Di truyền

SINH HỌC B
Giảng viên: GVC. ThSĩ Nguyễn Thị Sáu
Khoa : Công nghệ Thực phẩm


TP.HCM, Tháng 3 năm 2010
PHẦN D: DI TRUYỀN HỌC
I. GEN:
Gen hay gien là một đoạn DNA mang một chức năng nhất định trong quá trình truyền thông tin di truyền. Trên nhiễm sắc thể, một gen thường có một vị trí xác định và liên kết với các vùng điều hòa phiên mã và các vùng chức năng khác để bảo đảm và điều khiển hoạt động của gen.
Thông thường, người ta nói đến gen hàm ý là gen cấu trúc. Gen cấu trúc là đoạn DNA mang thông tin cần thiết mã hóa một chuỗi polypeptide. Trong đó, các polypeptide là thành phần cấu trúc tạo nên các protein. Đây là nhóm phân tử đóng vai trò quan trọng (nhưng không phải là hoàn toàn) quy định kiểu hình của sinh vật.
Khi một gen cấu trúc được kích hoạt, vùng mã hóa này sẽ tiến hành phiên mã (tạo thành dạng mRNA chứa thông tin của gen). RNA này sau đó sẽ hướng dẫn cho quá trình tổng hợp protein thông qua mã di truyền. Ngoài ra, các gen loại khác có thể mã hoá cho những RNA không tổng hợp protein, ví dụ tRNA vận chuyển các amino acid, rRNA là thành phần của ribosome hoặc các RNA điều khiển như miRNA, siRNA .v.v
Ở các loài sinh vật nhân chuẩn (eukaryote), các gen cấu trúc còn chứa vùng không mã hóa (gọi là intron) nằm xen kẽ với các vùng mã hóa (gọi là exon). Sau khi phiên mã, những vùng intron này sẽ được loại bỏ trong một quá trình chế biến RNA thông tin (mRNA) gọi là splicing. Trong một số trường hợp, không phải mọi exon đều có thể được giữ lại trên trình tự mRNA trưởng thành (mature RNA). Nhờ vậy, một gen có thể tạo ra nhiều sản phẩm thông qua sự sắp xếp khác nhau các đoạn exon. Quá trình này gọi là alternative splicing.
Sơ đồ một gen trong mối quan hệ với cấu trúc xoắn kép DNA và nhiễm sắc thể.
II. NHIỄM SẮC THỂ
1 Nhiễm sắc thể ở tế bào tiền nhân (prokaryod): là các plasmid. Các plasmid sao chép độc lập với nhiễm sắc thể chính và chúng có thể được chuyển nhận giữa các vi khuẩn khi chúng tiếp hợp.
2. Nhiễm sắc thể ở tế bào nhân thật (Eukaryod) :
Ở tế bào nhân thật, nhiễm sắc thể gồm ADN và protein.
Trong các tế bào dinh dưỡng, các nhiễm sắc thể thường tồn tại thành từng cặp, gọi là cặp nhiễm sắc thể tương đồng, trong đó một chiếc là của mẹ và một chiếc là của cha, mỗi chiếc mang cùng một số gen phân bố theo cùng thứ tự. Vì vậy, số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi tế bào bình thường luôn luôn là bội số của 2 và được gọi là lưỡng bội (2n).
Trong tế bào giao tử (tinh trùng hoặc noãn), mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng chỉ còn lại một chiếc, do đó số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi giao tử là đơn bội (n). Mặc dù số lượng nhiễm sắc thể giữa các loài có thể khác biệt rất lớn, chẳng hạn ở ruồi giấm 2n = 8, ở người 2n = 46 nhưng các cá thể bình thường trong cùng một loài luôn luôn có số lượng nhiễm sắc thể bằng nhau.
Trong các tế bào chưa phân chia, khi quan sát dưới kính hiển vi quang học, người ta chưa thấy được nhiễm sắc thể mà chỉ thấy các chất nhiễm sắc nằm trong nhân có dạng hạt bắt màu sẫm.
Chất nhiễm sắc được cấu tạo từ ADN và 2 loại protein: histon và phi histon. Các protein phi histon có tính acid, được tìm thấy ở những vùng liên kết lõng lẻo với ADN. Các protein histon có tính kiềm, gồm 5 loại: H1, H2A, H2B, H3 và H4. Khi nhiễm sắc thể được thành lập, ADN quấn quanh 8 phân tử histon: Tính trung bình, các tế bào tiền nhân chỉ có một phần ngàn ADN so với một tế bào nhân thật. Sở dĩ chúng được gọi là tế bào tiền nhân vì chúng chưa có nhân thật được bao bởi màng. Ở phần lớn tế bào tiền nhân, ADN được tập trung trong một vùng nhân.
III. Sự phân chia tế bào:
Tế bào lớn lên đến một mức độ nhất định thì phân chia, tạo ra các tế bào mới. Có 2 hình thức phân bào: trực phân và gián phân :
a. Trực phân (phân bào không tơ):
  Là hình thức phân bào trực tiếp, không có sự hình thành thoi phân bào: tế bào mẹ thắt lại thành 2 thùy rồi thành 2 tế bào mới.
   Ở người và cơ thể đa bào, hình thức này chỉ xuất hiện ở trạng thái bệnh lí  (chẳng hạn sự phân chia nhanh của tế bào ung thư)
b. Sự phân chia tế bào:
Gián phân (phân bào có tơ): Là hình thức phân bào gián tiếp, có sự xuất hiện thoi phân bào.
Có 2 kiểu gián phân: gián phân nguyên nhiễm (nguyên phân) và gián phân giảm nhiễm (giảm phân)     
+ Nguyên phân:  Xảy ra ở tế bào dinh dưỡng và ở tế bào sinh dục sơ khai,  gồm 2 giai đoạn
   - Giai đoạn chuẩn bị (6 -10giờ) : Nhiễm sắc thể ở dạng sợi mảnh, tự nhân đôi thành nhiễm sắc thể kép đính nhau ở tâm động; tế bào tích lũy thêm prôtêin, tăng số lượng bào quan, tích lũy nănglượng.(Q)

Giai đoạn phân chia (1-2giờ), trải qua 4 kỳ:
* Kì đầu : NST bắt đầu co xoắn và nằm rải rác trong nhân. Trung thể tách thành 2 trung tử tiến về 2 cực TB, nối các sợi tơ vô sắc thành thoi phân bào. Màng nhân và nhân con biến mất
* Kì giữa: NST kép co xoắn cực đại, có dạng đặc trưng và xếp thành 1 vòng tròn trên mặt phẳng xích đạo của thoi phân bào.
* Kì sau: Mỗi NST con trong NST kép tách ra và dàn thành 2 nhóm trương đương. Sau đó mỗi NST con tiến về mỗi cực TB.
* Kì cuối: Tại mỗi cực các NST con tiến lại gần nhau, tháo xoắn và duỗi ra thành dạng sợi mảnh; Thoi phân bào biến mất; Màng nhân và nhân con xuất hiện đồng thời TBC thắt chặt ở giữa, tạo thành 2 TB mới có số lượng NST bằng nhau và bằng TB mẹ (2n)

Sự phân bào nguyên phân ở động vật
+ Giảm phân.  Xảy ra ở TB sinh dục chín.
 gồm 2  lần phân bào liên tiếp (lần 1- giảm nhiễm, lần 2 - nguyên nhiễm) .
- Ở lần 1 cũng trải qua 4 kỳ:
* Kì đầu 1: Cơ bản như nguyên phân. Chỉ khác là có sự tiếp hợp của 2 NST đơn khác nguồn trong mỗi cặp đồng dạng theo chiều dọc.
* Kì giữa 1: Các NST xếp thành 2 hàng trên mặt phẳng thoi phân bào.
* Kì sau 1: Mỗi NST kép phân ly về mỗi cực TB.
* Kì cuối 1: Ở mỗi cực số lượng NST giảm đi ½
* kết thúc kì cuối 1, NST không duỗi ra mà bước vào lần phân chia 2.

Giảm phân I
Giảm phân II
Giảm phân
IV. SINH VẬT BIẾN ĐỔI GEN
Khái niệm:
Cây chuyển gen là một thực vật mang một hoặc nhiều gen được đưa vào nhân tạo thay vì thông qua lai tạo.
Những gen được tạo đưa vào (gen chuyển) có thể được phân lập từ những loài thực vật có  quan hệ họ hàng hoặc từ những loài khác biệt hoàn toàn.
Thực vật tạo ra  được gọi là “chuyển gen” mặc dù trên thực tế tất cả thực vật đều được “chuyển gen” từ tổ tiên hoang dại của chúng bởi quá trình thuần hoá, chọn lọc và lai giống có kiểm soát trong một thời gian dài.
2. Phương pháp:
Theo phương pháp truyền thống, nhà tạo giống tìm cách tổ hợp lại các gen giữa hai cá thể thực vật nhằm tạo ra con lai mang những tính trạng mong muốn. Phương pháp này được thực hiện bằng cách chuyển hạt phấn từ cây này sang nhuỵ hoa của cây khác.
Tuy nhiên phép lai chéo này bị hạn chế bởi nó chỉ có thể thực hiện được giữa các cá thể cùng loài hoặc có họ hàng gần. Phải mất nhiều thời gian mới thu được những kết quả mong muốn và thường là những đặc tính quan tâm lại không tồn tại trong những loài có họ hàng gần.
Kỹ thuật chuyển gen cho phép nhà tạo giống cùng lúc đưa vào một thực vật những gen mong muốn từ những sinh vật sống khác nhau, không chỉ giữa các loài cây lương thực hay những loài có họ gần.
Phương pháp hữu  hiệu này cho phép các nhà tạo giống thực vật đưa ra giống mới nhanh hơn và vượt qua những giới hạn của tạo giống truyền thống.
Cây chuyển gen được tạo ra thông qua một quá trình được gọi là kỹ thuật di truyền. Các gen quan tâm được chuyển từ cá thể này sang cá thể khác. Hiện có hai phương pháp chính để chuyển một gen vào bộ gen thực vật.
- Phương pháp thứ nhất cần dùng một dụng cụ có tên là “súng bắn gen”. Gen chuyển được bao bọc ra ngoài những hạt kim loại vô cùng nhỏ, những hạt này sau đó được đưa vào tế bào thực vật theo phương pháp lí học. Một vài gen có thể bị thải loại và không gắn vào bộ gen của cây được biến nạp.
- Phương pháp thứ hai là sử dụng một loại vi khuẩn để đưa gen mong muốn vào bộ gen của thực vật.
3. Những lợi ích tiềm tàng của cây chuyển gen là gì?
Ở các nước phát triển việc ứng dụng cây chuyển gen đã có những lợi ích rõ rệt. Bao gồm: Tăng sản lượng - Giảm chi phí sản xuất - Tăng lợi nhuận nông nghiệp - Cải thiện môi trường
Những cây chuyển gen thế hệ thứ nhất đã làm giảm chi phí sản xuất. Ngày nay, các nhà khoa học đang hướng dẫn tạo ra những cây chuyển gen thế hệ thứ hai có đặc điểm tăng giá trị dinh dưỡng hoặc có những tính trạng thích hợp cho công nghiệp chế biến.
Lợi ích của những cây trồng này hướng trực tiếp hơn vào người tiêu dùng. Một số ví dụ như: Lúa gạo giầu vitamin A và  sắt; Khoai tây tăng hàm lượng tinh bột; Vacxin ăn được ở  ngô và khoai tây; Những giống ngô có thể trồng được trong điều kiện nghèo dinh dưỡng; Dầu ăn có lợi cho sức khoẻ hơn từ đậu nành và cải dầu …
4. Những nguy cơ tiềm  ẩn của cây chuyển gen
Bao giờ cũng có những nguy cơ tiềm ẩn trong việc phát triển những kỹ thuật mới. Bao gồm:
Mối nguy hiểm trong việc vô tình đưa những chất gây dị ứng hoặc làm giảm dinh dưỡng vào thực phẩm.
Khả năng phát tán những gen biến nạp trong cây trồng sang họ hàng hoang dại .
Sâu bệnh có nguy cơ tăng cường tính kháng với các chất độc tiết ra từ cây chuyển gen.
Nguy cơ những chất độc này tác động tới sinh vật không phải sinh vật cần diệt.



V. THỰC PHẨM CHUYỂN GEN - Genetically Modified Organism (GMO).
Thuật ngữ thực phẩm biến đổi gien dùng để chỉ những loại cây trồng dành cho con người hoặc gia súc được tạo ra nhờ công nghệ sinh học, để cho những phẩm chất mong muốn như tăng khả năng chống cỏ dại, chống sâu bệnh hay tăng hàm lượng dưỡng chất.
Việc nâng cao chất lượng giống cây trồng thường được thực hiện nhờ phương pháp nhân giống, song phương pháp này tốn nhiều thời gian lại cho kết quả không chính xác. Ngược lại, kỹ thuật biến đổi gien có thể tạo ra giống cây trồng như mong muốn, tốn ít thời gian và có độ chính xác cao.
3. Lợi ích của thực phẩm biến đổi gen...
Dân số thế giới hiện đã lên tới 6 tỷ người và người ta dự đoán con số này sẽ tăng gấp đôi sau 50 năm nữa. Trước tình hình đó, GMF có thể là một giải pháp hữu hiệu giải quyết vấn đề lương thực cho dân số tăng vọt này trong những năm tới thông qua các cách sau:
Chống sâu bệnh, cỏ dại:
Chịu lạnh, chịu hạn và chịu mặn:
Giàu dưỡng chất:
Dược phẩm:


VI.Bản đồ gene người
1. Bản đồ gen Người xác định trình tự của các cặp cơ sở (base pairs) tạo thành phân tử DNA và xác định khoảng 25.000 gen trong bộ gen của con người (hơn 3 tỉ cặp gốc).
2. Cách thức tiến hành
Mỗi tế bào con người chứa một nhân bên trong với 46 chromosome. Mỗi một chromosome chứa khoảng 30.000 đến 50.000 gen và các chuỗi không mã hóa xen kẽ. Cách đơn giản nhất để nghiên cứu các gen là dựa trên từng nucleotide một (A, T, G, C). Và cứ mỗi hai nucleotide thì tạo thành một cặp gốc (base pair). Các nhà khoa học ước tính có khoảng 3 tỉ cặp gốc như vậy.
3. Ý nghĩa
Dù việc tìm hiểu nội dung của dữ liệu genome đã xác định chuỗi vẫn còn ở bước khởi đầu, nhưng người ta có thể tiên đoán được những lợi ích to lớn nó đem lại trong đột phá y khoa và công nghệ sinh học. Đưa ra các giải pháp đơn giản để quản lí các kiểm tra về di truyền mà có thể cho biết sự dễ mắc phải các bệnh của người được kiểm tra, bao gồm ung thư vú, rối loạn hemostasis, cystic fibrosis, bệnh về thận và các bệnh khác.
Hiện nay khoảng 92% bản đồ gen đã được hoàn thành. Các DNA còn lại có độ trùng lặp lớn và không có dấu hiệu chứa gen, nhưng vẫn đợi tới khi xác đình hoàn toàn trình tự mới chắc được. Và để hiểu được chức năng của tất cả các gen lại là một bài toán khác và còn lâu mới giải quyết xong, cũng như nhiều bài toán khác đang được quan tâm nghiên cứu.
Bên cạnh đó là các lợi ích hiển nhiên của khoa học sinh học. Ví dụ, nhà nghiên cứu về một loại bệnh ung thư cụ thể có thể chỉ tập trung tìm hiểu về một gen liên quan đến bệnh đó. Đồng thời, khi truy cập vào cơ sở dữ liệu chung về gen, nhà khoa học này có thể biết thông tin về gen này mà các nhà khoa học khác đã làm, bao gồm: cấu trúc 3 chiều của protein sản phẩm của nó, chức năng của nó, mối quan hệ tiến hóa với các gen khác của người, hay với gen của chuột/men/ruồi giấm, các đột biến có hại có thể xảy ra, khả năng tương tác với các gen khác,
mô (tissue) trong cơ thể mà gen này được kích hoạt, các bệnh tật gắn với gen này hay các loại dữ liệu khác.
Hơn nữa, hiểu biết về các quá trình gây bệnh ở mức độ sinh học phân tử có thể xác định các liệu pháp chữa trị mới.
Việc phân tích về sự giống nhau giữa các chuỗi DNA từ các sinh vật khác nhau cũng mở ra hướng mới trong việc nghiên cứu lí thuyết tiến hóa. Trong nhiều trường hợp, các câu hỏi về tiến hóa có thể được trả lời trong khía cạnh của sinh học phân tử.