Phan Thanh Quyen Giao vien Sinh Truong THPT Ngoc Lac ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỐ CHÍ MINH GIÁO TRÌNH DI TRUYỀN SỐ LƯỢNG (CHƯƠNG TRÌNH CAO HỌC) BÙI CHÍ BỬU, NGUYỄN THỊ LANG 2003 Phan Thanh Quyền Gi�o[.]
ĐẠI HỌC NƠNG LÂM THÀNH PHỐ HỐ CHÍ MINH GIÁO TRÌNH DI TRUYỀN SỐ LƯỢNG (CHƯƠNG TRÌNH CAO HỌC) BÙI CHÍ BỬU, NGUYỄN THỊ LANG 2003 Phan Thanh Quyền_Gi•o vi‚n Sinh_Trường THPT Ngọc Lặc - Sưu tầm T€c giả: B‚i Chƒ Bửu, Nguyễn Thị Lang_Trường ĐH NŠng L‹m_ThŒnh Phố Hồ Chƒ Minh DI TRUYỀN SỐ LƯỢNG MỞ ĐẦU Sự phát triển khoa học di truyền khám phá lại cơng trình Mendel vào năm 1900 Tuy nhiên lúc có nghiên cứu di truyền khác hoạt động tích cực: nghiên cứu nầy góp phần vào phát triển ngành di truyền học Đầu tiên Francis Galton, ông cho xuất cơng trình khái qt phương pháp phát "Tính di truyền tự nhiên" vào năm 1889 Sau Karl Pearson học trị ơng tiếp tục cơng trình nầy Nhờ cơng trình họ, ngành tốn thống kê áp dụng vào sinh học, điều nầy xem kiện vĩ đại đánh dấu bước phát triển vơ có ý nghĩa trưởng thành ngành sinh học số lượng (di truyền số lượng) Sự thành cơng khơng trọn vẹn cơng trình nầy vài trường hợp thừa nhận mục tiêu mà quan hệ bố mẹ tính di truyền rõ ràng Chính Mendel tự thấy thất bại thí nghiệm khơng xác định đưọc số lượng mơ hình khác lai, không xếp mơ hình theo hệ phân ly nó, khẳng định cách chắn quan hệ có tính thống kê Trong cơng trình Galton xem khắc phục vấn đề thuộc thống kê, chất vật liệu mà ông chọn lựa giúp ông thành công việc xác định số lượng mơ hình lai, hệ phân ly Việc áp dụng ông số liệu người số gia đình tổ tiên có quan hệ huyết thống cho thấy khó khăn, điều phải lựa chọn những tính trạng đo lường (tính trạng số lượng) kích thước người cho phép ông xây dựng quan điểm định luật di truyền Những tính trạng nầy cho thấy có biến thiên liên tục (continuous gradations) biểu thị quãng rộng, tập hợp biểu thị chung gia đình hay quần thể, tần suất cao so với hai cực biên Sự phân bố tần suất biến số, đơi có dạng phân bố chuẩn (normal), vài trường hợp khác có dạng phân bố khơng đối xứng (asymmetrical) Tỷ lệ phân ly Mendel trong tính chất khơng liên tục mặt kiến trúc di truyền truyền tín hiệu tùy thuộc vào việc sử dụng tính trạng di truyền mà cá thể lai thể tính trạng thuộc vào nhóm hiếm, không biến thiên liên tục mà Thực Mendel phủ nhận loại biến dị vật liệu ơng với lý do: ảnh hưởng có tính chất bất thường (distracting influences) phân tích Sự biến thiên liên tục nầy khơng thể dự kiến cách hồn tồn Chính Darwin nhấn mạnh đến tầm quan trọng giai đoạn tích lũy nhỏ q trình tiến hóa, đặc biệt người, có nhiều liên tục biến dị tồn Do đó, tính chất tốn sinh học khảo cứu ngày thiết nhà di truyền, Galton Pearson chứng minh biến dị phần di truyền học Ngay lúc giờ, họ chưa thành công việc giải thích cách truyền lại tính trạng Cả hai phương pháp Galton Mendel chưa mang lai kết rõ ràng Sự hiểu biết biến dị liên tục phải chờ phối hợp kết hai phương pháp di truyền học toán sinh học, nầy bổ sung Di truyền Mendel cho nguyên tắc phân tích có sở, tốn sinh học cho cách xử lý biến dị liên tục, cách biểu mơ hình để phân tích có hiệu Tuy nhiên việc phối hợp hai phương pháp nầy phải kéo dài đến cơng trình Mendel người tái phát Bấy giờ, vấn đề trở nên nghiêm trọng với nhiều ý kiến khác biến dị liên tục biến dị không liên tục q trình tiến hóa Nhiều bút chiến xảy đôi bên Cùng lúc ấy, nổ lực nhằm hòa giải hai quan điểm Phan Thanh Quyền_Gi•o vi‚n Sinh_Trường THPT Ngọc Lặc - Sưu tầm T€c giả: B‚i Chƒ Bửu, Nguyễn Thị Lang_Trường ĐH NŠng L‹m_ThŒnh Phố Hồ Chƒ Minh tỏ kính trọng hai nhóm Sự bất đồng xuất phát từ biểu chưa biết nội dung Mendel việc khẳng định ảnh hưởng kiểu gen kiểu hình Các nhà tốn sinh học dường quan tâm đến biến dị liên tục tế bào soma điểm đặc sắc biến dị di truyền liên tục Các nhà thuộc trường phái Mendel xem xét biến dị di truyền khơng liên tục tính chất khơng tương hợp (incompatible) với gì, ngoại trừ biến dị không liên tục tế bào soma Thật vậy, de Vries lấy liên tục biến dị kiểu hình làm tiêu khẳng định khơng di truyền (nonheritability) Như có hai giai đoạn xảy trước kết hợp hai phương pháp di truyền học tồn học xích lại với Vào năm 1909, Johansen xuất Elemente der exakten Erblichkeitslehre Trong ơng mơ tả thí nghiệm đậu ông đề lý thuyết chọn dịng Đặc biệt ơng nhận thấy tính trạng di truyền khơng di truyền đáp ứng với biến dị trọng lượng hạt mà ông quan tâm Sự tương quan kiểu gen kiểu hình trở nên rõ ràng Ảnh hưởng khơng liên tục kiểu gen biến dị không liên tục kiểu hình ảnh hưởng ngoại cảnh xảy nhiều Cũng năm 1909, Nilsson - Ehle thực cơng trình khác Các yếu tố di truyền có hoạt động giống thí nghiệm lúa mì kiều mạch Thí dụ có ba yếu tố ảnh hưởng đến biến đổi màu hạt đỏ trở thành trắng ngược lại Một ba yếu tố phân ly đơn độc cho tỉ lệ đỏ : trắng F2 Hai ba yếu tố, phân ly cho tỉ lệ 15 đỏ : trắng, ba phối hợp với nhau, phân ly có tỉ lệ 63 đỏ : trắng Cây có hạt đỏ thệ F2 cho biết cấu trúc di truyền khac nhau, cách trồng hệ F3 Một vài hạt đỏ cho tỷ lệ đỏ : trắng, số khác cho tỷ lệ 15 đỏ : trắng, 63 đỏ : trắng, lại có hạt đỏ hồn tồn Như khơng có khác biệt dự đoán màu sắc (cây có hạt màu đỏ yếu tố khác Chắc chắn có vài khác biệt tính trạng màu đỏ, xuất với nhiều yếu tố yếu tố biết Mức độ thứ tính trạng màu đỏ xảy đồng thời với ba kiểu gen Aabbcc, aaBbcc aabbCc Mức độü thứ hai kiểu gen AAbbcc, aaBBcc, aabbCC, AaBbcc, AabbCc, aaBbCc Cứ tiếp tục Các yếu tố khác có hoạt động giống hoạt tích lũy lại thành số lượng Các yếu tố giống hoạt động cá thể nhỏ biến dị số lượng liên tục phân ly Mỗi yếu tố di truyền theo luật Mendel thay đổi khơng liên tục (discontinuous) thay đối chất lượng (qualitative) Với hàng loạt yếu tố vậy, có hoạt động tích luỹ nhau, có lượng đổi (dosages) khác trung bình phổ biến Qua phân số biểu kiểu hình số lượng yếu tố (factor dosage), biến dị trở nên có tính trạng số lượng (quantitative), theo đường biểu diễn tần suất Galton trở nên liên tục (continuous) Sự liên tục hoàn toàn ảnh hưởng đặc tính khơng di truyền, đặc tính nầy tạo mức độ kiểu hình (phenotype range) trùng lắp kiểu gen khác Mười năm sau đó, giả thuyết đa yếu tố áp dụng sinh vật East cộng tác viên ông Họ cho di truyền số tính trạng có biến số liên tục thuốc bắp tính tốn (East 1915, Emerson East 1913) Còn Fisher thực tổng hợp toán sinh học di truyền Ông chứng minh rằng: kết toán sinh học, phần có quan hệ xem xét mối liên hệ bà họ hàng loài người, quan điểm mẽ (Fisher 1918) Từ số liệu nhà tốn sinh học ơng chứng minh tính chất trội (dominance) đa yếu tố Tóm lại: Di truyền số lượng hiểu: tính trạng di truyền khác biệt cá thể với mức độü số lượng chất lượng Theo Darwin, khác biệt cá thể chọn lọc tự nhiện xảy tích tụ dần q trình tiến hóa Sự khác biệt chất lượng, phân chia cá thể dạng hình khác nhau, bới mức độ Phan Thanh Quyền_Gi•o vi‚n Sinh_Trường THPT Ngọc Lặc - Sưu tầm T€c giả: B‚i Chƒ Bửu, Nguyễn Thị Lang_Trường ĐH NŠng L‹m_ThŒnh Phố Hồ Chƒ Minh khơng có kiểu liên kết dạng trung gian Tỉ lệ Mendel xem xét có khác biệt gen locus đơn độc Sự khác biệt số lượng tùy thuộc vào số gen mà ảnh hưởng mối quan hệ với biên dị gây nên từ lý khác Sự khác biệt số lượng bị ảnh hưởng khác biệt gen nhiều loci, đặc biệt ảnh hưởng môi trường có tác động mạnh mẽ Do gen riêng biệt đưọc xác định phân ly nó, phương pháp phân tích Mendel khơng áp dụng trường hợp nầy Việc triển khai di truyền Mendel vào di truyền số lượng thực qua hai bước: - Đưa khái niệm có quan hệ đến độ phong phú di truyền quần thể - Đưa khái niệm tính trạng di truyền đo đếm (the inheritance of measurements) Trong thí nghiệm di truyền số lượng, có ba định luật: Nghiên cứu quần thể: cho phép xác định mức độ phong phú gen phối hợp biến đổi sô úlượng Lai phân tích: cho phép thử nghiệm giá trị lý thuyết Một vài kết qui trình chọn giống: nhiều khơng thể dự đốn lý thuyết, mà phải kết chọn lọc thí nghiệm Phan Thanh Quyền_Gi•o vi‚n Sinh_Trường THPT Ngọc Lặc - Sưu tầm T€c giả: B‚i Chƒ Bửu, Nguyễn Thị Lang_Trường ĐH NŠng L‹m_ThŒnh Phố Hồ Chƒ Minh Chương KIẾN TRÚC DI TRUYỀN CỦA MỘT QUẦN THỂ Di truyền quần thể (population genetics) xem tảng di truyền số lượng (quantitative genetics), ngun tắc có tính chất tốn học, tính chất lý thuyết I-1 QUẦN THỂ GIAO PHỐI NGẪU NHIÊN Trong di truyền Mendel, lai tạo hoa tím hoa trắng nhằm khảo sát tỉ lệ phân ly lai từ hạt Trái lại di truyền quần thể, đề cập đến hàng loạt phân tích thống kê luật Mendel nhóm gia đình nhóm cá thể: nghiên cứu tượng di truyền mức độ quần thể Cơ sở di truyền giả định Mendel Các nhà di truyền quần thể khảo sát hoa tím hoa trắng vùng xác định Khảo sát tần suất loại hình khác cặp lai quần thể, tỷ lệ loại khác từ hệ so với hệ sau trường hợp khác Đời sống cá thể bị hạn chế độ dài thời gian, biểu có tính di truyền quần thể cố định suốt đời, làm che khuất đột biến gen Trái lại quần thể thực tế bất tử, qui mơ lớn nhỏ, phân bố vùng rộng hẹp, thay đổi thành phần di truyền từ hệ sang hệ khác cách đột ngột từ từ Nghiên cứu di truyền quần thể xem phải nghiên cứu tiến hóa có tính chất hữu (organic evolution), sở di truyền, tiến trình thay đổi có tính chất tích luỹ tính trạng di truyền lồi sinh vật Trong nghiên cứu kết di truyền Mendel quần thể liên tục chắn nẩy sinh định luật qui luật mới, phải làm cho trở nên vững phát triển I-1-1 Tần suất gen Giả định có hai len (A, a) locus Có N cá thể lưỡng bội (dipliod) với gía trị D dominant (trội) (AA)., H dị hợp từ (Aa), R recessive (lặn) (aa) Như D + H + R = N Mặc dù có loại hình cá thể nhóm, có loại gen: A a Do N cá thể nầy có 2N gen phối hợp với Vì AA cá thể có gen A Aa cá thể có gen A, tổng số gen A nhóm là: p = (2D + H) / 2N = (D + 1/2H) / N Tỉ lệ nầy gọi tần suất gen (gene frequency) A nhóm Tương tự tần suất gen a nhóm là: q = (H + 2R) / 2N = (1/2H + R) / N Sao cho p + q = Thí dụ nhóm có 40 cá thể: 2, 12, 26 p = (2 + 6) / 40 = 0.20 q = (6 + 26) / 40 = 0.80 Thông thường kiểu gen có tỉ lệ biết trước, đặc biệt nhóm lớn Kế đến xem D + H + R = p = D + 1/2H q = 1/2H + R Trở lại thí dụ quần thể ban đầu 2, 12, 26 có dạng 0.05, 0.30, 0.65 (2/40, 12/40, 26/40) p = 0.05 + 0.15 = 0.20 Phan Thanh Quyền_Gi•o vi‚n Sinh_Trường THPT Ngọc Lặc - Sưu tầm T€c giả: B‚i Chƒ Bửu, Nguyễn Thị Lang_Trường ĐH NŠng L‹m_ThŒnh Phố Hồ Chƒ Minh q = 0.15 + 0.65 = 0.80 Kết giống cách tính trước I-1-2 Giao phối ngẫu nhiên (Random mating) Bảng 1: Tần suất giao phối ngẫu nhiên Bố Mẹ AA D AA Aa aa DH DR HR R2 D Aa H HD H aa R RD RD Các loại giao phối có bảng với tần suất cụ thể Tuy nhiên nên nhấn mạnh tần suất có tính chất lý thuyết nầy thực xảy trường hợp quần thể lớn Thuật ngữ PANMIXIA dùng đồng nghĩa với giao phối ngẫu nhiên quần thể gọi panmictic I-1-3 Định luật Hardy - Weinberg Trong quần thể lớn giao phối ngẫu nhiên D = p2, H = 2pq, R = q2 2 Quần thể (p , 2pq, q ) xem trạng thái cân (equilibrium) hệ thống giao phối ngẫu nhiên Thuật ngữ “equilibrium” có nghĩa là: khơng có thay đổi tỉ lệ kiểu gen quần thể từ hệ nầy sang hệ khác Điều có nghĩa khơng có thay đổi tần suất gen Có nhiều cách thể điều kiện cân cá thể xảy Điều kiện đặc biệt giao phối ngẫu nhiên định luật Hardy - Weinberg khám phá vào năm 1908 cơng trình hai ông Hardy Weinberg thực công bố năm Định luật quan trọng di truyền quần thể Điều kiện đặt là: - Giao phối ngẫu nhiên - Quần thể lớn Tần suất loại hình giao phối khác quần thể ghi nhận bảng 1: p2= D, q2 = R, 2pq = H Nếu có lai đảo loại giao phối có loại hình ghi nhận Tần suất loại giao phối tỉ lệ lai tương ứng trình bày bảng 2, hệ lai giữ nguyên ( p2, 2pq, q2) Bảng 2: Giao phối quần thể lai panmictic ổn định Loại giao phối Tần suất giao phối Con lai AA AA x AA AA x Aa p Aa P 4p q 2p3q 2p3q aa T€c giả: B‚i Chƒ Bửu, Nguyễn Thị Lang_Trường ĐH NŠng L‹m_ThŒnh Phố Hồ Chƒ Minh Aa x Aa 4p2q2 AA x aa 2p2q2 2p2q2 Aa x aa 4pq3 2pq3 aa x aa q4 Cộng 1.00 P2q2 2p2q2 p2 q2 2pq3 q4 P2 q2 2pq Thí dụ: cộng thử p4 + 2p3q + p2q2 = p4 + 2p3(1-p) + p2(1-p)2 = p2 I-1-4 Thiết lập cân (ổn định) Tính chất quan trọng thứ hai lý thuyết nói quần thể giao phối ngẫu nhiên tính cân xảy sau hệ giao phối ngẫu nhiên, không cần biết đến yếu tố khởi đầu quần thể Ký hiệu cho lý thuyết nầy là: (D, H, R) ∏ ( p2, 2pq, q2) Thí dụ quần thể khởi đầu (0.10, 0.20, 0.70) p = 0.20 q = 0.80 trở thành (0.40, 0.32, 0.64) quần thể [p2] [2pq] [q2] Sau tỉ lệ nầy trì hệ Bảng 3: Thiết lập cân giao phối ngẫu nhiên Loại giao phối Tần suất giao phối Con lai AA Aa AA x AA D2 D2 AA x Aa 2DH DH DH Aa x Aa H2 1/4H2 1/2H2 AA x aa 2DR 2DR Aa x aa 2HR HR aa x aa R2 Cộng 1.00 aa 1/4H2 HR R2 (D + 1/2H)2 P2 2(D+ 1/2H)(1/2H+R) 2pq (1/2H+R)2 q2 I-1-5 Sự đồng ngẫu nhiên giao tử: Kết chung giao phối ngẫu nhiên hệ đồng cách ngẫu nhiên (random union) sau giao tử sản sinh giao phối, kết nầy tương đương với đồng ngẫu nhiên tất giao tử (gamete) sản sinh quần thể Phan Thanh Quyền_Gi•o vi‚n Sinh_Trường THPT Ngọc Lặc - Sưu tầm T€c giả: B‚i Chƒ Bửu, Nguyễn Thị Lang_Trường ĐH NŠng L‹m_ThŒnh Phố Hồ Chƒ Minh Định luật nầy mô hình hóa sau Giao tử đực Aa H AA D Giao tử AA Aa aa D H R aa R A a A p p p2 q pq a q pq q2 Đây nguyên tắc thiết lập nên kết sections thời gian quần thể (D.H.R) trở thành (p2, 2pq, q2) hệ với giao phối ngẫu nhiên trạng thái nầy ln ổn định sau 1-2 SỰ PHỐI HỢP BỐ MẸ CĨ TÍNH LẶN Sự phối hợp bố mẹ có tính lặn xem xét thí dụ sau Tỉ lệ Phối hợp bố mẹ Cộng Aa x Aa Aa x aa aa x aa Trong tất cặp lai p2q2 2pq3 q4 q2 Trong cặp lai sản xuất lai aa p2 2pq q2 1.00 Thí dụ bố mẹ cá thể có gen lặn aa Nó trường hợp sau đây: Aa x Aa, Aa x aa aa x aa Xem lại cột cuối bảng cho thấy cặp lai nầy có tần suất Hàng cuối (bảng) cho thấy tỉ lệ giống kiểu gen quần thể Kết luận: Khi cá thể có gen lặn aa quần thể nói chung, xu lai cặp lai Aa x Aa Thí dụ tính bạch tạng lồi người gen lặn, người ta ghi nhận có người bạch tạng / 20.000 người (q2 = 0.00005) nước Châu Âu Như tần suất gen lặn bạch tạng (albinism) ước khoảng q = 1/140 = 0.007 Tỉ lệ dị hợp tử quần thể 2pq = 1/70 Trong tất cá thể albino (0.993)3 = 98.60 phần trăm lai Aa x Aa bố lẫn mẹ người bình thường Một vài tính chất quần thể cân bằng: [1] Trong quần thể lưỡng bội tỉ lệ dị hợp tử H = 2pq, giá trị chưa vượt 0.50 dH d - = - 2q (1 - q) = - 4q = dq dq Phan Thanh Quyền_Gi•o vi‚n Sinh_Trường THPT Ngọc Lặc - Sưu tầm T€c giả: B‚i Chƒ Bửu, Nguyễn Thị Lang_Trường ĐH NŠng L‹m_ThŒnh Phố Hồ Chƒ Minh Chúng ta thấy giá trị tối đa H 0.50 q = p = 1/2 H lớn D R: không lớn D + R Nếu tần suất gen lớn gâõp đơi tần suất gen khác, tỉ lệ dị hợp tử trung bình cộng giá trị đồng hợp tử Thí dụ p > 2q có nnghĩa p > 2/3 có p2 > 2pq > q2 [2] Tỉ lệ dị hợp tử hai lần số D x R H = DxR H DxR = Như 4DR = H2 Quần thể (D, H, R) trình bày mơ hình tam giác XYZ Từ điểm P tam giác, kẻ đường thẳng góc với cạnh mà độ dài tượng trưng cho giá trị D.H.R Khoảng cách từ P đến XZ H Khoảng cách từ P đến YZ D Khoảng cách từ P đến XY R 4DR = H2 Các điểm quần thể cân di động parabol 4DR - H2 = XQ : QZ = R + 1/2H:D - 1/2H = q:p Y P=0.7 X q P H=0.2 Q p D=0.1 Z I-3 ỨNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN ĐỊNH LUẬT CÂN BẰNG I-3-1 KHƠNG CĨ TÍNH TRỘI Chúng ta dùng thí dụ đơn giản ba kiểu gen: Gọi a, b, c số quan sát kiểu gen A1 A1, A1 A2, A2 A2 theo thứ tự ngẫu nhiên G = a + b + c cá thể Có cân mẫu ngẫu nhiên 2G gen, mà 2a + b quan, sát biểu thị A1 b + 2c quan, sát biểu thị A2 Ước đoán tỉ lệ gen A1 A2 ghi nhận sau p = (2a + b) / 2G [1] q = (b + 2c) / 2G Phương sai mẫu V(p) = V(q) = pq / 2G [1V] Để xác định số quan sát kiểu gen sở định luật Hardy Weinberg Chúng ta sử dụng phép thử χ2, giá trị dự đốn là: a' = Gp2, b' = 2Gpq, c' = Cq2 (a - a') (b - b') (c - c') χ2 = - + + -[2] a' b' c' Với độ tự (df) Hợp tử A1A1 dược xem thuộc tính tạo thuận lợi để hai giao tử đực giao tử hợp mang gen A1 T€c giả: B‚i Chƒ Bửu, Nguyễn Thị Lang_Trường ĐH NŠng L‹m_ThŒnh Phố Hồ Chƒ Minh A1 A2 A1 a 1/2b a + 1/2b A2 1/2b c 1/2b + c a + 1/2b 1/2b + c G χ = (ac - 1/4b2)2 G = (a + 1/2b) (1/2b + c)2 (4ac -b2)2 G 2 [2'] (2a + b) (b + 2c) [2] và[2'] phép thử Chi bình phương cho kết Thí dụ Rife (1938) Haldane (1936) khảo sát nhóm máu 1000 người Trung Quốc Hồng Kông với kết sau: Số người Quan sát Dự đoán p = 0.5753 Nhóm máu M MN N 342.0 340.6 500.0 502.8 187.0 185.6 q = 0.4247 Cộng 1029 1029 χ2 = 0.032 (P = 0.85) Như tượng sinh học chứng minh định luật toán học Thí dụ đơn giản, đủ để chứng minh tính chất quan trọng phương pháp phân tích số liệu di truyền a' = Gp2= 1029 (p2) = 340,6 b' = 2Gpq = 2.(1029) p.q = 502.8 c' = Gq2 = 185.6 I-3-2 CƠNG THỨC CHÍNH XÁC ĐỐI VỚI CÁC MẪU NHỎ Qui mơ có hiệu nột mẫu liên quan nhiều đến tần suất gen, cần có mẫu lớn để bao gồm cá thể aa Mẫu có qui mơ trung bình khơng bao gồm cá thể aa Phương pháp mô tả việc lấy giá trị a' = Gp2 sử dụng mẫu lớn trường hợp tần suất gen trung bình Nó khơng thể sử dụng tần suất gen nhỏ đến mức Gp2 < trường hợp q