giáo trình di truyền học

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG GIÁO TRÌNH DI TRUYỀN HỌC ĐÀ NẴNG 2009 MỤC LỤC Chương Bản chất vật chất di truyền I DNA vật chất di truyền 1 Các chứng minh gián tiếp Thí nghiệm biến nạp DNA ( Transformation) Sự xâm nhập DNA virus vào vi khuẩn II Thành phần cấu tạo hóa học acid nucleic DNA 1.1 Cấu tạo hóa học DNA 1.2 DNA cuộn lại tế bào 11 RNA 14 2.1 RNA riboxom (ribosomal RNA-rRNA) 14 2.2 RNA vận chuyển (Transfer RNA - tRNA) 15 2.3 RNA thông tin (messenger RNA – mRNA) 17 2.4 Ribozym self-splicing 18 III Các tính chất DNA 20 Biến tính (denaturation) hồi tính (renaturation) 20 Lai acid nucleic 22 IV Những cấu trúc chứa DNA tế bào 23 Những đoạn DNA chứa thông tin di truyền 23 Virus chứa DNA virus chứa RNA 24 Nhiễm sắc thể plasmid vi khuẩn .25 Nhiễm sắc thể Eukaryota .25 4.1 Các trình tự lặp lại đơn độc 25 4.2 Nhiễm sắc thể Eukaryota .27 4.3 Trình tự CEN 29 4.4 Trình tự Tel 29 Câu hỏi ôn tập 30 Tài liệu tham khảo 30 Chương Sao chép DNA 31 I Sự bền vững DNA với thời gian qua nhiều hệ 31 DNA bị biến đổi không chép .31 Trình tự nucleotid trì với mức xác cao qua nhiều hệ 32 Các hệ thống bảo vệ DNA 33 Sửa sai phục quang hồi 34 Hệ thống SOS 35 II Cơ chế phân tử chép DNA 36 Nguyên tắc chung 36 Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA 37 Thí nghiệm chứng minh có tự nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo tồn 37 Diễn biến chép DNA nhiễm sắc thể E.coli 38 4.1 Giai đoạn khởi (initiation) 38 4.2 Giai đoạn nối dài (elongation) 39 III Sao chép DNA tế bào 40 Sao chép nhiễm sắc thể Prokaryote 40 Sao chép nhiễm sắc thể tế bào Eukaryote 41 Câu hỏi ôn tập 42 Tài liệu tham khảo 42 Chương Cơ sở tế bào học tính di truyền 44 I Các cấu trúc tế bào khả tự tái sinh 44 Các cấu trúc có khả tự tái sinh .44 Nhiễm sắc thể 45 2.1 Hình thái NST 45 2.2 Kiểu nhân nhiễm sắc đồ: 47 2.3 Chất nhiễm sắc 47 Các nhiễm sắc thể đặc biệt 48 II Chu trình tế bào phân bào Eukaryote 51 Chu trình tế bào .51 Nguyên phân (Mitosis) 52 Giảm phân (meiosis) 53 III Các kiểu sinh sản 59 1.Sinh sản vô tính 59 Sinh sản hữu tính 59 Các hình thức sinh sản đặc biệt .61 Chu trình sống hay vòng đời 63 Câu hỏi ôn tập 64 Tài liệu tham khảo 64 Chương Các quy luật di truyền Mendel 66 I Phương pháp thí nghiệm Mendel 66 Tính trạng hay dấu hiệu (character) 66 Cách tiến hành thí nghiệm: 68 II Lai tính trạng-Quy luật giao tử khiết 69 1.Thí nghiệm 69 Giải thích Mendel 70 3.Tính trội không hoàn toàn di truyền tương đương 70 Cơ sở tế bào học 70 Thí nghiệm chứng minh trực tiếp phân ly mức giao tử 72 Quy luật thứ (quy luật giao tử khiết 72 III Lai hai tính nhiều tính 73 Lai hai tính - Quy luật phân ly độc lập tổ hợp tự 73 Lai với nhiều cặp tính trạng 73 Một số tính trạng Mendel người 75 Các quy luật chung tính di truyền 77 Câu hỏi ôn tập 77 Tài liệu tham khảo 78 Chương Tương tac gen 79 I Sự tương tác gen gen alen 79 Hiện tượng gây chết 79 Sự tương tác alen gen .82 II Sự tương tác gen không alen 83 Tương tác át chế 83 Tương tác đa gen 88 Tính đa hiệu gen 89 III Những phức tạp biểu cuả gen 89 Gen biến đổi (Modifier gene) 89 Các tính trạng bị giới hạn giới tính 90 Các tính trạng có biểu phụ thuộc vào giới tính 90 IV Độ thấm (penetrance) độ biểu (expression) 91 Độ thấm (độ thâm nhập) 91 Độ hay độ biểu 92 V Tác động môi trường 93 Tác động môi trường bên 93 Tác động môi trường bên 94 Câu hỏi ôn tập 95 Tài liệu tham khảo 95 Chương Học thuyết di truyền nhiễm sắc thể 96 I Sự xác định giới tính di truyền liên kết với giới tính 96 Tỉ lệ phân li giới tính 96 Các gen liên kết với giới tính 98 Các tính trạng liên kết với giới tính di truyền học người 101 Gen nam giới gen nữ giới người 101 4.1 Gen xác định nam giới 101 4.2 Gen xác định nữ giới 102 NST X bất hoạt người 102 Hiện tượng không chia ly NST 104 Xác định giới tính số bội thể 106 Xác định giới tính điều kiện môi trường 106 II Sự di truyền liên kết 107 Hiện tượng liên kết 107 Liên kết hoàn toàn 108 Hiện tượng di truyền liên kết không hoàn toàn 108 Các nhóm liên kết(Genelinkage) 109 III Hiện tượng tái tổ hợp 109 Tái tổ hợp trao đổi chéo 109 Cở sở tế bào học trao đổi chéo .111 Trao đổi chéo giai đoạn sợi 112 Trao đổi chéo nhiều lần .114 Nhiễu (Interference) trùng hợp (Coincidence) 114 IV Xác định vị trí gen đồ di truyền 115 1.Xác định vi trí gen 115 Bản đồ di truyền NST đồ di truyền tế bào 116 V NST người đồ NST người 119 NST người 119 Kỹ thuật lai tế bào soma 120 Câu hỏi ôn tập 122 Tài liệu tham khảo 122 Chương Di truyền học Vi khuân 123 I Ưu đặc điểm đối tượng vi sinh vật 123 Thời gian hệ ngắn, tốc độ sinh sản nhanh .123 Có tăng vọt số lượng cá thể 123 Có cấu tạo máy di truyền đơn giản 124 Dễ nghiên cứu kỹ thuật vật lý hóa học 124 II Đặc điểm di truyền vi sinh vật 124 III Sinh học vi khuẩn 125 Cấu tạo tế bào sinh sản 125 Đặc điểm nuôi cấy 127 IV Biến nạp ( Transformation) 127 Hiện tượng điều kiện .127 Cơ chế biến nạp 128 2.1 Xâm nhập DNA 128 2.2 Bắt cặp 130 2.3 Sao chép 130 V Tải nạp (Transduction) 130 Phage nhân tố chuyển gen .130 chế 131 Phân biệt dạng tải nạp 132 VI Giao nạp (Conjugation) 133 Chứng minh có lai vi khuẩn 134 Sự phân hóa giới tính vi khuẩn 135 Các nhân tố F' tính nạp (Sexduction) 137 Cơ chế tái tổ hợp 137 VII Cơ sở di truyền tính kháng thuốc vi khuẩn gây bệnh người 139 Câu hỏi Bài tập 140 Tài liệu Tham khảo 140 Chương Di truyền học Virus 142 I Di truyền học thể thực khuẩn (Bacteriophage hay phage) 142 Sự hình thành vết tan thể đột biến phage 142 Tái tổ hợp di truyền chu kỳ sinh tan (Lytic cycle) 144 2.1 Chu trình tan (Lytic cycle) 144 Sự xếp gene nhiễm sắc thể phage 146 Lập đồ cấu trúc tinh vi vùng rII phage T4 .147 Tính tiềm tan (Lysogeny) phage λ 151 II Đặc tính virus 153 Tính đa dạng cấu trúc thành phần di truyền 153 Tính đặc thù vật chủ (Host specificity) 154 III Tái virus 154 Các virus vi khuẩn 157 Các virus thực vật 157 Các virus động vật 158 Virus gây ung thư, HIV/ AIDS .160 Câu hỏi Bài tập 163 Tài liệu Tham khảo 163 Chương Di truyền học Vi nấm Vi tảo .165 I Đại cương nghiên cứu di truyền số vi tảo thông dụng 165 II Phân tích di truyền vi nấm 166 Tính không dung hợp (incompatibility) vi nấm 166 Phân tích bốn lập đồ vi nấm 167 Người ta tính DNA tế bào người ngày 5000 purin trình purin (depurination): tác dụng nhiệt liên kết N-glycosil bị thủy phân Quá trình biến đổi làm amin (desamination): biến cytosin thành uracin Mỗi ngày tế bào người có khoảng 100 biến đổi Con người thường xuyên chịu tác động tia tử ngoại làm tạo dimer thymine Hình 2.2 Sự hình thành dimer thymine tác dụng tia tử ngoại Trình tự nucleotid trì với mức xác cao qua nhiều hệ Dùng nucleotid enzyme DNA polymerse để tổng hợp DNA in vitro Sai sót trường hợp 10-5 Như chép ống nghiệm có mức xác cao, đối chiếu lên sinh vật mức sai sót lớn 32 Bằng cách đánh giá tần số đột biến xuất quần thể lớn theo dõi biến đổi enzyme nuôi cấy mô tế bào, người ta tính thể sinh vật sai sót chép in vivo 1.10-9 Đánh giá tốc độ biến đổi tiến hóa khẳng định mức xác cao chép in vitro Các hệ thống bảo vệ DNA Trong tế bào có loạt hệ thống để bảo vệ DNA: - Các sinh vật tiền nhân nhân thực chứa enzyme có nhiệm vụ methyl hóa điểm định Các enzyme cắt hạn chế dòng vi khuẩn không cắt DNA chúng methyl hóa điểm cần thiết, DNA ngoại lai không methyl hóa điểm định nên bị cắt Tế bào có hệ thống sửa sai (repair system): + Sửa sai bắng cách cắt bỏ tổng hợp sợi Các enzyme DNA polymerase I, II, III có hoạt tính polymerase hóa, có hoạt tính exonuclease theo hướng 5-3 Hình 2.3 Sửa sai cắt bỏ tổng hợp lại đoạn bị hỏng 33 + Sửa sai nhờ chế tái tổ hợp Ngay chép có hệ thống bảo vệ: DNA có hai mạch, sai hỏng mạch, dựa vào mạch lại để tổng hợp đoạn sai hỏng Một số enzyme đặc hiệu phát bắt cặp sai, trường hợp purin Có khoảng 50 enzyme chuyên phát sửa sai hỏng phân tử DNA Hình 2.4 Sửa sai nhờ enzyme Sửa sai phục quang hồi Dưới tác dụng tia tử ngoại, làm timin đứng gần gắn lại tạo thành dimertimin Khi trở lại ánh sáng, ánh sáng kích thích enzyme cắt bỏ dimerthymin tạo timin bình thường Hiện tượng ánh sáng kích thích enzyme cắt bỏ dimerthymin gọi quang phục hồi 34 Hệ thống SOS Ở tế bào vi khuẩn tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng chiếu tia UV, tia X tác dụng hóa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp khởi động, tăng cường sửa sai Ở E.coli, hệ thống có liên quan với protein mã hóa gene LexA RecA Protein LexA chất ức chế, gắn vào hộp SOS, chồng lấp promotor gene SOS, ngăn cản mã nhóm gen hệ thống SOS Một vài sản phẩm DNA bị tổn thương làm hoạt hóa protease recA Protein recA bị hoạt hóa cắt bỏ protein lexA, cho phép gen hệ thống SOS phiên mã Phẩn ứng hệ thống SOS xảy thời gian ngắn phức tạp Nó bao gồm trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi khởi chép, ức chế nuclease kích thích phục hồi chép chuyển sai hỏng thành sửa sai úp sấp (error-prone replication) Tế bào xảy chép nhanh bình thường + Nếu sửa sai kịp, tế bào ổn định, sinh trưởng trở lại + Nếu không sửa sai kịp tế bào phải chấp nhận chết bị đột biến Hình 2.5 Sửa chữa quang phục hồi 35 II Cơ chế phân tử chép DNA Nguyên tắc chung - DNA chép theo khuôn Ưu điểm: + Với phân tử lớn việc tổng hợp theo khuôn xác + Tiết kiệm ezyme + Đạt hiệu nhanh - Sao chép theo nguyên tắc bán bảo tồn (semi-conservative) phân tử DNA tổng hợp gồm mạch cũ làm khuôn mạch tổng hợp - Quá trình tổng hợp DNA xảy đòi hỏi phải có “ “ (primer) - Quá trình tổng hợp xảy theo chiều - Hình 2.6 Sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn 36 Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA Kornberg (1956) thực phản ứng tổng hợp DNA in vitro Trong trình tổng hợp ông sử dụng DNA polymerase I, loại desoxynucleotid triphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP), Mg2+ làm xúc tác Ngoài có DNA làm khuôn mẫu Thí nghiệm chứng minh có tự nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo tồn Meselson, Stahl (1958) chứng minh kiểu chép bán bảo tồn Nuôi E.coli nhiều hệ môi trường có nguồn nitơ đồng vị nặng N 15 Như tất DNA vi khuẩn mang đồng vị nặng N15 thay cho N14 bình thường Sau tế bào chuyển sang môi trường chứa N14 nhẹ, mẫu tế bào lấy theo khoảng thời gian đặn chiết tách DNA Bằng phương pháp ly tâm thang nồng độ CsCl, loại DNA nặng, nhẹ lai tách Hình 2.7 Thí nghiệm Meselson Stahl 37 Kết cho thấy DNA nặng ban đầu (thế hệ 0) chứa N15, sau lần phân chia cho hệ I với DNA lai có tỷ trọng nằm DNA nặng N 15 DNA nhẹ N14 Nói cách khác sau lần chép phân tử DNA chứa mang N15 N14 Ở hệ II số phân tử DNA lai, lại DNA nhẹ N14 Thí nghiệm khẳng định giả thuyết Watson Crick tức mạch DNA mẹ tách ra, làm khuôn để tổng hợp nên mạch bổ sung Diễn biến chép DNA nhiễm sắc thể E.coli Quá trình chép DNA E.Coli diễn qua hai giai đoạn: 4.1 Giai đoạn khởi (initiation) Hình 2.8 Sao chép DNA vi khuẩn E.coli 38 + Mở xoắn: Ở E.coli trình bắt đầu protein B đặc hiệu nhận biết điểm khởi chép (replication orgine) ori gắn vào trình tự base đặc biệt Tiếp theo enzyme gyrase (một loại topoisomerase) cắt DNA làm tháo xoắn phía protein B Trong phân tử enzyme gyrase chuyển động ngược chiều so với điểm ori phân tử enzyme helicase tham gia tách mạch tạo chẻ ba chép Helicase sử dụng lượng ATP làm đứt liên kết hydro base bắt cặp với + Các protein làm căng mạch SSB (single-strand binding protein) gắn vào mạch đơn DNA làm chúng tách nhau, thẳng ngăn không cho chập lại xoắn để việc chép dễ dàng + Tổng hợp mồi (primer) dặc trưng cho trình kéo dài chuỗi DNA polymerase hoạt động có mồi, nên trước tổng hợp chuỗi phải có qua trình tổng hợp mồi Mồi đoạn khoảng -10 nu, DNA ARN 4.2 Giai đoạn nối dài (elongation) Do tính chất đối song song nên tách thành mạch đơn khuôn mạch có đầu 3’, mạch có đầu 5’ nên để đảm bảo hướng chép DNA theo chiều 5’ -3’ polymer hóa dựa vào mạch khuôn DNA diễn khác Mạch khuôn có đầu 3’ DNA polymerase III gắn vào tổng hợp mạch bổ sung 5’-3’ hướng vào chẻ ba chép Mạch khuôn gọi mạch khuôn trước, mạch tổng hợp gọi mạch trước (leading strand) Ở mạch có đầu 5’ (mạch khuôn sau) việc tổng hợp phức tạp thực từ chẻ ba chép hướng để đảm bảo hướng 5’-3’ Khi mạch kép tách gần chẻ ba chép , enzyme primase gắn mồi (primer) ARN khoảng 10 nucleotid có trình tự bổ sung với mạch khuôn DNA-polymerase III nối theo mồi ARN, theo hướng ngược với chẻ ba chép, tổng hợp đoạn ngắn 1000-2000 nucleotid, gọi đoạn Okazaki (người phát Reiji Okazaki) DNA polymerase nối dài đoạn Okazaki đến gặp ARN mồi phía trước dừng lại, lùi sau tiếp tục tổng hợp từ ARN mồi tạo nên gần chẻ ba chép Tiếp theo DNA- 39 polymerase I nhờ hoạt tính exonuclease 5’-3’ cắt bỏ mồi ARN, lắp nucleotid DNA vào chỗ trống thực polymer hóa hướng ’-3’ Đoạn DNA ngắn 10 nucleotid hở đầu, chỗ hở nối nhờ enzyme ligase DNA mạch tổng hợp từ chẻ ba chép hướng tổng hợp chậm nên gọi mạch sau (lagging strand) Quá trình chép DNA E.coli diễn với tốc độ nhanh, đạt đến 50.000 nucleotid/phút III Sao chép DNA tế bào Sao chép nhiễm sắc thể Prokaryote Để theo dõi chép DNA đồng vị phóng xạ Thymidin (tiền chất đặc hiệu cho DNA) sử dụng Quá trình chép xuất phát từ điểm ori (điểm xuất phát chép) triển khai phía Khi DNA vòng tròn chép, quan sát thấy dạng DNA hình mắt Chẻ ba chép lan dần cuối tạo phân tử DNA lai: mạch có mang dấu phóng xạ (thymidin-H3) Có trường hợp chép xảy phía E.coli có điểm xuất phát chép ori nên phân tử DNA thành đơn vị chép thống gọi replicon Bộ gen sinh vật tiền nhân thường có replicon Hình 2.9 Sao chép DNA từ điểm phía phía 40 Sao chép nhiễm sắc thể tế bào eukaryote Tế bào nhân thực có số lượng DNA lớn nhiều so với tế bào tiền nhân, tạo nên nhiều nhiễm sắc thể mà gồm sợi DNA thẳng kết hợp với protein Do chép DNA tế bào nhân thực phức tạp tốc độ chậm (khoảng 50 nucleotid/giây) Hình 2.10 Sao chép nhiều replicon 41 Điểm khác DNA tế bào nhân thực có nhiều replicon Ví dụ: Saccharomyces cerevisiae có tới 500 replicon, tức có 500 điểm xuất phát chép Quá trình chép ori lan phía Tế bào có chế kiểm soát nghiêm ngặt trình chép, điểm ori chép qua lần không lặp lại trước toàn DNA chép hoàn toàn Ở eukaryote có loại DNA polymerase ký hiệu pol α, pol β, pol γ, pol δ, pol ε Các loại DNA polymerase không đồng phân tử lượng số đặc tính hóa học Pol γ phân bố ty thể tham gia tái DNA ty thể, DNA polymerase lại nhân Trong nhân, DNA polymerase δ DNA polymerase ε enzyme tham gia tổng hợp sợi khuôn dẫn đầu sợi chậm Pol β tiểu đơn vị bé pol δ có hoạt tính đọc sửa Câu hỏi ôn tập Hãy trình bày thí nghiệm chứng minh chép DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn Sao chép DNA mạch khuôn xảy nào? Các chế đảm bảo ổn định cao thông tin di truyền Hãy nêu nhân tố tham gia vào chép DNA Trình bày diễn biến chép DNA nhiễm sắc thể E.coli Mục đích chế chép từ phân tử DNA cho nhiều Tài liệu tham khảo Phạm Thành Hổ (2000) Di truyền học NXB Giáo Dục Nguyễn Bá lộc (2004) Acid nucleic sinh tổng hợp protein Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998) Cơ sở di truyền học NXB Giáo Dục Hoàng Trọng Phán (1995) Di truyền học phân tử Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế 42 Anthony J F Griffiths, Susan R Wessler, Richard C Lewontin, William M Gelbart, David T Suzuki, Jeffrey H Miller 2004 An introduction to genetics analysis W.H Freeman Publishers Harlt D.L., Jones E.W (1998) Genetics - Principle and analysis Jone and Bartlett Publshers Toronto, Canada Stansfield W.D 1991 Schaum’s outline of theory and problems of genetics McGraw-Hill, Inc., New York 43 Chương Cơ sở tế bào học tính di truyền Mục tiêu chương Giới thiệu cấu trúc tế bào có khả tự tái sinh, chu trình tế bào, hình thức phân bào, phương thức sinh sản Số tiết: Nội dung I Các cấu trúc tế bào khả tự tái sinh Tế bào sinh vật mức tiến hóa thấp vi khuẩn, vi khuẩn lam chưa có nhân hoàn chỉnh nên gọi tế bào tiền nhân sinh vật gọi sinh vật tiền nhân (Prokaryote) Các tế bào có nhân hình thành rõ ràng gọi tế bào nhân thực, có sinh vật nhân thực (Eukaryote) Sự khác tế bào Prokaryote Eukaryote lớn khác tế bào động vật thực vật Các tế bào Prokaryote phần lớn bào quan màng nhân, có vùng tương tự nhân gọi nucleoid Ngoài gen gồm DNA không kèm histon Điểm bậc để phân biệt tế bào Eukaryote có nhân (nucleus) điển hình với màng nhân bao quanh Bên tế bào có hệ thống màng phức tạp bào quan lưới nội sinh chất, golgi, lysosome, ty thể, lục lạp Nhiễm sắc thể Eukaryote thẳng, phức tạp cấu tạo từ DNA protein Các cấu trúc có khả tự tái sinh Các tế bào Prokaryote có vùng nhân chứa DNA tái tạo phân tế bào sinh sản Các tế bào Eukaryote có nhiều bào quan có nhân, ty thể, lục lạp có chứa DNA nhờ khả tự tái sinh nên tham gia vào chế di truyền 44 Nhân chứa thông tin di truyền giữ vai trò chủ yếu sinh sản, chiếm khoảng 10% thể tích toàn DNA tế bào (95%) Nó giới hạn màng nhân lớp màng xếp đồng tâm, bên có cấu trúc chủ yếu hạch nhân (nucleolus) nhân nhỏ nhân chất nhiễm sắc (chromatin) dạng tháo xoắn nhiễm sắc thể (chromosome) Sự phân chia NST tế bào đảm bảo chia thông tin di truyền cho hệ sau Nhiễm sắc thể 2.1 Hình thái NST Hình 3.1 Nhiễm sắc thể với vùng tâm động Khi nhuộm tế bào phân chia số màu base, nhìn thấy kính hiển vi thường cấu trúc hình que nhuộm màu đậm, nên gọi NST (chromosome) Mỗi NST có hình dạng đặc trưng, rõ kỳ nguyên phân Tâm động điểm thắt eo chia NST thành vai với chiều dài khác nhau, vai ngắn vai p vai dài vai q Dựa vào vị trí tâm động phân biệt hình thái NST: - Tâm (metacentric): vai - Tâm đầu (acrocentric): vai không - Tâm mút (telocentric): tâm động nằm gần cuối 45 Ở tế bào sinh dưỡng (soma), NST có cặp giống hình thái, gọi NST tương đồng (homologous) Bộ NST có cặp gọi lưỡng bội NST có gọi đơn bội Hình 3.2 Sơ đồ kiểu nhiễm sắc thể kì kì sau 2.2 Kiểu nhân nhiễm sắc đồ: Tất tế bào loài nói chung có số lượng NST đặc trưng cho loài Mỗi loại NST có hình dáng đặc trưng Sự mô tả hình thái NST gọi kiểu nhân (Karyotype) Kiểu nhân biểu dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) NST xếp theo thứ tự dài đến ngắn 46