C. CƠ SỞ VẬT CHẤT VÀ CƠ CHẾ DI TRUYỀN Ở CẤP ĐỘ TẾ BÀO

I.NHIỄM SẮC THỂ VÀ SỰ PHÂN BÀO

1.1 Nhiễm sắc thể ở prokaryote

Nhiễm sắc thể ở prokaryote gồm chuổi xoắn kép DNA dạng vòng, cuộn lại một cách tinh vi hay siêu xoắn, tương tác với các phân tử protein. Các protein này có chức năng ổn định cấu trúc của nhiễm sắc thể

VD: Ở E.coli, các protein HU (positive charged & dimeric protein), H-MS giống như histon ở Eukaryote có vai trò trong nèn DNA. Các protein khác như IHF (integration host factor, RNA polymerase và RNA có vai trò trong tổ chức DNA

Ở prokaryote, nhiễm sắc thể nén chặt hình thành vùng nhân và đính trên màng nguyên sinh.

DNA của vi khuẩn ở thể xoắn (a), vòng tròn (b) và siêu xoắn (c)

1.2 Nhiễm sắc thể ở Eukaryote

Nhiễm sắc thể của Eukaryote được cấu tạo từ sợi nhiễm sắc (chromatin) là phức hợp giữa DNA và protein. Protein của nhiễm sắc thể: Histon và nonhiston chiếm khoảng 80% trong lượng nhiễm sắc thể.

Histon protein có thành phần amino acid tích điện dương (base) chẳng hạn như Arginine, Lysine và Histidine cao. Histon tham gia vào cấu trúc chuỗi nucleosome và solenoid. Có năm loại protein histon: H2A, H2B H3, H4 và H1.

Nonhiston protein có thành phần amino acid tích điệm âm (acid) cao. Protein này tham gia vào đóng xoắn DNA để hình thành các bậc cấu trúc cao hơn, sao chép DNA (DNA polymerase), phân ly nhiễm sắc thế (protein động cơ trong trung tâm 0 của tâm động) và tham gia vào quá trình sao mã, điều hoà biểu hiện gene.

Đơn vị cấu trúc cơ bản của nhiễm sắc thể là các nucleosme có đường kính 100 Anstrong. Nucleosome được hình thành do một chuỗi DNA khoảng 146 bp quấn quanh một lõi protein gồm 8 phân tử histon (2H2A, 2H2B, 2H3 và 2H4). Hai nucleosome được nối với nhau bởi  một đoạn DNA khoảng 55 bp.

Chuỗi nucleosome tiếp tục xoắn để hình thành cấu trúc phức tạp hơn là solenoid có đường kính 300 Anstrong. Mỗi solenoid có khoảng 60 nucleosome được ổn định bởi Histon H1. Khi H1 được giải phóng solenoid trở về dạng nucleosome.

Solenoid tiếp tục xoắn hình thành các sợi có đường kính 300nm, 700nm (chromatin) và 1400nm (chromosome) dưới sự hỗ trợ của các protein nonhiston.

Các mức độ đóng xoắn của chromatin

Chất nguyên nhiễm sắc: là chất nhiễm sắc ở trạng thái xoắn, trạng thái hoạt động.

Chất dị nhiễm sắc: là chất nhiễm sắc cuộn xoắn cao nhất, trạng thái không hoạt động.

1.3 Tính đặc trưng của bộ nhiễm sắc thể

Mỗi loài sinh vật eukaryote đều có bộ nhiễm sắc thể đặc trưng về số lượng, hình thái và cấu trúc. Đây là tính đặc trưng để phân biệt các loài với nhau, không phản ánh trình độ tiến hoá cao hay thấp.

Ở những loài giao phối, tế bào sinh dưỡng (soma) mang bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n) của loài. Trong đó, nhiễm sắc thể tồn tại thành từng cặp tương đồng (homologous), một chiếc có nguồn gốc từ bố, một chiếc có nguồn gốc từ mẹ. Trong giao tử chứa bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n), mỗi nhiễm sắc thể chỉ có một chiếc.

            Bằng các kỹ thuật tế bào học hiện đại, căn cứ các mặt chức năng, cấu trúc, hình thái và tính đặc thù trong hoạt động, người ta đã phân biệt các loại nhiễm sắc thể khác nhau:

            - Nhiễm sắc thể thường (nhiễm sắc thể A - autosome): giống nhau ở cả 2 giới đực, cái.

            - Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome): khác nhau giữa 2 giới đực và cái.

VD: Người có 46 nhiễm sắc thể  gồm 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính. Nhiễm sắc thể giới tính ở nữ là XX và ở nam là XY.

 - Nhiễm sắc thể phụ (nhiễm sắc thể B): được phát hiện ở một số giống thực vật như ngô, lúa mạch đen chưa qua chọn lọc, số lượng nhiều hay ít tùy dòng. Những cây có nhiễm sắc thể B thì yếu hơn và độ hữu thụ kém hơn so với các cây chỉ chứa nhiễm sắc thể A bình thường. Ví dụ, ở lúa mạch đen, những cây có tới 9 nhiễm sắc thể B thường không có khả năng sống. Nhiễm sắc thể B có kích thước nhỏ và hiệu quả di truyền thấp. Nhiễm sắc thể B cũng được bắt gặp ở một số động vật như sâu bọ, giun dẹp.

Số lượng nhiễm sắc thể trong bộ lưỡng bội ổn định đối với mỗi loài nhưng không mang tính đặc trưng cao, chẳng hạn như gà (Gallus gallus), ngan (Cairina moschata), vịt nhà (Anas phatyryncha) đều có 2n = 80. Tính đặc trưng chỉ thể hiện rõ trong số lượng, thành phần, trình tự phân bố các gen trên mỗi nhiễm sắc thể và các đặc điểm hoạt động của nhiễm sắc thể trong tái bản, phân ly, tổ hợp, trao đổi đoạn, đột biến.

1.4 Hình thái nhiễm sắc thể

Trong nhân tế bào, chất nhiễm sắc tồn tại thường xuyên dưới dạng sợi nhiễm sắc mảnh, khó quan sát. Khi bước vào phân bào, sợi nhiễm sắc bắt đầu đóng xoắn và đạt độ nén cực đại ở kỳ giữa. Lúc này, nhiễm sắc thể (chromosome) dày hơn và đã ở dạng kép gồm hai nhiễm sắc tử (chromatid) đính nhau ở tâm động (centromere); chúng có hình dạng và kích thước đặc trưng nên có thể quan sát và đếm số lượng thông qua một kính hiển vi quang học.

 
Nhiễm sắc thể với vùng tâm động

           Mỗi nhiễm sắc thể có một tâm động, đó là điểm thắt eo chia nhiễm sắc thể thành 2 vai với chiều dài khác nhau, vai ngắn hơn gọi là vai p và vai dài hơn gọi là vai q. Dựa vào vị trí của tâm động có thể phân biệt hình thái các nhiễm sắc thể:

            - Tâm giữa (metacentric): 2 vai bằng nhau.

            - Tâm đầu (acrocentric): 2 vai không bằng nhau.

            - Tâm mút (telocentric): tâm động nằm gần cuối.

 
Sơ đồ các kiểu hình thái nhiễm sắc thể ở kỳ giữa và kỳ sau

            Ở một số tổ chức, cơ quan của một số loài thường xuất hiện các nhiễm sắc thể có hình thái đặc biệt như nhiễm sắc thể khổng lồ (polytene chromosome), nhiễm sắc thể chổi đèn (lambrush chromosome):

            Năm 1981, E. Balbiani phát hiện nhiễm sắc thể khổng lồ ở tuyến nước bọt ấu trùng Chironomus. Đến nay, loại nhiễm sắc thể này đã được tìm thấy trong tế bào của tuyến nước bọt, tuyến Manpighi, màng ruột một số côn trùng bộ 2 cánh (Diptera) như: Drosophilidae, Chironomidae.

Nhiễm sắc thể khổng lồ có số lượng sợi nhiễm sắc gấp nhiều lần so với nhiễm sắc thể thường, có thể chứa tới 150 - 1600 sợi. Nguyên nhân của hiện tượng này là do cơ chế nội nguyên phân (endomitosis). Nhiễm sắc thể tự nhân đôi nhiều lần nhưng không phân ly, tạo nhiễm sắc thể có dạng chùm nhiều sợi, bề ngang của nhiễm sắc thể tăng lên. Do không đóng xoắn nên chiều dài của nhiễm sắc thể khổng lồ có thể đạt tới 250-300 mm, gấp 100-200 lần chiều dài nhiễm sắc thể thường. Dọc theo chiều dài của nhiễm sắc thể khổng lồ phân hóa thành những khoanh bắt màu đậm, nhạt không đồng nhất như các đĩa sáng, tối xen nhau. Người ta cho rằng các đĩa sẫm màu là nơi tích lũy nhiều DNA, được tạo ra do độ xoắn định khu dày đặc hoặc do tập trung nhiều hạt nhiễm sắc.

Ở ruồi giấm, NST khổng lồ ở tuyến nước bọt được hình thành do DNA tự nhân đôi 10 lần, tạo ra 210 = 1024 sợi dính liền nhau suốt dọc theo chiều dài.  

(a)  Nhiễm sắc thể khổng lồ của ruối giấm tạo điểm nhiễm sắc (chromocenter).

(b) Bộ nhiễm sắc thể cơ bản trong tế bào đang phân chia với các nhánh được biểu hiện bằng các màu khác nhau.

(c) Ảnh chụp nhiễm sắc thể khổng lồ

Nhiễm sắc thể khổng lồ của ruồi giấm

Nhiễm sắc thể chổi đèn: Nhiễm sắc thể này có thể dài đến 800 mm, có ở kỳ đầu của giảm phân trong tế bào trứng của động vật có xương sống nhất là ở giai đoạn Diplotene của trứng có nhiều noãn hoàng (trứng gà, chim hoặc bò sát). Đặc điểm của nhiễm sắc thể kiểu chổi đèn là từ trục của nhiễm sắc thể có nhiều vòng DNA, cạnh các vòng DNA này là những loại ARN được tổng hợp từ các vòng DNA mở xoắn.

 
Nhiễm sắc thể chổi đèn

1.5 Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ

            Do sự ổn định về hình thái của mỗi nhiễm sắc thể và sự cố định về số lượng nhiễm sắc thể của mỗi loài nên mỗi loài có một kiểu nhân đặc trưng. Kiểu nhân (karyotype) là sự mô tả hình thái của bộ nhiễm sắc thể. Kiểu nhân có thể được biểu thị ở dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) khi các nhiễm sắc thể được xếp theo thứ tự bắt đầu từ dài nhất đến ngắn nhất.

            Sau này kỹ thuật nhuộm màu (màu giemsa hay quinacrin) được hoàn chỉnh, làm rõ hơn các vệt đặc trưng thì hình thái của mỗi nhiễm sắc thể được xác định chi tiết hơn. Dựa vào nhiễm sắc đồ nhuộm màu, có thể tìm thấy các đoạn tương đồng trên các nhiễm sắc thể cùng loại của các loài có họ hàng gần nhau. Ví dụ so sánh nhiễm sắc đồ của người và vượn cho thấy có mối quan hệ họ hàng rất gần và nhiễm sắc thể thứ hai của người do sự nối lại của 2 nhiễm sắc thể khác nhau ở vượn người.

Cặp nhiễm sắc thể tương đồng và nhiễm sắc đồ của người

2. Sự phân bào

2.1 Phân bào ở prokaryote

Phân bào ở prokaryote là trực phân (binary fission). Một tế bào prokaryote sau một lần phân bào trực phân tạo hai tế bào con giống nhau.

Trong phân bào trực phân, nhiễm sắc thể của prokaryote nhân đôi và đính trên màng tế bào tại một cấu trúc gọi là mesosome (các nếp gấp của màng tế bào). Thành tế bào xuất hiện hình thành vách ngăn, tách đôi hai nhiễm sắc thể và chia tế bào mẹ thành hai tế bào con (daughter cell). Mỗi tế bào con mang một bộ gene hoàn chỉnh.

Phân bào của tế bào vi khuẩn

2.2 Chu trình tế bào và sự phân bào ở eukaryote

2.2.1 Chu trình tế bào

2.2.1.1 Khái niệm

Chu kỳ tế bào, hay chu kỳ phân bào, là một vòng tuần hoàn các sự kiện xảy ra trong một tế bào eukaryote từ lần phân bào này cho đến lần kế tiếp. Chu kỳ tế bào được điều khiển bởi nhiều loại cyclin và cdk (một loại kinase phụ thuộc cyclin). Leland H. Hartwell, R. Timothy Hunt và Paul M. Nurse đã đạt giải Nobel trong lĩnh vực Sinh lý và Y học năm 2001 vì những phát hiện của họ về vai trò trung tâm của những phân tử này trong chu kỳ tế bào.

Chu trình tế bào gồm hại gia đoạn: kỳ trung gian (interphase) và kỳ phân chia (mitosis).

Chu trình tế bào

Một chu trình tế bào của eukaryote gồm 4 phase:

·        G1 là phase dài nhất. Trong đó, tế bào chuẩn bị cho tái bản DNA.

·        S là phase duy nhất trong chu trình tế bào có sự tái bản DNA.

·        G2 là một phase ngắn trước khi nguyên phân.

·        M (Mitosis) là phase nguyên phân, gồm sự phân chia nhiễm sắc thể và phân chia tế bào

G1, S và G2 là ba phase của kỳ trung gian (interphase)

Phase M gồm 4 kỳ: kỳ trước (prophase), kỳ giữa (metaphase), kỳ sau (anaphase), kỳ cuối (telophase).

Sau phase M, tế bào con bước vào phase G1 của chu trình kế tiếp. Các tế bào cũng có thể thoát khỏi chu trình kế tiếp và rơi vào tình trạng không sinh sản gọi là G0.

2.2.1.2 Điều hòa chu trình tế bào

Thời gian và tỉ lệ của sự phân bào trong những phần khác nhau của thực vật và động vật là rất quan trọng cho sự sinh trưởng, phát triển và tồn tại bình thường. Mức độ thường xuyên của sự phân bào khác nhau tùy loại tế bào, chẳng hạn tế bào da người phân bào thường xuyên, tế bào gan chỉ phân chia khi cần thiết còn tế bào thần kinh ở người trưởng thành thì không phân chia nữa.

Sự khác biệt trên là kết quả của quá trình  điều hòa chu trình tế bào ở mức phân tử. Hệ thống điều hòa chu trình tế bào gồm các checkpoint. Một checkpoint trong chu trình tế bào là nơi mà tín hiệu cho phép tiến trình phân bào tiếp tục hay dừng. Có ba checkpoint quan trọng trong chu tình tế bào: checkpoint G1, G2 và M phase.

Những phân tử tham gia điều hòa chu trình tế bào là các protein hay enzyme hoạt hóa hay ức chế các protein khác bởi sự phosphoryl hóa. Để hiểu rõ cơ chế điều hòa này ta xem xét cơ chế điều hòa checkpoint G2 của Cdk (cyclin-dependent kinase) một kinase phụ thuộc vào cyclin. Hoạt động của Cdk làm thay đổi nồng độ của cyclin trong tế bào.

Cdk tồn tại trong tế bào ở trạng thái bất hoạt. Khi cyclin  tích lũy trong tế bào trong pha G2, nó sẽ kết hợp với và hoạt hóa Cdk hình thành phức hợp Cyclin-Cdk.  Cyclin-Cdk được phát hiện đầu tiên là MPF (maturation promation factor). MPF phosphoryl nhiều protein khác, chẳng hạn như phosphoryl hóa màng nhân, kích thích các kinase khác phosphoryl hóa các protein khác của màng nhân… từ đó giúp tế bào vượt qua checkpoint G2 và tiến vào pha phân bào (M phase).

Cuối pha M, enzym phân giải cyclin, như vậy làm bất hoạt Cdk. Cdk tồn tại trong tế bào cho đến khi kết hợp với cyclin mới. Những enzyme này cũng liên quan đến việc giúp chu trình tế bào vượt qua điểm checkpoint M. Có ít nhất ba protein Cdk và nhiều cyclin liên quan đến  việc giúp tế bào vượt qua điểm checkpoint G1. Như vậy, hoạt động tăng giảm của các phức hợp cyclin và Cdk có thể kiểm soát tất cả các giai đoạn của chu trình tế bào.

2.2.2 Phân bào nguyên nhiễm  (Nguyên phân - Mitosis)

2.2.2.1 Kỳ trung gian

Chiếm 90% thời gian của chu trình tế bào. Trong suốt kỳ trung gian tế bào sinh trưởng, nhân đôi nhiễm sắc thể chuẩn bị cho sự phân chia tế bào. Kỳ trung gian gồm 3 giai đoạn (phase): G1 (first gap), S (synthesis), G2 (second gap).

Trong suốt kỳ trung gian, trung thể (centrosome) nhân đôi. Mỗi trung thể mang hai trung tử (centriols). Sao thoi vô sắc hình thành. Nhiễm sắc thể đã tháo xoắn, nhân đôi thành nhiễm sắc thể kép gồm hai nhiễm sắc tử chị em (sister chromatid) dính nhau ở tâm động.

2.2.2.2 Phân bào nguyên nhiễm

Gồm giai đoạn phân chia nhiễm sắc thể và phân chia tế bào chất (cytokinesis).

Phân chia nhiễm sắc thể:

Kỳ trước (prophase)

Nhiễm sắc thể bắt đầu xoắn lại, có thể quan sát bằng kính hiển vi quang học. Nhiễm sắc thể vẫn ở dạng kép.

Hai trung thể (ở tế bào động vật) di chuyển về hai cực tế bào. Thoi vô sắc (mitotic spindle) hình thành. Hạch nhân biến mất.

Kỳ giữa (metaphase)

Đầu kỳ giữa màng nhân tan biến. Sợi vô sắc dài ra, xuyên qua nhân tương tác với nhiễm sắc thể. Một vài sợi vô sắc gắn với tâm động của nhiễm sắc thể tại kinetochore. Hai kinetochore của cặp chromatid chị em gắn với hai sợi vô sắc đến từ hai cực đối diện. Các sợi vô sắc không gắn với kinetochore tương tác với nhau.

Cuối kỳ giữa, nhiễm sắc thể kép đóng xoắn cực đại tập trung ở mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc.

Kỳ sau (anaphase)

Hai chromatid chị em tách nhau ra ở tâm động và mỗi sợi chromatid bây giờ gọi là nhiễm sắc thể đơn di chuyển về hai cực của tế bào. Sợi vô sắc thu ngắn lại.

Kỳ cuối (telophase)

Ở hai cực tế bào, màng nhân xuất hiện và hình thành hai nhân giống nhau. Cuối kỳ nhiễm sắc thể duỗi xoắn.

Phân bào (cytokinesis):

Cuối kỳ cuối xảy ra sự phân chia tế bào chất.

Ở tế bào động vật, một rãnh phân chia xuất hiện trên bề mặt tế bào gần mặt phẳng xích đạo, sau đó ăn sâu vào do tác động co rút của vòng  vi sợi actin bên trong tế bào chất, cắt tế bào mẹ thành hai tế bào con (daughter cells) giống nhau. Trong khi đó ở tế bào thực vật không xuất hiện rãnh phân cắt. Những túi (vesicle) chứa nguyên liệu xây dựng vách tế bào từ Golgi di chuyển tới giữa tế bào và tổ chức thành đĩa tế bào (cell plate) chia tế bào mẹ thành hai tế bào con.

Phân chia tế bào chất ở tế bào động vật và thực vật.

2.2.2.3 Ý nghĩa của nguyên phân

 Nguyên phân là cơ sở của sự tăng trưởng ở sinh vật đa bào và sự sinh sản vô tính.

Qua nguyên phân, các thế hệ tế bào trong một cơ thể đa bào cũng như các thế hệ cá thể của loài sinh sản vô tính được duy trì một bộ nhiễm sắc thể (2n) đặc trưng.

2.2.3 Phân bào giảm nhiễm (Giảm phân - Meiosis)

Là quá trình phân bào chuyên biệt xảy ra ở tế bào sinh dục, trong đó số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa. Giảm phân gồm hai lần phân chia: lần phân chia thứ nhất là phân chia giảm nhiễm, lần phân chia thứ hai là phân chia nguyên nhiễm. Một  tế bào sinh dục qua giảm phân tạo ra 4 tế bào con với bộ nhiễm sắc thể giảm đi một nửa.

So sánh giữa giảm phân và nguyên phân

2.2.3.1 Giảm phân I

 Gồm 4 kỳ

Kỳ trước I

Các sự kiện xảy ra trong giảm phân I tương tự trong nguyên phân. Tuy nhiên, hiện tượng tiếp hợp  giữa các cặp nhiễm sắc thể tương đồng và sự bắt chéo trao đổi đoạn giữa các chromatid chỉ xảy ra ở giảm phân.

Kỳ giữa I

Các nhiễm sắc thể kép tập trung theo cặp tương đồng trên mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc. Mỗi nhiễm sắc thể kép trong cặp tương đồng chỉ gắn với một sợi vô sắc tại một kinetochore  của nó.

Kỳ sau I

Sợi vô sắc thu ngắn lại. Cặp nhiễm sắc thể kép phân ly, mỗi chiếc kép đi về một cực tế bào.

Kỳ cuối I  và phân chia tế bào chất

Hai tế bào con hình thành, mỗi nhân tế bào mang một bộ nhiễm sắc thể đơn bội. Nhiễm sắc thể vẫn ở trạng thái kép.

2.2.3.2 Giảm phân II

Tiếp theo kỳ cuối của giảm phân I là giai đoạn chuyển tiếp, tương tự như kỳ trung gian nhưng không có sự nhân đôi nhiễm sắc thể.

Kỳ trước II

Bộ nhiễm sắc thể kép (đơn bội) tiến tới mặt phẳng xích đạo của tế bào.

Kỳ giữa II

Nhiễm sắc thể kép đóng xoắn cực đại tập trung ở mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc.

Hai kinetochore của cặp chromatid chị em gắn với hai sợi vô sắc đến từ hai cực đối diện.

Kỳ sau II

Hai chromatid của nhiễm sắc thể kép tách nhau ra ở tâm động, mỗi chromatid phân ly về một cực của tế bào.

Kỳ cuối II và phân chia tế bào

Mỗi nhiễm sắc thể về đến cực tế bào, màng nhân hình thành. Phân chia tế bào chất xảy ra.

Kết thúc giảm phân, một tế bào sinh dục (2n) hình thành 4 tế bào con. Mỗi tế bào con có bộ nhiễm sắc thể giảm đi một nửa (n).

2.2.3.3 Ý nghĩa của giảm phân

Giảm phân là cơ sở của sự sinh sản hữu tính và làm tăng sự đa dạng di truyền.

Thông qua giảm phân, một tế bào sinh dục chín với 2n nhiễm sắc thể có thể tạo 2n loại giao tử. VD: Ở người tế bào sinh dục có 2n = 46 nhiễm sắc thể, qua giảm phân có thể hình thành 223 loại giao tử.

Sự trao đổi chéo dẫn đến hoán vị gene ở kỳ trước giảm phân I cũng làm tăng số loại giao tử.

Sự kết hợp ngẫu nhiên của các loại giao tử trong thụ tinh làm tăng số loại hợp tử. VD: Số lượng loại hợp tử có thể hình thành ở người là 223 x 223 .

 Tóm lại: Sự phân ly độc lập của nhiễm thể, sự trao đổi chéo của các chromatid và sự thụ tinh ngẫu nhiên giữa các loại giao tử là ba nguồn gốc của sự đa dạng di truyền.

Phân li độc lập của nhiễm sắc thể

II. GENE VÀ MÃ DI TRUYỀN

1. Khái niệm về gene

Mendel (Mitchell, 1999) “nhân tố di truyền” là một đơn vị di truyền tách biệt ảnh hưởng một tính trạng.

Khái niệm “gene” được Wilhelm Johannsen đề ra lần đầu tiên vào năm 1909 nhưng ông chỉ mới quan niệm một cách sơ lược rằng đây là những “mầm mống đặc biệt, di truyền tách biệt nhiều tính trạng của cơ thể”.

Morgan (Mitchell, 1999): “gene” (locus) là đơn vị di truyền không thể chia nhỏ nằm trên nhiễm sắc thể. Khái niệm này bao hàm:

·  Gene là đơn vị chức năng: Các phần của gene nếu như tồn tại thì không thể hoạt động chức năng. Đột biến của một gen sẽ ảnh hưởng đến một chức năng di truyền.

·  Gene là đơn vị tái tổ hợp: Sự trao đổi chéo chỉ có thể diễn ra giữa các gene, không thể xảy ra ở trong gene.

·  Gene là đơn vị đột biến: Gene sẽ bị biến đổi như một tổng thể hoàn chỉnh trước các tác nhân đột biến đủ liều lượng.

Benzer (Hoàng, 1995)  nghiên cứu phage T4 kí sinh trên E.coli thấy rằng trao đổi chéo và đột biến có thể xảy ra ngay trong một gen và trên gen có thể có hơn một vị trí trao đổi chéo và đột biến xảy ra. Như vậy mỗi gen có nhiều đơn vị tái tổ hợp (recon-từ recombination) và đột biến (muton- có gốc từ mutant). Một đoạn phân tử DNA xác định cấu trúc của một chuỗi polypeptide được gọi là gen cấu trúc hay citron (gốc từ cis- trans), trung bình có từ 500-1000 cặp nucleotide, trong chứa các muton và recon.

Thập niên 1940, thuyết “một gen - một enzyme” của George Beadle và Edward Tatum  chứng minh: gen kiểm tra các phản ứng sinh hóa. Học thuyết trên đã chứng tỏ rằng gen chi phối cấu trúc protein. Sau đó, người ta biết rằng có những protein gồm nhiều chuỗi polypeptide do nhiều gen quy định (ví dụ như hemoglobin) nên thuyết này được chỉnh lại là “1 gen – 1 polypeptide”.

Thập niên 1950, mô hình cấu trúc ADN do James Watson và Francis Crick đề xuất và “Học thuyết trung tâm” ra đời. Gen được hiểu là một đoạn ADN trên nhiễm sắc thể mã hóa cho một polypeptide hay một ARN.

Cuối những năm 1970, người ta phát hiện thấy ở eukaryote có những đoạn ADN không mã hóa cho các acid amin trên phân tử protein. Trong khi toàn bộ DNA prokaryote đều mang thông tin mã hóa cho các protein, thì ở eukaryote, phân tử DNA bao gồm các trình tự mã hóa gọi là các exon xen kẽ với các trình tự không mã hóa gọi là intron. Một phân tử mRNA vừa mới được phiên mã từ một gen cấu trúc thì chưa có hoạt tính; phân tử này phải trải qua một quá trình ghép nối, loại bỏ các intron để trở thành phân tử mRNA trưởng thành có khả năng tham gia dịch mã. Khái niệm gen được chỉnh lý như sau: “Gen là một đoạn ADN đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptide, nó bao gồm cả vùng trước, vùng sau và vùng mã hóa cho protein, cả những đoạn mã hóa (exon) lẫn những đoạn không mã hóa (intron) của eukaryote”.

(a)

(b)

Cấu trúc của một gene mã hóa cho một polypeptide

Như vậy hiện nay, có thể định nghĩa tổng quát về gen như sau:

“Gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền, chiếm một locus nhất định trên nhiễm sắc thể. Gen là những đoạn vật chất di truyền mã hóa cho một đại phân tử sinh học như ARN hoặc polypeptide”.

2. Mã di truyền

Như đã biết, có mối liên hệ giữa DNA, RNA và protein. DNA và RNA cấu tạo từ 4 loại nucleotide trong khi protein được hình thành từ 20 loại amino acid. Như vậy, sự tổ hợp của 4 loại nucleotide sẽ mã hóa cho 20 loại amino acid. Nếu tế bào sử dụng 2 nucleotide mã hóa cho 1 amino acid thì 4 loại nucleotide chỉ tạo được 42 = 16 amino acid không đủ cho nhu cầu thực tế. Như vậy, đơn vị mã hóa cho một amino acid hay còn gọi là codon phải từ 3 nucleotide trở lên.

Những nghiên cứu trong thập 60 đã chứng minh được rằng tổ hợp 3 nucleotide có thể mã hóa cho một amino acid và xác định các codon mã hóa cho từng loại amino acid. Như vậy 4 loại nucleotide hình thành 43 = 64 codon trong đó có 3 codon không mã hóa cho bất kỳ amino acid nào, đó là các codon kết thúc UAA, UGA, UAG và một codon mở đầu  AUG mã hóa cho methionin.

Bảng mã di truyền (mRNA)

Mã di truyền là mã bộ ba (triplet), không gối lên nhau (non-overlapping) và được đọc một cách liên tục, không ngắt quãng (comma-less).

Mã di truyền có tính thoái hóa (degenerate) nghĩa là nhiều codon cùng xác định một acid amin, trừ hai ngoại lệ: AUG mã hóa cho Met và UGG mã hóa cho Trp.

Mã di truyền có tính phổ biến (universal), nghĩa là thống nhất cho hầu như toàn bộ sinh giới. Tuy nhiên, từ năm 1980 người ta phát hiện thấy ty thể của một số loài eukaryote và một số sinh vật đơn bào có sự biến đổi ý nghĩa của một số mã di truyền.