Giáo trình di truyền học

H P H U BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ X W -Hoàng Trọng Phán (Chủ biên) Trương Thị Bích Phượng - Trần Quốc Dung H P Giáo trình DI TRUYỀN HỌC H U Huế 2008 11 Lời nói đầu Đến nay, di truyền học đời trăm năm song phát triển với tốc độ nhanh chóng Đặc biệt là, vịng 50 năm lại kể từ ngày James Watson Francis Crick khám phá cấu trúc phân tử DNA, 25/4/1953 Sự hoàn thành việc giải mã di truyền hai nhóm nghiên cứu Marshall Nirenberg Har Gobind Khorana vào tháng năm 1966 đời Kỹ thuật Di truyền Công nghệ DNA tái tổ hợp vào thập niên 1970 hai kiện bật kể từ sau sinh học phân tử đời Kế đó, hồn tất Dự án Bộ gene Người vào tháng năm 2003 xem kỳ công thám hiểm vĩ đại lồi người Lần người đọc cách đầy đủ tồn trình tự 3.164.700.000 cặp base gene Tất kiện bật minh chứng điều rằng: Sự phát triển với thành tựu đạt di truyền học thời gian qua vơ to lớn! Để góp phần đổi nội dung giáo trình Di truyền học theo hướng cập nhật kiến thức phương pháp dạy học môn bậc Đại học, tham cứu nhiều tài liệu khác nỗ lực biên soạn giáo trình tinh thần Chúng tơi hy vọng giáo trình đáp ứng phần nhu cầu giảng dạy học tập giảng viên sinh viên, sử dụng tài liệu tham khảo bổ ích cho giáo viên Sinh học trường THPT bối cảnh đổi giáo dục Nội dung giáo trình gồm phần Mở đầu cộng với 12 chương bao quát kiến thức đại cương giáo trình Di truyền học Các chương 14 đề cập chủ yếu nội dung thuộc Di truyền học cổ điển, chương 5-10 tập trung vào phần Di truyền học phân tử chương 12 xem phần nhập môn Di truyền học quần thể, chương 11 kết hợp kiến thức di truyền cổ điển đại đối tượng người Cuối chương có phần Câu hỏi Bài tập Tài liệu Tham khảo để bạn đọc tiện ôn tập tra cứu Giáo trình Di truyền học đời khuôn khổ Dự án Giáo dục thuộc Đại học Huế, số kiến thức nâng cao đề cập giáo trình riêng, như: Di truyền Vi sinh vật Ứng dụng,và Công nghệ DNA Tái tổ hợp Bên cạnh đó, số thuật ngữ khoa học thống sử dụng tiếng Anh để giúp người học dễ dàng việc tiếp cận với thông tin qua sách báo nước ngồi internet H P H U 12 Giáo trình ThS Hoàng Trọng Phán (chủ biên), TS Trương Thị Bích Phượng TS Trần Quốc Dung giảng viên công tác Khoa Sinh học trường Đại học Sư phạm Đại học Khoa học thuộc Đại học Huế biên soạn, với phân công sau: ThS Hoàng Trọng Phán biên soạn phần Mở đầu chương 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10 12; TS Trương Thị Bích Phượng biên soạn chương 7, 9; TS Trần Quốc Dung biên soạn chương 11 Để giáo trình kịp thời mắt bạn đọc, xin trân trọng cảm ơn Dự án Giáo dục Đại học Huế tài trợ cho việc biên soạn xuất giáo trình khn khổ Dự án Giáo dục Đại học mức B Chúng tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn đặc biệt đến GS TS Phan Cự Nhân, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, dày công đọc thảo cho nhiều ý kiến quý báu khích lệ chúng tơi nhiều kể từ đề cương giáo trình bắt đầu hình thành Do khả cịn hạn chế, chắn giáo trình cịn nhiều thiếu sót Chúng tơi mong nhận phê bình bảo đồng nghiệp bạn đọc để giáo trình hồn chỉnh lần in sau H P U Huế, ngày 25 tháng năm 2005 H Các tác giả Mục lục 11 Lời nói đầu Mở đầu Hồng Trọng Phán I Khái niệm di truyền học II Lược sử phát triển di truyền học III Đối tượng lĩnh vực nghiên cứu di truyền học IV Các phương pháp nghiên cứu di truyền học V.Các nguyên tắc nghiên cứu phương pháp học tập di truyền học VI Di truyền học với công nghệ sinh học, tin học vấn đề xã hội H P 13 13 13 17 18 20 21 Chương 1: Cơ sở Di truyền học Mendel Hoàng Trọng Phán I Tiểu sử Mendel - Cha đẻ di truyền học II Đối tượng phương pháp thí nghiệm Mendel Đối tượng Phương pháp III Lai tính nguyên lý phân ly Kết thí nghiệm lai tính Giải thích kiểm chứng nguyên lý phân ly Nguyên lý phân ly tính phổ biến IV Lai hai tính ngun lý phân ly độc lập Kết thí nghiệm lai hai tính Giải thích nội dung nguyên lý phân ly độc lập V Sự di truyền Mendel người Các tính trạng lặn Các tính trạng trội VI Lý thuyết xác suất dự đoán phân tích di truyền học Một số khái niệm tính chất xác suất Một số nguyên lý xác suất VII Phương pháp χ2 (Chi-square method) đánh giá độ phù hợp số liệu quan sát kỳ vọng H U 24 24 25 25 26 26 26 27 28 28 28 29 30 31 32 33 33 34 39 Chương 2: Mở rộng Áp dụng Di truyền học Mendel Hoàng Trọng Phán I Các kiểu quan hệ gene allele tính trạng Các kiểu trội hồn tồn, khơng hồn tồn đồng trội Tác động gene gây chết (lethals) Hiện tượng đa allele (multiple allelism) II Tính đa hiệu gene (pleiotropy) III Các kiểu tương tác gene không allele Tương tác bổ trợ (complementary) Tương tác át chế (epistasis) Tương tác cộng gộp- di truyền đa gene tính trạng số lượng IV Các mối quan hệ kiểu gene - kiểu hình Thường biến mức phản ứng Độ thâm nhập (penetrance) độ biểu (expressivity) H P 43 43 43 45 46 47 48 49 52 54 59 59 60 Chương 3: Cơ sở Tế bào Sinh sản, Di truyền Biến dị U Hồng Trọng Phán I Sinh sản hữu tính tính ổn định nhiễm sắc thể II Hình thái học nhiễm sắc thể eukaryote Kích thước nhiễm sắc thể Tâm động kiểu nhiễm sắc thể Các kiểu băng nhiễm sắc thể (chromosomal bands) III Chu kỳ tế bào nguyên phân Chu kỳ tế bào (cell cycle) Nguyên phân (mitosis) IV Giảm phân, phát sinh giao tử thụ tinh Giảm phân (meiosis) Sự phát sinh giao tử (gametogenesis) Sự thụ tinh (fertilization) V Các biến đổi nhiễm sắc thể Các biến đổi cấu trúc nhiễm sắc thể Các biến đổi số lượng nhiễm sắc thể H 67 67 70 70 71 72 74 75 76 78 78 81 83 84 84 91 Chương 4: Di truyền học Nhiễm sắc thể Hoàng Trọng Phán 103 I Trường phái Morgan với thuyết di truyền nhiễm sắc thể Tầm quan trọng ruồi giấm Drosophila Thuyết di truyền nhiễm sắc thể II Sự xác định giới tính (sex determination) Sự xác định giới tính kiểu gene (GSD) Sự xác định giới tính mơi trường (ESD) III Sự di truyền liên kết với giới tính (sex-linked inheritance) Đặc điểm di truyền gene nhiễm sắc thể X Y Sự bất hoạt nhiễm sắc thể X số vấn đề liên quan Các tính trạng giới hạn giới tính chịu ảnh hưởng giới tính IV Liên kết tái tổ hợp gene nhiễm sắc thể Khám phá trao đổi chéo ruồi giấm Liên kết gene hoàn toàn (giảm phân khơng có trao đổi chéo) V Trao đổi chéo lập đồ di truyền Tần số tái tổ hợp Bản đồ di truyền Trao đổi chéo bốn sợi VI Lập đồ gene từ phép lai phân tích ba điểm Trao đổi chéo kép với việc xác định trật tự khoảng cách gene Độ nhiễu hệ số trùng hợp (coefficient of coincidence) VII Lập đồ phân tích bốn (tetrad analysis) H P H U 103 103 107 108 108 112 113 113 117 120 121 122 124 125 125 127 131 134 134 137 139 Chương 5: Bản chất Hoá học Tái Vật chất Di truyền Hoàng Trọng Phán 147 I Bằng chứng vật chất di truyền nucleic acid Các thí nghiệm biến nạp vi khuẩn Tính ổn định hàm lượng DNA sinh vật bậc cao Các thí nghiệm virus II Thành phần hố học cấu trúc DNA Cấu trúc nucleotide 147 147 148 149 150 150 Cấu trúc chuỗi polynucleotide Thành phần hoá học cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA Sơ lược đặc tính hố lý nucleic acid III Kích thước gene tính phức tạp mặt tiến hoá Sơ lược gene virus, prokaryote eukaryote Mối quan hệ kích thước gene tính phức tạp tiến hoá Hàm lượng DNA nghịch lý giá trị C Về kích thước DNA bào quan IV Tổ chức phân tử nhiễm sắc thể Cấu trúc chất nhiễm sắc Sơ lược thành phần DNA gene eukaryote V Tái DNA (DNA replication) Các nguyên tắc đặc điểm chung tái DNA Các enzyme tham gia tái DNA Cơ chế tái DNA VI Tái gene RNA (RNA genomes) Đặc điểm tái gene RNA virus Tái gene RNA Phiên mã ngược H P U 151 152 155 157 157 159 159 161 161 161 163 164 164 167 168 174 174 174 175 Chương 6: Gene Quá trình Sinh tổng hợp Protein H Hoàng Trọng Phán 179 I Sự phát triển khái niệm gene Các quan niệm Mendel Morgan gene Giả thuyết gene - enzyme Beadle Tatum Quan niệm Benzer đơn vị cấu trúc chức di truyền Mối quan hệ gene - cistron prokaryote eukaryote II Cấu trúc chức protein Cấu trúc protein Chức protein III Mã di truyền Bằng chứng di truyền học mã ba Giải mã di truyền 179 179 180 180 182 186 186 187 189 190 190 Các đặc tính mã di truyền Những ngoại lệ so với mã di truyền "phổ biến" Sự linh hoạt việc kết cặp anticodon-codon IV Cơ chế phiên mã (transcription) sửa đổi sau phiên mã Các RNA đặc điểm chung phiên mã Các RNA polymerase prokaryote eukaryote Các promoter prokaryote eukaryote Các giai đoạn trình phiên mã Sự sửa đổi sau phiên mã mRNA eukaryote V Cấu trúc chức loại RNA ribosome RNA thông tin (messenger RNA = mRNA) RNA vận chuyển (transfer RNA = tRNA) RNA ribosome (ribosomal RNA = rRNA) Ribosome VI Cơ chế dịch mã (translation) Hoạt hoá amino acid Cơ chế trình dịch mã (tổng hợp polypeptide) H P U 191 192 193 194 194 196 196 197 198 200 200 200 201 201 202 202 202 Chương 7: Sự Điều hồ Biểu Gene Trương Thị Bích Phượng 208 I Các nguyên lý điều hoà mức độ kiểm sốt phiên mã II Điều hồ biểu gene prokaryote Cấu trúc operon Điều hồ dương tính operon lactose Điều hồ âm tính operon tryptophan Phiên mã dở (attenuation) III Điều hoà biểu gene eukaryote Sự biến đổi DNA Các promoter Những trình tự tăng cường phiên mã (enhancer) Trình tự bất hoạt gene (gene silencing) Promoter chọn lọc (alternative promoter) Splicing chọn lọc H 202 209 210 212 213 215 217 218 218 219 220 220 220 Chương 8: Đột biến Gene, Tái tổ hợp Yếu tố Di truyền Vận động Trương Thị Bích Phượng 223 I Đột biến gene Các kiểu đột biến gene Các tác nhân gây đột biến gene Cơ chế phân tử đột biến gene II Sửa chữa bảo vệ DNA III Các yếu tố di truyền vận động (transposable genetic elements) Các yếu tố di truyền vận động prokaryote Các yếu tố di truyền vận động eukaryote H P 223 223 228 228 232 237 237 239 Chương 9: Sự Di truyền Tế bào chất Trương Thị Bích Phượng 245 I Sự di truyền tế bào chất Sự di truyền gene lạp thể Sự di truyền gene ty thể Hiệu dòng mẹ lên chiều xoắn vỏ ốc II Lập đồ ty thể lạp thể Lập đồ gene DNA lạp thể Lập đồ gene DNA ty thể III Di truyền học phân tử bào quan Các gene lạp thể (cpDNA) Các gene ty thể (mtDNA) H U 245 245 246 249 251 251 253 254 254 255 Chương 10: Đại cương Công nghệ DNA Tái tổ hợp Hoàng Trọng Phán 258 I Các cơng cụ kỹ thuật tạo dịng DNA tái tổ hợp Các enzyme giới hạn Các vector thông dụng kỹ thuật di truyền Thiết lập phân tử DNA tái tổ hợp in vitro II Tạo dòng gene hay DNA tái tổ hợp Nguyên tắc chung Quy trình tạo dịng gene tái tổ hợp Tổng hợp tạo dòng cDNA 258 258 260 261 263 263 264 267 281 Karyotype bệnh nhân mắc bệnh di truyền phát thấy tượng đoạn vùng đặc trưng nhiễm sắc thể Điều cho thấy locus gây bệnh nằm vùng bị Chiều dài đoạn bị biến đổi số bệnh nhân mắc bệnh Các đoạn nhiều bệnh nhân so sánh để xác định vùng bị tất bệnh nhân, thu hẹp lại vị trí gene bệnh Phương pháp lập đồ đoạn sử dụng để xác định vị trí gene chịu trách nhiệm ung thư võng mạc (retinoplastoma), hội chứng Prader Willi Angelman khối u Wilms Khối u Wilms khối u thận giai đoạn đầu đột biến nhiễm sắc thể số 11 gây Chú ý đoạn xảy nhiễm sắc thể cặp tương đồng, tạo bệnh nhân dị hợp tử đoạn bị Nếu đoạn bị đủ lớn để quan sát dễ dàng kính hiển vi xảy hai nhiễm sắc thể cặp tương đồng thường gây chết 2 Phương pháp lai chỗ (In situ hybridization) Đoạn DNA thu từ marker đa hình gene bệnh mà muốn biết vị trí tạo dịng với mẫu dị (probe) kỹ thuật DNA tái tổ hợp Mẫu dò đánh dấu với chất phóng xạ tritium chẳng hạn Sau mẫu dò đặt vào màng lai chứa nhiễm sắc thể kỳ mà DNA biến tính Mẫu dị phóng xạ bắt cặp bổ sung với DNA biến tính đoạn nhiễm sắc thể đặc trưng Bởi mẫu dị phát xạ nên vị trí xác định cách xác cách đặt phim nhạy cảm tia X lên màng lai (phóng xạ tự ghi (autoradiography)) Phương pháp lai chỗ sử dụng mẫu dị phóng xạ thường diễn chậm mức phân tích thấp (2-5 Mb) Kỹ thuật FISH (fluorescence in situ hybridization) sử dụng mẫu dò huỳnh quang thay cho mẫu dị phóng xạ nhanh cho phép phân tích vùng mẫu dị tốt hơn, thường khoảng Mb nhiễm sắc thể kỳ Bằng cách sử dụng nhiễm sắc thể kỳ trung gian, nhiễm sắc thể kỳ kết xoắn nhiễm sắc thể kỳ giữa, phân tích FISH tăng lên từ 25-250 kb 2.3 Lai tế bào soma Các tế bào soma loài khác sinh trưởng mơi trường ni cấy với có mặt số tác nhân polyethylene glycol virus Sendai, dung hợp với tạo thành tế bào lai Khi lai tế bào chuột tế bào người với thu tế bào lai chứa 86 nhiễm sắc thể : 46 nhiễm sắc thể người 40 nhiễm sắc thể chuột Sau tế bào lai phép chép Các tế bào bắt đầu số nhiễm sắc thể người chúng trải qua trình nguyên H P H U 282 phân Cuối tế bào lại nhiễm sắc thể đầy đủ chuột nhiễm sắc thể người Các tế bào lập karyotype để xác định nhiễm sắc thể người lại (nhiễm sắc thể người chuột phân biệt với dựa vào kích thước phương pháp băng) Sau tế bào nghiên cứu để xác định tế bào mang gene thích hợp nói đến Ví dụ gene ln ln tìm thấy tế bào chứa nhiễm sắc thể số người chưa phát tế bào không mang nhiễm sắc thể số 1, kết luận gene phải định vị nhiễm sắc thể số Sự có mặt gene tế bào lai phát số phương pháp Nếu gene mã hoá enzyme sản xuất tế bào xét nghiệm enzyme sử dụng Điện di protein sử dụng để nhận sản phẩm protein người để phân biệt với sản phẩm protein tương đương chuột Tuy nhiên phương pháp yêu cầu sản phẩm protein biết phải phát Thông thường hơn, nhà nghiên cứu kiểm tra lai dòng tế bào dung hợp với mẫu dị đánh dấu phóng xạ mang DNA quan tâm cách sử dụng phương pháp Southern blotting kỹ thuật PCR H P 2.4 Lập đồ lai phóng xạ (Radiation hybrid mapping) Phương pháp bắt đầu với thể lai tế bào soma chứa nhiễm sắc thể đơn người Sau tế bào chiếu với tia X tia γ để làm đứt gãy sợi kép nhiễm sắc thể Bức xạ giết chết tế bào chúng phải dung hợp với tế bào động vật gặm nhấm để tồn Một số tế bào lai tạo gọi thể lai phóng xạ (radiation hybrid) mang đoạn nhỏ nhiễm sắc thể người lai với nhiễm sắc thể gặm nhấm Sự có mặt nhiễm sắc thể người phát sàng lọc trình tự Alu Các trình tự Alu tìm thấy đoạn có kích thước vài kb nhiễm sắc thể người khơng tìm thấy nhiễm sắc thể gặm nhấm Bởi xạ bẻ gãy nhiễm sắc thể người khoảng cách ngẫu nhiên, locus định vị gần với locus khác tìm thấy thường đoạn nhiễm sắc thể (có xu hướng với nhau) Kỹ thuật PCR sử dụng để xác định thể lai phóng xạ mang tổ hợp đặc trưng locus người Sau sử dụng phương pháp thống kê để đánh giá cặp locus thường tìm thấy đoạn nhiễm sắc thể Kết cung cấp đánh giá khoảng cách tương đối locus Ngoài phương pháp người ta dùng phương pháp tạo dòng định vị (positional cloning), phân tích bảo tồn loài lai H U 283 (analysis of cross-species conservation), phân tích trình tự DNA máy tính, sàng lọc đột biến trình tự (screen for mutations in the sequence), kiểm tra biểu gene III Nhiễm sắc thể Y chất nhiễm sắc giới tính người Nhiễm sắc thể Y người Trái ngược với nhiễm sắc thể X, nhiễm sắc thể Y hồn tồn nhỏ chứa gene Phần lớn chiều dài nhiễm sắc thể Y không xảy tái tổ hợp chất dị nhiễm sắc Các đoạn lặp DNA xem xét tỉ mỉ Các vùng tương đồng cặp nhiễm sắc thể XY định vị đầu nhiễm sắc thể Y Các vùng kết cặp tái tổ hợp với nhiễm sắc thể X kỳ đầu giảm phân I Chúng gọi vùng nhiễm sắc thể thường giả (pseudoautosomal region-PAR) gene định vị vùng Hình 11.1 (cho đến phát gene) Nhiễm sắc thể di truyền hoàn toàn giống gene Y người nhiễm sắc thể thường Nam có hai gene này: PAR Y vùng tương đồng X Khoảng 95% chiều dài Y nằm PAR tạo vùng không tiếp hợp (nonrecombining region-NRY) Gần 80 gene tìm thấy Chúng xếp thành nhóm Các gene thuộc nhóm thứ (mã hố protein sử dụng cho tất tế bào (cả hai giới)) bểu nhiều mô Các gene giữ nhà (housekeeping gene) tương đồng X mà tránh khỏi bất hoạt X nữ Các gene thuộc nhóm thứ hai mã hố Hình 11.2 protein hoạt động chức tinh Sự tiếp hợp hồn khơng tương đồng X Một nhiễm sắc thể X gene có vai trị quan trọng nhóm Y SRY (sex-determing region Y) SRY định vị cánh ngắn nằm bên PAR gây khả biến đổi phôi thành nam giới H P H U 284 Chất nhiễm sắc giới tính người Đã từ lâu người ta biết nữ có hai nhiễm sắc thể X nam có nhiễm sắc thể X Như gene liên kết với nhiễm sắc thể X có hai nữ nam Nếu tất gene nhiễm sắc thể X hoạt động nữ hàm lượng các sản phẩm (như enzym chẳng hạn) gene mã hóa phải nhiều gấp đôi nam Trong thực tế hàm lượng sản phẩm Hình 11.3 Sự bất hoạt nhiễm sắc thể X hai giới Có thể giải thích điều ? Vào đầu thập niên 1960, Mary Lyon giả thuyết nhiễm sắc thể X tế bào soma nữ bị bất hoạt Hiện tượng dẫn đến kết gọi “ bù đắp liều lượng gene” (Gene dosage compensation) làm cho sản phẩm gene liên kết với nhiễm sắc thể X nam nữ ngang Giả thuyết Lyon cho bất hoạt nhiễm sắc thể X xảy sớm giai đoạn phát triển phôi giống Ở số tế bào, nhiễm sắc thể X bị bất hoạt có nguồn góc từ bố, tế bào khác nhiễm sắc thể X bị bất hoạt có nguồn gốc từ mẹ Q trình bất hoạt ngẫu nhiên Khi nhiễm sắc thể X bị bất hoạt tế bào, trì bất hoạt tất hệ tế bào cháu Như bất hoạt nhiễm sắc thể X ngẫu nhiên lại cố định Sự bất hoạt nhiễm sắc thể X dẫn đến kết tất thể bình thường có hai quần thể tế bào phân biệt: quần thể có nhiễm sắc thể X hoạt động nhận từ bố quần thể có nhiễm sắc thể X hoạt động nhận từ mẹ Với hai quần thể tế bào này, giống dạng khảm nhiễm sắc thể X, giống đực có nhiễm sắc thể X dạng bán hợp tử (hemizygous) nhiễm sắc thể X Giả thuyết Lyon đưa số chứng, phần lớn nhận từ nghiên cứu động vật người Các nghiên cứu Di truyền học thập kỷ 1940 cho thấy tế bào gian kỳ mèo thường chứa khối chất nhiễm sắc dày đặc bắt màu thuốc nhuộm nhân tế bào Các khối chưa tìm thấy giống đực Chúng gọi thể Barr, Murray Barr, nhà Di truyền học mơ tả chúng Barr giải thích thể Barr tương H P H U 285 ứng với nhiễm sắc thể X kết đặc cao Trạng thái kết đặc phản ánh thực tế ADN tái chậm ADN nhiễm sắc thể khác pha S Các nghiên cứu xác định mARN chép từ nhiễm sắc thể X tế bào bình thường Quá trình bất hoạt xảy khoảng hai tuần sau thụ tinh Quá trình khởi đầu vị trí đơn (single location) cánh dài nhiễm sắc thể X (trung tâm bất hoạt X) sau trải dài dọc theo nhiễm sắc thể Sự bất hoạt nhiễm sắc thể X thường xuyên tất tế bào soma cái, phải trở nên hoạt hóa dòng tế bào mầm thể cái, tế bào trứng nhận nhiễm sắc thể X hoạt động Theo giả thuyết Lyon, số lượng thể Barr tế bào soma luôn số nhiễm sắc thể X trừ Cơ thể bình thường có thể Barr tế bào soma đực lại khơng có Nam bị hội chứng Klinefelter (XXY) có thể Bar Dạng hội chứng dẫn đến câu hỏi: Nếu nhiễm sắc thể X thừa bị bất hoạt người mang nhiễm sắc thể X thừa có kiểu hình khơng bình thường ? Câu trả lời bất hoạt nhiễm sắc thể X khơng hồn tồn Một vài vùng nhiễm sắc thể X bất hoạt hoạt động tất Một nghiên cứu cho thấy 20% gene nhiễm sắc thể X bất hoạt hoạt động Các gene tương đồng với gene nhiễm sắc thể Y chúng góp phần tạo nên khơng bình thường kiểu hình Trung tâm bất hoạt X chứa gene cần thiết cho bất hoạt có tên XIST (X-inactive specific transcript), gene mã thành mARN 15-17 kb không dịch mã Một điểm đặc biệt khác nhiễm sắc thể X bất hoạt methyl hóa, có khả methyl hóa chịu trách nhiệm trì bất hoạt nhiễm sắc thể X đặc biệt tế bào H P H U IV Sự di truyền gene trội lặn nhiễm sắc thể thường nhiễm sắc thể giới tính Sự di truyền gene trội lặn nhiễm sắc thể thường 1.1 Sự di truyền gene trội nhiễm sắc thể thường Bệnh di truyền gene trội nhiễm sắc thể thường đựơc bắt gặp với tần số khoảng 1/200 Nếu tính riêng lẻ bệnh di truyền gene trội nhiễm sắc thể thường quần thể Tuy nhiên, bệnh phổ biến có tần số gene khoảng 0,001 Tính trạng hay bệnh di truyền gene trội nhiễm sắc thể thường có số đặc 286 điểm quan trọng Thứ nhất, hai giới biểu tính trạng với tỉ lệ gần Bố mẹ có vai trị ngang việc truyền tính trạng cho Thứ hai, khơng có ngắt qng hệ: kiểu hình bệnh truyền từ ơng bà sang bố mẹ, từ bố mẹ cho Nếu bố mẹ khơng bị bệnh khơng truyền bệnh cho Vì kiểu biểu gọi kiểu di truyền phân bố dọc (vertical transmission pattern) Thứ ba, truyền tính trạng từ bố cho trai không yêu cầu để đánh giá di truyền gene trội nhiễm sắc thể thường diện phả hệ loại trừ chắn kiểu di truyền khác (đặc biệt di truyền liên kết với nhiễm sắc thể X) Cuối cùng, thể dị hợp tử mang gene bệnh truyền tính trạng cho gần nửa họ 1.2 Sự di truyền gene lặn nhiễm sắc thể thường Giống bệnh di truyền gene trội nhiễm sắc thể thường, bệnh di truyền gene lặn nhiễm sắc thể thường quần thể Chỉ trạng thái đồng hợp biểu thành kiểu hình Các thể dị hợp phổ biến nhiều thể đồng hợp Sự di truyền gene lặn nhiễm sắc thể thường có số đặc điểm quan trọng Thứ nhất, kiểu hình bệnh biểu nhiều anh chị em không phát thấy hệ trước Do kiểu di truyền gọi kiểu di truyền phân bố ngang (horiziontal transmission pattern) Thứ hai, giống trường hợp di truyền gene trội nhiễm sắc thể thường, nam nữ có khả bị mắc bệnh với tỉ lệ ngang Thứ ba, trung bình khoảng 1/4 cặp bố mẹ dị hợp bị mắc bệnh Cuối cùng, tính đồng huyết (consanguinity) thường diện phả hệ liên quan đến bệnh gene lặn nhiễm sắc thể thường nhiều so với phả hệ liên quan đến kiểu di truyền khác Sự di truyền gene trội lặn nhiễm sắc thể giới tính 2.1 Sự di truyền gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X Một số tính trạng bệnh tiếng gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X gây Các kiểu di truyền gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X chắn khác với gene NST thường Bởi nữ di truyền hai nhiễm sắc thể X Ở nữ, tính trạng gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X giống với trường hợp tính trạng gene lặn nhiễm sắc thể thường quy định Tuy nhiên, có nhiễm sắc thể X bất hoạt tế bào, nửa số tế bào nữ dị hợp tử biểu allele bệnh nửa lại biểu allele bình thường Trong lúc nam di truyền allele bệnh lặn liên kết với nhiễm sắc thể X biểu bệnh nhiễm sắc thể Y không mang allele tương ứng H P H U 287 Một bệnh gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X với tần số q tất nam có đột biến biểu bệnh Nữ phải cần hai allele đột biến để biểu bệnh tần số biểu q2 trường hợp bệnh gene lặn nhiễm sắc thể thường quy định Kết cho thấy nam bị tác động cách thường xuyên nhiều so với nữ bệnh gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X Một số đặc điểm để phân biệt tính trạng bệnh lặn liên kết với nhiễm sắc thể X với tính trạng bệnh gene lặn nhiễm sắc thể thường: - Các gene liên kết với nhiễm sắc thể X không truyền trực tiếp từ bố cho trai - Gene liên kết với nhiễm sắc thể X truyền từ bố cho tất gái, gái khơng có biểu bệnh có mang gene bệnh Các gái mang gene bệnh truyền lại cho nửa số trai họ, trai bị bệnh Kiểu di truyền gây xuất hệ “ ngắt quãng” (skipped generations) Kiểu ghép đôi phổ biến gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể giới tính X kết hợp mẹ mang gene bệnh với bố bình thường Mẹ truyền gene bệnh cho nửa số trai nửa số gái Một kiểu ghép đôi phổ biến khác bố bị bệnh với mẹ bình thường Tất trai họ bình thường Bởi tất gái phải nhận nhiễm sắc thể X bố chúng trở thành thể mang gene bệnh dị hợp tử Như đứa biểu bệnh Kiểu ghép đơi phổ biến bố bị bệnh với mẹ thể mang gene bệnh Một nửa số gái họ trở thành thể mang gene bệnh dị hợp tử, nửa đồng hợp tử gene bệnh biểu bệnh Một nửa số trai bình thường nửa số trai bị bệnh Thỉnh thoảng có trường hợp nữ nhận đơn gene lặn gây bệnh liên kết với nhiễm sắc thể giới tính mà bị bệnh Các thể nữ gọi thể dị hợp biểu (manifesting heterozygotes) Bởi thể nữ thường trì phần nhỏ nhiễm sắc thể X hoạt động bình thường có khuynh hướng biểu bệnh tương đối nhẹ Ví dụ, gần 5% nữ dị hợp tử bệnh ưa chảy máu A (hemophilia A) có mức yếu tố đông máu VIII đủ thấp để xếp vào loại bệnh ưa chảy máu nhẹ Ít phổ biến nữ có nhiễm sắc thể X (hội chứng Turner) biểu bệnh gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X, bệnh ưa chảy máu A Nữ cịn bị bệnh gene lặn liên kết nhiễm sắc H P H U 288 thể X kết chuyển đoạn đoạn nhiễm sắc thể X Các trường hợp 2 Sự di truyền gene trội liên kết với nhiễm sắc thể X Sự di truyền gene trội liên kết với nhiễm sắc thể giới tính X giống di truyền gene trội nhiễm sắc thể thường Một cá thể cần thừa hưởng đơn gene trội liên kết với nhiễm sắc thể X biểu tính trạng bệnh Bởi nữ có hai nhiễm sắc thể X, mà nhiễm sắc thể X có khả mang gene bệnh nên nữ bị bệnh gần gấp đôi so với nam (trừ trường hợp rối lọan gây chết nam) Bố bị bệnh khơng thể truyền tính trạng cho trai Tất gái di truyền gene bệnh bị bệnh Bố bị bệnh thường dị hợp tử có 50% hội truyền allele bệnh cho gái trai 2.3 Sự di truyền liên kết với nhiễm sắc thể Y Số tính trạng bệnh biết gene nhiễm sắc thể Y qui định ít, gặp nam giới truyền trực tiếp từ bố cho trai mang tính chất “dòng họ nội” Tất trai bị bệnh (di truyền thẳng) gái không mang bệnh Các bệnh liên kết với nhiễm sắc thể Y tật nhiều lơng mọc vành tai, dày sừng lịng bàn tay, tật dính ngón số V Di truyền y học U H P Các bệnh di truyền rối loạn chuyển hoá bệnh nhiễm sắc thể 1.1 Các bệnh di truyền rối loạn chuyển hoá 1.1.1 Phenylketonuria (PKU) PKU dị tật bẩm sinh, di truyền gene lặn Mendel PKU Phelling phát lần vào vào năm 1934 Trẻ sơ sinh bị bệnh đột biến gene, gan khơng có khả tổng hợp phenylalanine hydroxylase nên dẫn đến tình trạng khơng kìm hãm chuyển hố phenylalanine thành tyrozine mà cịn gây ứ đọng phenylalanine máu, làm tăng phân giải phenyalanine thành axit phenylpyruvic, bị tích tụ máu Cả phenylalanine phenylpyruvic lên não nhiều đầu độc tế bào thần kinh Bản thân nước tiểu thải có phenylalanine Nếu đột biến gene lặn xảy khâu khác làm kìm hãm hoạt động enzyme tyrozinase, enzyme xúc tác phản ứng chuyển hoá tyrozine thành melanine dẫn tới bạch tạng Nhiều nước ngày đặt thủ tục để chẩn đoán cho trẻ sơ sinh, phát sớm dạng đồng hợp PKU ăn phần kiêng đặc H 289 biệt nghèo phenylalanine (cháo sữa ngựa) phần ăn khơng có phenylalanine (rau, mật ong, bơ, ) 1.1.2 Alcaptonuria Bateson,1902 Garrod, 1907 chứng minh bệnh gene lặn, thường xảy gia đình có người dịng máu lấy Biểu bệnh dễ nhận biết: nước tiểu bệnh nhân có màu đen nước tiểu chứa lượng lớn axit homogenetizic Ở người bình thường, axit homogenetizic enzyme oxydase phân giải thành axit axetoaxetic Khi thiếu enzyme oxydase axit homogenetizic không phân giải thải theo nước tiểu, bị oxy hố khơng khí tạo thành hợp chất có màu đen Khi cịn bé tật bẩm sinh chưa gây hậu nghiêm trọng đứng tuổi bị viêm khớp nặng, sụn tích luỹ nhiều sắc tố 1.2 Các bệnh nhiễm sắc thể Nhờ phát triển phương pháp nghiên cứu di truyền học người, đặc biệt phương pháp di truyền tế bào làm rõ chế phát sinh nhiều loại bệnh nhiễm sắc thể, phân ly khơng bình thường nhiễm sắc thể trình phân bào dị dạng, sai hình nhiễm sắc thể từ rối loạn cấu trúc, hình thái 1.2.1 Hội chứng Down Hội chứng Langdom Down phát lần vào năm 1866 Tần số bắt gặp khoảng 1/700 trẻ sơ sinh bệnh nhiễm sắc thể bắt gặp cao Thường nhiễm sắc thể bệnh nhân có 47 chiếc, thừa nhiễm sắc thể 21 Trong số trường hợp hội chứng kết chuyển đoạn nhiễm sắc thể 21 với nhiễm sắc thể nhóm D nhóm G Biểu bệnh lý ngu đần bẩm sinh, giảm trí lực, nhiều dị tật quan nội tạng, khơng có khả sinh dục, vóc dáng bé, lùn, cổ rụt, đầu bé, chẩm dẹt, mắt trịn, khe mắt xếch, mơi dày, lưỡi dày có xu thè thường xuyên Số liệu hội chứng Down trẻ em Việt Nam trình bày chương 1.2.2 Hội chứng Klinefelter H F.Klinefelter mô tả hội chứng lần vào năm 1942 Tần số bắt gặp khoảng 1/1000 bé trai sinh Kiểu nhân bệnh nhân 47, XXY Nguyên nhân thụ thai từ tế bào trứng XX với tinh trùng Y từ trứng X với tinh trùng XY Bệnh nhân nam khơng bình thường tuyến sinh dục, có số nét giống nữ , có vú nữ, đặc biệt tính trạng giới tính thứ cấp, trí tuệ phát triển, khơng có con, khổ người cao, chân tay dài (Hình 11.4) H P H U 290 1.2.3 Hội chứng Turner Hội chứng H.H.Turner phát lần vào năm 1938 Tần số bắt gặp khoảng 1/3000 trẻ em gái sơ sinh Kiểu nhân bệnh nhân 45, X Nguyên nhân tế bào trứng tinh trùng khơng có nhiễm sắc thể giới tính, nhiễm sắc thể giới tính nguyên phân lần phân cắt sau hình thành hợp tử XX XY Bệnh nhân có tầm vóc bé, thường bị dị khơng có buồng trứng, thiếu tính trạng giới tính thứ cấp khơng có nhiều dị dạng bề ngồi khác (Hình 11.5) H P U Hình 11.4 Hội chứng Klinefelter H Hình 11.5 Hội chứng Turner 291 Cần nói thêm là,ở Việt Nam, có số liệu nghiên cứu công bố bất thường nhiễm sắc thể thể bệnh Leukemia cấp, dạng bệnh tăng bạch cầu, hoại huyết (Phạm Quang Vinh, 2003) Cơ sở di truyền ung thư Có số chứng rõ ràng cho thấy ung thư bệnh biến đổi gene gây Các tế bào khối u có số lượng nhiễm sắc thể biến đổi nhiễm sắc thể thường có xếp lại Một vài chuyển đoạn đặc trưng với dạng ung thư định Phần lớn tác nhân đột biến tác nhân gây ung thư Tố bẩm (predisposition) với dạng ung thư tìm thấy di truyền số gia đình Có ba loại gene liên quan đến ung thư phát gene ung thư (oncogene), gene ức chế khối u (tumor suppressor gene) gene sửa chữa DNA (DNA repair gene) Phần lớn gene ung thư có nguồn gốc từ protooncogene Protooncogene gene mã hoá sản phẩm kiểm soát sinh trưởng biệt hoá tế bào Protooncogene hoạt hoá để tạo thành gene ung thư đột biến biểu mức Lần chúng phát retrovirus gây ung thư, phát khối u khơng có virus chuyển nhiễm vào tế bào 3T3 chuột Gene ung thư retrovirus v-onc khối u c-onc Thỉnh thoảng gene ung thư khuyếch đại tế bào khối u Phần lớn gene ung thư hoạt động allele trội làm tăng chức đột biến dẫn đến loại bỏ khả điều hoà kiểm sốt chu trình tế bào Ngược lại với gene ức chế khối u, gene ung thư không biểu đột biến dòng mầm (germline mutations) mà đột biến gây nên hội chứng ung thư di truyền (inherited cancer syndromes) Trong đột biến soma gây ung thư đơn phát (sporadic cancer) Một số khối u chuyển đoạn đặc hiệu làm tăng phiên mã gene ung thư mô tả đặc điểm Hiện tượng tìm thấy u lympho Burkitt (Burkitt’s lymphoma).Hoặc dung hợp hai protooncogene tạo thành gene lạ với đặc tính ung thư quan sát bệnh bạch cầu dạng tuỷ mạn tính (chronic myeloid leukemia) Gene ức chế khối u cần đến hai trở nên bất hoạt trước khối u phát triển Các đột biến đột biến lặn Thường thường bất hoạt xảy đột biến điểm allele allele khác Sự bất hoạt gene ức chế khối u xảy tế bào soma trình phát triển khối u Gene ức chế khối u nghiên cứu kỹ gene p53 Trong 40% khối u người, gene bị đột H P H U 292 biến p53 đóng vai trị điều hồ chu trình tế bào q trình chết theo chương trình tế bào (apoptosis) Một số ung thư gặp phần nhỏ ung thư phổ biến tập hợp lại số gia đình Các gia đình gọi có tố bẩm di truyền (hereditary predisposition) với ung thư Tố bẩm di truyền trở thành dạng đặc trưng ung thư ví dụ ung thư vú loại ung thư khác Tố bẩm di truyền tăng lên thơng qua đột biến dịng mầm gene ức chế khối u Tất tế bào soma cá thể mang allele đột biến có nguy hình thành khối u tăng cao bất hoạt allele đơn bình thường Ví dụ người gồm có gene võng mạc (retinoblastoma -Rb) nằm nhiễm sắc thể 13 gene tố bẩm di truyền ung thư vú ung thư buồng trứng (BRCA1) nằm nhiễm sắc thể 17 Allele bình thường bị bất hoạt khối u Các gene ung thư gia đình thường bị đột biến soma trường hợp không thường xuyên (không di truyền) loại ung thư Ung thư di truyền cho thấy kiểu di truyền gene trội nhiễm sắc thể thường người bệnh truyền tố bẩm di truyền cho nửa số họ Tuy nhiên đột biến gene ức chế khối u đột biến lặn Nó giải thích thực tế cá thể có hoạt động chức gene ức chế khối u tế bào thích hợp cho việc đột biến thứ hai gây bất hoạt hoạt động chức bình thường tế bào Sau tế bào đột biến kép phát triển thành khối u Các gene sửa chữa DNA kết hợp với ung thư di truyền Ví dụ bệnh da sừng hố sắc tố (xeroderma pigmentosum) đột biến lặn nhiễm sắc thể thường Người bệnh nhạy cảm với ánh sáng mặt trời họ thiếu endonuclease xúc tác cho việc sửa chữa DNA Các allele đột biến số gene khác dẫn đến tố bẩm ung thư ruột kết (colon cancer) Hai số đột biến liên quan đến sửa chữa DNA không hợp đôi (DNA mismatches) Các tế bào khối u sửa chữa DNA tổn thương hiệu tế bào bình thường tạo đột biến với tần số cao số đột biến trở thành gene ức chế khối u protooncogene Đây kiểu hình gene tăng cường đột biến (mutator phenotype) H P H U VI Tư vấn di truyền y học (Medical genetic counseling) Tư vấn di truyền y học hay gọi lời khuyên di truyền, trao đổi ý kiến, giải thích nguyên nhân, chế bệnh tật di truyền cho lời khuyên khả mắc bệnh đời cặp vợ 293 chồng mà thân họ số người dòng họ mắc phải bệnh Lời khuyên di truyền nhằm mục đích giúp cặp vợ chồng đến xin lời khuyên di truyền tự định có nên sinh hay khơng sinh phải để tránh cho đời đứa trẻ tật nguyền để giảm gánh nặng cho gia đình xã hội, cung cấp cho họ phương pháp, biện pháp đề phòng, điều trị hạn chế hậu cho thân cho Để có lời khun di truyền xác, nhà tư vấn di truyền y học phải tìm hiểu tiền sử gia đình, theo dõi phả hệ, xác định bệnh di truyền đột biến trội hay lặn di truyền theo qui luật nào, thăm khám cho người bị bệnh số trường hợp phải thăm khám cho người có liên quan gia đình, làm xét nghiệm chẩn đoán Các đối tượng cần xin lời khuyên di truyền cặp vợ chồng có bị bệnh di truyền; nam nữ niên trước xây dựng gia đình mà hai gia đình hai gia đình có người mắc bệnh di truyền; người bị vô sinh, sẩy thai liên tục, ; cặp vợ chồng muốn sinh theo ý muốn; hai vợ chồng vợ hay chồng làm việc điều kiện độc hại; biết vợ chồng mang gene bệnh; cặp vợ chồng lớn tuổi, đặc biệt người vợ người kết duyên dòng họ Trước lời khuyên di truyền hoàn toàn dựa vào hiểu biết qui luật di truyền, tính xác suất xảy cho trường hợp cụ thể, phân tích phả hệ để xác định bệnh di truyền theo qui luật Ngày kỹ thuật chẩn đoán trước sinh thực với phương pháp phân tích đáng tin cậy thể giai đoạn phôi thai thể mẹ phương pháp chọc dị dịch ối để phân tích di truyền học tế bào hoá sinh, quan sát gián tiếp bào thai nhờ siêu âm, quan sát trực tiếp bào thai soi phôi thai, lấy mẫu sinh phẩm từ phôi thai (máu, tua thai ) để xét nghiệm, phương pháp định lượng AFP (alpha feto protein) máu mẹ Chẩn đốn trước sinh cho phép đánh giá tình trạng nhiễm sắc thể, gene, tình trạng hoạt động enzyme bào thai giúp tư vấn di truyền y học có sở khoa học chắn lời khuyên xác H P H U Câu hỏi Bài tập Một cặp vợ chồng có đứa bị bệnh u xơ nang Đây bệnh gặp, quy định đột biến lặndi truyền theo định luật Mendel Cặp vợ chồng dự định sinh thêm Hãy tính xác suất để đứa cob tiếp theo: (a) Mang gene bệnh; (b) Không bị bệnh 294 Ở người, tính trạng tóc quăn trội so với tính trạng tóc thẳng, gene nằm nhiễm sắc thể thường quy định; bệnh mù màu gene lặn nằm nhiễm sắc thể giới tính X gây nên Bố mẹ có tóc quăn, mắt bình thường sinh trai tóc quăn, mù màu Hãy xác định kiểu gene bố mẹ Bố mẹ có nhóm máu A, sinh trai có nhóm máu A, gái có nhóm máu O Hãy tìm kiểu gene có người gia đình Kết thống kê số lượng lớn đứa trẻ sinh từ nhiều cặp vợ chồng, người chồng bị bệnh xỉn men cịn người vợ có men bình thường cho thấy: 50% bị bệnh xỉn men gái : 50% có men bình thường tồn trai Hãy xác định tính chất di truyền bệnh xỉn men viết sơ đồ lai từ P đến F1 Cho biết tính trạng men gene quy định Chồng bình thường, lấy vợ bị bệnh máu khó đơng Con họ có bị bệnh máu khó đơng khơng? "Bệnh mù màu bệnh máu khó đơng bệnh nam giới" Quan niệm có khơng? Hãy giải thích Trình bày phương pháp nghiên cứu di truyền người Trình bày phương pháp lập đồ di truyền người Nêu đặc điểm di truyền gene trội-lặn nhiễm sắc thể thường nhiễm sắc thể giới tính 10 Trình bày số bệnh di truyền rối loạn chuyển hoá bệnh nhiễm sắc thể H P H U Tài liệu Tham khảo Tiếng Việt Trần Quốc Dung 2003 Bài giảng Di truyền học người Trường Đại học Sư phạm Huế, Huế Phan Cự Nhân, Nguyễn Minh Công, Đặng Hữu Lanh 1999 Di truyền học người Trong: Di truyền học (Phan Cự Nhân , chủ biên) Tập II Trang: 161-248 NXB Giáo Dục Tiếng Anh Doris Bachtrog, Brian Chalesworth 2001 Towards a complete sequence of the human Y chromosome Genome Biol (5): reviews 1016.1- reviews 1016.5 Published online 2001 April 26 295 Jorde, Carey, Bamshad, White 2000 Medical Genetics Printed in the United States of America Winter P C., Hickey G.I., Fletcher H L 1998 Genetics Printed by Biddles Ltd, Guilford, UK http://users.rcn.com/jkiball.ma.ultranet/BiologyPages/S/SexChromosomes html http://cas.bellarmine.edu/tietjen/HumanBiology/bill_developmental_abnor malities.htm H P H U