Sinh học đại cương

Chuong 6. Cơ sở di truy?n h?c của tương đồng và bi?n d?
1. Khái ni?m v? v?t li?u di truy?n
2. Chu trình sống của con người: thụ tinh, nguyên phân và giảm phân
3. Chu k? t? bào: gian k? và nguyên phân
4. So sánh nguyên phân & giảm phân
5. Cơ sở tế bào và ý nghĩa tiến hóa của các biến dị di truyền

Bùi Trang Vi?t, Lê Th? Phuong H?ng. Sinh h?c di truy?n và phân t?. Ph?n I. Sinh h?c di truy?n, Nxb. Nông Nghi?p 2006
1. Khái ni?m v? v?t li?u di truy?n
Con có những đặc điểm giống cha mẹ. Vật chất nào được truyền từ cha mẹ?

? 3 quan ni?m cổ về di truy?n
(1) Từ rất lâu, người ta tin sự lai giữa các loài rất xa cho động vật hỗn hợp: "minotaur" (quái vật đầu bò, mình người); hươu cao cổ (Giraffa camelopardalis) do sự lai giữa lạc đà (camel) và báo (leopard).
Tượng bán thân của minotaur (National Archaeological Museum of Athens)
Giraffa camelopardalis
Linnaeus, 1758
(2) Từ thời Trung cổ, người ta biết, lai cực đoan không xảy ra, và tin loài ổn định và bất biến; biến dị và di truyền xảy ra trong phạm vi loài.

(3) Người Hi Lạp cổ: Các yếu tố của cha và mẹ được truyền trực tiếp và hòa trộn trong các con.
? Koelreuter (1760) khởi đầu di truyền hiện đại:
- Lai các dòng thuốc lá ? cây lai có dạng khác cha-mẹ;
- Cho giao các cây lai ? nhiều con giống cha-mẹ, một số ít giống ông-bà.

? Knight (1790) lai hai thứ Pisum sativum thuần:
- Hoa tím x hoa trắng ? con lai đều ra hoa tím. - Thế hệ con của các cây lai ? phần lớn ra hoa tím, nhưng một ít ra hoa trắng.

Ý nghĩa: Các đặc điểm có thể ẩn và tái xuất hiện trong thế hệ kế tiếp ? không truyền trực tiếp & không hòa trộn các đặc điểm.
Thí nghiệm
- Dùng P. sativum thuần (tự thụ cho các con giống cha mẹ về đặc điểm nghiên cứu).
- Chọn 7 đặc tính, mỗi đặc tính có 2 dạng (đặc điểm) luân phiên (2 biến dị tương phản).
- Định lượng kết quả.
? Quan điểm của Mendel
Bảy đặc tính được Mendel chọn lựa
Kết quả lai: F1 giống một trong hai cha-mẹ (tím); F1 tự thụ, thu & gieo hột ? F2: hoa trắng tái xuất hiện theo tỉ lệ 3 tím : 1 trắng.
Ba nhận xét của Mendel

(1) Cây lai truyền cho các con 1 đặc điểm nguyên vẹn (không hòa trộn, không có hình trung gian), biểu hiện hay không.
(2) Mỗi đặc tính có 2 dạng (đặc điểm) luân phiên: một ẩn ở F1, nhưng tái xuất hiện ở F2.
(3) Các cặp đặc điểm luân phiên phân ly trong các con ở F2 theo tỉ lệ trội:lặn là 3:1.
Hai nguyên lý di truyền của Mendel

? Qui luật về sự phân ly
Các dạng luân phiên (các c?p allele) của một đặc tính phân ly và vẫn tách biệt trong cá thể dị hợp.
Mendel`s Principle of Segregation
Ngôn ngữ hiện đại:

Các cặp allele của một gene phân ly độc lập trong sự thành lập giao tử, và sự thụ tinh tái lập các cặp allele.

Các allele c?a 1 gene ? cùng 1 locus (position) trên các NST tương đồng.

N?u ki?u gene (genotype, genetic makeup) c?a m?t cá th? có 2 allele cho 1 gene, thì ch? có allele tr?i ?nh hu?ng tới ki?u hình (phenotype, appearance).
? Qui luật về sự tập hợp độc lập
Các nhân tố di truyền (gene trên nhiễm sắc thể) cũng phân ly và tập hợp một cách độc lập.

(D? di?u này x?y ra, các gene ph?i ? trên các nhi?m s?c th? khác nhau.)
Mendel`s Principle of Independent Assortment
Quan điểm về gene

? Mendel (1866): Nhân tố di truyền qui định đặc tính di truyền. Cha mẹ truyền cho các con những nhân tố di truyền riêng biệt (được giữ riêng biệt qua các thế), ngày nay được gọi là gene.
? Garrod (1909): Gene điều khiển kiểu hình qua enzyme.
? Beadle và Tatum (1941): một gene-một enzyme
? Quan điểm hiện nay: một gene-một polypeptide
? Lý thuyết trung tâm của sinh học phân tử
Mọi sinh vật có chung cơ chế biểu hiện gene:
DNA ? mRNA ? protein (polypeptide)
2. Chu trình sống của con người: thụ tinh, nguyên phân và giảm phân

Tế bào tinh trùng đơn bội (n) của cha hợp với tế bào trứng (n) của mẹ trong thụ tinh; trứng thụ tinh (hợp tử, 2n), chứa 2 bộ nhiễm sắc thể (n) tương đồng: 1 từ mẹ và 1 từ cha.

Nguyên phân bảo đảm mọi tế bào thể hệ (soma) có đủ 46 bản sao nhiễm sắc thể của hợp tử.

Giảm phân tạo các giao tử (n) trong cơ quan sinh sản (buồng trứng & tinh hoàn), và làm giảm phân nửa số nhiễm sắc thể.
Chu trình sống (người) và hai kiểu phân chia tế bào
3. Chu kỳ tế bào: gian kỳ và nguyên phân

Chu kyø teá baøo nhaân thöïc laàn löôït qua caùc phase :
- G1 phase (G, gap) coù thôøi gian raát thay ñoåi
- S phase (S, synthesis): toång hôïp DNA (taùi baûn) vaø vaøi protein cuûa chromatin
- G2 phase
(G1, S vaø G2 thuoäc veà interphase)
- M phase (mitotic phase): phaân nhaân + phaân baøo.
Tế bào mất khả năng phân chia ? vào giai đoạn nghỉ hay G0 phase.
Các giai đoạn của chu kỳ tế bào của sinh vật nhân thực
The number of DNA molecules in a chromosome:

(a) a chromosome prior to replication contains a single DNA molecule;

(b) a chromosome that has been replicated and consists of two chromatids, each comprising a single DNA double helix molecule.
In reality, in each chromatid each DNA double helix is associated with protein, which condenses into a coil and then into a supercoil
4. So sánh nguyên phân & giảm phân

- Nguyên phân: 1 lần, tạo 2 tế bào 2n (giống tế bào cha mẹ); giảm phân: 2 lần, tạo 4 tế bào n.
- Trong cả hai cách, các nhiễm sắc thể chỉ nhân đôi một lần trong interphase (interphase I của giảm phân).
- Giảm phân I đặc sắc bởi crossing-over (trong prophase I) & tạo 2 tế bào n; giảm phân II (giống nguyên phân) tạo 4 tế bào n.
Nguyên phân
Prophase: nhiễm sắc thể nhân đôi
Metaphase: nhiễm sắc thể sắp hàng giữa tế bào
Anaphase: các chromatid phân ly
Telophase: 2 nhân con; tế bào chất phân chia
Giảm phân I
Giảm phân I đặc sắc bởi crossing-over (trong prophase I) và sự tạo 2 tế bào n (nhưng mỗi nhiễm sắc thể vẫn còn 2 chromatid chị em).
Các nhiễm sắc thể tương đồng (đã nhân đôi) bắt cặp dể tạo tetrad trong crossing-over.
Giảm phân II (giống nguyên phân) tạo 4 tế bào n
5. Cơ sở tế bào và ý nghĩa tiến hóa của các biến dị di truyền

? Con cháu có nhiều điểm rất khác nhau, và cũng khác với cha mẹ; biến dị di truyền là cơ sở (vật liệu thô) của chọn lọc tự nhiên.
Bi?n d? trong qu?n th? du?c sinh ra nh? đột bi?n và tái tổ h?p h?u tính.
? Cơ sở tế bào của các biến dị di truyền (qua sinh sản h?u tính):
(1) Định hướng độc lập của các nhiễm sắc thể ở metaphase I và thụ tinh ngẫu nhiên
(2) Hai nhiễm sắc thể trong một cặp tương đồng mang thông tin di truyền khác nhau
(3) Crossing-over
(1) Định hướng các cặp nhiễm sắc thể tương đồng ở giảm phân I và thụ tinh ngẫu nhiên

Thí dụ, với 4 nhiễm sắc thể, tế bào 2n sinh 4 kiểu giao tử.
n = 2 ? số tổ hợp nhiễm sắc thể: 22 = 4

Ở người, n = 23 ? 223 (8 triệu)
1 trứng * 1 tinh trùng ? 1 hợp tử (2n) trong số 64 triệu triệu tổ hợp nhiễm sắc thể !
n = 2 ? số tổ hợp nhiễm sắc thể: 22 = 4
Hậu quả của sự định hướng của các cặp nhiễm sắc thể tương đồng (tetrad) ở giảm phân I
(2) Hai nhiễm sắc thể trong một cặp tương đồng mang thông tin di truyền khác nhau

Các nhiễm sắc thể tương đồng giống nhau dưới kính hiển vi, nhưng mang thông tin di truyền khác nhau đối với cùng các đặc tính ở các loci tương ứng.

Do đó, các giao tử sẽ khác nhau (về mặt di truyền), và con cháu phải có những đặc điểm khác nhau.
Tetrad với các gen qui định 2 đặc tính cho 2 kiểu giao tử (nếu có tái tổ hợp do crossing-over sẽ cho 4).
? Crossing-over ? 1 tetrad cho 4 loại giao tử.
? Các đoạn tái tổ hợp của chromatid mang nhiều gen ? 1 crossing-over tác động trên nhiều gen.
(3) Crossing-over làm tăng biến dị di truyền
Ý nghĩa tiến hóa của biến dị di truyền

? Biến dị có thể do môi trường hay di truyền; chỉ có biến dị di truyền mới dẫn tới thích nghi tiến hóa.
? Chọn lọc tự nhiên "chọn lọc" các biến dị di truyền qua nhiều thế hệ, giúp quần thể trở nên phù hợp (thích nghi) hơn với môi trường.
? Darwin diễn đạt "tiến hóa" qua khái niệm "truyền cùng với biến đổi" (descent with modification).
? Biến dị kháng thuốc của vi khuẩn và virus tăng rất nhanh trong quần thể.

? Sự tiến hóa của vi khuẩn và virus là trường hợp đặc biệt, nhưng phù hợp với quan điểm: chọn lọc tự nhiên là quá trình "chọn lọc" (hay "biên tập", editing), hơn là cơ chế sáng tạo (creative mechanism).

? 3TC không "tạo" virus HIV kháng thuốc, chỉ chọn lọc các cá thể kháng thuốc đã có sẵn trong quần thể.