Giáo trình Di truyền học - Hoàng Trọng Phan

322 trang huongle 3640

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Di truyền học - Hoàng Trọng Phan", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_di_truyen_hoc_hoang_trong_phan.pdf

Nội dung text: Giáo trình Di truyền học - Hoàng Trọng Phan

DI TRUYỀN HỌC Biên soạn: Hoàng Trọng Phan
11 Lời nói đầu Đến nay, di truyền học ra đời chỉ mới hơn một trăm năm song nó đã phát triển với một tốc độ hết sức nhanh chóng. Đặc biệt là, trong vòng 50 năm lại đây kể từ ngày James Watson và Francis Crick khám phá ra cấu trúc phân tử DNA, 25/4/1953. Sự hoàn thành việc giải mã di truyền bởi hai nhóm nghiên cứu của Marshall Nirenberg và Har Gobind Khorana vào tháng 6 năm 1966 và sự ra đời của Kỹ thuật Di truyền và Công nghệ DNA tái tổ hợp vào giữa thập niên 1970 là hai sự kiện nổi bật nhất kể từ sau khi sinh học phân tử ra đời. Kế đó, sự hoàn tất của Dự án Bộ gene Người vào tháng 4 năm 2003 được xem là một trong những kỳ công thám hiểm vĩ đại nhất của loài người. Lần đầu tiên con người có thể đọc được một cách đầy đủ toàn bộ trình tự 3.164.700.000 cặp base trong bộ gene của mình. Tất cả những sự kiện nổi bật này minh chứng một điều rằng: Sự phát triển cùng với những thành tựu đạt được của di truyền học trong thời gian qua quả là vô cùng to lớn! Để góp phần đổi mới nội dung giáo trình Di truyền học theo hướng cập nhật kiến thức cũng như phương pháp dạy và học bộ môn ở bậc Đại học, chúng tôi đã tham cứu nhiều tài liệu khác nhau và nỗ lực biên soạn giáo trình trên tinh thần ấy. Chúng tôi hy vọng rằng giáo trình này sẽ đáp ứng được phần nào nhu cầu giảng dạy và học tập của giảng viên và sinh viên, và cũng có thể sử dụng như một tài liệu tham khảo bổ ích cho giáo viên Sinh học các trường THPT trong bối cảnh đổi mới giáo dục hiện nay. Nội dung giáo trình gồm phần Mở đầu cộng với 12 chương bao quát các kiến thức đại cương của một giáo trình Di truyền học. Các chương 1- 4 đề cập chủ yếu nội dung thuộc Di truyền học cổ điển, các chương 5-10 tập trung vào phần Di truyền học phân tử và chương 12 được xem là phần nhập môn của Di truyền học quần thể, còn chương 11 là sự kết hợp giữa các kiến thức di truyền cổ điển và hiện đại trên đối tượng là con người. Cuối mỗi chương đều có các phần Câu hỏi và Bài tập và Tài liệu Tham khảo để bạn đọc tiện ôn tập và tra cứu. Giáo trình Di truyền học được ra đời trong khuôn khổ của Dự án Giáo dục thuộc Đại học Huế, vì vậy một số kiến thức nâng cao sẽ được đề cập trong một giáo trình riêng, như: Di truyền Vi sinh vật và Ứng dụng,và Công nghệ DNA Tái tổ hợp. Bên cạnh đó, một số thuật ngữ khoa học được thống nhất sử dụng bằng tiếng Anh để giúp người học dễ dàng hơn trong việc tiếp cận với thông tin qua sách báo nước ngoài hoặc internet.
12 Giáo trình này do ThS. Hoàng Trọng Phán (chủ biên), TS. Trương Thị Bích Phượng và TS. Trần Quốc Dung là những giảng viên đang công tác tại Khoa Sinh học các trường Đại học Sư phạm và Đại học Khoa học thuộc Đại học Huế biên soạn, với sự phân công như sau: ThS. Hoàng Trọng Phán biên soạn phần Mở đầu và các chương 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10 và 12; TS. Trương Thị Bích Phượng biên soạn các chương 7, 8 và 9; và TS. Trần Quốc Dung biên soạn chương 11. Để giáo trình này kịp thời ra mắt bạn đọc, chúng tôi xin trân trọng cảm ơn Dự án Giáo dục Đại học Huế đã tài trợ cho việc biên soạn và xuất bản giáo trình trong khuôn khổ của Dự án Giáo dục Đại học mức B. Chúng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đặc biệt đến GS. TS. Phan Cự Nhân, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, đã dày công đọc bản thảo và cho nhiều ý kiến quý báu cũng như đã khích lệ chúng tôi rất nhiều kể từ khi đề cương giáo trình bắt đầu được hình thành. Do khả năng còn hạn chế, chắc chắn giáo trình còn nhiều thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự phê bình và chỉ bảo của các đồng nghiệp và bạn đọc để giáo trình được hoàn chỉnh hơn trong lần in sau. Huế, ngày 25 tháng 6 năm 2005 Các tác giả
13 Mở đầu I. Khái niệm di truyền học Theo quan niệm của Bateson (1906), di truyền học (genetics) là khoa học nghiên cứu các đặc tính di truyền và biến dị vốn có của mọi sinh vật cùng với các nguyên tắc và phương pháp điều khiển các đặc tính đó. Ở đây, tính di truyền (heredity) được biểu hiện ở sự giống nhau giữa con cái với cha mẹ; và tính biến dị (variability) biểu hiện ở sự sai khác giữa cha mẹ và con cái cũng như giữa các con cái với nhau. Cần lưu ý rằng, gene là khái niệm căn bản của di truyền học cho nên nội dung của khái niệm gene không ngừng được phát triển cùng với sự phát triển của di truyền học. II. Lược sử phát triển của di truyền học Sự ra đời và phát triển của di truyền học gắn liền với công trình nghiên cứu của Gregor Mendel năm 1865. Tuy nhiên, trước thời Mendel đặc biệt là từ thế kỷ XVII có một số sự kiện quan trọng sau đây: (1) Sự ra đời của kính hiển vi sơ khai bởi A.van Leuvenhook (1632-1723); và (2) Sinh học bắt đầu phát triển mạnh vào thế kỷ XIX với sự ra đời thuyết tế bào của M.Schleiden và T.Schwann (1838,1839) và các thuyết tiến hóa của J.B.Lamarck (1809) và đặc biệt là của R.C.Darwin (1859). Nhìn chung, quan niệm phổ biến thời bấy giờ vẫn là sự di truyền các tính trạng tập nhiễm (inheritance of acquired characters) do Lamarck đề xuất và sự di truyền hòa hợp (blending inheritance), nghĩa là sự pha lẫn "tinh cha huyết mẹ" ở con cái. 1. Sự ra đời và phát triển của di truyền Mendel Từ đậu Hà Lan (Pisum sativum), với ý tưởng và phương pháp nghiên cứu độc đáo, năm 1865 Gregor Mendel (Hình 1) đã phát hiện ra các quy luật di truyền cơ sở đầu tiên và qua đó suy ra sự tồn tại tất yếu của các đơn vị đi truyền đặc thù - nhân tố di truyền (genetic factor) - quy định các tính trạng được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác mà sau này gọi là gene. Tuy nhiên, giới khoa học đương thời không hiểu và do đó không thể đánh giá tầm vóc vĩ đại của phát minh này. Hình 1 G. Mendel Mãi đến năm 1900, ba nhà thực vật học là Carl Correns (Germany), Hugo de Vries (Netherlands) và Erich von Tschermak (Austria) độc lập nhau khám phá lại các quy luật di truyền của Mendel. Và di truyền học chính thức ra đời từ đây mà người sáng lập là Mendel.
14 Trong những năm đầu thế kỷ XX, nhờ ứng dụng di truyền Mendel, các nhà chọn giống đã phát hiện thêm các hiện tượng như: trội không hoàn toàn, đồng trội, gene gây chết, đa allele, các kiểu tương tác gene Ở giai đoạn này, ngoài thuyết đột biến của H.de Vries năm 1901, còn có hai sự kiện liên quan đến sự ra đời của thuyết di truyền nhiễm sắc thể và di truyền học quần thể sau này, đó là sự khởi xướng "thuyết nhiễm sắc thể" bởi Walter Sutton và Theodor Bovary năm 1902 và việc thiết lập quy luật Hardy-Weinberg năm 1908. Một số thuật ngữ thông dụng cũng được đề xuất trong giai đọan này, như: di truyền học (genetics) bởi W.Bateson năm 1906, gene, kiểu gene (genotype) và kiểu hình (phenotype) bởi W.Johannsen năm 1909. 2. Sự ra đời và phát triển của thuyết di truyền nhiễm sắc thể Từ 1910, Thomas Hunt Morgan (Hình 2) cùng với ba cộng sự là Alfred H.Sturtevant, Calvin Bridges và Herman J. Muller đã xây dựng thành công thuyết di truyền nhiễm sắc thể (chromosome theory of inheritance) dựa trên đối tượng nghiên cứu là ruồi giấm Drosophila melanogaster. Học thuyết này xác nhận rằng gene là đơn vị cơ sở của tính di truyền nằm trên nhiễm sắc thể (ở trong nhân); trên đó các gene sắp xếp theo đường thẳng Hình 2 T.H.Morgan tạo thành nhóm liên kết. Những đóng góp đáng kể của các môn đệ xuất sắc của Morgan đó là: xây dựng bản đồ di truyền (Sturtevant 1913), chỉ ra cơ chế xác định các kiểu hình giới tính ở ruồi giấm (Bridges 1916) và phát triển phương pháp gây đột biến bằng tia X (Muller 1927). Với đóng góp to lớn đó Morgan đã được trao giải Nobel năm 1933 và Muller năm 1946. Năm 1931, Barbara McClintock (Hình 3) và Harriet Creighton thu được bằng chứng vật lý trực tiếp về tái tổ hợp ở ngô. Sau đó, hiện tượng này cũng được C. Stern quan sát ở Drosophila. Như vậy tái tổ hợp có thể được phát hiện cả về mặt vật lý lẫn di truyền ở động vật cũng như ở thực vật. Đến 1944, McClintock phát hiện các yếu tố di truyền vận động (transposable genetic elements), và bà đã được trao giải Nobel năm 1983 về khám phá này. Hình 3 B.McClintock 3. Sự ra đời và phát triển của di truyền học phân tử Sự ra đời của di truyền học phân tử (molecular genetics) gắn liền với các khám phá về DNA (deoxyribonucleic acid) từ giữa thế kỷ XX trên đối
15 tượng nghiên cứu chủ yếu là các vi sinh vật. Tuy nhiên, trước đó Friedrich Miescher (1869) đã khám phá ra một hỗn hợp trong nhân tế bào gọi là nuclein mà thành phần chính của nó sau này được biết là DNA. Hình 4 Be adle, Tatum, Jacob v à M onod (từ trái sang) Về mối quan hệ giữa gene và protein, từ 1902 Archibald Garrod qua nghiên cứu bệnh alcaptonuria ở người đã gợi ý rằng đây là một tính trạng lặn Mendel, có thể liên quan tới sự sai hỏng một enzyme. Bằng các thí nghiệm gây đột biến các gene liên quan đến các con đường sinh hóa trên nấm mốc Neurospora, năm 1941 George Beadle và E.L.Tatum (Hình 4) xác nhận mỗi gene kiểm soát sự tổng hợp một enzyme đặc thù. Chính giả thuyết một gene-một enzyme (one gene-one enzyme hypothesis) nổi tiếng này đã mở đường cho sự ra đời của di truyền hóa-sinh, và hai ông đã được trao giải Nobel cùng với Joshua Lederberg năm 1958. Về sau, giả thuyết này được chính xác hóa là một gene xác định chỉ một chuỗi polypeptid - cấu trúc sơ cấp của các protein, trong đó có các enzyme. Vậy bản chất của gene là gì? Năm 1944, Oswald Avery (Hình 5) và các cộng sự là MacLeod và McCarty bằng thí nghiệm biến nạp in vitro đã chứng minh rằng DNA là vật chất mang thông tin di truyền. Năm 1949, Erwin Chargaff công bố các kết quả đầu tiên về thành phần hóa học của DNA một số loài. Hình 5 O.T. Avery Việc nghiên cứu cấu trúc phân tử DNA được bắt đầu từ 1951 với các dẫn liệu nhiễu xạ tia X của Rosalind Franklin và Maurice Wilkins (Hình 6). Các số liệu hóa học và vật lý này là cơ sở mà từ đó James Watson và Francis Crick (Hình 7) đã xây dựng thành công mô hình cấu trúc phân tử DNA năm 1953, còn gọi là chuỗi Hình 6 R.Franklin (trái) và M.Wilkins
16 xoắn kép (double helix). Phát minh vĩ đại này mở ra kỷ nguyên mới cho sự phát triển của di truyền học và sinh học nói chung. Với phát minh đó, Watson và Crick cùng với Wilkins được trao giải Nobel năm 1962 . Bài báo nhan đề "Một cấu trúc cho Deoxyribose Nucleic Acid" của Watson và Crick đăng trên tạp chí Nature ngày 25/4/1953 được đánh giá Hình 7 J.D.Watson (trái) và F.H.C.Crick là một bài báo không bình thường. Chỉ vỏn vẹn có 128 dòng nhưng đàng sau bài báo là cả một bước tiến lịch sử vĩ đại của di truyền học mà mỗi dòng là một câu chuyện. Thật vậy, sau cấu trúc chuỗi xoắn kép là hàng loạt các khám phá mới. Năm 1958 Matthew Meselson và Franklin Stahl chứng minh sự tái bản bán bảo toàn của DNA; và năm 1961 Seymour Benzer hoàn tất công trình nghiên cứu cấu trúc tinh vi của gene; Francois Jacob và Jacques Monod (Hình 4) tìm ra cơ chế điều hòa sinh tổng hợp protein (giải Nobel 1965 với Andre Lwoff); S.Brenner, Jacob và Meselson khám phá ra RNA thông tin; S.Brenner và F.Crick chứng minh mã ditruyền là mã bộ ba; công trình giải mã Hình 8 H.G.Khorana (trái) và M.Nirenberg di truyền này được hoàn thành vào tháng 6 năm 1966 bởi hai nhóm nghiên cứu của Marshall Nirenberg và Har Gobind Khorana (giải Nobel năm 1968; Hình 8). 4. Sự ra đời và phát triển của công nghệ DNA tái tổ hợp Có thể nói, nền tảng của công nghệ DNA tái tổ hợp (recombinant DNA technology) được thành lập từ 1972 khi Paul Berg (Hình 10) tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp đầu tiên trong ống nghiệm (recombinant DNA in vitro). Một năm sau Herbert Boyer và Stanley Cohen (Hình 10) lần đầu tiên sử dụng plasmid để tạo dòng DNA. Lĩnh vực ứng dụng mới này của sinh học phân tử đã tạo ra một cuộc cách mạng mới trong sinh học. Đóng góp đáng kể trong lĩnh vực này là khám phá về các enzyme giới hạn (restriction enzyme) từ 1961-1969 của Werner Arber, Daniel Nathans và
17 Hamilton Smith (giải Nobel 1978; Hình 10); đề xuất các phương pháp xác định trình tự base trong các nucleic acid năm 1977 bởi P.Berg, W.Gilbert Hình 9 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 và 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 và K.Mullis. và Frederick Sanger (giải Nobel hóa học 1980; Hình 10); sự khám phá ra các gene phân đoạn (split gene) năm 1977 bởi Phillip Sharp và Richard Robert (giải Nobel 1993; Hình 9); sự phát minh ra phương pháp PCR (polymerase chain reaction) của Kary B.Mullis năm 1985 (Hình 10) và phương pháp gây đột biến định hướng (site-directed mutagenesis) của Michael Smith từ 1978-1982 (giải Nobel hóa học 1993) Cùng với những thành tựu ứng dụng ly kỳ trong sản xuất và đời sống xã hội, như việc sản xuất các chế phẩm y-sinh học bằng công nghệ DNA tái tổ hợp, sử dụng liệu pháp gene (gene therapy) trong điều trị bệnh di truyền, tạo các giống sinh vật mới bằng con đường biến đổi gene (genetically modified organisms = GMOs), dự án bộ gene người (Human Genome Project = HGP) gây ra không ít hoài nghi, tranh cãi xung quanh các vấn đề về đạo lý sinh học (bioethics) và an toàn sinh học (biosafety). III. Đối tượng và các lĩnh vực nghiên cứu của di truyền học Trong giai đoạn đầu, đối tượng của di truyền học là các thực vật, động vật, người và các vi sinh vật. Từ đó dẫn tới sự hình thành các lĩnh vực nghiên cứu tương ứng là di truyền học thực vật, động vật, người và di truyền học vi sinh vật, trong đó di truyền học tế bào là cơ sở. Giai đoạn
18 này kéo dài từ thời Mendel cho đến thập niên 1940, với đặc trưng là nghiên cứu quy luật di truyền các tính trạng qua các thế hệ. Vì vậy nó thường được gọi là giai đoạn di truyền học Mendel hay di truyền học cổ điển (Mendelian or classical genetics). Từ thập niên 1950 đến nay, với sự ra đời của di truyền học phân tử (molecular genetics), đối tượng nghiên cứu là tổ chức, cấu trúc, chức năng và cơ chế hoạt động của các bộ gene (genomes), các gene và các sản phẩm của chúng ở mức phân tử. Đặc biệt với sự ra đời của các kỹ thuật tạo dòng gene (gene-cloning techniques) từ thập niên 1970, việc nghiên cứu cơ bản cũng như ứng dụng trở nên hết sức thuận lợi. Sự phân hóa thành các chuyên ngành lúc này là vô cùng phong phú và 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 đây còn xuất hiện một số lĩnh vực nghiên cứu mới như genomics, DNA chip technology, DNA microarray technology Một hướng khác của di truyền học chuyên nghiên cứu cấu trúc di truyền của các quần thể và sự biến đổi di truyền bên trong quần thể và giữa các quần thể. Đó là nhánh di truyền học quần thể (population genetics), mà nguyên lý cơ sở của nó được G.Hardy (England) và W.Weinberg (Germany) độc lập đưa ra năm 1908. Tuy nhiên, lĩnh vực nghiên cứu này chỉ thực sự bắt đầu từ thập niên 1930 với các công trình của R.A.Fisher, J.B.S.Haldane và Sewall Wright. Ngày nay các nhà di truyền học không còn thiên về nghiên cứu sự biến đổi ở mức kiểu hình mà tập trung vào sự biến đổi phân tử trong một quần thể nhằm tìm hiểu ý nghĩa tiến hóa của các biến đổi đó. Và như thế di truyền học quần thể trở thành nền tảng cho các thuyết tiến hóa hiện đại. Qua phân tích ở trên cho thấy ba nhánh chính của di truyền học, đó là: di truyền học Mendel, di truyền học phân tử và di truyền học quần thể. IV. Các phương pháp nghiên cứu của di truyền học Việc nghiên cứu di truyền học được tiến hành bởi nhiều phương pháp khác nhau. Bên cạnh các phương pháp kinh điển đặc thù còn có sự phát triển và tích hợp của các phương pháp từ toán học, tin học, vật lý và hóa học đặc biệt là trong lĩnh vực sinh học phân tử. 1. Các phương pháp kinh điển đặc thù của di truyền học Trước hết đó là phương pháp tự thụ phấn dùng để chọn các dòng thuần làm bố mẹ trong các phép lai, các phương pháp lai một hoặc đồng thời nhiều tính trạng giữa các bố mẹ do Mendel đề xuất. Trong đó bao gồm cả các hình thức lai thuận nghịch và lai phân tích (testcross) nhằm rút
19 ra quy luật, kiểm tra kiểu gene hoặc dùng để thiết lập bản đồ di truyền. Đối với nghiên cứu di truyền người và một số vật nuôi giao phối cận huyết (consanguineous), đặc trưng là phương pháp phân tích phả hệ (pedigree analysis) nhằm xác định đặc điểm di truyền trội-lặn của một tính trạng hoặc bệnh tật; nghiên cứu trẻ sinh đôi cùng trứng và khác trứng nhằm xác định hệ số di truyền (heritability) của tính trạng; phương pháp gây đột biến (mutagenesis) kết hợp với lai hữu tính dùng trong nghiên cứu và chọn tạo giống, đặc biệt là ở thực vật 2. Phương pháp toán học Trong nghiên cứu khoa học nói chung và di truyền học nói riêng, việc áp dụng các công cụ toán thống kê và lý thuyết xác suất để phân tích định lượng và lý giải các kết quả nghiên cứu là rất thiết yếu. Chính điều đó làm cho di truyền học trở thành một khoa học chính xác và mang tính dự báo. Điều này thể hiện rõ trong các công trình nghiên cứu của Mendel, Morgan cũng như trong các nghiên cứu di truyền số lượng và di truyền quần thể. 3. Các phương pháp vật lý và hóa học Trong nghiên cứu di truyền, đặc biệt là di truyền phân tử và tế bào đòi hỏi phải sử dụng các kỹ thuật và phương pháp của vật lý và hóa học. Chẳng hạn, trong nghiên cứu hình thái nhiễm sắc thể không thể thiếu các loại kính hiển vi quang học và điện tử, các kỹ thuật nhuộm băng (banding techniques); nghiên cứu thành phần hóa học và cấu trúc DNA đòi hỏi các phương pháp sắc ký và nhiễu xạ tia X 4. Các phương pháp tế bào học Trong nghiên cứu di truyền tế bào có rất nhiều phương pháp được sử dụn g để quan sát hình thái nhiễm sắc thể và thiết lập kiểu nhân (karyotype) của các loài cũng như để chẩn đoán các bệnh tật liên quan đến sự biến đổi số lượng và cấu trúc nhiễm sắc thể. Bên cạnh các kỹ thuật nuôi cấy mô và chuẩn bị nhiễm sắc thể là các kỹ thuật nhuộm băng khác nhau, kỹ thuật lai huỳnh quang tại chỗ (fluorescence in situ hybridization = FISH), kỹ thuật miễn dịch tế bào học (xem Verma và Babu 1995). 5. Các phương pháp của sinh học phân tử - kỹ thuật di truyền Sự tiến bộ nhanh chóng gần đây của sinh học phân tử và công nghệ sinh học là nhờ sự phát triển mạnh mẽ của các kỹ thuật tái tổ hợp DNA, lai phân tử, sử dụng các mẫu dò và phương pháp đánh dấu khác nhau, phương pháp PCR, các phương pháp xác định trình tự nucleic acid cũng như các phương pháp biến đổi vật liệu di truyền mới. Với các công cụ kỹ thuật mới này đã cho phép đi sâu nghiên cứu tổ
20 chức của các gene và bộ gene, các cơ chế điều hòa và biến đổi di truyền ở mức phân tử cũng như các thành tựu ứng dụng mới trong y-sinh học, nông nghiệp và các lĩnh vực khác của đời sống-xã hội. V. Các nguyên tắc nghiên cứu và phương pháp học tập di truyền học 1. Các nguyên tắc nghiên cứu của di truyền học Trong nghiên cứu di truyền học và sinh học nói chung có các nguyên tắc chung cần tuân thủ như là phương pháp luận, sau đây: (1) Lấy tế bào làm đơn vị nghiên cứu; (2) Thông tin di truyền chứa trong bộ gene tế bào chi phối mọi biểu hiện sống của nó mà các gene là đơn vị di truyền cơ sở; (3) Sự hoạt động của các gene trong qúa trình phát triển cá thể là đặc trưng cho từng gene trong từng giai đoạn cụ thể; (4) Các quá trình trong các hệ thống sống phải được điều hòa và kiểm soát để đảm bảo cho sự tồn tại của nó là liên tục, trong đó phổ biến là sự tự điều chỉnh bằng các cơ chế phản hồi thông tin (feed-back mechanism); (5) Sự thống nhất giữa cấu trúc và chức năng biểu hiện ở tất cả các mức độ tổ chức khác nhau của sự sống; (6) Tất cả các tổ chức và quá trình sống đều tuân theo các quy luật vật lý và hóa học; (7) Sự sống trên trái đất trải qua quá trình tiến hóa khoảng 3,5 tỷ năm qua, vì vậy khi so sánh, những nét tương đồng giữa chúng cho thấy tính thống nhất về mặt nguồn gốc và những nét dị biệt cho thấy tính phát triển, sự phân hóa đa dạng tất yếu của chúng. 2. Phương pháp học tập môn di truyền học Cũng như bất kỳ môn học nào khác, việc học tập môn di truyền đòi hỏi phải nắm vững lịch sử môn học, đối tượng, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu và hệ thống kiến thức căn bản của nó. Bên cạnh các nguyên tắc nói trên vốn rất cần cho tư duy trong học tập, dưới đây nêu một số điểm chính liên quan phương pháp học tập đặc thù của bộ môn. (1) Nắm vững các kiến thức liên môn (như tế bào học, hóa sinh học, vi sinh học, học thuyết tiến hóa ) và liên ngành (như các khái niệm và nguyên lý cơ bản của toán thống kê-xác suất, vật lý và hóa hữu cơ). (2) Nắm vững hệ thống khái niệm cơ bản cũng như các thuật ngữ mới không ngừng nảy sinh. Trong đó gene là khái niệm căn bản có nội hàm không ngừng phát triển, đặc biệt là trong ba thập niên lại đây. (3) Hiểu rõ bản chất của các nguyên lý di truyền trong từng chủ đề cũng như mối liên quan giữa chúng để có thể giải thích và vận dụng trong giải quyết các bài toán hoặc tình huống của đời sống và thực tiễn sản xuất. (4) Để nắm kiến thức và phát triển các kỹ năng tư duy một cách vững chắc đòi hỏi phải biết vận dụng kiến thức vào giải bài tập cũng như các kỹ năng thực hành thí nghiệm.
21 (5) Di truyền học là một khoa học thực nghiệm, nên thông tin thu được là nhờ các quan sát từ thế giới tự nhiên, và phương pháp khoa học chính là công cụ để hiểu biết các quan sát đó. Nói đến phương pháp nghiên cứu khoa học là nói đến các bước tiến hành theo một trình tự tổ chức công việc chặt chẽ sau đây: Quan sát → Giả thuyết → Dự đoán → Thực nghiệm (để kiểm tra giả thuyết đặt ra) → Đề xuất giả thuyết mới. Cũng cần lưu ý rằng, đặc tính của khoa học là hoài nghi, đòi hỏi phải có bằng chứng xác thực, là kết hợp giữa logic và trí tưởng tượng, là giải thích và dự đoán, không có sự độc đoán; người nghiên cứu hay nhà khoa học phải nhận biết sáng tỏ, trung thực, vô tư, và nói chung là chịu sự chi phối của các nguyên tắc đạo đức đã được thừa nhận rộng rãi. (6) Trong khi học giáo trình, bạn nên làm ít nhất một tiểu luận về một vấn đề cập nhật mình yêu thích. Điều đó rất lý thú và bổ ích. Bởi công việc này đòi hỏi sự say mê tìm tòi các thông tin mới, đặc biệt là trên mạng để viết một bài tổng luận có tính khoa học và trình bày trong một seminar. (7) Bởi di truyền học là một ngành khoa học non trẻ nhưng phát triển với tốc độ cực nhanh, nên khối lượng kiến thức mới tích lũy được là vô cùng phong phú và đa dạng. Để có thể cập nhật thông tin về môn học đòi hỏi phải tăng cường khả năng sử dụng tiếng Anh và internet. Điều quan trọng là phải tạo cho mình một hoài bão học tập, một khả năng và phương pháp tự học và thành lập cho được một thư mục tra cứu. Trong đó đáng kể là các trang web (được giới thiệu trong từng chương), hoặc có thể sử dụng ngay các từ khóa (key words) được cho ở từng chủ đề để tìm kiếm với công cụ có thể nói mạnh nhất hiện nay là Google. VI. Di truyền học với công nghệ sinh học, tin học và các vấn đề xã hội Như đã đề cập, sự phát triển hết sức nhanh chóng của di truyền học trong vài thập niên qua, đặc biệt là sự tiến bộ của công nghệ sinh học (biotechnology) nói chung đã có những tác động mạnh mẽ lên nhiều ngành khoa học và trên mọi mặt của đời sống, kinh tế, chính trị và xã hội ở phạm vi toàn cầu. Di truyền học được hình dung ở vị trí trung tâm và giao thoa với sinh học, hóa sinh học, kỹ nghệ, y-dược, nông nghiệp, sinh thái học, kinh tế học, luật, xã hội học và triết học. Giáo sư danh dự môn hóa học ở Đại học Havard, F.H.Westheimer, bình luận về sinh học phân tử như sau:"Cuộc cách mạng trí tuệ vĩ đại nhất của 40 năm qua đã xảy ra trong sinh học. Liệu có thể tìm ra một người nào đó có học ngày nay mà không hiểu biết chút gì về sinh học phân tử?" (dẫn theo Weaver và Hedrick 1997, tr.15). Các thành tựu đạt được nhờ ứng dụng di truyền học trong nông nghiệp
22 là vô cùng to lớn, góp phần tạo nên cuộc "cách mạng xanh lần thứ hai" với sự ra đời của hàng loạt các giống vật nuôi-cây trồng có ưu thế lai vượt trội, các sinh vật biến đổi gene (GMOs) mang những đặc tính hoàn toàn mới lạ. Trong y học, đó là sự ra đời của hàng loạt các dược phẩm được sản xuất bằng kỹ thuật di truyền dùng cho điều trị bệnh và cải biến trí thông minh của con người; đó là các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh ở mức phân tử Sự thành công của dự án bộ gene người (HGP) vào tháng 4 năm 2003 cho phép chúng ta lần đầu tiên đọc được toàn bộ trình tự khoảng 3,2 tỷ cặp nucleotide trong bộ gene con người (Homo sapiens). HGP là một trong những kỳ công thám hiểm vĩ đại nhất trong lịch sử nhân loại (NHGRI 2005). Theo ước tính mới nhất được công bố ngày 21/10/2004 trên tạp chí Nature, bộ gene chúng ta chứa số lượng gene mã hóa protein thấp một cách đáng kinh ngạc, khoảng 20.000 đến 25.000 chứ không phải là 50.000 đến 140.000 gene như dự đoán ban đầu hoặc 35.000 theo dự đoán trong vài ba năm lại đây (NHGRI 2005). Chính sự kết hợp tin học và máy tính trong nghiên cứu sinh học phân tử dẫn tới sự ra đời một ngành mới là sinh-tin học (bioinformatics) cho phép thu thập, tổ chức và phân tích số lượng lớn các số liệu sinh học nhờ sử dụng mạng máy tính và các nguồn dữ liệu (databases). Và một số lĩnh vực nghiên cứu mới khác cũng ra đời như: genomics - phân tích toàn bộ genome của một sinh vật được chọn, DNA microchip technology - xác định các đột biến trong các gene, DNA microarray technology - nghiên cứu cách thức một số lượng lớn các gene tương tác lẫn nhau và cơ chế mạng lưới điều hòa của tế bào kiểm soát đồng thời số lượng cực kỳ lớn các gene Những thách thức cho tương lai của nghiên cứu khoa học về các bộ gene (genomics) đối với sinh học, vấn đề sức khỏe và xã hội cũng được đặt ra (Collins và cs 2003). Sự hoàn tất của HGP tự nó không có nghĩa là đã xong mà đúng hơn là điểm khởi đầu cho công cuộc nghiên cứu thậm chí còn hứng thú hơn. Các nhà nghiên cứu hiện giờ đang cố gắng làm sáng tỏ một số quá trình phức tạp nhất của sinh học, đó là: một đứa bé phát triển từ một tế bào đơn lẻ bằng cách nào, các gene phối hợp chức năng của các mô và cơ quan như thế nào, sự tiền định bệnh tật xảy ra như thế nào và bộ não người làm việc ra sao (NHGRI 2005). Cùng với những thành tựu ứng dụng ly kỳ trong sản xuất và đời sống xã hội nói trên, nhiều vấn đề mới được đặt ra cho các ngành giáo dục, luật, triết học, xã hội học và đã gây không ít hoài nghi, tranh cãi xung quanh các vấn đề về đạo lý sinh học, an toàn sinh học và môi sinh.
23 Tài liệu Tham khảo Tiếng Việt Hồ Huỳnh Thùy Dương. 1997. Sinh học Phân tử. NXB Giáo Dục. Phạm Thành Hổ. 2000. Di truyền học. Tái bản lần II, NXB Giáo Dục. Phan Cự Nhân (chủ biên), Nguyễn Minh Công, Đặng Hữu Lanh. 1999. Di truyền học. NXB Giáo Dục. Tiếng Anh Collins FS, Green ED, Guttmacher AE, Guyer MS. 2003. A vision for the future of genomics research. Nature, Vol. 422, No. 6934, p.835-847. McKusick V. 1998. Mendelian Inheritance in Man. 12th ed., Johns Hopkins University Press, Baltimore. National Human Genome Research Institute (NHGRI)/ National Institute of Health (NIH). 2005: Online Mendelian Inheritance in Man (OMIMTM): Tamari n RH. 1999. Principles of Genetics. 6th ed, McGraw-Hill, Inc, NY. Verma RS and Babu A. 1995. Human chromosome : principles and techniques. 2nd ed, international edition, McGraw-Hill, Inc., New York. Watson JD and Crick FHC. 1953. A structure for Deoxyribose Nucleic Acid. April 25,1953, Nature, Vol.171, page 737. Weaver RF, Hedrick PW. 1997. Genetics. 3rd ed, McGraw-Hill Companies, Inc. Wm.C.Brown Publishers, Dubuque, IA. Zinnen T. 2005. JD Watson and FHC Crick - A structure for Deoxyribose Nucleic Acid - Nature, 25 April 1953. (
3 Mục lục Lời nói đầu 11 Mở đầu Hoàng Trọng Phán 13 I. Khái niệm di truyền học 13 II. Lược sử phát triển của di truyền học 13 III. Đối tượng và các lĩnh vực nghiên cứu của di truyền học 17 IV. Các phương pháp nghiên cứu của di truyền học 18 V.Các nguyên tắc nghiên cứu và phương pháp học tập di truyền học 20 VI. Di truyền học với công nghệ sinh học, tin học và các vấn đề xã hội 21 Chương 1: Cơ sở của Di truyền học Mendel Hoàng Trọng Phán 24 I. Tiểu sử Mendel - Cha đẻ của di truyền học 24 II. Đối tượng và phương pháp thí nghiệm của Mendel 25 1. Đối tượng 25 2. Phương pháp 26 III. Lai một tính và nguyên lý phân ly 26 1. Kết quả thí nghiệm lai một tính 26 2. Giải thích và kiểm chứng nguyên lý phân ly 27 3. Nguyên lý phân ly và tính phổ biến của nó 28 IV. Lai hai tính và nguyên lý phân ly độc lập 28 1. Kết quả thí nghiệm lai hai tính 28 2. Giải thích và nội dung nguyên lý phân ly độc lập 29 V. Sự di truyền Mendel ở người 30 1. Các tính trạng lặn 31 2. Các tính trạng trội 32 VI. Lý thuyết xác suất trong dự đoán và phân tích di truyền học 33 1. Một số khái niệm và tính chất cơ bản của xác suất 33 2. Một số nguyên lý xác suất cơ bản 34 VII. Phương pháp χ2 (Chi-square method) trong đánh giá độ phù hợp giữa các số liệu quan sát và kỳ vọng 39
4 Chương 2: Mở rộng và Áp dụng của Di truyền học Mendel Hoàng Trọng Phán 43 I. Các kiểu quan hệ giữa các gene allele đối với một tính trạng 43 1. Các kiểu trội hoàn toàn, không hoàn toàn và đồng trội 43 2. Tác động của gene gây chết (lethals) 45 3. Hiện tượng đa allele (multiple allelism) 46 II. Tính đa hiệu của gene (pleiotropy) 47 III. Các kiểu tương tác giữa các gene không allele 48 1. Tương tác bổ trợ (complementary) 49 2. Tương tác át chế (epistasis) 52 3. Tương tác cộng gộp- sự di truyền đa gene và các tính trạng số lượng 54 IV. Các mối quan hệ kiểu gene - kiểu hình 59 1. Thường biến và mức phản ứng 59 2. Độ thâm nhập (penetrance) và độ biểu hiện (expressivity) 60 Chương 3: Cơ sở Tế bào của sự Sinh sản, Di truyền và Biến dị Hoàng Trọng Phán 67 I. Sinh sản hữu tính và tính ổn định của các bộ nhiễm sắc thể 67 II. Hình thái học nhiễm sắc thể eukaryote 70 1. Kích thước nhiễm sắc thể 70 2. Tâm động và các kiểu nhiễm sắc thể 71 3. Các kiểu băng nhiễm sắc thể (chromosomal bands) 72 III. Chu kỳ tế bào và nguyên phân 74 1. Chu kỳ tế bào (cell cycle) 75 2. Nguyên phân (mitosis) 76 IV. Giảm phân, sự phát sinh giao tử và thụ tinh 78 1. Giảm phân (meiosis) 78 2. Sự phát sinh giao tử (gametogenesis) 81 3. Sự thụ tinh (fertilization) 83 V. Các biến đổi của nhiễm sắc thể 84 1. Các biến đổi về cấu trúc nhiễm sắc thể 84 2. Các biến đổi về số lượng nhiễm sắc thể 91
5 Chương 4: Di truyền học Nhiễm sắc thể Hoàng Trọng Phán 103 I. Trường phái Morgan với thuyết di truyền nhiễm sắc thể 103 1. Tầm quan trọng của ruồi giấm Drosophila 103 2. Thuyết di truyền nhiễm sắc thể 107 II. Sự xác định giới tính (sex determination) 108 1. Sự xác định giới tính do kiểu gene (GSD) 108 2. Sự xác định giới tính do môi trường (ESD) 112 III. Sự di truyền liên kết với giới tính (sex-linked inheritance) 113 1. Đặc điểm di truyền của các gene trên nhiễm sắc thể X và Y 113 2. Sự bất hoạt của nhiễm sắc thể X và một số vấn đề liên quan 117 3. Các tính trạng giới hạn bởi giới tính và chịu ảnh hưởng của giới tính 120 IV. Liên kết và tái tổ hợp của các gene trên một nhiễm sắc thể 121 1. Khám phá về sự trao đổi chéo ở ruồi giấm 122 2. Liên kết gene hoàn toàn (giảm phân không có trao đổi chéo) 124 V. Trao đổi chéo và lập bản đồ di truyền 125 1. Tần số tái tổ hợp 125 2. Bản đồ di truyền 127 3. Trao đổi chéo bốn sợi 131 VI. Lập bản đồ gene từ các phép lai phân tích ba điểm 134 1. Trao đổi chéo kép với việc xác định trật tự và khoảng cách các gene 134 2. Độ nhiễu và hệ số trùng hợp (coefficient of coincidence) 137 VII. Lập bản đồ bằng phân tích bộ bốn (tetrad analysis) 139 Chương 5: Bản chất Hoá học và Tái bản của Vật chất Di truyền Hoàng Trọng Phán 147 I. Bằng chứng vật chất di truyền là các nucleic acid 147 1. Các thí nghiệm biến nạp ở vi khuẩn 147 2. Tính ổn định của hàm lượng DNA ở các sinh vật bậc cao 148 3. Các thí nghiệm ở virus 149 II. Thành phần hoá học và cấu trúc của DNA 150 1. Cấu trúc của một nucleotide 150
6 2. Cấu trúc chuỗi polynucleotide 151 3. Thành phần hoá học và cấu trúc của chuỗi xoắn kép DNA 152 4. Sơ lược về các đặc tính hoá lý của các nucleic acid 155 III. Kích thước bộ gene và tính phức tạp về mặt tiến hoá 157 1. Sơ lược về bộ gene của các virus, prokaryote và eukaryote 157 2. Mối quan hệ giữa kích thước bộ gene và tính phức tạp về tiến hoá 159 3. Hàm lượng DNA và nghịch lý giá trị C 159 4. Về kích thước DNA các bào quan 161 IV. Tổ chức phân tử của các nhiễm sắc thể 161 1. Cấu trúc chất nhiễm sắc 161 2. Sơ lược các thành phần DNA trong bộ gene eukaryote 163 V. Tái bản DNA (DNA replication) 164 1. Các nguyên tắc và đặc điểm chung của tái bản DNA 164 2. Các enzyme tham gia tái bản DNA 167 3. Cơ chế tái bản DNA 168 VI. Tái bản của các bộ gene RNA (RNA genomes) 174 1. Đặc điểm tái bản của các bộ gene RNA virus 174 2. Tái bản của bộ gene RNA 174 3. Phiên mã ngược 175 Chương 6: Gene và Quá trình Sinh tổng hợp Protein Hoàng Trọng Phán 179 I. Sự phát triển của khái niệm gene 179 1. Các quan niệm của Mendel và Morgan về gene 179 2. Giả thuyết một gene - một enzyme của Beadle và Tatum 180 3. Quan niệm của Benzer về các đơn vị cấu trúc và chức năng di truyền 180 4. Mối quan hệ gene - cistron ở các prokaryote và eukaryote 182 II. Cấu trúc và chức năng của protein 186 1. Cấu trúc protein 186 2. Chức năng protein 187 III. Mã di truyền 189 1. Bằng chứng di truyền học về mã bộ ba 190 2. Giải mã di truyền 190
7 3. Các đặc tính của mã di truyền 191 4. Những ngoại lệ so với mã di truyền "phổ biến" 192 5. Sự linh hoạt trong việc kết cặp anticodon-codon 193 IV. Cơ chế phiên mã (transcription) và sửa đổi sau phiên mã 194 1. Các RNA và đặc điểm chung của phiên mã 194 2. Các RNA polymerase của prokaryote và eukaryote 196 3. Các promoter ở các prokaryote và eukaryote 196 4. Các giai đoạn của quá trình phiên mã 197 5. Sự sửa đổi sau phiên mã đối với các mRNA eukaryote 198 V. Cấu trúc và chức năng của các loại RNA và ribosome 200 1. RNA thông tin (messenger RNA = mRNA) 200 2. RNA vận chuyển (transfer RNA = tRNA) 200 3. RNA ribosome (ribosomal RNA = rRNA) 201 4. Ribosome 201 VI. Cơ chế dịch mã (translation) 202 1. Hoạt hoá amino acid 202 2. Cơ chế của quá trình dịch mã (tổng hợp polypeptide) 202 Chương 7: Sự Điều hoà Biểu hiện của Gene Trương Thị Bích Phượng 208 I. Các nguyên lý điều hoà và mức độ kiểm soát phiên mã 202 II. Điều hoà biểu hiện gene ở prokaryote 209 1. Cấu trúc của operon 210 2. Điều hoà dương tính operon lactose 212 3. Điều hoà âm tính operon tryptophan 213 4. Phiên mã dở (attenuation) 215 III. Điều hoà biểu hiện gene ở eukaryote 217 1. Sự biến đổi DNA 218 2. Các promoter 218 3. Những trình tự tăng cường phiên mã (enhancer) 219 4. Trình tự bất hoạt gene (gene silencing) 220 5. Promoter chọn lọc (alternative promoter) 220 6. Splicing chọn lọc 220
8 Chương 8: Đột biến Gene, Tái tổ hợp và các Yếu tố Di truyền Vận động Trương Thị Bích Phượng 223 I. Đột biến gene 223 1. Các kiểu đột biến gene 223 2. Các tác nhân gây đột biến gene 228 3. Cơ chế phân tử của các đột biến gene 228 II. Sửa chữa và bảo vệ DNA 232 III. Các yếu tố di truyền vận động (transposable genetic elements) 237 1. Các yếu tố di truyền vận động ở prokaryote 237 2. Các yếu tố di truyền vận động ở eukaryote 239 Chương 9: Sự Di truyền Tế bào chất Trương Thị Bích Phượng 245 I. Sự di truyền tế bào chất 245 1. Sự di truyền của các gene lạp thể 245 2. Sự di truyền của các gene ty thể 246 3. Hiệu quả dòng mẹ lên chiều xoắn vỏ ốc 249 II. Lập bản đồ ở ty thể và lạp thể 251 1. Lập bản đồ gene của DNA lạp thể 251 2. Lập bản đồ gene của DNA ty thể 253 III. Di truyền học phân tử các bào quan 254 1. Các bộ gene lạp thể (cpDNA) 254 2. Các bộ gene ty thể (mtDNA) 255 Chương 10: Đại cương về Công nghệ DNA Tái tổ hợp Hoàng Trọng Phán 258 I. Các công cụ chính của kỹ thuật tạo dòng DNA tái tổ hợp 258 1. Các enzyme giới hạn 258 2. Các vector thông dụng trong kỹ thuật di truyền 260 3. Thiết lập phân tử DNA tái tổ hợp in vitro 261 II. Tạo dòng gene hay DNA tái tổ hợp 263 1. Nguyên tắc chung 263 2. Quy trình tạo dòng gene tái tổ hợp 264 3. Tổng hợp và tạo dòng cDNA 267
9 III. Các phương pháp biểu hiện các gene được tạo dòng 267 IV. Ứng dụng của công nghệ DNA tái tổ hợp 269 1. Công nghệ DNA tái tổ hợp với việc nghiên cứu bộ gene 269 2. Công nghệ DNA tái tổ hợp với y-dược học 271 3. Kỹ thuật di truyền với các sinh vật biến đổi gene 274 Chương 11: Di truyền học Người Trần Quốc Dung 278 I. Các phương pháp nghiên cứu di truyền học người 278 1. Phương pháp phân tích phả hệ (genealogy analysis) 278 2. Phương pháp nghiên cứu trẻ sinh đôi 279 3. Phương pháp di truyền tế bào học người 279 4. Phương pháp nghiên cứu quần thể 279 5. Các kỹ thuật sinh học phân tử 280 II. Các phương pháp lập bản đồ di truyền người 280 1. Phân tích liên kết (linkage analysis) 280 2. Các phương pháp lập bản đồ vật lý (physical mapping) 280 III. Nhiễm sắc thể Y và chất nhiễm sắc giới tính của người 283 1. Nhiễm sắc thể Y của người 283 2. Chất nhiễm sắc thể giới tính của người 284 IV. Sự di truyền các gene trội-lặn trên nhiễm sắc thể thường và nhiễm sắc thể giới tính 285 1. Sự di truyền các gene trội-lặn trên nhiễm sắc thể thường 285 2. Sự di truyền các gene trội-lặn trên nhiễm sắc thể giới tính 286 V. Di truyền y học 288 1. Các bệnh di truyền do rối loạn chuyển hoá và các bệnh nhiễm sắc thể 288 2. Cơ sở di truyền ung thư 291 VI. Tư vấn di truyền y học 292 Chương 12: Di truyền học Quần thể Hoàng Trọng Phán 296 I. Các khái niệm cơ bản của di truyền học quần thể 296 1. Quần thể (population) 296 2. Các hệ thống giao phối 296
10 3. Vốn gene (gene pool) 297 4. Tần số kiểu gene và tần số allele 297 II. Nguyên lý Hardy-Weinberg và trạng thái cân bằng của quần thể 299 1. Nguyên lý Hardy-Weinberg 299 2. Những ứng dụng của nguyên lý Hardy-Weinberg 302 III. Mở rộng nguyên lý Hardy-Weinberg 305 1. Đa allele (multiple alleles) 305 2. Tần số allele sai biệt giữa hai giới tính 308 3. Các gene liên kết trên X 309 IV. Nội phối (inbreeding) 310 1. Tự thụ tinh (self-fertilization) 311 2. Hệ số nội phối (inbreeding coefficient) 312 3. Tính toán hệ số nội phối 313 V. Các nhân tố tác động lên thành phần di truyền quần thể 315 1. Đột biến 315 2. Biến động di truyền ngẫu nhiên 316 3. Dòng gene hay sự di nhập cư 316 4. Chọn lọc tự nhiên 318
24 Chương 1 Cơ sở của Di truyền học Mendel Cho đến đầu thế kỷ XX, mọi người còn chưa hiểu được cơ chế của sự di truyền, mặc dù vẫn biết rằng con cái sinh ra thường giống bố mẹ. Quan niệm phổ biến cho đến giữa thế kỷ XIX được gói gọn trong cái gọi là thuyết di truyền hòa hợp (theory of blending inheritance) nhằm giải thích sự kiện con cái mang các đặc điểm của cả hai bố mẹ. Tuy nhiên, đến năm 1866 Gregor Mendel đã đưa ra thuyết di truyền gián đoạn (theory of particulate inheritance), với gợi ý rằng: Đơn vị di truyền đặc thù kiểm soát một tính trạng được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác tồn tại dưới dạng hạt, ngày nay ta gọi là gene. Các khám phá quan trọng của Mendel đặt nền móng cho sự ra đời của di truyền học sau này. Như Thomas Hunt Morgan đã nhận định: "Trong mười năm nghiên cứu ở cây đậu Hà Lan trong ngôi vườn của tu viện, G. Mendel đã làm nên sự khám phá vĩ đại nhất trong sinh học đã đạt được trong năm trăm năm qua". I. Tiểu sử Mendel - Cha đẻ của Di truyền học Gregor Mendel sinh năm 1822, lớn lên ở trang trại của cha mình tại một tỉnh của Austria (Áo). Vì gia đình nghèo nên ông phải vào tu viện để tiếp tục việc học của mình. Trong khoảng thời gian này, Mendel nghiên cứu vật lý và toán là những môn học giúp ông nhiều trong các thí nghiệm di truyền sau này. Ông đã được gởi tới Đại học Vienna để thi lấy bằng giáo viên chính thức, nhưng không đỗ và quay về tu viện "dạy học" trong nhiều năm. Hình 1.1 Gregor Mendel trong ngôi vườn của tu viện Brno. Khi còn ở trang trại của cha mình, Mendel đã quan tâm tới các cây cối và con vật, và thường giữ lại những cái hoa, con ong và chuột. Sau này ở tu viện Brno ông tập trung vào các cây đậu Hà Lan (Pisum sativum). Mendel đã xác định được các nguyên lý di truyền cơ sở từ các thí nghiệm chọn giống thực vật. Các kết quả nghiên cứu này đã được Mendel trình bày năm 1865 trước Hội Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên Brno và công bố năm 1866 ở Germany trong một bài báo nhan đề là Các thí nghiệm lai ở thực vật (Experiments on Plant Hybrids). Bài báo này nhanh chóng có mặt ở nhiều thư viện, nhưng những người cùng thời ông không
25 hiểu được các phát hiện của ông, có lẽ một phần là do ông sử dụng toán học để lý giải các kết quả của mình. Ngoài ra, hầu hết các nhà nghiên cứu đương thời do tiến hành nhiều tính trạng đồng thời dẫn tới các kết quả rối bời nên không thể nhận ra được các nguyên lý di truyền cơ sở. Mendel trở thành tu viện trưởng từ năm 1868 và không công bố thêm một kết quả nào về di truyền nữa kể từ sau kiệt tác năm 1866. Mendel qua đời năm 1884 trước khi công trình của ông được giới khoa học thấu hiểu. Mãi đến năm 1900, công trình của ông mới được ba nhà thực vật học độc lập nhau khám phá lại, đó là Carl Correns của Germany, Hugo de Vries của Netherlands và Erich von Tschermak của Austria. Đây là mốc khởi đầu cho các nghiên cứu di truyền học hiện đại. Ngày nay, phương pháp thí nghiệm của Mendel được xem là thí dụ kinh điển về sự nghiên cứu khoa học được lập kế hoạch cẩn thận và bài báo của ông là sự minh họa tuyệt vời của một thiên tài khoa học. II. Đối tượng và phương pháp thí nghiệm của Mendel 1. Đối tượng (a) (b) Hình 1.2 (a) Bảy tính trạng tương phản ở đậu Hà Lan được Mendel nghiên cứu; dạng trội nằm bên trái của mỗi trường hợp. (b) Cấu tạo hoa đậu, phương pháp thụ phấn chéo và cây đậu Hà Lan.
26 Mendel chọn đậu Hà Lan (Pisum sativum) làm đối tượng nghiên cứu vì chúng có hai đặc điểm cơ bản là sai khác nhau về nhiều tính trạng tương phản dễ quan sát (hình 1.2a) và sinh sản bằng lối tự thụ phấn. Ngoài ra, đậu có hoa khá lớn nên thao tác dễ dàng (hình 1.2b); có khả năng cho số lượng đời con nhiều; và nhiều giống đậu lúc bấy giờ có giá trị kinh tế cao. 2. Phương pháp Tính chất độc đáo của phương pháp nghiên cứu Mendel thể hiện ở chỗ: (1) Chọn các dòng thuần (pure lines) khác nhau bằng cách cho tự thụ phấn liên tiếp nhiều thế hệ dùng làm dạng bố mẹ trong các phép lai; (2) Theo dõi trước tiên kết quả di truyền riêng biệt của từng tính trạng qua vài thế hệ, trong đó thế hệ cây lai thứ nhất hay F1 sinh ra do giao phấn giữa hai dạng bố mẹ thuần chủng khác nhau, còn thế hệ cây lai thứ hai hay F2 sinh ra từ sự tự thụ phấn của các cây lai F1, rồi sau đó mới tiến hành nghiên cứu sự di truyền đồng thời của hai hoặc nhiều tính trạng; (3) Khái quát và lý giải các kết quả thí nghiệm thu được bằng toán thống kê và xác suất; và (4) Kiểm tra lại một cách cẩn thận các giả thuyết khoa học bằng các phép lai thuận nghịch (reciprocal matings) và lai phân tích (testcross). III. Lai một tính và nguyên lý phân ly 1. Kết quả thí nghiệm lai một tính (monohybrid cross) Mendel đã tiến hành bảy phép lai một tính khác nhau và các kết quả thu được được trình bày ở Bảng 1.1. Bảng 1.1 Các kết quả lai một tính của Mendel TT Kiểu hình P F1 F2 Tỷ lệ F2 1 Hạt trơn × nhăn Trơn 5474 trơn : 1850 nhăn 2,96:1 2 Hạt vàng × xanh Vàng 6022 vàng : 2001 xanh 3,01:1 3 Hoa đỏ tía × trắng Đỏ tía 705 đỏ tía : 224 trắng 3,15:1 4 Quả phồng × tóp Phồng 882 phồng : 299 tóp 2,95:1 5 Quả xanh × vàng Xanh 428 xanh : 152 vàng 2,82:1 6 Hoa dọc thân × đỉnh Dọc thân 651 dọc thân : 207 đỉnh 3,14:1 7 Thân cao × thấp Cao 787 cao : 277 thấp 2,84:1 Từ tất cả các phép lai trên cho thấy: Khi bố mẹ ở thế hệ xuất phát (P) thuần chủng khác nhau về một cặp tính trạng tương phản, thì ở thế hệ F1 tất cả con lai đều biểu hiện chỉ một tính trạng của bố hoặc mẹ, tính trạng đó được gọi là tính trạng trội (dominant) và tính trạng kia không quan sát được gọi là tính trạng lặn (recessive). Sau đó cho các con lai F1 tự thụ phấn thì ở thế hệ F2 ông thu được cả hai kiểu hình (phenotype) của bố mẹ ban đầu với tỷ lệ xấp xỉ 3/4 trội và 1/4 lặn. Ngoài ra, Mendel cũng cho các cây F2 tự thụ phấn riêng rẽ và theo dõi sự phân ly ở thế hệ F3. Kết quả cho thấy 1/4 cây của F2 sinh ra kiểu hình
27 lặn tất cả đều là các cây lặn thuần chủng; điều đó có nghĩa là tất cả con cái của chúng là lặn. Tuy nhiên, trong số 3/4 biểu hiện kiểu hình trội thì một số là trội thuần chủng, còn số khác thì giống như các cá thể F1 ở chỗ chúng cho đời con gồm cả trội và lặn. Nhìn chung, có ba kiểu cá thể F2 đó là: 1/4 trội thuần chủng, 1/2 trội không thuần chủng (cho đời con với tỷ lệ 3 trội :1 lặn) và 1/4 lặn thuần chủng. 2. Giải thích và kiểm chứng nguyên lý phân ly Từ các kết quả thí nghiệm đó Mendel kết luận rằng, thông qua các giao tử bố mẹ đã truyền cho con cái các nhân tố di truyền (genetic factor) mà ngày nay ta gọi là gene. Mendel còn gợi ý rằng các nhân tố này tồn tại dưới vài dạng biến đổi (nay gọi là các allele) xác định các kiểu hình khác nhau của cùng một tính trạng. Ông giả định rằng mỗi cá thể có hai allele của mỗi gene, một cái nhận từ giao tử của bố và một cái từ giao tử của mẹ. Mặc dù điều đó đối với chúng ta bây giờ có vẻ đơn giản, nhưng ở thời đại Mendel không có ai hiểu được nó. Bây giờ ta hãy xét thí nghiệm 2. Trước tiên, quy ước các gene xác định các tính trạng trội và lặn bằng các chữ cái viết hoa và viết thường, chẳng hạn: A - hạt vàng, và a - hạt xanh. Như vậy có ba kiểu gene (genotype), trong đó hai kiểu đồng hợp tử (homozygote) - có hai allele giống nhau: AA và aa, tức dạng thuần chủng và một kiểu dị hợp tử (heterozygote) - chứa hai alele khác nhau: Aa, tức dạng lai. Vì allele vàng là trội hơn allele xanh, nên cá thể dị hợp tử Aa có cùng kiểu hình với thể đồng hợp trội AA. P Hạt vàng (AA) × Hạt xanh (aa) Giao tử P A a F1 Aa (vàng) Giao tử F1 (½ A : ½ a)cái (½ A : ½ a)đực Khung Punnett ½ A ½ a ½ A ¼ AA ¼ Aa ½ a ¼ Aa ¼ aa F2 Tỷ lệ kiểu gene 1 AA : 2 Aa : 1 aa Tỷ lệ kiểu hình 3 vàng (A-) : 1 xanh (aa) Hình 1.3 Sơ đồ biểu diễn kết quả lai một tính của Mendel. Trong giảm phân, mỗi bố mẹ thuần chủng hạt vàng (AA) và hạt xanh (aa) chỉ cho một loại giao tử mang allele tương ứng là A và a. Do đó kết quả của sự thụ tinh chỉ tạo ra một kiểu dị hợp tử Aa, nghĩa là tất cả con lai
28 F1 đều có kiểu hình trội hạt vàng. Khi bước vào giảm phân, các cá thể F1 dị hợp tử (Aa) sẽ cho hai loại giao tử (A và a) với tỷ lệ tương đương. Đó cũng là thực chất của nguyên lý phân ly (principle of segregation), hay quy luật thứ nhất của Mendel (Mendel's first law). Kết quả của sự tự thụ tinh ngẫu nhiên giữa các loại giao tử đực và cái của F1 này sẽ cho ra bốn kiểu tổ hợp ở F2, với tỷ lệ phân ly theo kiểu gene là 1AA: 2Aa: 1aa và tỷ lệ kiểu hình tương ứng là 3 vàng (A-): 1 xanh (aa). Lưu ý rằng thông thường người ta sử dụng khung Punnett (Punnett square) do nhà di truyền học người Anh R.C.Punnett đưa ra năm 1905 để xác định kết quả di truyền của các phép lai. Sơ đồ biểu diễn kết quả lai một tính được nêu ở hình 1.3. Để khẳng định nguyên lý phân ly, Mendel đã tiến hành hai thí nghiệm: Một là, cho các cá thể dị hợp tử F1 tự thụ phấn như đã nói ở trên; và hai là, cho F1 lai ngược trở lại với bố hoặc mẹ có kiểu hình lặn. Phép lai với một cá thể lặn như thế được gọi là lai phân tích (testcross), thay vì gọi là lai ngược (backcross) bởi vì nó cho phép kiểm tra kiểu gene của một cá thể trội là dị hợp hay đồng hợp. Cơ sở di truyền của kiểu lai này như sau: Bố mẹ Aa (hạt vàng) × aa (hạt xanh) Giao tử 50% A : 50% a 100% a Đời con 50% Aa (vàng) : 50% aa (xanh) 3. Nguyên lý phân ly và tính phổ biến của nó Sau khi các nguyên lý di truyền của Mendel được khám phá lại năm 1900, tính phổ biến của các nguyên lý Mendel nói chung và nguyên lý phân ly nói riêng đã được các nhà nghiên cứu khẳng định bằng cách lặp lại các phép lai của ông (chẳng hạn giữa đậu hạt vàng và hạt xanh; bảng 1.2) cũng như tiến hành các phép lai tương tự ở các động vật và thực vật khác. Bảng 1.2 Các kết quả lai lặp lại ở đậu Hà Lan Nhà nghiên cứu Vàng Nhăn Tỷ lệ F2 Mendel (1866) 6.022 2.001 3,01:1 Correns (1900) 1.394 453 3,08:1 Tschermak (1900) 3.580 1.190 3,01:1 Bateson (1905) 11.902 3.903 3,05:1 Darbishire (1909) 109.060 36.186 3,01:1 Tính toàn bộ 131.958 43.733 3,02:1 Nội dung chính của nguyên lý hay quy luật phân ly có thể tóm lược như sau: Các allele là những dạng khác nhau của cùng một gene; trong các thể dị hợp tử chúng phân ly về các giao tử với tỷ lệ tương đương. IV. Lai hai tính và nguyên lý phân ly độc lập 1. Kết quả thí nghiệm lai hai tính (dihybrid cross)
29 Để xác định sự di truyền đồng thời của nhiều cặp tính trạng, Mendel đã tiến hành nhiều thí nghiệm khác nhau. Bảng 1.3 giới thiệu kết quả lai hai tính giữa các giống đậu thuần chủng hạt vàng-trơn và hạt xanh-nhăn. Bảng 1.3 Các kết quả lai hai tính của Mendel Tỷ lệ F2 Tỷ lệ F2 Thế hệ Kiểu hình hạt Số lượng (quan sát) (kỳ vọng) Ptc Vàng-trơn × xanh-nhăn − − − F1 Vàng-trơn − − − F2 Vàng-trơn 315 9,84 9 Vàng-nhăn 101 3,16 3 Xanh-trơn 108 3,38 3 Xanh-nhăn 32 1,0 1 Tổng = 556 Với phép lai này, tất cả con lai F1 đều có kiểu hình trội kép là hạt vàng và trơn. Khi cho F1 tự thụ phấn, ở F2 xuất hiện 4 kiểu hình là vàng-trơn, vàng-nhăn, xanh-trơn và xanh-nhăn với tỷ lệ xấp xỉ 9:3:3:1. 2. Giải thích và nội dung nguyên lý phân ly độc lập Nếu xét tỷ lệ phân ly của từng tính trạng ở F2, ta có: 315 + 101 = 416 vàng và 108 + 32 = 140 xanh, xấp xỉ 3 vàng : 1 xanh. Tương tự, về hình dạng hạt, ta có 315 + 108 = 423 trơn và 101 + 32 = 133 nhăn, xấp xỉ 3 trơn : 1 nhăn. Điều đó chứng tỏ mỗi tính trạng đều tuân theo quy luật phân ly 3 trội :1 lặn. Bằng cách áp dụng quy tắc nhân xác suất của các biến cố độc lập (xem mục VI), ta dễ dàng chứng minh được rằng sự phân ly của hai tỷ lệ này là hoàn toàn độc lập nhau như dự đoán ban đầu. Thật vậy, (3 vàng :1 xanh)(3 trơn :1nhăn) = 9 vàng-trơn : 3 vàng-nhăn : 3 xanh-trơn : 1 xanh-nhăn. Cần lưu ý là tỷ lệ 9:3:3:1 này cũng được Mendel tìm thấy trong khi lặp lại thí nghiệm với các tính trạng khác. Từ đó ông mới xây dựng nên nguyên lý phân ly độc lập (principle of independent assortment), còn gọi là quy luật thứ hai của Mendel (Mendel's second law). Nội dung của nguyên lý này phát biểu rằng: Các allele của các gene khác nhau thì phân ly một cách độc lập với nhau trong quá trình hình thành giao tử (kết quả là tạo ra tỷ lệ 9:3:3:1 ở thế hệ F2 từ một phép lai hai tính). Để minh họa cho những điều trình bày trên đây, ta quy ước: A - vàng, a - xanh, B - trơn, b - nhăn. Lưu ý: Để kiểm tra lại giả thuyết phân ly độc lập, Mendel đã tiến hành lai phân tích giữa các cây vàng-trơn F1 (AaBb) với cây xanh-nhăn (aabb). Kết quả thu được gồm 55 vàng-trơn : 49 vàng-nhăn : 51 xanh-trơn : 53
30 xanh-nhăn, tương đương với tỷ lệ 1:1:1:1 = (1:1)(1:1). Điều đó chứng tỏ các cây F1 đã cho bốn loại giao tử với tỷ lệ ngang nhau, nghĩa là chứa hai cặp gene dị hợp phân ly độc lập. Ptc Kiểu hình vàng, trơn × xanh, nhăn Kiểu gene AABB aabb Giao tử AB ab F1 Kiểu gene AaBb Kiểu hình vàng, trơn Giao tử ¼ AB : ¼ Ab : ¼ aB : ¼ ab Khung Punnett ¼ AB ¼ Ab ¼ aB ¼ ab ¼ AB AABB AABb AaBB AaBb ¼ Ab AABb AAbb AaBB Aabb ¼ aB AaBB AaBb aaBB aaBb ¼ ab AaBb Aabb aaBb aabb F2 Tỷ lệ kiểu gene Tỷ lệ kiểu hình 1/16 AABB + 2/16 AaBB + 2/16 AABb + 4/16 AaBb = 9/16 vàng, trơn 1/16 AAbb + 2/16 Aabb = 3/16 vàng, nhăn 1/16 aaBB + 2/16 aaBb = 3/16 xanh, trơn 1/16 aabb = 1/16 xanh, nhăn Hình 1.4 Cơ sở di truyền học của nguyên lý phân ly độc lập. V. Sự di truyền Mendel ở người Cũng như ở đậu Hà Lan, ruồi giấm hay mèo, ở người có rất nhiều tính trạng di truyền theo các quy luật Mendel. Chẳng hạn, theo thống kê của Victor A.McKusick năm 1994, có 6.678 tính trạng và các bệnh đơn gene. Cho đến ngày 8/2/2005, các số liệu về số lượng gene và kiểu hình được nêu ở bảng 1.4 (OMIM 2005). Nói chung, việc xác định phương thức di truyền ở người là tương đối khó khăn, vì mỗi gia đình có ít con, thường không quá 10 người. Để khắc phục điều đó người ta sử dụng phương pháp phân tích phả hệ (pedigree analysis). Dưới đây nêu một số tính trạng trội và lặn ở người mà không phân tích đặc điểm của các kiểu di truyền đó (xem chương 11).
31 Bảng 1.4 Số lượng các mục NST Liên Liên DNA thường kết X kết Y ty thể Tổng Gene có trình tự đã biết 9517 423 48 37 10.025 Gene có trình tự và kiểu hình đã rõ 360 38 0 0 398 Mô tả kiểu hình, cơ sở ph.tử đã rõ 1512 137 2 27 1.678 Kiểu hình hay locus Mendel, cơ sở phân tử chưa biết 1326 134 4 0 1.464 Các kiểu hình chính yếu khác có cơ sở Mendel còn khả nghi 2150 153 2 0 2.305 Tổng 14.865 885 56 64 15.870 1. Các tính trạng lặn (recessive traits) Ở người, hầu hết các rối loạn di truyền là lặn (xem bảng 1.5). Đại đa số những người mắc các bệnh này thường có bố mẹ đều bình thường về kiểu hình, nhưng lại mang gene bệnh ở trạng thái dị hợp. Bảng 1.5 Một số rối loạn đơn gene thuộc nhiễm sắc thể thường ở người (phỏng theo Campbell và Reece 2001; Lewis 2003) Rối loạn Các triệu chứng (và nguy cơ mắc phải) Các rối loạn lặn Bạch tạng Thiếu sắc tố ở da, tóc và mắt (1/22.000) Hóa xơ nang Thừa chất nhầy ở phổi, dịch tiêu hóa, gan Galactosemia Tích lũy galactose ở các mô; trì độn; tổn thương mắt và gan. (1/100.000; xử lý bằng kiêng galactose). Gaucher Gan và lách sưng phồng, thiếu máu, xuất huyết nội Hemochromatosis Cơ thể giữ lại sắt; nguy cơ lây nhiễm cao, tổn thương gan, tim và tụy , thừa sắc tố da Phenylketonuria Tích lũy phenylalanyl trong máu; thiếu sắc tố da bình thường; trì độn, hôn mê, chết ở tuổi nhỏ (1/10.000) Bệnh hồng cầu liềm Tổn thương lách và nhiều cơ quan; nguy cơ lây nhiễm (đồng hợp tử) cao (1/500 ở người Mỹ gốc châu Phi; đồng trội) Bệnh Tay-Sachs Tích lũy lipid trong các tế bào não gây suy thoái thần kinh; mù màu; chết thời thơ ấu Các rối loạn trội Achondroplasia Lùn với tứ chi ngắn, đầu và thân bình thường Bệnh Alzheimer Thoái hóa tâm thần; thường xảy ra muộn màng Bệnh Huntington Thoái hóa tâm thần và các cử động mất kiểm soát Hypercholesterolemia Thừa cholesterol trong máu; bệnh tim; 1/500 là dị hợp Không dung nạp Không có khả năng phân giải đường lactose, gây ra lactose tình trạng chuột rút sau khi ăn loại đường này Hội chứng Marfan Tứ chi dài như vượn, ngực lõm, hỏng thủy tinh thể, các ngón tay mảnh khảnh, động mạch chủ suy yếu
32 Bệnh thận đa nang Các bọng trong các quả thận, urê trong máu, huyết áp cao, đau bụng dưới Tật nhiều ngón Thừa các ngón tay, ngón chân Hai bệnh lặn điển hình đó là bạch tạng và hóa xơ nang. Những người bị bạch tạng (albino) là do thiếu hụt sắc tố melanin, nên da dẻ trắng bạch, tóc và tròng đen của mắt trở nên nhạt khác thường (hình 1.5) Hóa xơ nang (cystic fibrosis) là một bệnh di truyền gây chết phổ biến nhất ở Mỹ (USA). Bệnh lặn này phổ biến nhất ở những người Mỹ da trắng gốc Capca (Caucasians), với tần số chung là 1/1.800, nghĩa là trung bình cứ 25 người có một người mang allele lặn này (Campbell và Reece 2001) hay đối với trẻ sơ sinh là 1/2.500 (Weaver và Hedrick 1997). Người bị bệnh này có đặc điểm là tiết ra một lượng dư thừa chất nhầy dày ở phổi, tụy và các cơ quan khác. Các chất nhầy này có thể làm nhiễu loạn sự thở, tiêu hóa và chức năng của gan và làm cho người bệnh rơi vào nguy cơ viêm phổi và các bệnh truyền nhiễm khác. Nếu không được điều trị, hầu hết trẻ em mắc bệnh này sẽ bị chết ở độ tuổi lên năm. Theo thống kê của McKusick năm 1994, có 1.730 mục cho các locus lặn. 2. Các tính trạng trội (dominant traits) Mặc dù hầu hết các allele có hại là allele lặn, nhưng một số các rối loạn ở người là do các allele trội (xem bảng 1.5). Trong số đó có một vài allele không gây chết, chẳng hạn như tật thừa các ngón tay và chân (hình 1.5), hoặc có màng da giữa các ngón tay và chân. Các tính trạng như có tàn nhang, dái tai thòng cũng như các khả năng uốn lưỡi hình ống và gập ngược lưỡi lên trên đều do các gene trội đơn khác nhau kiểm soát. Theo thống kê của McKusick năm 1994, có 4.458 mục cho các locus trội. Hình 1.5 Một số ví dụ về di truyền Mendel ở người. Từ trái sang là bạch tạng, tật nhiều ngón và dạng lùn phổ biến (achondroplasia).
33 Thí dụ điển hình về rối loạn trội nghiêm trọng đó là dạng lùn phổ biến do thoái hóa sụn gọi là achondroplasia (hình 1.5), đầu và thân mình phát triển bình thường nhưng tay chân ngắn một cách bất thường; tỷ lệ mắc bệnh này là khoảng 1 trên 25.000 người. Chỉ những người dị hợp tử mới bị rối loạn này; còn kiểu gen đồng hợp tử trội gây chết phôi. Trường hợp khác là bệnh Huntington (Huntington's disease), một dạng rối loạn do sự suy thoái của hệ thần kinh thường xảy ra từ sau độ tuổi trung niên. Khi bệnh tiến triển, nó làm cho các cử động trên mọi phần của cơ thể mất khả năng kiểm soát. Sự mất mát các tế bào não dẫn tới mất trí nhớ và khả năng suy xét, góp phần đẩy nhanh sự suy thoái. Cuối cùng, mất luôn các kỹ năng vận động làm cho không nuốt và nói năng được. Cái chết thường xảy ra sau khi các triệu chứng đó bắt đầu biểu hiện khoảng 10-20 năm (Campbell và Reece 2001). VI. Lý thuyết xác suất trong dự đoán và phân tích di truyền học Để hiểu rõ các phát hiện của Mendel và các nguyên lý của di truyền học nói chung, cũng như để vận dụng các kiến thức này một cách có hiệu quả vào trong học tập và thực tiễn đời sống-sản xuất, chúng ta cần nắm vững một vài khái niệm và nguyên lý xác suất cơ bản sau đây. 1. Một số khái niệm và tính chất cơ bản của xác suất (1) Một cách đơn giản, xác suất (probability) được định nghĩa bằng số lần xảy ra một biến cố hay sự kiện (event) cụ thể chia cho tổng số cơ may mà biến cố đó có thể xảy ra. Nếu ta ký hiệu xác suất của biến cố A là P(A), m là số lần xuất hiện của A và n là tổng số phép thử hay toàn bộ số khả năng có thể có, khi đó: P(A) = m / n; trong đó 0 ≤ m ≤ n, và n > 0. Như vậy, 0 ≤ P(A) ≤ 1. (2) Phép thử là việc thực hiện một nhóm các điều kiện xác định, ví dụ một thí nghiệm tung đồng xu hay gieo hột xúc xắc hoặc một phép lai cụ thể. Các kết cục khác nhau có thể có từ phép thử gọi là các biến cố, được ký hiệu bằng các chữ cái in hoa A, B, C Ví dụ: Khi tung một đồng xu, sự kiện xảy ra chỉ có thể là mặt sấp (S) hoặc ngữa (N) với xác suất tương đương là 0,5. Tương tự, kiểu gene dị hợp Aa có thể tạo ra hai loại giao tử mang A và a với xác suất ngang nhau là 0,5 trong khi các kiểu gene đồng hợp như aa chẳng hạn chỉ cho một loại giao tử mang a; vì vậy đời con của phép lai phân tích Aa × aa có tỷ lệ kỳ vọng là 0,5 Aa : 0,5 aa. Khi thực hiện phép thử có thể xuất hiện một trong các loại biến cố sau: -Biến cố ngẫu nhiên (A) là sự kiện có thể xảy ra nhưng cũng có thể không, 0 ≤ P(A) ≤ 1. -Biến cố chắc chắn (Ω ) là sự kiện nhất thiết xảy ra, P(Ω) = 1.
34 -Biến cố không thể có (∅) là sự kiện nhất thiết không xảy ra, P(∅) = 0. -Biến cố xung khắc: Hai biến cố A và B gọi là đôi xung khắc với nhau nếu tích của chúng là một biến cố không thể có: A∩B = ∅ ⇒ P(A∩B) = 0 và P(A∪B) = P(A) + P(B). -Biến cố đối lập: "không A" (Ā) được gọi là biến cố đối lập của biến cố A khi Ā = Ω \ A và Ā ∪ A= Ω. Khi đó P(Ā) = 1 − P(A). -Nhóm đầy đủ các biến cố hay không gian biến cố sơ cấp (Ω) là tập hợp toàn bộ các biến cố sơ cấp (ω) của một phép thử mà khi được thực hiện thì nhất thiết một trong chúng phải xảy ra, và có hiện tượng xung khắc từng đôi. Ví dụ, dãy các biến cố B1, B2, , Bn lập thành một nhóm đầy đủ nếu thoả mãn hai điều kiện: (i) Tổng của chúng là một biến cố chắc chắn: B1∪ B2 ∪ ∪BnB = Ω; và (ii) Chúng xung khắc từng đôi một: BiBjB = ∅; i≠j (i, j = 1,2, ,n). 2. Một số nguyên lý xác suất cơ bản 2.1. Quy tắc cọng Quy tắc cọng phát biểu rằng: xác suất kết hợp của hai (hoặc nhiều) sự kiện xung khắc từng đôi xảy ra là tổng các xác suất riêng rẽ của chúng. (i) Với A, B là hai biến cố bất kỳ, ta có P(A∪B) = P(A) + P(B) − P(A∩B) (ii) Nếu A và B là hai biến cố xung khắc, thì: P(A∪B) = P(A) + P(B) (iii) Hệ quả: Nếu Ā là biến cố đối lập của A, thì P(Ā) = 1 − P(A). Ví dụ, với kiểu gene Rr, nếu ta ký hiệu xác suất của loại giao tử mang allele R là P(R) và của loại giao tử mang allele a là P(r), theo lý thuyết ta có: P(R hoặc r) = P(R) + P(r) = 1/2 + 1/2 = 1. 2.2. Xác suất điều kiện Định nghĩa: Nếu A, B là hai biến cố bất kỳ và P(A) > 0, thì xác suất điều kiện của biến cố B với điều kiện biến cố A đã xảy ra là: P(B/A) = P(A∩B) : P(A). Ví dụ: Từ kết quả thí nghiệm lai giữa hai thứ đậu thuần chủng hạt vàng và hạt xanh của Mendel, hãy tìm xác suất để một cây đậu hạt vàng ở F2 là thể dị hợp (Vv). Bằng lập luận thông thường ta thấy trong số bốn kiểu tổ hợp ở F2 có 3 kiểu tổ hợp cho kiểu hình hạt vàng (V-) nhưng chỉ có 2 kiểu là dị hợp (Vv). Vì vậy xác suất cần tìm là 2/3. Nếu giải theo định nghĩa xác suất, ta ký hiệu: A là sự kiện hạt vàng ở F2 và B là sự kiện hạt vàng dị hợp. Theo lý thuyết, ở F2 có 4 sự kiện đồng khả năng với tỷ lệ là 1VV: 2Vv: 1vv. Ở đây P(A) = 3/4 và P(A.B) = P(B) = 2/4 ⇒ P(B/A) = P(A∩B) : P(A) = 2/4 : 3/4 = 2/3.
35 2.3. Quy tắc nhân Từ định nghĩa về xác suất điều kiện, ta đi đến định nghĩa về hai biến cố độc lập như sau: Hai biến cố A và B được gọi là độc lập với nhau nếu P(B/A) = P(B) hoặc P(A/B) = P(A). Nghĩa là sự xảy ra hay không xảy ra của biến cố này không ảnh hưởng đến sự xảy ra của biến cố kia. Khi đó, quy tắc nhân được phát biểu như sau: Xác suất trùng hợp của cả hai biến cố độc lập bằng tích các xác suất riêng rẽ của chúng. Nghĩa là, nếu A và B là các biến cố độc lập thì: P(A∩B) = P(A).P(B) Ví dụ: Khi gieo một đồng xu hai lần liên tiếp hoặc gieo hai đồng xu cân đối và đồng chất cùng một lượt thì có 4 khả năng xảy ra là (SS), (SN), (NS), (NN) với xác suất ngang nhau. Thật vậy, xác suất xuất hiện cả hai mặt sấp hoặc ngữa là: P(S,S) = P(N,N) = 1/2 × 1/2 = 1/4; còn xác suất xuất hiện một mặt sấp và một mặt ngữa là P(S,N) = 2 × 1/2 × 1/2 = 1/2; và tổng các xác suất của tất cả các sự kiện đó đương nhiên bằng 1. Từ đây ta có thể xây dựng cơ sở của "phép thử độc lập", nguyên tắc giải bài toán lai hai tính và các phương pháp biểu diễn kết quả lai như sau: (i) Mệnh đề "phép thử độc lập" dưới đây được thiết lập dựa trên quy tắc nhân xác suất, chủ yếu dùng để kiểm tra xem quy luật di truyền chi phối đồng thời cả hai tính trạng nào đó trong một phép lai là độc lập hay liên kết (nếu là liên kết thì liên kết hoàn toàn hay không hoàn toàn), hoặc một tính trạng nào đó có liên kết với giới tính hay không. Mệnh đề này được phát biểu như sau: Nếu các gene phân ly độc lập và tổ hợp tự do, thì tỷ lệ phân ly đồng thời của cả hai tính trạng bằng tích các tỷ lệ phân ly riêng rẽ của các tính trạng đó, và ngược lại. Ví dụ 1: Kết quả của một phép lai hai tính có tỷ lệ phân ly là 3:3:1:1 và các tỷ lệ của từng tính là 3:1 và 1:1. Ta nói rằng các tính trạng đó tuân theo quy luật phân ly độc lập, vì: 3:3:1:1 = (3:1)(1:1). Ví dụ 2: Kết quả sự tự thụ tinh của một cá thể F1(hoặc tạp giao giữa các cá thể F1 sinh ra từ các bố mẹ thuần chủng khác nhau về từng cặp gene allele) về một tính trạng nào đó mà có tỷ lệ phân ly là 9:3:3:1 hoặc là một biến dạng của công thức phân ly đó. Ta có thể khẳng định rằng tính trạng này tuân theo quy luật tương tác giữa các gene không allele phân ly độc lập. Thật vậy, từ kết quả trên cho thấy ở đời lai có 9+3+3+1 = 16 kiểu tổ hợp với tỷ lệ ngang nhau, chứng tỏ (các) cá thể F1 đó đã cho ít nhất 4 loại giao tử với tỷ lệ tương đương, nghĩa là dị hợp ít nhất 2 cặp gene phân ly độc lập. Nghĩa là tính trạng đó tuân theo quy luật tương tác gene. (ii) Hệ quả: Nếu tích các tỷ lệ phân ly riêng rẽ của các tính trạng khác với tỷ lệ phân ly đồng thời của cả hai tính, chứng tỏ các tính trạng đó tuân
36 theo quy luật di truyền liên kết. Ví dụ: Kết quả của một phép lai cho thấy tỷ lệ phân ly của cả hai tính là 1A-bb:2A-B-:1aabb hoặc 3A-B-:1aabb, trong khi tỷ lệ phân ly của mỗi tính trạng vẫn là 3:1.Ta dễ dàng thấy rằng tích (3:1)(3:1) ≠ 1:2:1 hoặc 3:1, chứng tỏ các tính trạng này tuân theo quy luật liên kết hoàn toàn, và kiểu gene của bố mẹ chúng đối với trường hợp đầu là Ab/aB × Ab/aB hoặc AB/ab × Ab/aB, và trường hợp sau là AB/ab × AB/ab. (iii) Nguyên tắc tổng quát giải một bài toán lai hai hoặc nhiều tính Từ những điều trình bày trên đây cho thấy rằng thực ra toán lai gồm hai dạng tổng quát: lai một tính và lai nhiều tính, và việc giải một bài toán lai hai tính trở lên nói chung được thực hiện theo ba bước chính: Bước 1: Tách xét quy luật di truyền của từng tính trạng; Bước 2: Gộp xét quy luật di truyền của hai tính hoặc từng hai tính trạng một (để xác định xem chúng tuân theo quy luật nào, độc lập hay liên kết); và Bước 3: Thiết lập (các) sơ đồ lai kiểm chứng (xem "Phép giải toán lai", Hoa học trò số 362 tr.40-41). Như vậy, cái khó của các bài toán lai thực ra là ở dạng lai một tính, và cái khó nhất của dạng toán nầy là xác định cho được quy luật chi phối tính trạng và các kiểu quan hệ có thể có giữa các gene allele cũng như giữa các gene không allele với nhau. Từ đó mới có thể xác định các kiểu gene, kiểu hình, và cuối cùng là kiểm chứng các kết quả bằng sơ đồ lai thích hợp. (iv) Các phương pháp biểu diễn kết quả lai: Bởi vì bất cứ một mệnh đề quy luật nào cũng là "mệnh đề kéo theo" và có tính xác suất (nghĩa là chứa đựng khả năng tiên đoán tiềm tàng), cho nên việc tính toán và biểu diễn các kết quả kỳ vọng của bất kỳ một phép lai nào rõ ràng là đều dựa trên cơ sở xác suất mà chủ yếu là quy tắc nhân. Có nhiều cách khác nhau trong biểu diễn kết quả của các phép lai. Chẳng hạn, trình bày dưới dạng khung Punnett, vốn là phương pháp kinh điển của di truyền học. Một phương pháp thông dụng khác là phương pháp phân nhánh (forked-line approach), Phương pháp này có thể dùng để tìm xác suất của các kiểu đời con đối với nhiều gene phân ly độc lập; nó cũng rất tiện dụng khi xác định thành phần allele và xác suất của các loại giao tử từ một kiểu gene cụ thể. Ngoài ra, tuỳ trường hợp có thể sử dụng trực tiếp quy tắc nhân (product rule). 2.4. Công thức xác suất nhị thức Để đơn giản, ta xét phép thử đồng xu gồm hai sự kiện đối lập là mặt sấp (S) và mặt ngữa (N), với các xác suất tương ứng là p và q, trong đó q = 1-p. Giả sử trong n phép thử độc lập được tiến hành, sự kiện S xuất hiện k lần và sự kiện N là n-k. Để tính các xác suất này ta phải sử dụng công thức xác suất nhị thức (binomial probability) sau đây:
37 k k n-k Pn(k) = C n .p .q ; k = 0, 1, 2, , n. k k trong đó, C n là hệ số nhị thức; ở đây C n = n!/ k!(n-k)! Lưu ý: Dãy n phép thử này còn gọi là dãy phép thử Bernoulli, vì nó thoả mãn ba điều kiện: (1) Nó là dãy độc lập; (2) Trong mỗi phép thử, không gian biến cố sơ cấp chỉ có hai biến cố sơ cấp đối lập là S và N; và (3) Xác suất của một biến cố S hoặc N là không thay đổi trong mọi phép thử, P(S) = p và P(N) = q = 1 − p. Ví dụ: Gieo một đồng xu liên tiếp ba lần, có thể xảy ra 23 = 8 khả năng độc lập về thứ tự trong 4 nhóm sau đây: 3 mặt sấp 2 sấp và 1 ngữa 1 sấp và 2 ngữa 3 mặt ngữa SSS SSN SNN NNN SNS NSN NSS NNS Với giả thiết p = q =1/2, dựa vào công thức xác suất nhị thức ta dễ dàng tính được xác suất của mỗi trường hợp trên như sau: P(3 mặt sấp) = 1×(1/2)3×(1/2)0 = 1/8 P(3 mặt ngữa) = 1×(1/2)0×(1/2)3 = 1/8 P(2 sấp 1 ngữa) = 3×(1/2)2×(1/2)1 = 3/8 P(1 sấp 2 ngữa) = 3×(1/2)1×(1/2)2 = 3/8 2.5. Công thức xác suất toàn phần Giả sử dãy B1,B2, ,Bn là một nhóm đầy đủ các biến cố, nghĩa là chúng có hợp là một sự kiện tất yếu (B1∪B2B ∪ ∪BnB = Ω) và gồm từng đôi xung khắc (Bi∩BjB = ∅, với i ≠ j; i,j = 1, 2, ,n); và gọi A là một biến cố bất kỳ. Khi đó: A = Ω ∩ A = (B1∪B2B ∪ ∪BnB ) ∩ A = (B1∩ A) ∪(B2∩ A) ∪ ∪ (Bn∩ A) Áp dụng các định lý cộng và nhân, ta có công thức xác suất toàn phần P(A) = P(B1).P(A/B1) + P(B2).P(A/B2) + + P(Bn).P(A/Bn) = ∑ P(Bi).P(A/Bi) ; với i = 1, ,n. 2.6. Công thức Bayes Với giả thiết như trên cộng thêm một điều kiện mới là phép thử được tiến hành và kết quả là sự kiện A đã xảy ra. Vì các Bi (i= 1, 2, ,n) lập thành một nhóm đầy đủ nên cùng với A phải có chỉ một sự kiện Bk nào đó xảy ra. Vậy khi A xuất hiện thì sự kiện nào trong số các Bi có nhiều khả năng xảy ra hơn cả? Giải đáp câu hỏi này có nghĩa là cần tính xác suất
38 P(Bk/A). Vận dụng định lý nhân xác suất, ta có: P(A∩BkB ) = P(A).P(Bk/A) = P(Bk).P(A/Bk) Suy ra: P(Bk/A) = P(Bk).P(A/Bk) : P(A) ; với P(A) > 0. Thay P(A) từ công thức xác suất toàn phần ở trên, ta được công thức Bayes như sau: P(Bk/A) = P(Bk).P(A/BkB ) : ∑ P(Bi).P(A/ Bi) Trong đó các P(Bi) được gọi là các xác suất tiên nghiệm (vì chúng được xác định trước khi tiến hành phép thử), còn P(Bk/A) được gọi là xác suất hậu nghiệm (vì nó chỉ được xác định sau khi tiến hành phép thử). Cần lưu ý rằng, các quy luật Mendel về thực chất là các định luật nhân xác suất, cho nên để tiên đoán các nguy cơ di truyền cần sử dụng đến công thức Bayes, tức là định lý xác suất của nguyên nhân. Và bài toán đặt ra chỉ có thể giải quyết trọn vẹn một khi biết được các xác suất tiên nghiệm. Ví dụ: Lấy ngẫu nhiên một cây đậu hạt vàng ở F2 (trong thí nghiệm của Mendel) cho lai với cây hạt xanh, và ở thế hệ lai nhận được tất cả là 6 cây hạt vàng. Hãy tìm xác suất của cây hạt vàng F2 đem lai là thể đồng hợp. (Quy ước: Y- hạt vàng, y - hạt xanh). Giải: Ta biết rằng ở F2 có tỷ lệ kiểu gene là 1/4 YY : 1/2 Yy : 1/4 yy và tỷ lệ kiểu hình là 3/4 vàng : 1/4 xanh. Vì cây hạt vàng (Y-) được chọn ngẫu nhiên trong số các cây hạt vàng F2 nên nó có thể là đồng hợp (YY) hoặc dị hợp (Yy), với xác suất tương ứng là 1/3 hoặc 2/3. Gọi B1 - sự kiện "cây hạt vàng F2 lấy ra là thể đồng hợp" B2 - sự kiện "cây hạt vàng F2 lấy ra là thể dị hợp"; (B1B ∪B2B = Ω) và A là sự kiện "6 cây hạt vàng nhận được ở thế hệ lai". Ta có các xác suất tiên nghiệm: P(B1) = 1/3 và P(B2) = 2/3 6 Và các xác suất điều kiện: P(A/ B1) = 1 và P(A/ B2) = (1/2) = 1/64 Vậy xác suất (hậu nghiệm) cần tìm là: P(B1/A) = P(B1B ).P(A/ B1) : [P(B1).P(A/ B1) + P(B2).P(A/ B2)] = (1/3×1) : [(1/3×1) + (2/3×1/64)] = 32/33 = 0,97. Lưu ý: Kết quả này cho thấy rằng cây hạt vàng F2 (được lấy ngẫu nhiên để lai phân tích) có kiểu gene đồng hợp là hầu như chắc chắn (đến 97%), với mức α = 0,05. Nói cách khác, chỉ với 6 cây hạt vàng đó thôi cũng đủ để khẳng định sự đồng tính của đời con. Đến đây hẳn là chúng ta đã thấy rõ công thức Bayes có tầm quan trọng như thế nào trong việc tiên đoán nguyên nhân và nguy cơ di truyền, cũng như cho phép lý giải một số tình huống phức tạp (xem Hoàng Trọng Phán 1995, 2000b).
39 VII. Phương pháp Khi-bình phương (Chi-square method) trong đánh giá độ phù hợp giữa các số liệu quan sát và kỳ vọng Nói chung, các số liệu thống kê thu được từ các thí nghiệm vốn sai khác ít nhiều so với các con số mang tính chất lý thuyết, tuỳ thuộc chủ yếu vào mẫu thí nghiệm và phương pháp lấy mẫu. Trong trường hợp đó, chúng ta băn khoăn không rõ liệu sự giả định "xấp xỉ" của chúng ta có thật chắc chắn không? Hay nói theo ngôn ngữ thống kê, "giả thuyết tương đồng H0 được chấp nhận hay bị bác bỏ", nghĩa là kết quả thu được có thật nghiệm đúng với tỷ lệ của một quy luật nào đó hay không? Để có được câu trả lời rốt ráo cho vấn đề này chỉ có cách là sử dụng trắc nghiệm Khi-bình phương (χ2-test). Đây là một công cụ toán thống kê thông dụng cho phép kiểm tra độ phù hợp giữa các trị số thực tế quan sát được (observed, ký hiệu: O) và các trị số lý thuyết được kỳ vọng (expected, ký hiệu: E) của một giả thuyết hay phân phối thực nghiệm khoa học nào đó, hoặc để kiểm tra tính độc lập của hai đại lượng ngẫu nhiên. Nhờ đó ta có thể rút ra quy luật, hoặc hiệu quả của hai phương pháp thí nghiệm nào đó. Đứng về phương diện thực hành, phương pháp này được tiến hành đơn giản như sau: 2 Bước 1: Đặt giả thuyết tương đồng H0 và sau đó tính trị số χ thực tế 2 2 dựa theo công thức: χ = ∑ [(Oi − Ei) / Ei ] ; i= 1, 2, ,n. Bước 2: Tìm trị số χ2 lý thuyết bằng cách tra Bảng các giá trị của 2 phân phối χ α với k bậc tự do. Thông thường người ta sử dụng mức xác suất sai lầm P hay mức ý nghĩa α = 0,05 và k = n −1; trong đó n là số lớp kiểu hình và nó còn tuỳ trường hợp cụ thể. Mức α = 0,05 thường được dùng làm ranh giới phân chia giữa miền ấn định chấp nhận giả thuyết H0 và miền ấn định bác bỏ giả thuyết H0. Để tiện lợi, dưới đây nêu ra một vài 2 trị số χ α = 0,05 lý thuyết thông dụng ứng với một số bậc tự do k như sau: Số bậc tự do (k) 1 2 3 4 2 Giá trị χ α = 0,05 3,84 5,99 7,82 9,49 Bước 3: So sánh các giá trị χ2 thực tế và lý thuyết. - Nếu như trị số χ2 thực tế nhỏ hơn trị số χ2 lý thuyết, tức là có mức xác suất P hay α > 0,05, giả thuyết H0 được chấp nhận. Nghĩa là kết quả thu được phù hợp với tỷ lệ được giả định. - Ngược lại, nếu như trị số χ2 thực tế lớn hơn hoặc bằng trị số χ2 lý thuyết, tức là có mức xác suất P hay α ≤ 0,05, giả thuyết H0 bị bác bỏ. Nghĩa là kết quả thu được không phù hợp với tỷ lệ được giả định.
40 Ví dụ: Trong thí nghiệm lai một tính của Mendel, ở F2 thu được 705 hoa tím và 224 hoa trắng. Trên nguyên tắc, với hai kiểu hình ở F2 khiến ta có thể nghĩ tới một số tỷ lệ lý thuyết gần với nó như 2:1, 3:1 hoặc 9:7. Nhưng ở đây tỷ lệ "tím : trắng" thực tế là 3,15:1 nên tỷ lệ kỳ vọng hợp lý hơn cả là 3:1. Đó chính là giả thuyết H0 cần kiểm tra. Bây giờ ta có thể tính toán giá trị χ2 thực tế như sau: 2 Kiểu hình Số quan sát (Oi) Số kỳ vọng (Ei) (Oi − Ei) / Ei Hoa tím 705 3/4 × 929 = 696,75 0,098 Hoa trắng 224 1/4 × 929 = 232,25 0,293 Tổng 929 929 χ2 = 0,391 2 Bằng cách tra bảng các giá trị của phân phối χ α = 0,05 với k = 2−1= 1 bậc tự do, ta tìm được trị số χ2 lý thuyết là 3,84. Vì trị số χ2 thực tế (0,391) 2 nhỏ hơn trị số χ lý thuyết (3,84) rất nhiều, nên giả thuyết H0 hoàn toàn được chấp nhận. Nghĩa là kết quả thí nghiệm trên phù hợp một cách sít sao với tỷ lệ 3:1. Điều đó có nghĩa rằng sự sai khác giữa các số liệu thực và các con số lý thuyết tương ứng là rất không đáng kể, không có ý nghĩa về phương diện thống kê. Câu hỏi và Bài tập 1. Đối tượng và phương pháp thí nghiệm của Mendel có những đặc điểm độc đáo nào mà từ đó Mendel đã khám phá ra các quy luật di truyền cơ sở đầu tiên, đặt nền móng cho sự ra đời của di truyền học? 2. Khi lai giữa chuột đen và chuột nâu nhận được F1 toàn chuột đen. Sau đó cho các chuột này tạp giao với nhau thu được F2 gồm 53 đen và 17 nâu. Hãy giải thích kết quả, viết các sơ đồ lai và tính xác suất của mỗi trường hợp phân ly kiểu hình có thể có ở F2 (biết rằng số chuột F2 thu được từ mỗi tổ hợp lai của các chuột F1 trung bình là bốn con). 3. Từ kết quả lai ở cừu sau đây, hãy xác định kiểu gene của mỗi cá thể. Phép lai Đời con Trắng-1 x trắng-2 6 trắng : 1 đen Trắng-1 x trắng-3 5 trắng Trắng-1 x đen-1 3 trắng : 3 đen 4. Cho một ruồi giấm mắt nâu cánh dài giao phối với một ruồi giấm mắt đỏ cánh dài. Đời con thu được gồm 51 đỏ dài, 53 nâu dài, 17 đỏ ngắn và 18 nâu ngắn. Hãy xác định kiểu gene của các ruồi giấm bố mẹ.
41 5. Dựa vào các phép lai và kết qủa dưới đây, hãy biện luận để chỉ ra các quy luật di truyền và kiểu gene của các bố mẹ trong mỗi phép lai. Đời con Vàng, Vàng, Xanh, Xanh, trơn nhăn trơn nhăn Phép lai Vàng, trơn × vàng, trơn 45 15 16 5 Vàng, nhăn × vàng, nhăn 0 42 0 15 Xanh, trơn × vàng, nhăn 31 29 32 30 6. Giả sử đã thực hiện phép lai giữa con mèo lông ngắn, thưa, có đốm trắng (llddSs) và mèo lông dài, rậm, có đốm trắng (LlDdSs). Hãy trình bày các phương pháp nhân xác suất đơn giản và sơ đồ phân nhánh để tính tỷ lệ kỳ vọng của mỗi một mèo con có kiểu hình sau: lông ngắn, thưa, không có đốm trắng; lông ngắn, rậm, có đốm trắng; và lông dài, rậm, có đốm trắng. 7. Ở ruồi giấm, mắt đỏ (se+) là trội so với mắt màu nâu tối (se; viết tắt của sepia). Cho hai ruồi giấm mắt đỏ dị hợp lai với nhau, và lấy một con mắt đỏ đời con cho lai trở lại với một bố mẹ mắt đỏ. Cơ may để đời con phép lai ngược đó xuất hiện ruồi giấm mắt màu nâu tối là bao nhiêu? 8. Để khẳng định các nguyên lý di truyền của Mendel, các nhà nghiên cứu đã lặp lại các thí nghiệm ở đậu Hà Lan. Riêng các thí nghiệm về màu sắc hạt, ở F2 Correns thu dược 1.394 vàng và 453 xanh, trong khi Tschermak quan sát thấy có 3.580 vàng và 1.190 xanh. Các trị số này có phù hợp với nguyên lý phân ly không? Bạn hãy chứng minh điều đó bằng công cụ toán thống kê thích hợp. 9. Giả sử người chồng bị bạch tạng, người vợ và các con của họ (một trai và hai gái) đều bình thường. Khi lớn lên, chúng lập gia đình với những người cũng không mắc bệnh này và mỗi gia đình này đều có một trai và một gái bình thường. Giả sử xảy ra sự kết hôn đồng huyết giữa hai đứa cháu có quan hệ cậu cô ruột, khi đó xác suất để sinh ra một trai đầu lòng mắc bệnh này là bao nhiêu? Hãy vẽ sơ đồ phả hệ nói trên và giải thích. 10. Giả sử bạn có một cây đậu Hà Lan thân cao chưa rõ kiểu gene. Bạn đem cây này lai phân tích với cây thân thấp hoặc cho nó tự thụ phấn và đã thu được tất cả bảy cây đều có thân cao. Hỏi xác suất để cây thân cao đem lai kiểm tra có kiểu gene đồng hợp là bao nhiêu? Tài liệu Tham khảo Tiếng Việt Nguyễn Ngọc Kiểng 1996. Thống kê học trong Nghiên cứu Khoa học.
42 NXB Giáo Dục, Hà Nội. Phạm Văn Kiều 1998. Lý thuyết Xác suất và Thống kê Toán học. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Hoàng Trọng Phán 1995. Đánh giá hiện tượng đồng tính trong lai phân tích nhờ công thức Bayes. Thông tin Khoa học và Giáo dục số 11/1995, tr. 133-138, Trường ĐHSP Huế. Hoàng Trọng Phán 2000a. Phép giải toán lai. Hoa học trò số 362, tr.40-41. Hoàng Trọng Phán 2000b. Công thức Bayes và phép tính gần đúng trong phân tích di truyền học. Thông báo Khoa học số 4/2000, tr. 65-76, Trường ĐHSP Hà Nội. Tiếng Anh Brooker RJ. 1999. Genetics - Analysis and Principles. Benjamin/ Cummings Publishing Company, Inc., Menlo Park, CA. Campbell NA, Reece JB. 2001. Essential Biology. Benjamin/Cummings, an imprint of Addison Wesley Longman, Inc, San Francisco, CA. Hartl DL, Freifelder D, Snyder LA. 1988. Basic Genetics. Jones and Bartlett Publishers, Inc, Boston - Portola Valley. Lewis R. 2003. Human Genetics: Concepts and Applications. 5th ed, McGraw-Hill, Inc, NY. Online Mendelian Inheritance in Man (OMIMTM): Russell PJ. 2000. Fundamentals of Genetics. 2nd ed, Benjamin/ Cummings Publishing Company, Inc, Menlo Park, CA. Suzuki DT, Griffiths AJF, Miller JH, Lewontin RC. 1989. An Introduction to Genetic Analysis. 4th ed, W-H Freeman and Company, New York. Tamarin RH. 1999. Principles of Genetics. 6th ed, McGraw-Hill, Inc, NY. Weaver RF and Hedrick PW. 1997. Genetics. 3rd ed, McGraw-Hill Companies, Inc. Wm.C.Brown Publishers, Dubuque, IA. Một số trang web com/lewisgenetics5 htttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=OMIM
43 Chương 2 Mở rộng và Áp dụng của Di truyền học Mendel Nét đặc sắc của các thí nghiệm Mendel là ở sự nhất quán hoàn toàn giữa các quan sát và giả thuyết của ông. Tuy nhiên, kể từ sau khi các công trình của Mendel được khám phá lại, người ta còn phát hiện ra nhiều ngoại lệ suy rộng từ mô hình Mendel. Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu các vấn đề sau: (i) Sự khác nhau giữa các kiểu trội hoàn toàn, trội không hoàn toàn và đồng trội; (ii) Tác động của gene gây chết; (iii) Hiện tượng đa allele; (iv) Tính đa hiệu của gene; (v) Các kiểu di truyền do nhiều gene cùng tác động lên một tính trạng - tương tác gene; (vi) Cơ sở di truyền của các tính trạng số lượng. Các kiểu di truyền liên kết và liên kết với giới tính tuy cũng được xem như là sự mở rộng của các nguyên lý Mendel, nhưng sẽ được trình bày trong một chương riêng, chương 4. I. Các kiểu quan hệ giữa các gene allele đối với một tính trạng 1. Các kiểu trội hoàn toàn, không hoàn toàn và đồng trội Kể từ sau năm 1900, người ta còn phát hiện thêm một số trường hợp trội khác nhau, bổ sung cho tỷ lệ 3 trội :1 lặn của Mendel. 1.1. Trội hoàn toàn (complete dominance) Đây là trường hợp di truyền trội-lặn Mendel. Trong hầu hết các trường hợp, allele bình thường (hay kiểu dại) trội hoàn toàn so với các allele đột biến. Điều này có thể lý giải dựa trên cơ sở di truyền sinh hóa ở chỗ, allele trội cho sản phẩm protein hoạt động chức năng bình thường trong khi allele đột biến không tạo ra được sản phẩm có hoạt tính. Do đó các cá thể đồng hợp về allele lặn không hoàn thành được con đường chuyển hóa có liên quan đến gene này. Ở người, đó là trường hợp của các allele đột biến lặn gây bạch tạng, bệnh phenylxêtôn-niệu (phenylketonuria = PKU) Tuy nhiên, ở một số trường hợp, allele đột biến trội hơn kiểu dại; nghĩa là allele kiểu dại là lặn. Ví dụ: ở người, kiểu lùn phổ biến do không tạo được sụn là trội, cho nên các thể dị hợp biểu hiện kiểu hình đột biến. 1.2. Trội không hoàn toàn (incomplete dominance) Khi lai giữa hai giống hoa bốn giờ (four-o'clock; Mirabilis jalapa) thuần chủng có hoa màu đỏ và hoa màu trắng, Carl Correns thu được tất cả các cây F1 có hoa màu hồng, kiểu hình trung gian giữa hai bố mẹ. Sau khi cho các cây F1 tự thụ phấn, tỷ lệ kiểu hình ở F2 là 1 đỏ : 2 hồng : 1 trắng. Mặc dù tỷ lệ kiểu hình này có hơi lệch so với của Mendel, nhưng
44 thực tế nó tương ứng với tỷ lệ kiểu gene 1:2:1 (hình 2.1). Nếu sử dụng quy ước gene A- đỏ là trội không hòan toàn so với a- trắng, ta có sơ đồ lai sau: Ptc Hoa đỏ (AA) × Hoa trắng (aa) F1 Aa (Hoa hồng) F2 Tỷ lệ kiểu gene ¼ AA : ½ Aa : ¼ aa Tỷ lệ kiểu hình ¼ đỏ : ½ hồng : ¼ trắng trội đồng hợp tử dị hợp tử lặn đồng hợp tử Hình 2.1 Sự di truyền trung gian đối với màu sắc hoa ở nhiều thực vật. Bởi kiểu hình của thể dị hợp là trung gian giữa hai thể đồng hợp, vì vậy ta có thể lý giải trên phương diện sinh hóa rằng hàm lượng sản phẩm tích lũy do một allele trội kiểm soát là không đủ để thể hiện kiểu hình màu đỏ như trong trường hợp có mặt cả hai allelele trội. 1.3. Đồng trội (codominance) Đồng trội là hiện tượng cả hai allele khác nhau trong một thể dị hợp cùng biểu hiện ra các sản phẩm có hoạt tính khác nhau trong tế bào. Các allele như thế được gọi là các allele đồng trội. Điển hình là trường hợp nhóm máu AB của hệ nhóm máu ABO (hình 2.2; xem giải thích ở mục 3 bên dưới) và nhóm máu MN của hệ nhóm máu M-N ở người. Hình 2.2 Kiểu hình các nhóm máu A, AB và B. (Ở đây cho thấy sự đồng trội ở nhóm máu AB. Nhóm máu O không có kháng nguyên nào). Hệ nhóm máu M-N (do một locus thuộc nhiễm sắc thể thường kiểm soát) có hai allele LM và LN. Như thế, trong một quần thể sẽ có ba kiểu gene LMLM, LMLN và LNLN (có thể viết gọn là MM, MN và NN) tương ứng với ba kiểu hình hay nhóm máu là M, MN và N. Nếu cho rằng các phép hôn phối thuận nghịch là tương đương, thì có thể có sáu kiểu hôn phối với các tỷ lệ kiểu gene kỳ vọng ở đời con được cho ở bảng 2.1.
45 Bảng 2.1 Các tỷ lệ kỳ vọng ở đời con đối với hệ nhóm máu M-N Đời con Bố mẹ LMLM LMLN LNLN LMLM × LMLM 1 ─ ─ LMLM × LMLN ½ ½ ─ LMLM × LNLN ─ 1 ─ LMLN × LMLN ¼ ½ ¼ LMLN × LNLN ─ ½ ½ LNLN × LNLN ─ ─ 1 Một ví dụ khác là allele lặn gây bệnh hồng cầu hình liềm. Ở những người dị hợp tử về allele này (HbAHbS), cả hai allele đều được biểu hiện và các tế bào máu của họ chứa cả hemoglobin bình thường và bất thường. 2. Tác động của gene gây chết (lethal) Các allele gây chết là những đột biến có thể trội hoặc lặn làm giảm sức sống hoặc gây chết đối với các cá thể mang nó và do đó, làm biến đổi tỷ lệ 3:1 của Mendel. Nhiều gene có các allele ảnh hưởng lên tỷ lệ chết chứ không gây chết; các allele này được gọi là các allele có hại (deleterious). Hình 2.3 Biến đổi màu lông ở chuột. Hình 2.4 Mèo Manx không đuôi. Nói chung, các allele gây chết thường là lặn và gây chết ở các thể đồng hợp. Ví dụ, đột biến bạch tạng ở thực vật làm cho cây chết ở giai đoạn non vì không có diệp lục để quang hợp. Bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm ở người (xem mục II) có thể gây chết với tỷ lệ đáng kể ở tuổi trưởng thành khi allele đột biến lặn này ở trạng thái đồng hợp. Tuy nhiên, một số allele gây chết là những đột biến trội. Điển hình là thí nghiệm lai về màu sắc lông ở chuột của Lucien Cuénot năm 1904. Khi lai giữa hai chuột thân vàng (allele vàng là trội; Hình 2.3), ông thu được tỷ lệ xấp xỉ 2 vàng : 1 kiểu dại. Mặt khác, khi lai giữa các chuột vàng với chuột kiểu dại (màu agouti), ông thấy rằng đời con có tỷ lệ xấp xỉ 1:1.
46 Cuénot kết luận rằng tất cả các chuột vàng đều là những thể dị hợp, còn các thể đồng hợp về allele vàng đều bị chết ở giai đoạn phôi. Bố mẹ Yy (vàng) × Yy (vàng) Đời con ¼ YY : ½ Yy : ¼ yy (chết) 2 vàng : 1 agouti Hiện tượng "không đuôi" ở mèo Manx (được phát hiện đầu tiên ở đảo Manx năm 1935; Hình 2.4) là một tính trạng khác gây ra bởi một allele đột biến trội M; nó có hiệu quả trội ở các thể dị hợp và gây chết ở các thể đồng hợp. Vì vậy khi lai giữa các mèo Manx (Mm × Mm) bao giờ cũng thu được ⅔ mèo Manx không đuôi và ⅓ có đuôi bình thường. 3. Hiện tượng đa allele (multiple allelelism) Trên thực tế, mỗi một gene không chỉ có hai allele mà có thể có nhiều hơn hai allele, gọi là đa allele. Các allele là những trạng thái cấu trúc khác nhau của cùng một gene phát sinh do đột biến (xem chương 8). Nói chung, nếu một gene trên nhiễm sắc thể thường (autosome) có n allele khác nhau, thì trong quần thể có thể có n(n+1)/2 kiểu gene, trong đó có n kiểu đồng hợp và n(n −1)/2 kiểu dị hợp (xem bảng 2.2). Đây chính là cơ sở của hiện tượng đa hình (polymorphism) quan sát được trong các quần thể tự nhiên. Bảng 2.2 Mối quan hệ số lượng giữa các allele và các kiểu gene Số allele Số thể đồng hợp Số thể dị hợp Tổng số kiểu gene 1 1 0 1 2 2 1 3 3 3 3 6 4 4 6 10 n n n(n −1)/2 n(n+1)/2 Ví dụ: Sự di truyền hệ nhóm máu ABO ở người được kiểm soát bởi một gen autosome có ba allele chính là IA, IB và IO; trong đó IO là lặn, còn các allele IA và IB là đồng trội. Trong một quần thể, nói chung có sáu kiểu gen tương ứng với bốn kiểu hình hay nhóm máu sau đây: Kiểu hình A B AB O Kiểu gene IAIA, IAIO IBIB, BIO IAIB IOIO Bây giờ ta hãy tìm hiểu cơ sở di truyền miễn dịch của hệ nhóm máu ABO này. Sự khác nhau giữa các nhóm máu là do sự có mặt của các loại kháng nguyên và kháng thể . Các kháng nguyên (antigen) ở đây là những phân tử kết hợp protein-đường bám trên bề mặt của các tế bào hồng cầu và
47 chúng xác định tên nhóm máu tương ứng. Các cá thể mang allele IA và/hoặc allele IB có kháng nguyên tương ứng A và/hoặc B; còn allele IO không tạo được bất kỳ kháng nguyên nào (nên những người đồng hợp về allele lặn này có kiểu hình O, nghĩa là "không" có kháng nguyên A hoặc B nào cả trên bề mặt các tế bào hồng cầu). Các kháng thể (antibody) là những protein do hệ thống miễn dịch tạo ra với một số lượng lớn nhằm đáp ứng với các kháng nguyên đặc thù từ bên ngoài. Cụ thể, trong huyết thanh ở những người mang nhóm máu O thấy có cả hai loại kháng thể kháng-A và kháng-B gọi là α và β; ở những người nhóm máu AB không có bất kỳ loại kháng thể nào; còn ở những người nhóm máu A và B chỉ có một loại kháng thể tương ứng là α và β. Ý nghĩa lâm sàng của nguyên tắc truyền máu là ở chỗ khi truyền sai nhóm máu sẽ xảy ra phản ứng ngưng kết chết người do phản ứng giữa kháng nguyên bề mặt của hồng cầu người cho (donor), mà lượng huyết thanh là không đáng kể, với kháng thể có trong huyết thanh của người nhận (recipient). Vì thế, những người có cùng nhóm máu thì có thể cho và nhận của nhau. Đặc biệt, nhóm máu O do thiếu cả hai loại kháng nguyên A và B nên có thể truyền cho một người mang bất kỳ nhóm máu nào; ngược lại người mang nhóm máu AB có thể nhận bất kỳ nhóm máu nào. Hiện tượng đa allele tồn tại phổ biến trong các quần thể sinh vật khác nhau. Ví dụ, gene kiểm soát màu mắt đỏ-trắng ở ruồi giấm gồm một chuỗi 12 allele, với tính trội giảm dần từ đỏ kiểu dại cho đến trắng đột biến lặn (w) theo thứ tự từ trái sang phải và trên xuống như sau: Allele W+ Wsat Wco Ww Wap3 Wch Màu đỏ dại satsuma coral wine apricot3 cherry Allele We Wbl Wap Wi Wt w Màu eossin blood apricot ivory tinged white Một số gene ở người, chẳng hạn như các gene đối với kháng nguyên bạch cầu người HLA (human leukocyte antigen) xác định các kháng nguyên trên bề mặt của hầu như tất cả các tế bào có thể có nhiều allele. Ví dụ, gene HLA-B có nhiều hơn 30 allele được xác định khác nhau về mặt kháng nguyên trong một số quần thể. Kết quả của sự đa dạng này là, trong một quần thể có rất nhiều kiểu gene ở gene HLA-B (465 kiểu gene khác nhau, với 30 kiểu đồng hợp và 435 kiểu dị hợp), thực sự tạo nên một dãy biến dị kiểu gene rộng. II. Tính đa hiệu của gene (pleiotropy) Hiện tượng một gene ảnh hưởng đến hai hoặc nhiều tính trạng được gọi là tính đa hiệu (pleiotropy). Ví dụ, trong các thí nghiệm ở đậu Hà Lan,
48 Mendel đã lưu ý rằng gene kiểm soát màu hoa tím và trắng cũng ảnh hưởng lên màu sắc hạt (vỏ xám hoặc nâu) và gây ra sự có mặt hoặc không có mặt của các vệt màu tím ở bẹ lá. Trong ví dụ allele kiểm soát lông vàng ở chuột nói trên, ta thấy rằng nó còn ảnh hưởng lên sức sống ở các thể dị hợp và gây chết ở các thể đồng hợp. Nhiều bệnh di truyền ở người gây ra bởi các gen có tác dụng đa hiệu. Chẳng hạn, bệnh phenylxêtôn-niệu (phenylketonuria = PKU) xảy ra ở các cá thể đồng hợp về allele lặn đó. Những người mắc bệnh này thiếu hẳn enzyme cần thiết cho sự chuyển hóa bình thường của amino acid phenylalanine thành sản phẩm sinh hóa kế tiếp. Khi so sánh các cá thể bình thường và PKU với nhau cho thấy mức phenylalanine ở nhóm bệnh cao hơn nhiều. Ngoài ra, ở những người bệnh còn có một số biến đổi khác như: chỉ số IQ thấp hơn, đầu bé hơn, và tóc hơi nhạt hơn. Tất cả các hiệu quả đa hiệu này có thể hiểu như là hậu quả của sự rối loạn sinh hóa cơ sở. Chẳng hạn, ở các bệnh nhân PKU có sự tích lũy một độc tố trong đầu khiến cho bộ não bị tổn thương và dẫn tới IQ thấp hơn, đầu bé hơn. Một ví dụ khác về tính đa hiệu ở người là bệnh hồng cầu hình liềm (sickle-cell disease). Vậy tính đa hiệu giải thích trường hợp này như thế nào? Những người đồng hợp về allele đột biến lặn này (HbSHbS) chỉ tạo ra các phân tử hemoglobin bất thường, khiến cho tất cả các tế bào hồng cầu có dạng hình liềm, kích thước bé, màu đỏ nhạt (Hình 2.5). Các tế bào hình liềm nhanh chóng bị cơ thể phá hủy và gây ra sự thiếu máu và suy yếu cơ thể nói chung. Ngoài ra, Hình 2.5 Các tế bào hồng cầu bình thường (trên) và dạng hình liềm (dưới), với độ phóng đại gần gấp đôi của hình trên. do hình dạng góc cạnh mà các tế bào hình liềm không thể vận chuyển trơn tru trong máu và có xu hướng tích tụ và gây tắc nghẽn các mao mạch. Dòng máu đi đến các bộ phận cơ thể bị giảm bớt, gây sốt định kỳ, đau đớn, và tổn thương các cơ quan khác nhau như não bộ, lách, tim, thận III. Các kiểu tương tác giữa các gene không allele Kể từ sau khi phát hiện lại các nguyên lý di truyền của Mendel, đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu trên các đối tượng khác nhau, như: bí ngô, đậu ngọt, lúa mỳ, ngô, ruồi giấm, gà, chuột, chó, ngựa Một số kết quả thu được từ các thí nghiệm lai một tính đó cho thấy tỷ lệ phân ly khác với các tỷ lệ 3:1 hoặc 9:3:3:1. Các trường hợp cho tỷ lệ phân ly 9:3:3:1
49 hoặc một dạng biến đổi của nó được lý giải là do sự tương tác qua lại giữa các gene không allele phân ly độc lập. Tựu trung có hai kiểu tương tác gene, đó là: tương tác giữa các gen allele (đã xét ở trên) và tương tác giữa các gen không allele (thường được gọi tắt là tương tác gene). Do các gene không allele có thể nằm trên cùng một cặp nhiễm sắc thể hoặc trên các cặp nhiễm sắc thể tương đồng khác nhau, cho nên về nguyên tắc sẽ có hai dạng tương tác gene không allele tương ứng là tương tác độc lập và tương tác liên kết; và dạng sau phải là chủ yếu bởi vì số lượng gene của một sinh vật nhiều hơn số lượng nhiễm sắc thể của nó rất nhiều. Tuy nhiên, trên thực tế, khi nói đến sự tương tác giữa các gene không allele là ta muốn nói tới sự tương tác giữa các gene không allele phân ly độc lập. Lưu ý: (1) Số lượng các tính trạng hình thành nên một cơ thể sinh vật nói chung là nhiều hơn số lượng gene mã hóa protein có mặt trong bộ gene của nó. Chẳng hạn, theo ước tính gần đây cho thấy trong bộ gene người có khoảng 25.000 gene khác nhau trong khi có tới 50.000 loại protein thực hiện tất cả mọi hoạt động sống của các tế bào. (2) Như thế, sự biểu hiện của đa số tính trạng là kết quả của sự tương tác giữa nhiều gene khác nhau trong quá trình phát triển cá thể; và thực chất của sự tương tác đó là do sự tương tác giữa các sản phẩm hoạt động của các gen có bản chất protein hoặc giữa các sản phẩm sinh ra từ sự xúc tác của các enzyme. (3) Con đường chuyển hóa một chất cụ thể trong tế bào là một chuỗi gồm nhiều phản ứng sinh hóa nối tiếp nhau mà mỗi khâu phản ứng được xúc tác bởi một enzyme (chương 7). Ngay cả một enzyme hay protein có cấu trúc bậc bốn cũng gồm một số chuỗi polypepetide thuộc các gene khác nhau tạo nên (chương 6). (4) Để cho đơn giản, thông thường ta giải thích các kết quả tương tác bằng hai gene nhưng trên thực tế, có thể có nhiều hơn hai gene cùng quy định một tính trạng. Dưới đây chúng ta xét ba kiểu tương tác gen chính: Tương tác bổ trợ, tương tác át chế và tương tác đa phân cộng gộp. Các ví dụ nêu ra dưới đây là những thí nghiệm kinh điển của di truyền học. Để hiểu được bản chất di truyền của các tính trạng đó, đặc biệt là các tính trạng màu sắc, chúng ta cố gắng làm sáng tỏ cơ chế sinh hóa của chúng trong khả năng có thể. 1. Tương tác bổ trợ (complementary) Tương tác bổ trợ là trường hợp tương tác gene làm xuất hiện kiểu hình mới khi có mặt đồng thời các gene không allele trong một kiểu gene. Các gene bổ trợ có thể là gene trội hoặc gene lặn (ở trạng thái đồng hợp). Tương tác kiểu bổ trợ biểu hiện dưới nhiều dạng với các tỷ lệ kiểu hình F2 khác nhau, như 9:3:3:1; 9:6:1; 9:7.
50 1.1. Tương tác bổ trợ với tỷ lệ 9:3:3:1 Ví dụ kinh điển cho trường hợp này là các thí nghiệm của W.Bateson và R.C.Punnett về sự di truyền hình dạng mào ở gà. Khi lai giữa các giống gà thuần chủng mào hình hoa hồng với mào đơn (còn gọi là mào hình lá) thu được F1 toàn mào hoa hồng, và sau khi cho tạp giao F1 thì ở F2 có tỷ lệ phân ly 3 mào hoa hồng : 1mào đơn. Tương tự, khi lai giữa các giống gà thuần chủng mào hình hạt đậu với mào đơn, F1 gồm tất cả mào hạt đậu và F2 phân ly 3 mào hạt đậu : 1 mào đơn. Nhưng khi lai giữa hai giống gà thuần chủng mào hoa hồng và mào hạt đậu, thì ở F1 lại thu được tất cả có mào hình quả óc chó (hay hạt hồ đào) và tỷ lệ phân ly ở F2 xấp xỉ 9 quả óc chó : 3 hình hoa hồng : 3 hình hạt đậu : 1 mào đơn (hình 2.6). Giải thích: Các kết quả trong hai thí nghiệm đầu cho thấy các dạng mào hoa hồng và hạt đậu là trội so với dạng mào đơn. Kết quả sau cùng cho thấy F2 có 16 kiểu óc chó: R-P- tổ hợp với tỷ lệ ngang nhau, trong khi F1 đồng nhất kiểu gen (vì bố mẹ thuần chủng); điều đó chứng tỏ F1 đã cho 4 loại giao tử với tỷ lệ tương đương, nghĩa là dị hợp tử về hai cặp gene phân ly độc lập. Suy ra tính trạng này do hoa hồng: R-pp hai gene khác nhau chi phối, nghĩa là tuân theo quy luật tương tác gene. Mặt khác, kiểu hình mới biểu hiện ở F1 và khoảng 9/16 ở F2 (ứng với sự có mặt của cả hai gene hạt đậu: rrP- trội không allele) phải là kết quả của sự tương tác giữa các gene trội không allele theo kiểu bổ trợ. Quy ước: Dựa vào tỷ lệ phân ly kiểu hình ở F2 trong trường hợp hai gene phân ly độc lập và tên gọi các dạng mào theo tiếng Anh (rose: hoa hồng, pea: hạt đậu), ta có mào đơn: rrpp Hình 2.6 Các kiểu mào đặc trưng của các giống gà khác nhau và các kiểu gene tương ứng. thể quy ước và kiểm chứng đơn giản như sau: R-P-: mào hình quả óc chó (do bổ trợ giữa các gene trội R và P) R-pp: mào hình hoa hồng (do biểu hiện của gene trội R) rrP-: mào hình hạt đậu (do biểu hiện của gene trội P) rrpp: mào đơn (do khuyết cả hai gene trội; kiểu dại) Kiểm chứng: Ptc mào hoa hồng (RRpp) × mào hạt đậu (rrPP) F1 mào quả óc chó (RrPp)
51 F1×F1 = RrPp × RrPp = (Rr × Rr)(Pp × Pp) → F2 = (3R-:1rr)(3P-:1pp) = 9 R-P-: 3 R-pp : 3 rrP- : 1 rrpp = 9 óc chó: 3 hoa hồng : 3 hạt đậu : 1 đơn Một ví dụ khác, đó là lai giữa hai giống chuột lông màu đen với màu vỏ quế (cinnamon) được F1 toàn chuột lông màu xám (có dạng "muối tiêu" khi nhìn gần, còn gọi là agouti) và F2 cho tỷ lệ 9 xám : 3 màu vỏ quế : 3 đen : 1 nâu. Bạn có thể giải thích cơ sở di truyền của trường hợp này? 1.2. Tương tác bổ trợ với tỷ lệ 9:7 Ví dụ: Thí nghiệm của Bateson và Punnett về sự di truyền màu sắc hoa ở cây đậu ngọt (Lathyrus odoratus). Từ phép lai giữa hai giống hoa trắng thuần chủng khác nhau, hai ông thu được F1 gồm tất cả cây lai có hoa màu đỏ tía (purple). Khi cho các cây F1 tự thụ phấn ở F2 nhận được 382 hoa đỏ tía và 269 hoa trắng; kết quả này gần với tỷ lệ 9:7. Giải thích: Với cách lập luận như trên, ta dễ dàng thấy rằng kiểu hình hoa đỏ tía là kết quả của sự tương tác bổ trợ giữa hai gene trội không allele phân ly độc lập. Trước khi đi vào giải thích cơ sở di truyền sinh hóa của các kiểu hình, ta hãy quy ước và kiểm chứng kết quả thí nghiệm trên. Quy ước: C-P- : hoa đỏ tía (do tác động bổ trợ giữa các gene trội C và P) C-pp, ccP-, ccpp : hoa trắng (do không có mặt đầy đủ cả hai gene trội) Kiểm chứng: Ptc giống hoa trắng 1(CCpp) × giống hoa trắng 2 (ccPP) F1 hoa đỏ tía (CcPp) F1×F1 = CcPp × CcPp = (Cc × Cc)(Pp × Pp) → F2 = (3C-:1cc)(3P-:1pp) = 9 C-P- : (3 C-pp + 3 ccP- + 1 ccpp) = 9 đỏ tía : 7 trắng Bây giờ ta thử giải thích cơ sở sinh hóa của các kiểu hình. Sự hình thành màu hoa ở cây đậu ngọt là kết quả của sự tổng hợp một hợp chất gọi là anthocyanin; nó xảy ra thông qua một chuỗi các khâu chuyển hóa được xúc tác bởi các enzyme vốn là sản phẩm của các gene. Nếu như bất kỳ khâu nào trong quá trình tổng hợp này bị gián đoạn do vắng mặt của một enzyme hoạt động thì sự hình thành màu sắc không xảy ra. Mặc dù chi tiết chính xác của sự tổng hợp màu sắc ở cây đậu ngọt còn chưa rõ, nhưng có thể minh họa bằng mô hình tổng quát ở hình 2.7.
52 Kiểu gene có chứa C Kiểu gene có chứa P ↓ ↓ Enzyme (C) Enzyme (P) ↓ ↓ Chất tiền thân → Sản phẩm trung gian → Anthocyanin Hình 2.7 Sơ đồ minh họa mối quan hệ giữa các gene trội C và P trong quá trình hình thành sắc tố anthocyanin ở cây đậu ngọt. Đối với các kiểu gene có chứa cả hai gene trội C và P (C-P-), có đầy đủ các enzyme cần thiết cho việc tạo ra anthocyanin và do vậy hoa có màu đỏ tía. Trong khi đó, kiểu gene chứa cc (ccP- hay ccpp), enzyme thứ nhất không được tạo ra hay không có hoạt tính; hậu quả là, phản ứng tạo sản phẩm trung gian không thực hiện được. Tương tự, kiểu gene chứa pp (C- pp hoặc ccpp) thì phản ứng thứ hai biến đổi chất trung gian thành anthocyanin bị dừng lại, vì thiếu hẳn một enzyme tương ứng. Nói cách khác, nếu như kiểu gen có mang cặp allele hoặc là cc hoặc là pp thì con đường tổng hợp bị gián đoạn và các sắc tố không được tạo ra, và kết quả là hoa màu trắng. 1.2. Tương tác bổ trợ với tỷ lệ 9:6:1 Ví dụ: Sự di truyền hình dạng quả ở bí ngô. Khi lai hai giống bí ngô thuần chủng quả tròn khác nguồn gốc với nhau, ở F1 xuất hiện toàn dạng quả dẹt, và ở F2 có sự phân ly kiểu hình xấp xỉ 9 dẹt : 6 tròn : 1 dài. Giải thích: Kết quả này có thể được giải thích theo một trong hai cách sau: bổ trợ giữa các gene trội hoặc bổ trợ giữa các gene lặn. Để đơn giản, dưới đây ta giải thích theo cách đầu, dựa trên quy ước sau đây: Quy ước: D-F- : quả dẹt (do tương tác bổ trợ giữa các gene D và F) D-ff và ddF- : quả tròn (chỉ có một trong hai gene trội D, F) ddff : quả dài (do khuyết đồng thời cả hai gene trội) Kiểm chứng: Ptc quả tròn-1 (DDff) × quả tròn-2 (ddFF) F1 quả dẹt (DdFf) F1×F1 = DdFf × DdFf = (Dd × Dd)(Ff × Ff) → F2 = (3D-:1dd)(3F-:1ff) = 9 D-F-: (3 D-ff + 3 ddF-) : 1 ddff = 9 quả dẹt : 6 quả tròn : 1 quả dài 2. Tương tác át chế (epistasis) Tương tác át chế là hiện tượng một gene này kìm hãm sự biểu hiện của một gene khác không allele với nó. Gene át chế có thể là trội hoặc lặn.
53 2.1. Át chế do gene lặn với tỷ lệ 9:3:4 Ví dụ: Sự di truyền màu sắc lông ở chuột (hình 2.8). Khi lai giữa hai dòng chuột thuần chủng lông nâu và bạch tạng, ở F1 xuất hiện toàn chuột lông đen; và khi cho các chuột F1 tạp giao với nhau thì ở F2 có sự phân ly gần với tỷ lệ 9 đen : 3 nâu : 4 bạch tạng. Để giải thích kết quả này, ta dựa vào biện luận như ở ví dụ đầu tiên (mục III-1.1) và quy ước sau đây: Quy ước: B-C- : đen; bbC- : nâu; B-cc và bbcc : bạch tạng Giải thích: Từ quy ước này, ta thấy rằng allele c khi ở trạng thái đồng hợp (cc) ức chế sự biểu hiện của B- và bb khiến cho các kiểu B-cc và bbcc không có sắc tố (bạch tạng, albino). Đối với hai kiểu hình còn lại có thể giải thích theo một trong hai cách sau: (1) Allele C là đột biến trội, nên mất khả năng át chế và bản thân nó không tạo màu; khi đó allele trội B quy định màu đen là trội so với allele b quy định màu nâu khi nó ở trạng thái đồng hợp; kết quả là B-C- có kiểu hình lông đen và bbC- cho kiểu hình lông nâu. Như thế ở đây không xảy ra sự tương tác bổ trợ giữa các gene trội B và C. Cách lý giải này rõ ràng là hợp lý. (2) Allele C quy định màu nâu và B là gene tạo màu, trong khi bb không có khả năng đó. Do đó khi gene trội C (không có khả năng át chế) đứng riêng sẽ cho màu nâu; còn đứng chung với gene trội B sẽ cho hiệu quả bổ trợ trội với kiểu hình màu đen. Rõ ràng cách giải thích này chỉ hợp lý trên hình thức khi cho rằng allele trội C xác định màu nâu. Hình 2.8 Từ trái sang là các chuột agouti đen, agouti nâu và bạch tạng. Kiểm chứng: Ptc Chuột nâu (bbCC) × Chuột bạch tạng (BBcc) F1 Tất cả chuột đen (BbCc) F1×F1 = BbCc × BbCc = (Bb × Bb)(Cc × Cc) → F2 = (3B-:1bb)(3C-:1cc) = 9 B-C-: 3 bbC- : (3 B-cc + 1 bbcc) = 9 đen : 3 nâu : 4 bạch tạng 2.2. Át chế do gene trội với tỷ lệ 12:3:1 Ví dụ: Sự di truyền màu sắc lông ở ngựa. Khi lai giữa hai giống ngựa