Giáo trình Cơ sở di truyền học

302 trang hapham 260

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Cơ sở di truyền học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_co_so_di_truyen_hoc.pdf

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở di truyền học

z  GIÁO TRÌNH CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC
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
54 thuần chủng lông xám và hung đỏ với nhau, ở F1 thu được toàn ngựa lông xám. Sau khi cho tạp giao các ngựa F1 thì ở F2 có tỷ lệ kiểu hình xấp xỉ 12 xám : 3 đen : 1 hung đỏ. Giải thích: Để giải thích kết quả này, ta quy ước: A-B- và A-bb : xám; aaB-: đen; và aabb: hung đỏ. Theo đó, allele trội B quy định màu đen là trội so với b- hung đỏ. Và sở dĩ A-B- và A-bb cho kiểu hình lông xám trong khi chúng có chứa B và bb, bởi vì gene trội A át chế các gene không allele và đồng thời nó còn có khả năng tạo màu xám, còn allele a không có cả hai khả năng đó. Điều này được thể hiện qua sơ đồ lai sau đây: Ptc Ngựa xám (AABB) × Ngựa hung đỏ (aabb) F1 Tất cả ngựa xám (AaBb) F1×F1 = AaBb ×AaBb = (Aa × Aa)(Bb × Bb) → F2 = (3A-: 1aa)(3B-:1bb) = (9 A-B- + 3 A-bb) : 3 aaB- : 1 aabb = 12 xám : 3 đen : 1 hung đỏ 2.3. Át chế do gene trội với tỷ lệ 13:3 Ví dụ: Sự di truyền màu sắc lông ở gà. Khi lai giữa giống gà thuần chủng, gà Leghorn trắng với gà Wyandotte trắng, ở F1 thu được toàn gà lông trắng. Sau khi cho tạp giao các cá thể F1, ở F2 có tỷ lệ phân ly kiểu hình xấp xỉ 13 lông trắng (white): 3 lông có màu (colored). Giải thích: Để giải thích kết quả này, ta quy ước: I-C- , I-cc và iicc : trắng; và iiC-: có màu. Theo đó, allele trội C - gene sản xuất chất tạo màu (chromogen) là trội so với allele c- không có khả năng tạo màu; và allele trội I (inhibitor) át chế gene không allele với nó và nó cũng không có khả năng tạo màu, còn allele i không có khả năng át chế lẫn tạo màu. Sơ đồ lai: Ptc Gà Leghorn trắng ( IICC ) × Gà Wyandotte trắng (iicc) F1 Tất cả gà trắng (IiCc) F1×F1 = IiCc × IiCc = (Ii × Ii)(Cc × Cc) → F2 = (3I-:1ii)(3C-:1cc) = (9 I-C- + 3 I-cc + 1 iicc) : 3 iiC- = 13 trắng : 3 có màu 3. Tương tác cộng gộp - sự di truyền đa gene và các tính trạng số lượng 3.1. Tương tác cộng gộp (additive) Tương tác cộng gộp hay sự di truyền đa gene (polygenic) là hiện tượng di truyền đặc trưng của một số tính trạng số lượng (quantitative trait), trong đó các gene không allele tác động cùng hướng lên sự biểu hiện của một tính trạng. Mỗi allele (thường là trội) của các gene đa phân như
55 thế đóng góp một phần ngang nhau trong sự biểu hiện ra kiểu hình ở một mức độ nhất định. Như vậy, liều lượng các allele tăng dần trong các kiểu gene sẽ tạo ra một dãy biến dị kiểu hình liên tục trong quần thể. Ví dụ: Các thí nghiệm nổi tiếng năm 1909 của nhà di truyền học Thụy Điển (Sweden) Herman Nilsson-Ehle về sự di truyền màu sắc hạt lúa mỳ (hạt ở đây tức là phôi nhũ - kernel). Khi lai giữa các giống lúa mỳ thuần chủng hạt đỏ với hạt trắng, ở F1 ông thu được toàn dạng trung gian có màu hồng; và tùy theo dạng hạt đỏ được sử dụng trong các thí nghiệm mà ở F2 sẽ có các tỷ lệ phân ly giữa hạt có màu với hạt không màu (trắng) là 3:1, 15:1 hay 63:1. Kết quả phân tích cho thấy chúng do 2-3 gene đa phân chi phối. Sau đây ta hãy xét trường hợp F2 với tỷ lệ 15 có màu :1 không màu, hay cụ thể là 1 đỏ: 4 đỏ nhạt: 6 hồng: 4 hồng nhạt:1 trắng. Giải thích: Do F2 có 16 kiểu tổ hợp với tỷ lệ tương đương trong khi F1 đồng nhất kiểu gene, chứng tỏ F1 cho 4 loại giao tử với tỷ lệ ngang nhau nghĩa là dị hợp tử về hai cặp gene phân ly độc lập. Ở đây, F1 biểu hiện kiểu hình trung gian của hai bố mẹ và F2 xuất hiện một dãy biến dị liên tục cùng hướng. Điều đó chứng tỏ tính trạng này tuân theo quy luật tác động cộng gộp hay đa phân tích lũy. Quy ước: Vì allele cho màu đỏ là trội hơn allele cho màu trắng và mức độ biểu hiện của các hạt có màu ở F2 tùy thuộc vào liều lượng các allele đỏ trong kiểu gene, nên người ta thường ký hiệu các gene không allele bằng các chỉ số 1,2 kèm theo các chữ cái in hoa (A) cho allele trội và chữ cái in thường (a) cho allele lặn, như sau: A1, A2 - đỏ; a1, a2 - trắng. Từ đây ta có thể dễ dàng xác định kiểu gen của F1 (A1a1A2a2) và của bố mẹ P: đỏ (A1A1A2A2) và trắng (a1a1a2a2), và thiết lập sơ đồ lai ở hình 2.9. Ptc A1A1A2A2 (đỏ) × a1a1a2a2 (trắng) F1 A1a1A2a2 (hồng) F2 Allele trội 4 3 2 1 0 Kiểu gen 1A1A1A2A2 2A1A1A2a2 4A1a1A2a2 2A1a1a2a2 1a1a1a2a2 2A1a1A2A2 1A1A1a2a2 2a1a1A2a2 1a1a1A2A2 Kiểu hình đỏ đỏ nhạt hồng hồng nhạt trắng Tỷ lệ 1/16 4/16 6/16 4/16 1/16 Hình 2.9 Một phép lai của lúa mỳ đỏ và trắng do hai gene chi phối, cho thấy mối tương quan giữa tỷ lệ của các kiểu hình F2 và số allele trội. Một ví dụ độc đáo khác là trường hợp di truyền số dãy hạt trên bắp ngô (xem trong Di truyền học đại cương - Dubinin 1981, tr.135-145).
56 Nhận xét: (1)Bằng cách vẽ một đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa số allele trội có mặt trong kiểu gen (trên trục hoành) và các tần số kiểu hình (trên trục tung) ở F2, ta sẽ thu được một đường cong phân bố chuẩn có dạng hình chuông, gọi là phân phối Gauss. Trong đó kiểu hình trung gian hay các kiểu gene chứa hai allele trội (tương ứng với trị trung bình) chiếm tỷ lệ cao nhất, còn các kiểu hình hoặc kiểu gene ở hai đầu mút tương ứng với các ngưỡng "cực đoan" bao giờ cũng chiếm tần số thấp nhất (xem Hình 2.10). Đó cũng là quy luật chung cho tất cả các tính trạng số lượng. (2) Đối với các tính trạng di truyền theo kiểu đa phân công gộp, các hệ số của tỷ lệ kiểu hình có thể xác định bằng cách dựa vào tam giác Pascal. 3.2. Tính trạng số lượng (quantitative trait) Thông thường, các tính trạng có trị số kiểu hình liên quan đến kích thước, trọng lượng hay hình dạng được xác định dựa trên thang định lượng (quantitative scale), được gọi là các tính trạng số lượng. (a) (b) Hình 2.10 Mô hình đơn giản về (a) sự phân bố chiều cao ở người (đơn vị tính ở đây là inch, 1 in = 2,54 cm; trục tung chỉ số lượng); và (b) tương quan giữa các mức độ màu da (trục hoành) và các tỷ lệ trong quần thể (trục tung). Nói chung, các tính trạng số lượng có các đặc điểm sau: Do nhiều gene quy định; chịu ảnh hưởng lớn của các điều kiện môi trường; và có sự phân bố kiểu hình liên tục trong một quần thể (hình 2.10), nhưng chúng cũng có thể xảy ra dưới dạng các lớp kiểu hình khác nhau, chẳng hạn như trong các ví dụ về dãy màu sắc hạt ở lúa mỳ hoặc số dãy hạt trên bắp ngô nói trên. Vì vậy, đối với các tính trạng này, không có một mối quan hệ chính xác giữa trị số kiểu hình và một kiểu gene cụ thể. Chẳng hạn, ở người, đó là các tính trạng về chiều cao, trọng lượng, hay chỉ số thông minh (intelligence quotient - IQ); ở cây lúa, lúa mỳ đó là số hạt trên mỗi bông,
57 số bông trên mỗi khóm Tuy nhiên, trong những năm gần đây nhờ sử dụng các chỉ thị phân tử (molecular marker), người ta đã tiến hành lập bản đồ các gene có hiệu quả lớn lên các tính trạng đặc biệt (như các bệnh phức tạp ở người, năng suất cây trồng ) gọi là QTLs, tức các locus tính trạng số lượng (quantitative trait loci). Để nghiên cứu sự biến đổi kiểu hình của các tính trạng số lượng, nhất thiết phải sử dụng các phương pháp của thống kê toán học. Chẳng hạn, phương pháp lấy mẫu sao cho hợp lý, nghĩa là mẫu phải đủ lớn, mang tính ngẫu nhiên và đại diện; việc xử lý số liệu đòi hỏi phải sử dụng một số đại lượng hay tham số thống kê cơ bản sau đây: 1 n - Trung bình cộng (mean): x = ∑ xi n i=1 n 1 2 - Biến lượng (variance): vx = ∑()xi − x n −1 i=1 - Độ lệch chuẩn (standard deviation) bằng căn bậc hai của biến lượng (hay phương sai mẫu). Một số đại lượng khác, như hệ số biến thiên (coefficient of variation, Cv%), hệ số tương quan (r) v.v có thể xem trong các giáo trình Di truyền học số lượng và Thống kê liên quan (Trần Văn Diễn và Tô Cẩm Tú 1995; Falconer 1983; Phan Hiếu Hiền 2001). 3.3. Mô hình các tính trạng số lượng Để hiểu và xác định được tầm quan trọng của các tính trạng số lượng, ta cần phải xây dựng một mô hình cho phép chia cắt các trị số kiểu hình thành ra các thành phần di truyền và môi trường. Điều này có thể thực hiện theo cách đơn giản bằng cách biểu thị trị số kiểu hình (P: phenotype) cho một kiểu gene (i) trong một môi trường cụ thể (j) như sau: Pij = Gi + Ei trong đó Gi là phần đóng góp về mặt di truyền của kiểu gene (genotype) i vào kiểu hình, và Ej là độ sai lệch do môi trường (environment) j. Ej có thể âm hoặc dương tùy thuộc vào sự tác động của môi trường j. Cần lưu ý rằng, trong nhiều trường hợp, các quần thể khác nhau có các trị số trung bình khác nhau; và thật khó mà xác định sự khác nhau đó là do các nhân tố di truyền, nhân tố môi trường, hay là sự kết hợp của cả hai gây ra. Các kiểu gene khác nhau có thể tương tác một cách khác nhau với môi trường của chúng để tạo ra kiểu hình. Nếu như các mối tương tác đặc thù như thế xảy ra giữa các kiểu gene và các môi trường, khi đó ta có thể mở rộng mô hình cơ sở nói trên thành mô hình tương tác kiểu gene-môi
58 trường (genotype-environment interaction), với trị số kiểu hình là: Pij = Gi + Ej + GEij trong đó GEij là số đo sự tương tác giữa kiểu gene i và môi trường j. Vì môi trường biến động nên sự tương tác đó có thể âm hoặc dương. Nói chung, mô hình di truyền có thể được định nghĩa một cách chính xác hơn bằng cách phân chia trị số kiểu gene ra hai thành phần như sau: Gi = Ai + Di trong đó Ai và Di là các thành phần cộng gộp (additive) và trội (domi- nant). Nếu như thể dị hợp đúng là trung gian giữa các thành phần đồng hợp (như ở ví dụ về sự di truyền màu sắc hạt lúa mỳ nói trên), thì sự đóng góp của thành phần trội là zero; nghĩa là, toàn bộ thành phần di truyền là cộng gộp. Nói cách khác, nếu cho rằng sự tương tác kiểu gene-môi trường là không đáng kể, thì trị số kiểu hình có thể được biểu thị bằng: Pij = Ai + Di + Ej Như đã nói từ đầu, không có sự tương ứng chính xác giữa một kiểu gene với một kiểu hình đối với các tính trạng số lượng. Vì vậy, cách thực tế hơn để kiểm tra các tính trạng này là tách sự biến đổi trong một quần thể đối với một kiểu hình cụ thể thành ra hai phần, phần biến đổi do nhân tố di truyền gây ra và phần biến đổi do nhân tố môi trường gây ra. Khi đó phương sai hay biến lượng kiểu hình (phenotypic variance) sẽ là: VP = VG + VE trong đó VP, VG và VE tương ứng là các biến lượng của kiểu hình, di truyền và môi trường. Và theo cách làm ở trên, nếu ta tách các thành phần cộng gộp và trội để kiểm tra biến lượng kiểu hình, ta có: VP = (VA + VD) + VE trong đó VA và VD tương ứng là các biến lượng di truyền do các hiệu quả cộng gộp và trội. Nếu ta chia biểu thức này cho VP, lúc đó ta thu được tỷ lệ của biến lượng kiểu hình do các thành phần khác nhau gây ra. Cụ thể là, tỷ số giữa biến lượng di truyền cộng gộp và biến lượng kiểu hình được coi là hệ số di truyền (h2; heritability): 2 h = VA/VP Đại lượng hệ số di truyền này rất quan trọng trong việc xác định tốc độ và hàm lượng đáp ứng đối với sự chọn lọc định hướng (directional selection), tức chọn lọc đào thải các kiểu hình cực đoan, và nó thường được các nhà chọn giống động vật và thực vật ước tính trước khi bắt đầu một chương trình chọn lọc nhằm cải thiện năng suất hoặc các tính trạng khác. 3.3. Ước lượng hệ số di truyền (heritability)
59 Bây giờ ta thử tìm hiểu vấn đề ước lượng hệ số di truyền dựa trên hệ số tương quan của một số tính trạng ở các cặp sinh đôi cùng trứng (monozygotic twins) và sinh đôi khác trứng (dizygotic). Ta biết rằng những cặp sinh đôi giống hệt nhau (cùng trứng) thì có cùng kiểu gene; như vậy bất kỳ sự sai khác nào giữa chúng phải là kết quả của các nhân tố môi trường. Trên thực tế, các cặp sinh đôi giống hệt nhau là do sự chia xẻ cùng kiểu gene cũng như các điều kiện môi trường như nhau. Một cách để xác định mức độ tương đồng hay giống nhau là tính hệ số tương quan r (correlation) giữa các cá thể về các tính trạng khác nhau. Trị số cao nhất của hệ số r là 1, trong đó tất cả các cặp cá thể đều có cùng trị số kiểu hình như nhau. Nếu như các tính trạng là không có tương quan giữa các cặp cá thể thì r = 0. Một kết quả nghiên cứu về các hệ số tương quan của bốn tính trạng khác nhau ở các cặp sinh đôi cùng trứng (rM) và các cặp sinh đôi khác trứng (rD) nhưng cùng giới tính được cho ở bảng 2.3. Những sai khác giữa các trị số này phải là kết quả của sự tương đồng di truyền thấp hơn ở các cặp sinh đôi khác trứng vốn chia xẻ (tính bình quân) chỉ một nửa các gen của chúng nói chung. Công thức để tính hệ số di truyền như sau: 2 h = 2(rM − rD) trong đó rM và rD lần lượt là các hệ số tương quan giữa các cặp sinh đôi cùng trứng và khác trứng. Bằng cách sử dụng công thức này, ta tính được các hệ số di truyền cho bốn tính trạng ở bảng 2.3 biến thiên từ 0,98 đến 0,16. Qua đó cho thấy, hầu hết sự biến đổi các chỉ số IQ và trưởng thành về mặt xã hội dường như là do môi trường, trong khi hầu như sự biến đổi trong số lượng nếp vân tay và chiều cao dường như là do di truyền. Bảng 2.3 Sự tương quan của bốn tính trạng giữa các cặp sinh đôi ở người Hệ số tương quan Tính trạng Hệ số di truyền rM rD Số lượng nếp vân tay 0,96 0,47 0,98 Chiều cao 0,90 0.57 0,66 Điểm IQ 0,83 0,66 0,34 Điểm trưởng thành xã hội 0,97 0,89 0,16 IV. Các mối quan hệ kiểu gene-kiểu hình 1. Thường biến và mức phản ứng Đối với các tính trạng số lượng nói trên, sự biểu hiện ra kiểu hình của một kiểu gene nào đó rõ ràng là tùy thuộc của các nhân tố môi trường, tức là tùy thuộc tùy thuộc vào độ thâm nhập và độ biểu hiện của kiểu gene đó (như chúng ta sẽ xét dưới đây). Hay nói cách khác, kiểu hình là kết quả của sự tương tác giữa kiểu gene và môi trường.
60 Trong một tình huống lý tưởng, phạm vi tác dụng của môi trường lên một kiểu gene nào đó có thể xác định được bằng cách quan sát kiểu hình của các cá thể giống nhau về mặt di truyền được nuôi dưỡng chăm sóc trong các môi trường khác nhau. Ở người, các cặp sinh đôi cùng trứng được tách nuôi riêng lúc sơ sinh đã chứng minh cho một tình huồng như vậy. Tuy nhiên, những chỉ dẫn tốt nhất về các tác dụng của môi trưòng bắt nguồn từ các nghiên cứu ở loài mà có thể nuôi trồng với số lượng lớn trên các môi trường được kiểm soát. Thí dụ kinh điển cho nghiên cứu như vậy được J.Clausen và các cộng sự tiến hành trong thập niên 1940. Để xác định hiệu quả của môi trường lên các kiểu hình, các nhà nghiên cứu này đã trồng các dòng (clones), tức gồm các cá thể giống nhau về mặt di truyền, cắt theo các vĩ độ khác nhau. Chẳng hạn, họ đã thu thập loài thuộc họ hoa hồng là Potentilla glandulosa từ ba vùng: phạm vi ven bờ biển Thái Bình Dương ở vĩ độ 100 mét; vùng lưng chừng dãy núi Sierras ở vĩ độ 1.400 mét (ngọn Mather); và ở độ cao 3.040 mét của dãy Sierras (ngọn Timberline). Từ các mẫu này, họ tạo ra được các dòng bằng cách nhân giống sinh dưỡng và đem trồng ở ba vùng khác nhau đó. Nói khác đi, mỗi kiểu gene thu được từ một trong ba vùng đó được đưa trồng ở cả ba điều kiện môi trường (ứng với các vĩ độ) khác nhau. Từ thí nghiệm này cho thấy rằng dường như cả hai nhân tố di truyền và môi trường đều quan trọng trong việc xác định sự sinh trưởng của cây. Thí dụ, các kiểu gene vùng ven bờ sinh trưởng tốt ở cả vĩ độ thấp và trung bình nhưng nhưng không thể sống được ở vĩ độ cao. Điều đó chỉ ra tầm quan trọng của các nhân tố di truyền. Cách thức mà kiểu hình thuộc một kiểu gene nào đó thay đổi theo môi trường của nó được gọi là mức phản ứng (norm of reaction). Các mức phản ứng có thể sai khác rất lớn trong số các kiểu gene đối với các tính trạng liên quan đến tập tính hay hành vi (behaviour). Dù cho đến nay ta không hề xem tập tính hay hành vi như là một kiểu hình, thế nhưng một số các gene đột biến có ảnh hưởng lên tập tính hay hành vi. Chẳng hạn, các cá thể bị bệnh PKU không được điều trị thì có các chỉ số IQ thấp hơn bình thường; IQ là một tính trạng có thể đo được bằng trắc nghiệm IQ. Tóm lại, mối quan hệ giữa kiểu gene và kiểu hình là phức tạp, không dễ gì căn cứ vào kiểu hình để xác định kiểu gene. Mức phản ứng trên các môi trường khác nhau là một cách để định lượng mối quan hệ đó. 2. Độ thâm nhập (penetrance) và độ biểu hiện (expressivity) Để đánh giá mức độ thể hiện ra kiểu hình của các kiểu gene như thế, năm 1925 Timofeev-Rissovsky đã nêu lên hai khái niệm: độ thâm nhập và độ biểu hiện của gene.
61 2.1. Độ thâm nhập (penetrance) Trong các thí dụ đã xét trước đây, như bảy gene xác định bảy tính trạng ở đậu Hà Lan, các kiểu nhóm máu và nhiều bệnh di truyền ở người đều cho thấy một kiểu tuyệt đối chắc chắn. Tuy nhiên, đối với một số gene, thì một kiểu gene nào đó có thể hoặc không thể cho thấy một kiểu hình nào đó. Hiện tượng này được gọi là độ thâm nhập (penetrance) của một gene. Mức độ thâm nhập (level of penetrance) này có thể tính bằng tỷ lệ của các cá thể mang một kiểu gene nào đó bộc lộ ra một kiểu hình cụ thể. Khi tất cả các cá thể của một kiểu gene cụ thể có cùng kiểu hình như nhau, thì gene đó cho thấy độ thâm nhập hoàn toàn và mức độ thâm nhập này được coi là bằng 1. Mặt khác, gene được coi là thâm nhập không hòan toàn và mức thâm nhập cụ thể có thể tính được. Chẳng hạn, trong số 160 cá thể thuộc một kiểu gene nào đó có 30 cá thể biểu hiện một kiểu hình bị bệnh, thì mức độ thâm nhập là 30/160 = 0,1875; nghĩa là gene đó chỉ thể hiện ra được kiểu hình có 18,75%. Như vậy sự có mặt của độ thâm nhập không hoàn toàn tại một gene có thể khiến cho một kiểu hình tính trạng trội (giả sử kiểu gene là Aa) bị ngắt quãng một thế hệ trong một phả hệ, rồi lại xuất hiện trở lại ở thế hệ tiếp theo. Đó là do allele trội thâm nhập không hoàn toàn. Chẳng hạn, dạng trội của nguyên bào lưới (retinoblastoma), một bệnh gây các u ác tính ở mắt trẻ em, chỉ thâm nhập khoảng 90%. 2.2. Độ biểu hiện (expressivity) Ngoài ra, một kiểu gen cụ thể nào đó bộc lộ ra kiểu hình kỳ vọng, tức mức độ biểu hiện (level of expression) hay độ biểu hiện (expressivity), có thể sai khác đi. Chẳng hạn, mặc dù một gene gây ra một bệnh có thể phát hiện được ở hầu hết các cá thể mang một kiểu gene nào đó, nhưng một số cá thể có thể bị ảnh hưởng nặng hơn các cá thể khác. Bệnh Huntington ở người là một tính trạng cho thấy độ biểu hiện biến thiên sai khác theo độ tuổi phát bệnh. Bệnh này nói chung xảy ra ở độ tuổi bắt đầu trung nên, với tuổi trung bình bắt đầu phát bệnh là trên 30 tuổi, nhưng đôi khi có thể xảy ra rất sớm ở tuổi chưa lên 10 hoặc ở một người già hơn. Một số người mang kiểu gene bệnh này chết vì những nguyên nhân khác trước khi bệnh biểu hiện, do độ thâm nhập không hoàn toàn cũng như độ biểu hiện biến thiên đối với gene đó gây ra. 2.3. Các nhân tố môi trường và các gene khác 2.3.1. Môi trường và các gene gây chết có điều kiện Vấn đề đặt ra là cái gì là nguyên nhân của độ thâm nhập không hoàn toàn và độ biểu hiện sai khác? Trong một số trường hợp cụ thể, thường thf
62 không thể xác định được nguyên nhân, nhưng cả môi trường và các gen khác cũng được coi là có ảnh hưởng lên độ thâm nhập và độ biểu hiện của một gene. Ví dụ, ở ruồi giấm, các allele của một số gene tác động lên sức sống và có thể gây chết ở nhiệt độ tăng cao trên 28oC nhưng lại ảnh hưởng chút ít hoặc không ảnh hởng ở nhiệt độ thấp hơn. Các gene như thế gọi là các gene gây chết có điều kiện (conditional lethals); nói chung chúng cho thấy các hiệu quả gây chết trong các tình huống môi trường cực đoan. Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng mạnh mẽ lên kiểu hình của các thực vật. Chẳng hạn, cây anh thảo có hoa đỏ khi trồng ở 24oC nhưng lại có hoa trắng khi trồng ở nhiệt độ trên 32oC. Ở mèo Xiêm (Thái Lan) và thỏ Himalaya, màu sắc bộ lông của chúng tối sẫm hơn ở chân, tai và mũi tại vì thân nhiệt ở các bộ phận xa nhất của cơ thể này tỏ ra thấp hơn. Nếu như để chúng ở nhiệt Hình 2.11 Màu lông của mèo Xiêm tối sẫm ở các vùng chân, tai và mũi. độ ấm áp hơn, thì sự sinh trưởng lớp lông mới tại các điểm này sẽ cho màu sáng nhạt (hình 2.11). 2.3.2. Các gene sửa đổi (modifier or modifying genes) Nói chung, mức độ biểu hiện của một tính trạng giữa các cá thể có quan hệ họ hàng thường giống nhau hơn là giữa các cá thể không có quan hệ họ hàng, khi cả hai nhóm cá thể đó được nuôi dưỡng chăm sóc trong những môi trường gần giống như nhau. Các gen có ảnh hưởng thứ cấp lên một tính trạng như thế gọi là các gene sửa đổi (modifier genes) và chúng có thể gây ảnh hưởng lên kiểu hình một cách đáng kể. Nói cách khác, các gene sửa đổi là những gene gây biến đổi các gene khác trong khi chúng biểu hiện ra kiểu hình. Hình 2.12 Thủy tinh thể bình thường (trái) và bệnh đục thủy tinh thể (phải) do một gen trội gây ra có tác động của gene sửa đổi. Ở nhiều động vật, allele pha loãng (dilute allele) vốn làm giảm cường độ hình thành sắc tố (như từ màu đen sang màu xám ở chuột nhà) khi ở
63 trạng thái đồng hợp là một ví dụ về gene sửa đổi. Mức độ của hiện tượng không đuôi ở các mèo Manx biến thiên từ không có các đốt sống đuôi cho đến có một ít đốt sống đuôi dính liền nhau, hình như là do ảnh hưởng của các gene sửa đổi lên sự biểu hiện của thể đột biến trội này. Ở người, đó là trường hợp một gene trội gây đục thủy tinh thể (hình 2.12). Gene này gây ra những mức độ suy yếu thị lực khác nhau tùy thuộc vào sự có mặt của một allele đặc thù về một gene sửa đổi đi cùng. 2.3.3. Hiện tượng sao hình (phenocopy) Một hiện tượng liên quan gọi là sao hình (phenocopy), xảy ra khi các nhân tố môi trường gây ra một kiểu hình cụ thể mà thông thường được xác định về mặt di truyền. Trong trường hợp này, một môi trường cực đoan có thể làm gián đoạn sự phát triển bình thường bằng một kiểu tựa như của một gene đột biến. Một trường hợp thảm thương xảy ra ở các nước Tây Âu vào cuối thập niên 1950 và đầu thập niên 1960 khi một số lượng các cháu bé sinh ra có tứ chi bị ngắn đi một cách kinh khủng. Hiện tượng bất thường này giống với một dạng rối loạn di truyền lặn. Chỉ sau khi có một cuộc nghiên cứu rộng rãi người ta mới hay rằng dạng khuyết tật đó được gây ra về mặt môi trường bởi sự bổ sung thalidomide vào bào chế viên thuốc ngủ mà các bà mẹ của các cháu bé bị bệnh đã uống trong suốt thời kỳ đầu mang thai. Câu hỏi và Bài tập 1. Hãy chỉ ra các mối quan hệ giữa gene và tính trạng. Phân biệt các kiểu tương tác giữa các gene không allele lên sự hình thành một tính trạng. 2. Đặc trưng của các tính trạng số lượng là gì? Phân biệt các cặp khái niệm sau: tính trạng số lượng và tính trạng chất lượng, độ thâm nhập và độ biểu hiện, tương tác giữa các gene allele và các gene không allele. 3. Một phụ nữ nhóm máu M có một đứa con mang nhóm máu MN. Bà ta nói rằng một người đàn ông nào đó có nhóm máu MN là bố của nó, và ông ấy tuyên bố không phải như vậy. (a) Với thông tin đó, bạn có thể loại trừ người đàn ông này với tư cách người bố không? (b) Việc nghiên cứu xa hơn cho thấy người đàn bà này mang nhóm máu B, đứa con máu O, và người đàn ông kia nhóm máu AB. Với thông tin này, có thể gạt người đàn ông kia ra khỏi tư cách người bố hay không? Tại sao? 4. Ở cú mèo, các phép lai giữa các cá thể lông đỏ và bạc đôi khi sinh ra tất cả lông đỏ; đôi khi ½ đỏ: ½ bạc; và đôi lúc là ½ đỏ: ¼ trắng: ¼ bạc. Các phép lai giữa hai con lông đỏ sinh ra hoặc là toàn bộ đỏ; hoặc ¾ đỏ: ¼ trắng; hoặc ¾ đỏ: ¼ bạc. Hãy xác định phương thức di truyền của tính
64 trạng này và kiểu gene của các cá thể khác nhau tham gia vào các phép lai. 5. Ở thỏ, màu sắc lông do bốn allele của một gene đơn kiểm soát. Thứ tự trội của các allele như sau: C- xám > ca - sọc len > cb - Himalaya > c - bạch tạng. Ngoài ra, các kiểu gene cacb và cac đều cho màu xám nhạt. Kết quả lai giữa một thỏ xám với ba con thỏ khác như sau: Phép lai Đời con Xám × sọc len 6 xám, 5 xám nhạt Xám × xám nhạt 8 xám, 3 xám nhạt, 4 himalaya Xám × bạch tạng 9 xám, 8 himalaya Hãy chỉ ra phương thức di truyền và kiểu gene của các thỏ bố mẹ. 6. Các màu sắc của một loài thực vật có thể là đỏ, hồng hoặc trắng. Từ kết quả dưới đây, hãy biện luận để xác định phương thức di truyền của tính trạng màu hoa và chỉ ra các kiểu gene của các giống đem lai. Phép lai Đời con Đỏ -1 × Hồng ⅔ đỏ : ⅓ hồng Đỏ -1 × Trắng ½ đỏ : ½ hồng Đỏ -2 × Hồng ½ đỏ : ¼ hồng : ¼ trắng Đỏ -3 × Hồng Tất cả đỏ Đỏ -3 × Trắng Tất cả đỏ 7. Màu tóc người gồm có năm sắc độ: vàng, nâu nhạt, nâu vừa, nâu thẫm và đen. Các phép lai giữa các màu tóc khác nhau cho kết quả sau: (1) vàng × vàng → tất cả vàng; (2) đen × đen → tất cả đen; (3) vàng × nâu vừa → tất cả nâu nhạt; hoặc ½ vàng : ½ nâu vừa; (4) nâu vừa × nâu vừa → tất cả nâu vừa; hoặc ½ nâu thẫm : ½ nâu nhạt; hoặc ½ nâu vừa: ¼ đen : ¼ vàng. Hãy xác định kiểu gene của năm màu tóc, và cho biết: (a) Nếu lai giữa nâu nhạt và nâu thẫm, tỷ lệ kỳ vọng kiểu hình sinh ra như thế nào? 8. Ở chuột, bất kỳ cá thể nào có cc là bạch tạng (albino). Hai cặp allele khác, A/a và B/b, khi có mặt allele C sẽ cho màu xám, đen, nâu vàng và nâu sẫm. Bốn dòng thuần chủng bạch tạng khác nhau về kiểu gene được cho giao phối với các con lông xám thuần chủng (AABBCC). Tất cả chuột các đời F1 đều màu xám. Sau đó các chuột F1 từ mỗi phép lai được cho giao phối giữa chúng với nhau, và kết quả các đời F2 như sau đây. Hãy xác định kiểu gene mỗi dòng bạch tạng.
65 Dòng albino Xám Đen Nâu vàng Nâu sẫm Bạch tạng 1 44 0 16 0 20 2 31 0 0 0 9 3 48 15 0 0 21 4 145 43 46 15 82 9. Ở một loài thực vật, khi lai giữa một dòng hoa đỏ tía thuần chủng và ba dòng hoa trắng thuần chủng khác nhau với kết quả cho như sau: Phép lai 1 Phép lai 2 Phép lai 3 P Đỏ tía × trắng-1 Đỏ tía × trắng-2 Đỏ tía × trắng-3 F1 18 đỏ tía 17 đỏ tía 19 đỏ tía F2 95 đỏ tía 80 đỏ tía 54 đỏ tía 31 trắng 36 trắng 32 trắng 28 đỏ 19 đỏ 17 xanh da trời 6 nâu Hãy biện luận và xác định: (a) kiểu gene của bốn giống hoa bố mẹ; (b) tỷ lệ kiểu hình của đời con nếu F1 của phép lai 2 được lai với trắng-2; (c) tỷ lệ kiểu hình của đời con nếu F1 từ phép lai 3 được cho lai với trắng-3. 10. Khi lai hai giống ngô thuần chủng có 20 dãy hạt và 8 dãy hạt, tất cả bắp ngô F1 đều có 14 dãy hạt, và ở F2 có bảy kiểu hình khác nhau: 20, 18, 16, 14, 12, 10 và 8 (dãy hạt) với số lượng thống kê tương ứng là 40 : 245 : 594 : 793 : 603 : 236 : 38 (bắp ngô). Phương thức di truyền của tính trạng nói trên là gì? Giải thích, trình bày sơ đồ lai và minh hoạ kết quả F2 bằng một đồ thị. Bạn thử rút ra quy luật chung về sự di truyền của loại tính trạng này và chỉ ra cách xác định tỷ lệ kiểu hình kỳ vọng ở F2 đối với trường hợp một tính trạng được kiểm soát bởi n locus độc lập. Tài liệu Tham khảo Tiếng Việt Trần Văn Diễn và Tô Cẩm Tú. 1995. Di truyền số lượng (Giáo trình cao học Nông nghiệp). NXB Nông Nghiệp, Hà Nội. Dubinin NP. 1981. Di truyền học đại cương (bản dịch của Trần đình Miên và Phan Cự Nhân). NXB Nông Nghiệp, Hà Nôị. Hutt FB. 1964. Di truyền học động vật. (Bản dịch của Phan Cự Nhân). NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1978.
66 Phan Hiếu Hiền. 2001. Phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu (Thống kê thực nghiệm). NXB Nông Nghiệp Tp.Hồ Chí Minh. Phan Cự Nhân (chủ biên), Nguyễn Minh Công, Đặng Hữu Lanh. 1999. Di truyền học. NXB Giáo Dục, Hà Nội. Tiếng Anh Boon WH. 1984. Genes and the IQ. PG Publishing Pte Ltd, Singapore- Hong Kong-New Dehli. Campbell NA, Reece JB. 2001. Essential Biology. Benjamin/Cummings, an imprint of Addison Wesley Longman, Inc, San Francisco, CA. Clegg CJ, Mackean DG. 2000. Advanced Biology: Principles and Applications. 2nd ed, John Murray Published Ltd, London. Falconer DS. 1983. Introduction to Quantitative Genetics. 2nd ed., Longman, London and New York. Hartl DL, Freifelder D, Snyder LA. 1988. Basic Genetics. Jones and Bartlett Publishers, Inc, Boston - Portola Valley. Suzuki DT, Griffiths AJF, Miller JH, Lewontin RC. 1989. An Introduction to Genetic Analysis. 4th ed, W-H Freeman and Company, New York. Weaver RF, Hedrick PW. 1997. Genetics. 3rd ed, McGraw-Hill Companies, Inc. Wm.C.Browm Publishers, Dubuque, IA. Wellnitz WR. 1995. Genetics: Problem Solving Guide. 2nd ed., Wm.C. Brown Publishers. Dubuque, Iowa. Một số trang web
67 Chương 3 Cơ sở Tế bào của sự Sinh sản, Di truyền và Biến dị Như chúng ta đều biết, các khám phá của Mendel và những nghiên cứu về cấu trúc tế bào trong nửa cuối thế kỷ XIX vẫn còn chưa có sự gắn kết với nhau. Vào năm 1902, Walter Sutton (USA) và Theodor Bovery (Germany), dựa trên tập tính tương tự của các gene và nhiễm sắc thể (chromosome) trong quá trình giảm phân đã gợi ý rằng các gene có lẽ nằm trên các nhiễm sắc thể. Sutton nhận định: "Cuối cùng, tôi xin lưu ý rằng xác suất kết hợp của các nhiễm sắc thể bố và mẹ theo các cặp và phân ly sau đó trong sự phân chia giảm nhiễm tạo thành cơ sở vật lý cho các quy luật di truyền Mendel". Ngày nay, điều ấy quá hiển nhiên. Nhưng vào thời đó nhận định này hết sức quan trọng; nó tạo ra sự kết nối chặt chẽ giữa di truyền học và tế bào học, hình thành nên lĩnh vực mới gọi là di truyền học tế bào với sự ra đời của thuyết di truyền nhiễm sắc thể. Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu các nhiễm sắc thể có hình thái đặc trưng như thế nào; bằng cách nào số lượng nhiễm sắc thể được duy trì ổn định trong quá trình nguyên phân, nhưng lại giảm đi một nửa trong quá trình giảm phân; và các kiểu biến đổi về cấu trúc và số lượng nhiễm sắc thể (đột biến nhiễm sắc thể). I. Sinh sản hữu tính và tính ổn định của bộ nhiễm sắc thể Trước tiên, ta đề cập chủ yếu phương thức sinh sản hữu tính ở eukaryote và mối liên quan giữa nó với sự ổn định về số lượng nhiễm sắc thể đặc trưng của mỗi loài. Thực ra, các eukaryote có hai kiểu sinh sản chính, vô tính và hữu tính. Sự sinh sản vô tính (asexual reproduction) xảy ra khi một cá thể đơn độc tạo ra một cá thể mới giống nó; đây là phương thức sinh sản phổ biến ở thực vật và các động vật đơn giản. Sự trinh sinh (parthenogenesis) ở rệp cái chẳng hạn là một trường hợp đặc biệt, cũng sinh con nhưng không qua thụ tinh. Nói chung, con cái sinh ra bằng cách này thì giống với bố mẹ về mặt di truyền. Sự sinh sản hữu tính (sexual reproduction) xảy ra khi các cá thể tạo ra các tế bào sinh dục đực và cái, hay các giao tử (gametes), đến lượt chúng kết hợp với nhau tạo thành một tế bào trứng được thụ tinh gọi là hợp tử (zygote), tức một tế bào hoàn chỉnh mà từ đó phát triển thành một cá thể mới. Hình thức sinh sản này xảy ra ở hầu như toàn bộ các kiểu sinh vật, kể
68 cả các động vật đơn giản nhất như con sum (Balanus) chẳng hạn, các thực vật, và thậm chí cả vi khuẩn. Ở vi khuẩn, có các kiểu trao đổi thông tin di truyền như tiếp hợp, biến nạp và tải nạp được gọi là sinh sản cận tính (parasexual; vấn đề này được trình bày riêng trong giáo trình Di truyền Vi sinh vật và Ứng dụng). Thông thường thì các giao tử đực và cái bắt nguồn từ các cá thể khác nhau, cho nên đời con sinh ra khác với bố mẹ chúng về nhiều chi tiết. Đây là nội dung chính mà chương này sẽ tập trung thảo luận. Còn sự tự thụ tinh được xem là trường hợp ngoại lệ quan trọng của sinh sản hữu tính (xem chương 12). Hợp tử cái → (N)x → Con cái trưởng thành → G → Trứng Hợp tử (2n) (2n) (n) (2n) Hợp tử đực → (N)x → Con đực trưởng thành → G → Tinh trùng [Sinh trưởng] * [Phát sinh] * [Thụ tinh] giao tử / bào tử Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát về sinh trưởng và sinh sản ở sinh vật hữu tính. Ở đây cho thấy số lượng nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n) và đơn bội (n) tương ứng với các giai đoạn khác nhau (hàng dưới cùng). Ký hiệu (N)x biểu thị nhiều lần nguyên phân, và G - giảm phân. Sơ đồ tổng quát về sự sinh trưởng và sinh sản của sinh vật sinh sản hữu tính được trình bày ở hình 3.1. Trên nguyên tắc, mỗi hợp tử nhân được hai bộ nhiễm sắc thể đơn bội (haploid) ký hiệu là n, một từ giao tử đực và một từ giao tử cái; nên số lượng nhiễm sắc thể trong hợp tử là lưỡng bội (diploid), tức 2n đặc trưng và ổn định cho loài. Mỗi bộ đơn bội chứa n nhiễm sắc thể khác nhau, mỗi chiếc hay kiểu nhiễm sắc thể chỉ có mặt một lần và chứa các gene khác nhau. Tập hợp toàn bộ các gene trong một bộ nhiễm sắc thể đơn bội như thế được gọi là bộ gene (genome). Như vậy, trong bộ lưỡng bội đặc trưng của các tế bào soma, các nhiễm sắc thể tồn tại theo từng cặp gồm hai chiếc giống nhau về hình dạng, kích thước và trật tự phân bố các gene - một có nguồn gốc từ bố và một từ mẹ - gọi là các nhiếm sắc thể tương đồng (homologous chromosomes). Ở sinh vật đa bào, hợp tử tăng số lượng tế bào nhờ quá trình nguyên phân (mitosis), là kiểu phân chia tế bào tạo ra các tế bào con có số lượng nhiếm sắc thể 2n được giữ nguyên. Khi cơ thể đạt tới độ thành thục sinh dục, một số tế bào của cơ quan sinh sản trải qua giảm phân (meiosis), tức kiểu phân chia tế bào tạo ra các giao tử có số lượng nhiễm sắc thể giảm đi
69 một nửa (n). Quá trình này được gọi là phát sinh giao tử (gametogenesis) ở động vật và phát sinh bào tử (sporogenesis) ở thực vật. Sau đó, trong quá trình thụ tinh (fertilization), các giao tử cái hay trứng (egg) và giao tử đực hay tinh trùng (sperm) hợp nhất với nhau tạo thành các hợp tử đời con. Các hợp tử mới này lại bắt đầu đi vào một chu kỳ sinh trưởng và sinh sản y hệt như vậy. Bảng 3.1 Số lượng nhiễm sắc thể 2n của các tế bào soma ở một số loài Loài động vật 2n Loài thực vật 2n Người (Homo sapiens) 46 Đậu Hà Lan (Pisum sativum) 14 Chimpanzee (Pan troglodites) 48 Ngô (Zea mays) 20 Bò (Bos taurus) 60 Lúa gạo (Oryza sativa) 24 Ngựa (Equus caballus) 64 Lúa mạch (Secal cereale) 14 Lừa (Equus asinus) 62 Lúa mỳ (Triticum durum) 28 Chó (Canis familiaris) 78 Lúa mỳ (Triticum vulgare) 42 Mèo (Felis catus) 38 Khoai tây (Solanum tuberosum) 48 Chuột nhắt (Mus domesticus) 40 Thuốc lá (Nicotiana tabacum) 48 Gà (Gallus domesticus) ~78 Loa kèn (Lilium longiflorum) 12 Ếch cự (Rana pipiens) 26 Mận (Prunus domestica) 48 Cá chép (Cyprinus carpio) 104 Bông (Gossypium hirsutum) 52 Ruồi giấm (D. melanogaster) 8 Hướng dương (Helianthus annuus) 34 Mỗi loài có một số lượng nhiễm sắc thể đặc trưng; nghĩa là tất cả các cá thể của cùng một loài thì có số lượng nhiễm sắc thể như nhau. Số lượng nhiễm sắc thể này ở hầu hết các loài động-thực vật là lưỡng bội (2n) được giới thiệu ở bảng 3.1, và ở một số loài là đơn bội (n) - theo nghĩa có pha đơn bội là chính - như các nấm mốc bánh mỳ hồng (Neurospora crassa, n = 7), mốc bánh mỳ đen (Aspergillus nidulans, n = 8), nấm men bia (Saccharomyces cerevisiae, n = 17) Rõ ràng là số lượng nhiễm sắc thể không tương ứng với nấc thang tiến hóa của các loài. Tuy nhiên, ta có thể thấy các loài có quan hệ họ hàng gần nhau như người và chimpanzee hay ngựa và lừa thì có số lượng nhiễm sắc thể gần bằng nhau. Cũng cần lưu ý rằng, ở một số loài thuộc bộ cánh màng Hymenoptera như ong mật (Apis mellifera) chẳng hạn, con cái là 2n = 32 và con đực là n = 16. Đối với các sinh vật này người ta dùng thuật ngữ là đơn-lưỡng bội (haplodiploid). Ở một số loài động-thực vật như ngô, lúa mạch đen bên cạnh các nhiễm sắc thể chuẩn của bộ nhiễm sắc thể bình thường (gọi là các nhiễm sắc thể A), còn có thêm một vài nhiễm sắc thể rất bé vốn sai khác giữa các cá thể, gọi là các nhiễm sắc thể thừa số (supernumerary chromosomes) hay nhiễm
70 sắc thể B, để phân biệt với các nhiễm sắc thể A. Các nhiễm sắc thể này được coi là không chứa các gen quan trọng, mặc dù trong một vài trường hợp chúng ảnh hưởng lên độ hữu thụ. Ở đa số loài thuộc lớp chim (Aves), bộ nhiễm sắc thể chứa các nhiễm sắc thể rất nhỏ gọi là các vi nhiếm sắc thể (microchromosomes) và thường có số lượng lớn. II. Hình thái học nhiễm sắc thể eukaryote Để tìm hiểu sâu hơn về cấu trúc và chức năng của các nhiễm sắc thể, ta cần phải phân biệt giữa các nhiễm sắc thể khác nhau về các điểm sau đây. 1. Kích thước nhiễm sắc thể Kích thước các nhiễm sắc thể sai khác nhau rất lớn. Giữa các loài khác nhau sự sai khác này có thể lên tới hơn 100 lần, trong khi một số nhiễm sắc thể trong một loài có kích thước hơn kém nhau khoảng 10 lần. vị trí tâm động chiều dài kiểu băng (a) (b) Hình 3.2 (a) Bộ nhiễm sắc thể được xử lý bằng thuốc nhuộm phổ biến Giemsa; và (b) xác định các đặc điểm của một nhiễm sắc thể. Để mô tả bộ nhiễm sắc thể của một loài và xác định các nhiễm sắc thể của nó, cần phải thiết lập kiểu nhân (karyotype) và và sử dụng một hệ thống các quy ước dựa trên kích thước của chúng, vị trí tâm động, và các kiểu băng (các hình 3.2 và 3.5). Theo truyền thống, người ta sử dụng kỹ thuật hiện băng (ví dụ băng G ở hình 3.2; xem thêm mục 3) và chụp ảnh các nhiễm sắc thể ở kỳ giữa của nguyên phân, gọi là phương pháp kỳ giữa. Sau đó phóng đại ảnh, cắt rời từng chiếc (gồm hai chromatid chị em) và sắp thành từng cặp tương đồng (vai ngắn quay lên trên và vai dài hướng xuống dưới), rồi xếp theo thứ tự nhỏ dần về kích thước và đánh số từ lớn nhất đến nhỏ nhất. Chẳng hạn, đối với người (xem các hình 3.3 và 3.5): (i) các nhiễm sắc thể không phải giới tính gọi là nhiễm sắc thể thường (autosome) được đánh số từ 1 đến 22 trên cơ sở chiều dài, còn các nhiễm sắc thể giới tính X và Y được tách riêng. (ii) Vai ngắn của nhiễm sắc thể được biểu thị bằng p và vai dài bằng q dựa trên vị trí của tâm động. (iii) mỗi vai trước tiên được chia thành các vùng và sau đó được xác định bằng các băng. Ví dụ, ký hiệu 9q34 có nghĩa là vai dài của nhiễm sắc thể số 9,
71 vùng 3, và băng 4. Đây là nơi khu trú của gene xác định hệ nhóm máu ABO. Hình 3.3 Bộ nhiễm sắc thể người được thiết lập bằng phương pháp mới - kiểu nhân phổ (spectral karyotype). Nguồn: Schrock và cs (1996). Gần đây, Schrock và cs (1996) đã giới thiệu các phương pháp thiết lập kiểu nhân mới sử dụng các thuốc nhuộm huỳnh quang có khả năng bám vào các vùng đặc thù của các nhiễm sắc thể, gọi là thiết lập kiểu nhân phổ (spectral karyotyping; Hình 3.3). Bằng cách sử dụng một loạt các vật dò (probes) đặc thù có hàm lượng các thuốc nhuộm khác biệt, các cặp nhiễm sắc thể khác nhau sẽ có các đặc trưng phổ riêng. Một đăc điểm dộc đáo của công nghệ này là sự sử dụng một nhiễu kế (interferometer) giống như các nhà thiên văn dùng để đo quang phổ phát ra từ các vì sao. Công nghệ này cho phép phát hiện các biến đổi nhẹ về màu sắc (mà mắt thường chúng ta không thể phát hiện) bằng chương trình máy tính rồi sau đó phân loại từng cặp nhiễm sắc thể theo các màu sắc khác nhau. Việc sắp xếp các nhiễm sắc thể theo từng cặp rất đơn giản vì các cặp tương đồng thì có cùng màu như nhau, và các sai hình hoặc các trao đổi chéo có thể nhận biết được một cách dễ dàng hơn. 2. Tâm động và các kiểu nhiễm sắc thể Các nhiễm sắc thể thường khác nhau về vị trí tâm động (centromere), là nơi mà các sợi thoi bám vào trong quá trình phân bào (hình 3.4). Thường thì mỗi nhiễm sắc thể chỉ có một eo thắt lớn chứa một tâm động gọi là eo sơ cấp (primary constriction). (Thuật ngữ kinetochore dùng để chỉ cấu trúc protein bao quanh vùng tâm động). Nói chung, có ba kiểu