Di truyền học quần thể ( phần 1 ) Trạng thái cân bằng của quần thể giao phối 1. Định luậtHardy-weinberg Năm 1908, nhà toán học người Anh G.N. Hardy và một bác sĩ người Đức là W. Weinberg đã độc lập nghiên cứu, đồng thời phát hiện ra quy luật phân bố các kiểu gen và kiểu hình trong quầnthể giao phối. Nội dung định luật chỉ ra rằng, trongnhững điều kiện nhất định, thì trong lòng một quần thể giao phối tần số tương đối của các alen ở mỗi gen có khuynh hướng duy trì không đổi từ thế hệ nay sang thế hệ khác. Ví dụ trong trường hợp đơn giản, gen A có 2 alen là A và a, thì trong quần thể có 3 kiểu trên AA, Aa, aa. Giả sử các kiểu gen trong quần thể ở thế hệ xuất phát là: 0,64AA + 0,32Aa + 0,04aa = 1 thì tần số tương đối củaalen A là: và tần số tươngđốicủaalen a là: 0,04 + 0,32/2 = 0,2 Tần số của A so với a ở thế hệ xuất phát là: 0,64 + 0,32/2 = 0,8 A/a = 0,8/0,2. Tỷ lệ này có nghĩa là trong số các giao tử đực cũng như giao tử cái, số giao tử mang alen A chiếm 80%, còn sốgiao tử mang alen a chiếm 20%. Khi tổ hợp tử do các loại giao tử này tạo ra thế hệ tiếptheo như sau: ♂ ♀ 0,8A 0,2a 0,8A 0,64AA 0,16Aa 0,2a 0,16Aa 0,04aa Tần số tương đối các kiểu gen ở thế hệ này là: 0,64AA + 0,32Aa + 0,04aa = 1 và tần sốtương đối các alen: A/a = 0,8/0,2 Trong các thế hệ tiếp theo tần số đó vẫn không thay đổi. Tổng quát: Nếu một gen A có 2 alen: A với tần số p; a với tần số q thì ta có công thức: P 2 AA + 2pqAa + q 2 aa = 1 . Lưuý rằng: p 2 + 2pq + q 2 = (p + q) 2 = 1 => p + q = 1 => q = (1 - p) Do đó sự phân bố các kiểu trên còn có thể diễnđạt bằng: [pA + (1 - p) a] 2 = 1 Nếu gen A có số alen nhiều hơn 2, ví dụ: a1, a2, a3 với các tần số tương ứng p, q, r, thì sự phân bố các kiểu trên trong quần thể sẽ tương ứng với sự triển khai biểu thức(p + q + r + ) 2 =1. Định luật Hardy-weinberg chỉ áp dụng cho quần thể giao phối và chỉ nghiệm đúng trongnhững điều kiện sau: - Có sự giao phối tự do, nghĩa là cá cá thể có kiểu gen và kiểu hình khác nhau trong quần thể đều giao phối được với nhau, với xác suất ngang nhau. Đây là điều kiện cơ bản nhất. - Quần thể phảicó số lượng cá thể đủ lớn. - Các loại giao tử mang alen trội, lặn được hình thành qua giảm phân với tỷ lệ ngang nhau, có sức sống nhưnhau, tham gia vào thụ tinh vớixác suất ngang nhau. - Các cơ thể đồng hợp và dị hợp có sức sống ngang nhau, được truyền gen cho các thếhệsau ngang nhau. - Không có áp lựccủaquá trình đột biến và quá trình chọn lọctự nhiên hoặc áp lực đó là không đángkể. - Quần thể đượccách ly với các quần thể khác,không có sự trao đổi gen. 2. Ý nghĩa địnhluậtHardy-weinberg Về thực tiễn, dựa vào công thức Hardy-weinberg có thể từ tỷ lệ kiểu hình suy ra tỷ lệ kiểu gen và tần số tương đối các alen, ngược lại, từ tần số tương đối của alen đãbiết có thể dự tính tỷ lệ các kiểugen và kiểu hình. Nắm được kiểu gen của một số quần thể có thể dự đoán tác hại của các đột biến gây chết, đột biến có hại, hoặc khả năng gặp những đồnghợptử mang đột biếncó lợi. Về lý luận, định luật Hardy-weinberg giải thích vì sao trong tự nhiên có những quần thể đứng vững trạng thái ổn định trong thời gian dài. Trong tiến hoá, sự duy trì,kiên định những đặc điểm đạt được có ý nghĩa quan trọng chứ không phải chỉ có sự phát sinh các đặc điểm mới mới có ý nghĩa. Cấu trúc di truyền của quần thể 1. Quần thể tự phối Tự phối hay giao phối gần (gọi chung là nội phối) làm cho quần thể dần dần bị phân thành những dòng thuần có kiểu gen khác nhau. Trải qua nhiều thế hệ nội phối, các gen ở trạng thái dị hợp chuyển sang trạng thái đồng hợp. Số thể dị hợp giảm dần, số đồng hợp tăng dần. Sơ đồ 1: Sự biến đổi cấu trúc di truyền của quần thể tự phối qua các thế hệ 2. Quần thể giao phối a/ Tính đa hình của quần thể giao phối Quá trình giao phối là nguyên nhân làm cho quần thể đa hình về kiểu trên, sự đa hình về kiểu trên tạo nên sự đa hình về kiểu hình. Chẳng hạn, một gen A có a alen a 1 và a 2 qua giao phối tự do ra 3 tổ hợp a 1 a 1 , a 2 a 2 . Nếu gen A có 3 alen a 1 , a 2 , a 3 sẽ tạo ra 6 tổ hợp a 1 a 1 , a 1 a 2 , a 1 a 3 , a 2 a 2 , a 2 a 3 , a 3 a 3 . Tổng quát, nếu gen A có r alen thì qua giao phối tự do, số tổ hợp về gen A sẽ là: G A = r(r -1)/2 Nếu có 2 gen A và B nằm trên những nhiễm sắc thể khác nhau, thì số tổ hợp các alen về cả 2 gen A và B cùng một lúc sẽ là: G = g A x g B Ví dụ gen A có 3 alen, gen B có 4 alen, thì G = 6 x 10 = 60. Tất cả các tổ hợp gen trong quần thể tạo nên vốn gen (gen pool) của quần thể đó. Sự đa hình về kiểu trên bao giờ cũng phong phú hơn sự đa hình về kiểu hình, vì sự biểu hiện kiểu hình của một alen đòi hỏi những tổ hợp đen xác định và điều kiện ngoại cảnh thuận lợi. Một quần thể được gọi là đa hình khi trong quần thể tồn tại nhiều kiểu hình khác nhau ở trạng thái cân bằng tương đối ổn định. Trong một quần thể có thể đa hình về tính trạng này nhưng đơn hình về tính trạng khác. b/ Tần số tương đối của các alen trong quần thể giao phối Tỷ lệ phần trăm mỗi loại kiểu hình trong quần thể được gọi là tần số tương đối các kiểu hình. Tần số tương đối của một hiện được tính bằng tỷ lệ phần trăm số giao tử mang alen đó. Từ tỷ lệ phân bố các kiểu hình có thể suy ra tỷ lệ phân bố các kiểu trên và từ đó suy ra tần số tương đối của các diễn. Ví dụ: có thể tính tần số tương đối của các diễn M và N (hệ nhóm máu M, N) trong hai quần thể người như sau: Bảng 1 : Tần số tương đối của các alen M và N Kiểu hình: M N N Kiểu gen: M N N N Tần số tương đối của alen Quầ n thể Số cá th ể được NC Số lượn g % Số lượng % Số lượng % M N 1.Da trắn g ch. 6.12 9 1.787 29,1 6 3.039 49,58 1.303 21,26 0,539 0,460 2.Thổ dân Úc 730 22 3,01 216 29,59 492 67,40 01178 0,822 Những người thuộc nhóm máu M có kiểu trên MM cho ra toàn giao tử mang gen M, những người thuộc nhóm máu N, có kiểu gen NN, cho ra toàn giao tử mang men N, những người thuộc nhóm máu MN, có kiểu trên MN, cho một nửa giao tử mang alen M và một nửa số giao tử mang alen N. Tần số tương đối alen M ở quần thể 2 là: 3.01% + (29,59%)/2 + 17,79% = 0,178% Điều này có nghĩa, trong quần thể này cứ 1000 giao tử thì có 178 giao tử mang alen M, còn 822 giao tử mang alen N. Tần số này thay đổi tuỳ quần thể người. Tóm lại, tần số tương đối của các alen về một bên nào đó là dấu hiệu đặc trưng cho sự phân bố kiểu gen và kiểu hình trong quần thể đó. Chọn lọc tự nhiên tác động lên thành phần di truyền của quần thể Cả ba quá trình gây biến đổi tần số gene đã xét trên đây đều có một điểm chung là không một quá trình nào định hướng đối với sự thích nghi (adaptation). Theo nhận định của một số tác giả (Mayer 1974; Ayala và Kiger 1980), các quá trình này là ngẫu nhiên đối với sự thích nghi, do đó tự thân chúng sẽ phá hoại tổ chức và các đặc tính thích nghi của sinh vật. Chỉ có chọn lọc tự nhiên (natural selection) mới là quá trình thúc đẩy sự thích nghi và hạn chế các hiệu quả phá hoại tổ chức của các quá trình khác. Trong ý nghĩa đó, chọn lọc tự nhiên là quá trình tiến hóa khốc liệt nhất, bởi vì chỉ có nó mới có thể giải thích được bản chất thích nghi, tính đa dạng (diversity) và có tổ chức cao của các sinh vật. Ý tưởng về chọn lọc tự nhiên như là quá trình nền tảng, là động lực của sự biến đổi tiến hóa do Charles Darwin và Alfred Russel Wallace độc lập đưa ra năm 1858. Lý luận tiến hóa bằng chọn lọc tự nhiên đã được phát triển đầy đủ, với chứng cứ ủng hộ xác đáng, trong cuốn Nguồn gôc các loài (The Origin of Species) do Darwin xuất bản năm 1859. Theo Hartl et al (1988, 1997), trên quan điểm thuyết tổng hợp hiện đại, có thể hình dung chọn lọc tự nhiên xảy ra dựa trên ba điểm chính: (1) Ở mọi sinh vật, đời con được sinh ra nhiều hơn số sống sót và sinh sản; (2) Các cá thể khác nhau về khả năng sống sót và sinh sản và phần lớn những khác biệt này là do kiểu gene; (3) Trong mỗi thế hệ, các kiểu gene sống sót sẽ sinh sản nhiều hơn và quyết định sự phân bố lại các kiểu gene ở thế hệ sau. Hậu quả là, các allele tăng cường sự sống sót và sinh sản sẽ gia tăng tần số từ thế hệ này sang thế hệ khác, và quần thể đó sẽ ngày càng sống sót và sinh sản tốt hơn với môi trường của nó. Trên quan điểm đó, chọn lọc tự nhiên được định nghĩa là sự sống sót và sinh sản biệt hóa của các kiểu gene. Để hiểu được các tác dụng của chọn lọc lên biến dị di truyền, ta phải xét xem độ phù hợp tương đối (relative fitness) của các kiểu gene khác nhau. Nó có nhiều thuật ngữ đồng nghĩa như: độ phù hợp Darwin (Darwinian fitness), giá trị chọn lọc (selective value), hay giá trị thích nghi (adaptive value). Tựu trung, nó có thể được định nghĩa như là khả năng tương đối của các kiểu gene khác nhau trong việc truyền lại các allele cho những thế hệ tương lai (Weaver và Hedrick 1997). Bởi vì chọn lọc tự nhiên tác động bằng sự sinh sản biệt hóa, nên ta có thể xem nó là số đo hiệu năng sinh sản của một kiểu gene. Để cho tiện, các nhà di truyền học thường đặt định trị số độ phù hợp (w) bằng 1 cho kiểu gene có hiệu năng sinh sản cao nhất. Một đơn vị đo liên quan là hệ số chọn lọc (selection coefficient), được ký hiệy bằng s, và được định nghĩa là s = 1 − w. Hệ số chọn lọc đo mức độ giảm bớt độ phù hợp của một kiểu gene. Giả sử mỗi thế hệ các kiểu gene AA và Aa đều sinh được 100 con, còn thể đồng hợp lặn sinh được 80 con; nếu ta coi độ phù hợp của các cá thể mang allele trội là 1, thì độ phù hợp của các thể đồng hợp lặn là 0,8. Hiệu số của các trị số độ phù hợp này chính là hệ số chọn lọc (s), và trong trường hợp này s = 1 − 0,8 = 0,2. Nếu như các kiểu gene có khả năng sống sót và sinh sản như nhau thì s = 0; nếu một kiểu gene nào đó gây chết hoặc làm bất thụ hoàn toàn thì s = 1. 1. Chọn lọc và đột biến Chọn lọc có xu hướng đào thải các allele có hại ra khỏi quần thể, trong khi đột biến có thể tạo ra các allele có hại mới. Quần thể sẽ giữ nguyên trạng thái phân bố các kiểu gene nếu như tần số đột biến mới xuất hiện vừa đúng bằng tần số allele bị chọn lọc đào thải. Sau đây ta thử xét sự cân bằng này trong trường hợp "Chọn lọc chống lại các đồng hợp tử lặn". Giả sử A là allele bình thường và a là allele có hại với tần số tương ứng của chúng là p và q. Khi đó độ phù hợp hay giá trị thích nghi của các kiểu gene AA, Aa và aa tương ứng là 1: 1: 1-s. Trong trường hợp này tốc độ đào thải allele a khỏi quần thể bởi chọn lọc sẽ là sq 2 . Nếu cho rằng tốc độ đột biến thuận (A → a) là u, thì tốc độ xuất hiện allele a mới trong quần thể là up. Vì p ≈ 1 (do tần số a rất thấp) nên có thể coi up ≈ u. Với cơ chế ngẫu phối, quần thể sẽ ở trạng thái cân bằng khi tốc độ xuất hiện đột biến mới bằng tốc độ đào thải, nghĩa là u = sq 2 , hay khi tần số allele lặn trong quần thể ở mức q = . Tương tự, đối với allele trội, u = sp hay p = u/s. Ví dụ: Tần số mắc bệnh PKU ở trẻ sơ sinh là khỏang 4 trên 100.000; do đó q 2 = 4×10 -5 . Hiệu quả sinh sản của các bệnh nhân không được chữa trị là zero, hay s = 1. Khi đó u = sq 2 = 4 ×10 -5 . Tần số allele này trong các quần thể người là q = = 6,3×10 -3 và tần số của các thể dị hợp là: 2pq ≈ 2q = 2(6,3×10 -3 ) = 1,26×10 -2 Điều đó có nghĩa là, trong 100 người có khoảng 1,3 người mang allele đó, mặc dù có 4 trong 100.000 người mắc bệnh PKU. Tần số của allele này có mặt trong các thể dị hợp bằng một nửa của 1,26×10 -2 hay 6,3×10 -3 ; và tần số của allele đó ở các thể đồng hợp là 4 ×10 -5 . Do vậy các allele PKU có mặt trong các thể dị hợp nhiều hơn 6,3×10 -3 / 4 ×10 -5 = 158 lần so với các thể đồng hợp. Như đã nói từ đầu, các allele hiếm tồn tại trong quần thể hầu hết ở các thể dị hợp. 2. Ưu thế dị hợp tử Ưu thế dị hợp tử hay siêu trội (overdominance) là trường hợp chọn lọc ưu ái ủng hộ các thể dị hợp nhiều hơn cả hai dạng đồng hợp tử. Khi đó chọn lọc không loại thải allele nào. Ở mỗi thế hệ, các thể dị hợp sẽ sinh sản mạnh cho nhiều con cháu hơn các thể đồng hợp và chọn lọc sẽ giữ lại cả hai allele cho đến khi quần thể tạo được trạng thái cân bằng, với các tần số allele không thay đổi. Một ví dụ nổi bật về hiện tượng siêu trội trong các quần thể người là bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, một bệnh phổ biến ở châu Phi và châu Á. Bệnh này có liên quan đến một dạng sốt rét do ký sinh trùng phổ biến gây ra là Plasmodium falciparum. Allele Hb S gây chết trước tuổi trưởng thành ở những người đồng hợp tử Hb S Hb S . Tần số allele này có thể cao hơn 10% ở các vùng có sốt rét nói trên, bởi vì các thể dị hợp Hb A Hb S đề kháng được sự nhiễm sốt rét, trong khi các thể đồng hơp Hb A Hb A thì không có khả năng đó. . Di truyền học quần thể ( phần 1 ) Trạng thái cân bằng của quần thể giao phối 1. Định luậtHardy-weinberg Năm 19 08, nhà toán học người Anh G.N. Hardy và một bác. 2pqAa + q 2 aa = 1 . Lưuý rằng: p 2 + 2pq + q 2 = (p + q) 2 = 1 => p + q = 1 => q = (1 - p) Do đó sự phân bố các kiểu trên còn có thể di nđạt bằng: [pA + (1 - p) a] 2 = 1 Nếu gen A. các đặc điểm mới mới có ý nghĩa. Cấu trúc di truyền của quần thể 1. Quần thể tự phối Tự phối hay giao phối gần (gọi chung là nội phối) làm cho quần thể dần dần bị phân thành những dòng thuần