trở lại có y cấu trúc như gen hoang dại ban đầu. Trường hợp này khó xảy ra và khi lai trở lại với dòng hoang dại thì thế hệ con tất cả đều có kiểu hình hoang dại.
2. Đột biến ức chế
Đột biến ức chế (suppressor mutation) là đột biến có tác động ngược lại hay kìm hãm của một đột biến khác.
Các đột biến ức chế có những tính chất sau:
- Đột biến ức chế xảy ra ở điểm khác với đột biến bị ức chế. Khi lai thể hồi biến (revertant) với dạng hoang dại sẽ xuất hiện dạng đột biến bị ức chế do tái tổ hợp làm tách rời không bị kìm hãm bởi đột biến ức chế.
- Đột biến ức chế có thể xảy ra trong cùng một gen, ngoài gen hoặc ở gen khác.
- Các đột biến ức chế có thể thực hiện tác động bằng nhiều cách khác nhau. Ví dụ, các đột biến ức chế có thể tác động lên sự phiên mã, dịch mã hay những biểu hiện sinh lí khác của tế bào.
Đột biến kìm hãm thường gặp hơn, nó có được do 1 đột biến thứ hai làm cho biểu hiện kiểu hình của đột biến không biểu hiện ra được nên có kiểu hình hoang dại. Đột biến kìm hãm có thể xảy ra ngay trên cấu trúc gen.
Ví dụ: Đột biến thuận mất một nucleotide, đột biến kìm hãm xảy ra gần chỗ đó thêm vào một nucleotide. Đột biến kìm hãm có thể do sự bổ sung trong chu trình trao đổi chất. Sai hỏng do đột biến thứ hai tạo sản phẩm bù trừ được đột biến thứ nhất.
Vào năm 1962, S.Benzer và Chemp mô tả đột biến được gọi là đột biến amber ở locus rII của phage T4. Chúng có thể trở về kiểu hình hoang dại do đột biến khác (đột biến ức chế) ở bộ gen của tế bào chủ. Các đột biến ức chế được phát hiện ở nhiều gen khác của phage T4 và E.coli. Các nghiên cứu sử dụng hệ thống gen- enzyme cho thấy, các đột biến amber dẫn đến sự kết thúc sớm hơn bình thường sự mọc dài của mạch polypeptide và ở trong các tế bào chỉ các đoạn có đầu NH2 của các polypeptide tương ứng được tổng hợp. Nhờ các đột bi�