PHAN 5: DI TRUYEN HOC (TÀI LIỆU TẬP HUAN SINH HỌC 12)

Phần 5:
Di truyền học
TẬP HUẤN SINH HỌC 12
2009 - 2010

I. CƠ CHẾ DI TRUYỀN VÀ BIẾN DỊ
Gen, mã di truyền và quá trình nhân đôi của ADN
 Chỉ có trình tự nucleotit nào qui định sự tổng hợp 1 sản phẩm nhất định mới được gọi là gen.
 Muốn tạo ra 1sản phẩm của gen thì chỉ một mình trình tự mã hoá là chưa đủ mà phải cần các trình tự làm nhiệm vụ điều hoà hoạt động gen.
 Vì ARN virut cũng mang gen nên ta có thể hiểu gen là 1 đoạn của phân tử axit nucleic.

Cấu trúc của gen
Sinh vật nhân sơ
Sinh vật nhân thực

Cấu trúc của gen
 Ở sinh vật nhân sơ, vùng mã hoá liên tục . Ở sinh vật nhân thực, phần lớn vùng mã hoá không liên tục, xen kẽ các đoạn mã hoá axit amin (exon) là các đoạn không mã hoá (intron)
 Gen phân mảnh tiến hóa hơn gen không phân mảnh.
 Gen có nhiều loại khác nhau: gen cấu trúc, gen điều hòa, gen nhảy…

GEN
Cấu trúc phân đoạn của gen ở SV nhân thực
Exon - Intron
 Nhiều gen của sinh vật nhân thực (90%) có cấu trúc phân đoạn (split gene) mang các đoạn không mã hóa (intron) và các đoạn mã hóa (exon). Do đó gen có trình tự mã hóa không liên tục nên gọi là gen khảm (mosaic gene).

Mã di truyền
Đặc điểm của mã di truyền
 Mã di truyền là mã bộ ba, được đọc từ 1 điểm, liên tục từng bộ ba theo chiều 5’ 3’, không chồng gối nhau.
 Có tính đặc hiệu – 1 bộ ba chỉ mã hoá cho 1 loại axit amin.
 Có tính thoái hoá – nhiều bộ ba khác nhau mã hoá 1 loại axit amin.
 Có tính phổ biến – các loài SV có chung bộ ba mã di truyền.
 Có 3 bộ ba kết thúc (UAA, UAG, UGA) và bộ ba AUG vừa là mã mở đầu, vừa mã hoá cho Mêtiônin (hoặc foocmin-mêtiônin)

Quá trình nhân đôi của ADN
Nhân đôi ADN ở sinh vật nhân sơ (E. coli)
 Có 1 đơn vị nhân đôi khi ADN tách ra, tạo thành 2 chạc chữ Y.
 Mạch có đầu 3’OH tách trước thì mạch mới bổ sung được tổng hợp liên tục tạo thành mạch mới 5’  3’
 Mạch có đầu 5’P tách trước thì mạch mới bổ sung được tổng hợp từng đoạn Okazaki ngắn. Đoạn Okazaki cũng được tổng hợp theo chiều 5’  3’ ngược chiều phát triển của chạc chữ Y.
Nhân đôi ADN ở sinh vật nhân sơ (E. coli)

Quá trình nhân đôi của ADN
Nhân đôi ADN ở sinh vật nhân thực
Nguyên tắc cơ bản giống như nhân đôi ADN ở sinh vật nhân sơ.
Khác:
 Có nhiều đơn vị nhân đôi (tái bản) ở trên 1 phân tử ADN (NST), có thể hình thành theo thời gian khác nhau.
 Các đơn vị nhân đôi được tạo thành trên nhiều phân tử ADN và nhân đôi đồng thời.
 Có nhiều loại enzym tham gia: ADN polimeraza ,  (nhân) và ADN polimeraza  (ty thể)…
Nhân đôi ADN ở sinh vật nhân thực

Phiên mã
Ở phần lớn sinh vật nhân thực, phiên mã tạo ra mARN sơ khai gồm có exon và intron.
Trong nhân xảy ra cắt bỏ các intron rồi nối các exon với nhau tạo ra mARN trưởng thành.
Phiên mã tạo ra các ARN khác nhau do các enzym ARN polimeraza khác nhau xúc tác.
1 trình tự nucleôtit mã hóa của 1 gen là gì?
Phân biệt mạch mã hóa với mạch mã gốc ?

Quá trình hoàn thiện các mARN sơ khai ở trong nhân:

Dịch mã
 Đoạn mARN liên kết với riboxom, gồm một đoạn ribonucleotit tương ứng với 2 vị trí P và A (mỗi vị trí 3 ribonucleotit).
 Bộ ba trên mARN (codon); bộ ba tương ứng trên tARN (anticodon).
 Liên kết peptit là liên kết nhóm COO- của axit amin trước với nhóm –NH2 của axit amin kế tiếp.
DỊCH MÃ


Điều hòa hoạt động của gen
Điều hòa hoạt động của gen ở E. coli theo Jacop và Mono
 Cấu trúc của một Operon?
Cơ chế hoạt động: gồm 2 trạng thái ức chế và hoạt động.
 Điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn, gồm: điều hòa trước phiên mã, khi phiên mã, sau phiên mã; dịch mã và sau dịch mã. Tham gia vào cơ chế điều hòa còn có gen gây tăng cường và gen gây bất hoạt.

ĐIỀU HOÀ HĐ GEN ở sinh vật nhân thực

 Các gen tăng cường tác động lên các gen phiên mã khi ở khoảng cách vài trăm hoặc vài nghìn bp so với gen được điều hoà (gen tăng cường ở tế bào nấm men, động vật có vú, thực vật có thể làm tăng tốc độ phiên mã của một gen từ 50 – 1000 lần).
ĐIỀU HOÀ HĐ GEN ở sinh vật nhân thực

Các gen gây bất hoạt (ở nấm men là đoạn có 262bp) thường nằm trước hoặc sau gen được điều hoà.
Cơ chế tác dụng của các gen tăng cường và các gen bất hoạt là làm biến đổi cấu trúc nucleosome của chất nhiễm sắc.

Đột biến gen
 Thể đột biến gen là những cá thể mang đột biến gen đã biểu hiện ở kiểu hình.
 Ở tất cả các loài sinh vật đều xảy ra hiện tượng đột biến gen.
 Các dạng đột biến điểm:
Chỉ liên quan đến thay đổi một cặp nucleotit.
Gồm 3 dạng: thêm, mất hoặc thay thế một cặp nucleotit

Nguyên nhân đột biến gen
 Các tác nhân vật lý: tia phóng xạ, tia Rơngen, chùm Nơtron...
 Các tác nhân hóa học: 5-BU, acridin, EMS, chất dioxin...
Tác nhân sinh học: virus.
 Sai hỏng ngẫu nhiên:
+ Đứt liên kết C1 của đường với Adenin  mất A-T
+ Tia tử ngoại tạo dimetimin T=T
+ Bazơ nitơ dạng hiếm do hỗ biến.




Đột biến thay thế cặp nucleotit



 Nếu acridin xen vào sợi khuôn sẽ làm tăng khoảng cách giữa 2 cặp bazơ lên 0,68nm  gây đột biến thêm 1 cặp nucleotit.
 Nếu acridin xen vào sợi đang được tổng hợp sẽ không cho 1 bazơ đi vào bổ sung với 1 bazơ trên sợi khuôn  gây đột biến mất 1 cặp nucleotit.
Đột biến dịch khung: Việc xử lý acridin có thể gây đột biến mất hoặc thêm 1 cặp bazơnitơ  dịch khung đọc mã  sản phẩm protein tạo ra thay đổi về cấu trúc, kích thước nên bất hoạt.
Đột biến mất hoặc thêm cặp nucleoit

Đột biến cấu trúc NST
 Mất đoạn nhỏ, chuyển đoạn tương hỗ cân bằng, đảo đoạn không mang tâm động,... khó phát hiện bằng kính hiển vi thường.
 Muốn phát hiện phải tiến hành nhuộm băng như băng G, C, Q, R,...
 Chuyển đoạn tương hỗ - không tương hỗ:
+ Chuyển đoạn tương hỗ khi hình thành giao tử tạo ra 1 giao tử bình thường và 3 giao tử có chuyển đoạn.
+ Chuyển đoạn không tương hỗ có thể 1 đoạn hay cả NST này chuyển sang và sáp nhập với NST khác.

Đột biến số lượng nhiễm sắc thể
 Lệch bội NST thường: ở động vật ít gặp hơn ở thực vật. Lệch bội ở thực vật dẫn đến đa dạng quả, hạt,...
 Lệch bội NST giới tính: ở động vật và người gây hậu quả nặng.
Tự đa bội: Tăng bội số nguyên lần NST 2n của loài. 4n, 6n, 8n,... là đa bội chẵn. 3n, 5n, 7n,... là đa bội lẻ.
 Dị đa bội: là tăng số lượng NST khi cả 2 (hay nhiều) bộ NST của các loài khác xa nhau cùng tồn tại trong 1 tế bào.

II. TÍNH QUY LUẬT CỦA HIỆN TƯỢNG DI TRUYỀN
Là phương pháp phân tích dựa vào cá thể lai để nghiên cứu đặc điểm di truyền của bố mẹ.
Phương pháp nghiên cứu di truyền của Menđen
+ Chọn đối tượng thí nghiệm?
+ Phân tích tính di truyền phức tạp của sinh vật như thế nào ?
+ Thí nghiệm được tiến hành ra sao?.
+ Dùng toán học thống kê để làm gì?

Bản chất của các qui luật của Menđen
Chỉ qui luật phân li đồng đều của các alen chứ không phải qui luật phân li tính trạng.
Về bản chất Qui luật phân li
Thực chất, qua các thí nghiệm, Menđen đã rút ra kết luận là mỗi tính trạng do 1 cặp nhân tố di truyền (ngày nay chúng ta gọi là cặp alen) qui định.
Khi hình thành giao tử các thành viên của 1 cặp nhân tố di truyền phân li đồng đều về các giao tử nên 50% số giao tử mang nhân tố này, 50 % số giao tử mang nhân tố kia (giả thuyết giao tử thuần khiết).

Bản chất của qui luật phân li
Không cần có thêm các điều kiện:
+ các cặp bố mẹ đem lai thuần chủng.
+ tính trạng trội hoàn toàn
+ số lượng cá thể phân tích phải lớn.
Điều kiện của định luật phân li
Sự phân li của các các nhiễm sắc thể trong quá trình giảm phân xảy ra một cách bình thường.
Giả thuyết giao tử thuần khiết:
Tính trạng do một cặp alen qui định, các alen tồn tại trong cơ thể lai một cách nguyên vẹn không pha trộn vào nhau và khi giảm phân thì chúng phân li đều về các giao tử.

Bản chất của Qui luật phân li độc lập
Điều kiện duy nhất cần có cho định luật phân li độc lập là các gen qui định các tính trạng khác nhau nằm trên các cặp nhiễm sắc tương đồng khác nhau.
 Về bản chất nếu các cặp gen qui định các cặp tính trạng khác nhau nằm trên các cặp nhiễm sắc tương đồng khác nhau thì chúng sẽ phân li độc lập nhau trong quá trình giảm phân.

 Ý nghĩa của định luật phân li độc lập:
Khi biết được hai gen qui định hai tính trạng phân li độc lập nhau thì ta có thể tiên đoán được kết quả của phép lai ngay trước khi tiến hành thí nghiệm.
 Định luật phân li độc lập không làm xuất hiện biến dị tổ hợp.
 Sự phân li độc lập của các NST trong giảm phân và sự tổ hợp tự do của các giao tử trong quá trình thụ tinh mới làm xuất hiện biến dị tổ hợp.
Qui luật phân li độc lập

Mức phản ứng của kiểu gen
 Ta không thể nói, mỗi gen có mức phản ứng riêng vì kiểu hình được hình thành do sự tương tác giữa các gen với nhau trong hệ gen và với môi trường.
 Không có 1 gen nào hoạt động một cách riêng rẽ mà chúng luôn phụ thuộc qua lại trong hệ gen. Chúng ta chỉ biết mức phản ứng của một kiểu gen.
 Tập hợp các kiểu hình của một kiểu gen tương ứng với các môi trường khác nhau là mức phản ứng của một kiểu gen

III. DI TRUYỀN HỌC QUẦN THỂ
 Cấu trúc di truyền của quần thể ngẫu phối
Định luật Hacđi- Vanbec: Khi một quần thể ngẫu phối, có kích thước lớn, không bị tác động của chọn lọc tự nhiên, không có di nhập gen, không có đột biến thì thành phần kiểu gen và tần số alen của quần thể sẽ được duy trì không đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác.
 Cấu trúc di truyền của quần thể tự thụ phấn và giao phối gần qua các thế hệ sẽ thay đổi theo hướng tăng dần tần số kiểu gen đồng hợp tử và giảm dần tần số kiểu gen dị hợp tử.

IV. ỨNG DỤNG DI TRUYỀN HỌC
 Nguồn biến dị di truyền được bao gồm biến dị tổ hợp (tạo ra thông qua việc lai giống), đột biến (thông qua sử dụng tác nhân đột biến) và biến dị di truyền (do con người sử dụng kĩ thuật di truyền).
 Bố cục phần ứng dụng của di truyền học theo ý đồ: nêu các biện pháp chọn giống dựa trên cách thức tạo ra nguồn biến dị. Muốn chọn được giống như ý muốn, phải cần có nguồn biến dị.

Tạo giống bằng phương pháp gây đột biến
 - Để có năng suất cao hơn mức trần hiện có của giống, cần gây đột biến bằng việc sử dụng các tác nhân vật lí và hoá học, làm thay đổi vật liệu di truyền của sinh vật, chọn lọc từ các thể đột biến những cá thể có đặc tính mong muốn.
 Mỗi một kiểu gen nhất định của giống chỉ cho một năng suất nhất định.
- Mỗi giống có một mức trần về năng suất.
Cơ sở khoa học của việc gây đột biến để tạo giống mới

Tạo giống bằng phương pháp gây đột biến
 Cần lựa chọn tác nhân gây đột biến thích hợp, tìm hiểu liều lượng và xác định thời gian xử lý tối ưu.
 Phương pháp này đặc biệt có hiệu quả với vi sinh vật.
- Xử lí mẫu vật bằng tác nhân gây đột biến.
- Chọn lọc các thể đột biến tạo nguyên liệu cho chọn giống.
- Tạo dòng thuần chủng.
Cơ sở khoa học của việc gây đột biến để tạo giống mới

Tạo giống bằng công nghệ tế bào
 Ưu điểm nổi bật của phương pháp là các giống cây trồng nhận được đều thuần chủng.
Hạt phấn có thể "mọc" trên môi trường nhân tạo thành dòng tế bào đơn bội.
Nuôi cấy hạt phấn
- Sự đa dạng của các giao tử do giảm phân tạo ra cho phép chọn lọc được các dòng tế bào có bộ gen đơn bội khác nhau dựa vào sự biểu hiện thành kiểu hình của các alen lặn.

- Để có giống cây trồng cho sản xuất thì cần lưỡng bội hoá các dòng đơn bội này thành thể lưỡng bội.

Nuôi cấy tế bào
 Kĩ thuật này cho phép nhân nhanh các giống cây trồng có năng suất cao, chất lượng tốt, thích nghi với điều kiện sinh thái nhất định, chống chịu bệnh tật ...
- Dựa vào 2 yếu tố: Khả năng tạo mô sẹo là mô gồm nhiều tế bào chưa biệt hoá, có khả năng sinh trưởng mạnh, từ đó điều khiển cho tế bào biệt hoá thành các mô khác nhau (rễ, thân, lá...) và tái sinh thành cây trưởng thành.
Việc tìm ra môi trường nuôi cấy chuẩn kết hợp với việc sử dụng các chất hoocmôn sinh trưởng như­ auxin, giberilin, xytokinin...

Chọn dòng tế bào xôma có biến dị
 Ý nghĩa đặc biệt quan trọng của phương pháp là tạo ra các giống cây trồng mới có các kiểu gen khác nhau của cùng một giống ban đầu
 - Nuôi cấy tế bào có 2n NST trên môi trường nhân tạo.
- Dựa vào biến dị số lượng nhiễm sắc thể kiểu lệch bội (dị bội), chúng sinh sản thành nhiều dòng tế bào có các tổ hợp nhiễm sắc thể khác nhau, với biến dị cao hơn mức bình thường.

Dung hợp tế bào trần
 Lai tế bào xôma đặc biệt có ý nghĩa vì giống mới mang đặc điểm của cả hai loài mà bằng cách lai hữu tính không thể thực hiện được
 Hai tế bào trần của 2 loài khác nhau có khả năng dung hợp.
- Tế bào chất và 2 khối nhân hợp nhất thành một tạo thành tế bào lai.

Công nghệ tế bào động vật
 Cho phép nhân nhanh giống vật nuôi quý hiếm hoặc tăng năng suất trong chăn nuôi.
 Ý nghĩa: Thành công nhân bản vô tính bằng kĩ thuật chuyển nhân tạo cừu Doly chứng tỏ trong thực nghiệm, động vật có vú có thể được nhân bản từ tế bào xôma, không cần có sự tham gia của nhân tế bào sinh dục, chỉ cần chất tế bào của một noãn bào.
 Kĩ thuật còn cho phép tạo ra các giống động vật mang gen người, nhằm thay thế, ghép nội tạng cho người mà không bị hệ miễn dịch của người loại thải.

Tạo giống bằng công nghệ gen
 Kỹ thuật tạo ADN tái tổ hợp để chuyển gen từ tế bào này sang tế bào khác gọi là kỹ thuật chuyển gen. Bao gồm các bước:
 Công nghệ gen là quy trình tạo ra những tế bào sinh vật có gen bị biến đổi hoặc có thêm gen mới.
- Tách chiết thể truyền và gen cần chuyển ra khỏi tế bào.
- Xử lí bằng 1 loại enzym giới hạn để tạo ra cùng 1 loại đầu dính.
- Dùng enzym nối để gắn chúng tạo ADN tái tổ hợp.
- Đưa ADN tái tổ hợp vào trong tế bào nhận
- Phân lập dòng tế bào chứa ADN tái tổ hợp

Ứng dụng công nghệ gen trong tạo giống biến đổi gen
 Sinh vật biến đổi gen
Là sinh vật mà hệ gen của nó làm biến đổi phù hợp với lợi ích của mình.
 Cách làm biến đổi hệ gen của sinh vật:
+ Đưa thêm một gen lạ vào hệ gen của sinh vật.
+ Loại bỏ hoặc làm bất hoạt một gen nào đó trong hệ gen.

V. DI TRUYỀN HỌC NGƯỜI
 Bệnh tật di truyền là bệnh của bộ máy di truyền do sai khác về cấu trúc và số lượng của gen, NST hoặc bất thường trong hoạt động của gen.
Di truyền y học
 Bệnh di truyền là bệnh rối loạn chuyển hóa bẩm sinh, bệnh miễn dịch bẩm sinh, khối u bẩm sinh, chậm phát triển trí tuệ bẩm sinh ...
 Tật di truyền là những sai khác hình thái có nguyên nhân từ trước khi sinh.

V. DI TRUYỀN HỌC NGƯỜI
Gánh nặng di truyền: Là do sự tồn tại trong vốn gen của quần thể người các đột biến gen gây chết hoặc nửa gây chết.
 Nhân tố môi trường đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của hàng loạt các bệnh, tật di truyền.
Di truyền y học

 Chỉ số ADN là trình tự lặp lại của một đoạn nuclêôtit trên ADN không chứa mã di truyền, thay đổi theo từng cá thể. Chỉ số ADN có tính chuyên biệt cá thể rất cao.
 Việc nghiên cứu chỉ số ADN giúp hiểu biết tại sao 1 số bệnh chỉ biểu hiện ở người này mà không biểu hiện ở người khác.
 Dược học bộ gen
Là sự kết hợp giữa dược học với khoa học về bộ gen nhằm nghiên cứu về gen, sự điều hòa và đóng góp của chúng với sự phát triển của bệnh tật ở mỗi cá thể riêng biệt.
Di truyền y học

 Liệu pháp gen
 Có hai biện pháp : một là bổ sung gen lành vào cơ thể người bệnh, hai là thay thế gen bệnh bằng gen lành.
Di truyền y học
+ Chữa trị các bệnh di truyền bằng cách phục hồi chức năng của các gen bị đột biến.
+ Việc chữa trị các bệnh di truyền bằng các loại r-protein như chữa trị bệnh thiểu năng miễn dịch hỗn hợp sơ cấp, bệnh máu khó đông, tiểu đường… phải dùng thuốc đắt giá
+ Từ năm 1990, liệu pháp gen ra đời, sử dụng KTDT thay thế gen bệnh bằng gen lành.