Bài giảng di truyền học

tổng hợp các kiến thức về di truyền học. tìm hiểu chi tiết về di truyền học. tài liệu dùng cho sinh viên đại học và cao đẳng ngành sinh học và chuyên sâu về sinh học.......................... ......................... ......ádasd ádasđưeadfsfrg f g gtr hgr thrghjtysjghjgtj rdgergtjgisjfdiujgoerkt;earplg lê hồng nhung lê hồng nhung an vanmw tháng an văn tháng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÁI NGUYÊN Khoa Sinh - KTNN PGS.TS NGUYỄN THỊ TÂM Đề cương giảng DI TRUYỀN HỌC Năm 2013 ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG DI TRUYỀN HỌC Số tín chỉ: 4(Lý thuyết: 37; Thực hành: 46) (i) Mục tiêu môn học + Kiến thức: Học phần di truyền học cung cấp kiến thức sở vật chất chế di truyền cấp độ phân tử, tế bào; Mã di truyền – Mối liên hệ ADN, ARN protein; qui luật di truyền biến dị; chế tái tổ hợp di truyền sinh vật; công nghệ tái tổ hợp ADN; kiến thức di truyền học người, di truyền học quần thể; ứng dụng Di truyền học thực tiễn chọn giống + Kỹ năng: Đọc tài liệu liên quan đến nội dung môn học; Có kỹ làm tiêu nghiên cứu di truyền học (kiểm tra kỹ sinh viên thông qua tiêu cụ thể), vận dụng kiến thức lý thuyết giải thích qui luật tượng liên quan đến di truyền học + Thái độ: Thái độ đắn học tập để nắm bắt nội dung kiến thức bản, làm tiền đề cho việc tiếp thu môn học liên quan phục vụ cho công tác giảng dạy trường THPT sau (ii) Chuẩn bị + Phòng học có: Bảng; máy chiếu; Phòng thí nghiệm trang bị kính hiển vi hoạt động tốt, có độ phóng đại từ 400 lần trở lên; máy tính chứa phần mền chuyên dụng kết nối với kính hiển vi + Sinh viên: Có giảng giảng viên tài liệu tham khảo liên quan (theo yêu cầu giảng viên) + Địa điểm: Học lý thuyết giảng đường; Làm thực hành phòng thí nghiệm chuyên dụng môn MỞ ĐẦU (Lý thuyết: 02 tiết) Mục tiêu: Sinh viên hiểu phân biệt khái niệm về: Di truyền học; tính di truyền; tính biến dị; Thông tin di truyền; Tính quy luật tượng DT; ứng dụng di truyền học; Phương pháp nghiên cứu di truyền học Nội dung giảng dạy lớp: Các khái niệm: Di truyền học; tính di truyền; tính biến dị; Thông tin di truyền; Tính quy luật tượng DT Sinh viên tự nghiên cứu: Các giai đoạn phát triển di truyền học; Thành tựu nghiên cứu di truyền học Tài liệu học tập: Chu Hoàng Mậu, Nguyễn Thị Tâm, 2006, Giáo trình Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà Nội Phương tiện: Bảng; Máy tính; Máy chiếu; Phương pháp: Thuyết trình; Tự nghiên cứu Di truyền học 1.1 Di truyền học gì? 1.2 Thông tin di truyền 1.3 Tính quy luật tượng DT 1.4 ứng dụng di truyền học Các giai đoạn phát triển di truyền học 2.1 Giai đoạn trước Mendel Thế kỷ V trước CN, Hipocrate (thuyết DT truyền trực tiếp), đối nghịch với Hipocrate quan niệm Aristose (thuyết DT truyền gián tiếp) Thế kỷ 19 sinh vật học phát triển mạnh mẽ, phương pháp lai giống áp dụng rộng rãi thực vật động vật Các quan niệm “sự DT hoà hợp” (blending), “ DT tập nhiễm” Lamarck Darwin (1809-1882) phát triển thuyết pangen (pangensis) Năm 1871, F Galton tiến hành thực nghiệm kiểm tra thuyết Pangen Darwin thỏ Galton truyền máu thỏ đen cho thỏ trắng, sau lai truyền máu với nhau, qua hệ không tìm thấy ảnh hưởng tới thỏ trắng Điều chứng tỏ máu thỏ không chứa gemmule 2.2 Giai đoạn DT Mendel (1866-1900) Mendel (1866-1900) người phát quy luật DT Trong kỷ yếu Hội nhà tự nhiên học thành phố Bruno “Các thí nghiệm lai thực vật”, Mendel chứng minh DT tính trạng có tính gián đoạn chi phối nhân tố DT (element) mà sau gọi gen 2.3 Sự phát triển thuyết DT nhiễm sắc thể Từ 1911 Morgan T.H CS (1866-1945) tiến hành nghiên cứu đối tương ruồi giấm (Drosophila melanogaster ) xây dựng nên thuyết di truyền NST Theo thuyết gen nằm NST xếp theo chiều dọc tạo thành nhóm gen liên kết Bản đồ di truyền cổ điển xây dựng Từ 1920, Vavilop N.I nêu lên quy luật dãy BD đồng dạng sau thành thuyết trung tâm giống trồng giới Năm 1925-1927 có hàng loạt nghiên cứu tác động gây đột biến tia X, đặt sở cho phương pháp đột biến thực nghiệm Năm 1933, Painter phát NST khổng lồ côn trùng cánh đặt sở cho nghiên cứu ĐB NST lập đồ di truyền tế bào Năm 1941, Beadle G Tatum E nêu thuyết gen – enzym chứng minh gen kiểm tra phản ứng sinh hoá Đến năm 40 kỷ 20 Mc Clintock (Nhà di truyền học Mỹ) phát yếu tố di truyền vận động (transposable gentic elements) bà nhận giải thưởng Nobel năm 1983 tuổi 80 Thời kỳ cuối năm 40 coi di truyền học cổ điển 2.4 Sự phát triển Di truyền học phân tử Năm 1944, Avery, Mc Leod Mc Carty thực biến nạp chứng minh ADN vật chất di truyền, đến 1952 vai trò ADN xác nhận Năm 1953 mô hình ADN Watson-Cric đời; Năm 1961 Nirenberg M Matthei J tìm mật mã di truyền, năm 1961 Jacob F Monod tìm chế di truyền điều hoà sinh tổng hợp protein E.coli 2.5 Giai đoạn từ kỹ thuật DT đời đến Từ năm 1970, kỹ thuật di truyền (gentech) đời tạo nên cách mạng Di truyền học sinh học Những thành công kỹ thuật di truyền là: (1) Kỹ thuật tách chiết ADN, định lượng xác định độ ADN (2) Các kỹ thuật RFLP, RAPD, ALFP ….(3) Kỹ thuật ADN tái tổ hợp (4) Genomics phân lập gen, xác định trình tự gen sở xây dựng kỹ thuật gây đột biến định hướng (5) Proteomics biểu gen Kỹ thuật thúc đẩy phát triển công nghệ protein (protein engineering) Phương pháp nghiên cứu di truyền học 3.1 Phương pháp lai Sử dụng phương pháp lai truyền thống như: Phương pháp phân tích thể lai, lai phân tích, lai thuận nghịch, theo dõi phả hệ, lai xa, lai tế bào xoma So sánh kết lai hệ với bố mẹ làm sở phân tích đặc điểm di truyền nghiên cứu 3.2 Phương pháp đột biến thực nghiệm Sử dụng tác nhân vật lý hoá học xử lý vật liệu giai đoạn thích hợp tuỳ thuộc loại trồng (hạt, chồi, mầm ) để gây đột biến Theo dõi thí nghiệm qua hệ M 1, M2, M3 để phát đột biến, xác định đặc điểm di truyền đột biến có ích Đánh giá dòng đột biến có triển vọng , M4, M5 để làm giống 3.3 Phương pháp tế bào học: Chế tạo tiêu nhiễm sắc thể, quan sát trình phân chia tế bào nghiên cứu NST, phát biến đổi số lượng cấu trúc NST 3.4 Kỹ thuật di truyền: Các kỹ thuật thao tác ADN nhiễm sắc thể nghiên cứu di truyền học Đó phân lập gen, tách dòng phân tử, biểu gen chuyển gen 3.5 Phương pháp thống kê sinh học Sử dụng phương pháp thống kê sinh học phân tích phương sai, phân tích tương quan hồi quy, xác định giá trị hệ số di truyền, hệ số biến dị kiểu hình, biến dị kiểu gen biến dị môi trường Thành tựu nghiên cứu di truyền học Chương VẬT CHẤT DI TRUYỀN (Lý thuyết: 06 tiết) Mục tiêu + Các tiêu chuẩn vật chất di truyền; Bằng chứng vai trò mang thông tin di truyền axit nucleic; Vật chất di truyền virut, sinh vật tiền nhân (Prokaryot) sinh vật nhân thực (Eukaryot) + Cấu trúc axit nucleic: (1) Axit deoxiribonucleic (ADN): Đặc tính ADN; Thành phần cấu trúc hoá học ADN; Cấu trúc vật lý (2) Cấu trúc chức loại ARN + Cấu trúc nhiễm sắc thể: tính đặc trưng nhiễm sắc thể; Cấu trúc chức di truyền NST; Cơ chế ổn định NST + Cấu trúc phân đoạn gen Eukaryot +Tái ADN (Replication) in vivo; Kỹ thuật nhân ADN Nội dung giảng dạy lớp: (1) Các tiêu chuẩn vật chất di truyền; Bằng chứng vai trò mang thông tin di truyền axit nucleic; (2) Cấu trúc axit nucleic (i) (ADN): Đặc tính ADN; Thành phần cấu trúc hoá học ADN; Cấu trúc vật lý (ii) Cấu trúc chức loại ARN; (3) Cấu trúc phân đoạn gen Eukaryot; (4) Tái ADN (Replication) in vivo; Kỹ thuật nhân ADN Sinh viên tự nghiên cứu: Vật chất di truyền virut, sinh vật tiền nhân (Prokaryot) sinh vật nhân thực (Eukaryot); Cấu trúc nhiễm sắc thể: tính đặc trưng nhiễm sắc thể; Cấu trúc chức di truyền NST; Cơ chế ổn định NST Tài liệu học tập: Chu Hoàng Mậu, Nguyễn Thị Tâm, 2006, Giáo trình Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà Nội Phan Cự Nhân, Nguyễn Minh Công, Đặng Hữu Lanh, 1999, Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà Nội Phương tiện: Bảng; Máy tính; Máy chiếu; Phương pháp: Thuyết trình; Tự học AXIT NUCLEIC LÀ VẬT CHẤT DI TRUYỀN 1.1 Các tiêu chuẩn vật chất di truyền Vật chất di truyền phải thoả mãn tiêu chẩn sau: • Chứa đựng thông tin dạng bền vững cần thiết cho việc cấu tạo hoạt động sinh sản tế bào • Được chép cách xác để thông tin di truyền hệ sau giống hệ trước • Thông tin di truyền chứa vật chất di truyền phải sử dụng để sinh phân tử cần cho cấu trúc hoạt động tế bào • Vật chất di truyền phải có khả biến đổi 1.2 Bằng chứng vai trò mang thông tin di truyền axit nucleic 1.2.1 Hiện tượng biến nạp vi khuẩn Thí nghiệm Griffith (1928) Vi khuẩn Pneumococus gây bệnh viêm phổi động vật có nòi: +) Nòi độc (nòi S): gây bệnh, có vỏ polysaccharit, bạch cầu không tiêu diệt Nòi tạo khuẩn lạc nhẵn (smooth) môi trường thạch +) Nòi không độc (nòi R): không gây bệnh, vỏ polysaccharide, tạo khuẩn lạc gồ ghề (rough) môi trường thạch Griffith tiến hành thí nghiệm chuột sau: Tiêm vi khuẩn S sống vào chuột → chuột chết Tiêm vi khuẩn R sống vào chuột → chuột không chết Tiêm vi khuẩn S bị đun chết vào chuột → chuột không chết Tiêm hỗn hợp S bị đun chết với R sống vào chuột → chuột chết Trong xác chuột chết có vi khuẩn S R Hiện tượng cho thấy, vi khuẩn S tự sống lại sau bị đun chết, yếu tố độc vi khuẩn S truyền cho vi khuẩn lành R, biến vi khuẩn R thành vi khuẩn S Hiện tượng gọi biến nạp Năm 1944,T Avery, Mc Leod Mc Carty đại học tổng hợp Rockerfeler (Mỹ) phát tác nhân gây biến nạp ADN Bởi vì, xử lí tế bào S chết protease (enzym phân huỷ protein) RNase (ribonuclease - enzym phân huỷ ARN) tượng biến nạp Nhưng xử lí tế bào S chết DNase (deoxiribonuclease - enzym phân huỷ ADN) hoạt tính biến nạp không Như tượng biến nạp chứng minh ADN mang tín hiệu di truyền 1.2.2 Chứng minh axit nucleic vật chất mang thông tin di truyền virut 1.2.2.1 virut mang ADN Năm 1952, A Hershey–M Chase tiến hành thí nghiệm với bacteriophage T xâm nhập vi khuẩn E coli Cấu tạo phage T2 gồm vỏ protein ruột ADN Thí nhiệm A Hershey – M Chase nhằm xác định xem phage nhiễm vi khuẩn bơm chất vào: ADN hay protein? Vì ADN chứa P không chứa S, protein chứa S (do axit amin methionin xistein) không chứa P, nên phân biệt ADN với protein chất đồng vị phóng xạ P S Phage T2 nuôi vi khuẩn mọc môi trường chứa đồng vị phóng xạ P 32 S35 S35 nhiễm vào protein P32 nhiễm vào ADN Phage nhiễm phóng xạ tách ra, đem nhiễm vào vi khuẩn không nhiễm phóng xạ Khi chu trình lây nhiễm bắt đầu, tế bào vi khuẩn li tâm để tách virut bám tế bào Phân tích phần nằm tế bào vi khuẩn chứa nhiều S 35 (80%), P32 Phần nằm tế bào chứa nhiều P 32 (70%), S35 Chứng tỏ, ADN thực khuẩn bơm vào tế bào vi khuẩn mang thông tin trọn vẹn hạt virut, điều khiển tạo thành ADN protein hạt virut Như vậy, vật chất di truyền phage T2 ADN 1.2.2.2 virut mang ARN Năm 1957, H.Fraen Kel - Conrat B.Singer công bố thí nghiệm virut đốm thuốc có lõi ARN vỏ protein, có hai dạng A B Các thí nghiệm thành công lắp ráp lõi ARN dạng với protein dạng ngược lại tạo virut có vỏ lõi thuộc hai dạng khác Sau đem gây nhiễm vào thuốc lá, kết virut phân lập từ vết đốm mang vỏ protein lõi ARN thuộc dạng dạng lõi ARN mang nhiễm chứa vỏ protein Như vậy, lần nhà khoa học khẳng định thông tin di truyền chứa đựng ARN protein 1.3 Vật chất di truyền virut, sinh vật tiền nhân (Prokaryot) sinh vật nhân chuẩn (Eukaryot) 1.3.1 Virut Cấu tạo virut bao gồm phân tử axit nucleic (có thể ADN ARN) bao quanh vỏ protein Các vi rut kí sinh sinh vật nguyên thuỷ gọi bacteriophage phage, có phân tử axit nucleic xâm nhập vào tế bào vật chủ tỉ lệ nhỏ protein Các virut kí sinh động vật thường xâm nhập toàn thể chúng Các virut mang ADN gồm virut kí sinh động vật thực khuẩn thể Các virut mang ARN chủ yếu virut kí sinh thực vật Phần lớn thực khuẩn thể chứa phân tử ADN sợi, số mang ADN sợi (φX 174, S12) Phân tử ARN virut thường sợi, số reovirut (vật chủ người) mang ARN sợi Vật chất di truyền virut truyền lại cho hệ sau phương thức tái tổ hợp 1.3.2 Sinh vật nhân sơ (Prokaryot) Sinh vật tiền nhân sinh vật có cấu tạo tế bào, chưa có màng nhân để ngăn cách NST với cấu trúc khác tế bào Thuộc nhóm bao gồm vi khuẩn tảo lam Vật chất di truyền chúng NST đơn độc NST vi khuẩn phân tử ADN trần (không liên kết với protein histon theo nguyên tắc định sinh vật nhân chuẩn), chuỗi kép, mạch vòng Điển hình E coli NST phân tử ADN vòng với 3000 – 4000 gen Ngoài NST, vi khuẩn phát loại vật chất di truyền quan trọng nằm tế bào chất plasmid mang ADN vòng kép Các plasmid có khả tự độc lập với NST Ở vi khuẩn tảo lam vật chất di truyền truyền lại cho hệ sau phân cắt sau trình tự nhân đôi NST 1.3.3 Sinh vật nhân chuẩn (Eukaryot) Sinh vật nhân chuẩn có nhân điển hình, chứa từ NST trở lên, ngăn cách với tế bào chất màng nhân Phần lớn ADN sinh vật nhân chuẩn chứa NST nhân tế bào, số ADN khác nằm ty thể, lạp thể Vật chất di truyền phương thức truyền đạt vật chất di truyền sinh vật nhân chuẩn so với sinh vật tiền nhân virut có số khác biệt sau: (1) Số lượng, chiều dài, hàm lượng ADN sinh vật nhân chuẩn lớn so với sinh vật tiền nhân virut (2) NST sinh vật nhân chuẩn kết hợp ADN với nhiều loại protein khác (protein histon protein phi histon) Hỗn hợp axit nucleic với protein gọi chất nhiễm sắc (chromatin) (3) NST hoạt động theo chế: tự nhân đôi, phân li tổ hợp trình nguyên phân, giảm phân hoàn toàn khác với phương thức phân bào theo kiểu phân cắt vi khuẩn tái tổ hợp gen virut CẤU TRÚC CỦA AXIT NUCLEIC 2.1 Axit deoxiribonucleic (ADN) 2.1.1 Đặc tính ADN ADN định khu NST, ty thể lạp thể Hàm lượng ADN số lượng NST tế bào có mối liên hệ chặt chẽ ổn định (trừ trường hợp đột biến) Hàm lượng ADN nhân tế bào soma thuộc loài ổn định lớn gấp lần tế bào sinh dục Ở mô đa bội nhân tế bào có nhiều 2n NST, hàm lượng ADN tăng lên tương ứng Ở nhân tế bào có hàm lượng ADN protein histon ổn định, lại ARN protein khác không ổn định ADN có khả tự nhân đôi, có khả đột biến tạo nên alen ADN có khả hấp thụ tia tử ngoại tối đa bước sóng 260nm 2.1.2 Thành phần cấu trúc hoá học ADN ADN đại phân tử cấu tạo theo nguyên tắc đa phân (polymer), gồm nhiều đơn phân (monomer) nucleotit Cấu tạo nguyên tố: C, H, O, N, P Mỗi nucleotit bao gồm thành phần: - Axit photphoric (H3PO4) - Đường pentose carbon, đường deoxiriboza (C5H10O4) - Bazơ nitơ Có loại bazơ nitơ: Adenin (A), guanin (G) dẫn xuất purin (kích thước khoảng 7A 0) Thymin (T), cytozin (C) dẫn xuất pirimidin (kích thước khoảng 5A 0) Vì có loại nucleotit phân biệt chất bazơ nitơ Trong nucleotit, nhóm photphat gắn vào vị trí cacbon số 5, bazơ nitơ gắn vào vị trí carbon số đường C5H10O4 Đây cấu trúc bậc ADN Trên mạch đơn, đơn phân liên kết với cách, nhóm photphat nucleotit liên kết với nhóm OH vị trí C số nucleotit qua liên kết photphodieste Đây liên kết bền vững đảm bảo thông tin di truyền mạch đơn ổn định kể ADN tái phiên mã Do cấu trúc vậy, nên mạch đơn polynucleotit có đầu chứa nhóm photphat tự vị trí C số đường C5H10O4 gọi đầu 5’P, đầu chứa nhóm OH tự vị trí C số đường C 5H10O4 gọi đầu 3’OH Do phân tử ADN thể tính phân cực rõ rệt 2.1.3 Cấu trúc vật lý Mô hình cấu trúc không gian ADN Watson – Crick xây dựng năm 1953 (ADN dạng B) có đặc trưng sau: ADN chuỗi xoắn kép gồm mạch đơn (polynucleotit) xoắn song song theo chiều từ trái sang phải (xoắn phải) giống thang dây xoắn Trong đó, tay thang phân tử đường axit tạo nên, bậc thang cặp bazơ đứng đối diện liên kết với liên kết hidro theo nguyên tắc bổ sung (complementary): đối diện adenin thymin, đối diện guanin cytosin (hình 1.6) Kết luận A bắt cặp với T, G bắt cặp với C Watson – Crick hoàn toàn dựa tính toán lí thuyết, bất ngờ giải thích phát E Chargaff (Mĩ) năm 1951 là: Bất kì phân tử ADN A T, G C Điều có nghĩa tất loại ADN, tổng số bazơ A+G = ) Về mặt số lượng phân purin pirimidin (A+G = T+C ⇔ T +C A+T tử ADN có: A =T; G = C ⇔ ≠1 Ở loài tỉ số số đặc trưng G+C cho loài, gọi tỉ số bazơ (KADN) Ví dụ: KADN người =1,52; KADN E coli = 0,93 Do bazơ nitơ liên kết với theo nguyên tắc bổ sung đảm bảo cho chiều rộng chuỗi xoắn kép ổn định 20 Å Khoảng cách nucleotit 3,4Å Phân tử ADN xoắn theo chu kì, chu kì dài 34Å gồm 10bp Hai mạch polynucleotit ADN bố trí song song, chiều ngược nhau: 3’OH → 5’P 5’P ← 3’OH Tính đặc trưng phân tử ADN phụ thuộc vào yếu tố: số lượng, thành phần trình tự xếp nucleotit ADN, phụ thuộc nghiêm ngặt vào trình tự nucleotit Kích thước phân tử ADN tính bp (base pair) kb (kilobase - kb = 1000 bp) Ngoài người ta sử dụng đơn vị picogram, kí hiệu pg (1 picogram ADN = 0,965 10 bp = 6,1 1011 dalton = 29cm) Ngày nhờ phương pháp phân tích xác người ta phát thêm dạng ADN A, Z, C, T Các dạng khác số số cặp bazơ vòng xoắn, khoảng cách nucleotit kề nhau, chiều xoắn Dạng ADN dạng B thường tồn điều kiện sinh lí bình thường, dạng khác tồn điều kiện khác Mô hình Watson Crick lý giải chức ADN bảo đảm cho việc tái sinh trình tự chép gian kỳ điều chỉnh việc tổng hợp enzym protein Bảng 1.2 So sánh đặc điểm số loại ADN Số bp Chiều Đường Dạng Chiều Góc cao Dạng kính ADN xoắn chu xoắn (0) chu kỳ thiết diện (Å) kỳ xoắn B Phải 10 36 20 34 Tròn A Phải 11 32,7 23 28 Tròn Z Trái 12 30 18 37,1 zigzac C Phải 9,3 38,6 20 31 Tròn D Phải Bát giác 2.2 Cấu trúc chức loại ARN Phân tử ARN chất trùng hợp gồm nhiều ribonucleotit gắn với giống chuỗi đơn phân tử ADN Cấu trúc phân tử ARN khác ADN đặc điểm: • Đường ARN đường ribose (C5H10O5), deoxiribose (C5H10O4) ADN • Mỗi ribonucleotit ARN chứa bazơ nitơ A, U, G, C U ARN thay T ADN • ARN gồm sợi đơn poloribonucleotit (trừ trường hợp số virut retrovirut mang ARN sợi) Chỉ ARN virut chứa ARN hệ gen có chức trì truyền đạt thông tin di truyền tương ứng cho hệ sau Các dạng ARN lại mang vai trò tham gia vào trình truyền đạt thông tin di truyền qua trình tổng hợp protein phân biệt chức chúng trình tổng hợp protein 2.2.1 ARN thông tin (mARN = messager RNA hay iARN = informational RNA) - ARN tổng hợp nhân tế bào, từ gen cấu trúc, làm nhiện vụ trung gian truyền thông tin di truyền từ ADN nhân sang protein tổng hợp riboxom - Hàm lượng mARN ít, chiếm vài % ARN tổng số tế bào - ARN thông tin cấu tạo từ mạch polyribonucleotit có từ khoảng 600-1500 ribonucleotit Phân tử mARN có ba mở đầu (AUG), sau đến ba quy định acid thứ nhất, thứ hai….cuối ba kết thúc (UAA, UGA, UAG) Phân tử mARN có chức truyền đạt thông tin di truyền từ ADN nhân tế bào đến tế bào chất trực tiếp tham gia tổng hợp protein 2.2.2 ARN ribosom (rARN = ribosomal RNA) ARN ribosom chiếm 80% tổng số ARN tế bào Các rARN kết hợp với protein tạo thành ribosom, thành phần máy dịch mã Tuỳ theo hệ số lắng, rARN chia thành nhiều loại: - Ở nhóm Eukaryot có rARN 28S; 18S; 5,8S; 5S - Ở nhóm Prokaryot có rARN 23S; 16S 5S Ribosom có dạng hạt Bản chất hoá học ribosom nucleoproteit (protein chiếm gần 36%, rARN chiếm 64%) Về cấu tạo, ribosom gồm tiểu phần lớn nhỏ Trong tiểu phần lớn ribosom có vị trí quan trọng liên quan đến trình tổng hợp protein: Vị trí A (aminoacyl site): vị trí tiếp nhận axit amin; Vị trí P (peptidyl site): vị trí tạo liên kết peptit axit amin 2.2.3 ARN vận chuyển (tARN = transfer RNA) ARN vận chuyển chiếm từ 10 – 20 % ARN tổng số tế bào Mỗi phân tử tARN có từ 75 – 85 nucleotit, khối lượng phân tử 26000 dalton tARN có cấu trúc đặc thù theo không gian chiều giống dâu xẻ thuỳ mạch đơn polyribonucleotit quấn trở lại - Thuỳ I: nhận biết enzym hoạt hoá gắn axit amin tương ứng vào đầu 3’ tARN (enzyme aminoacyl tARN synthetase) - Thuỳ II: mang cụm đối mã khớp với cụm mã mARN theo nguyên tắc bổ sung - Thuỳ III: nhận biết tác dụng với ribosom Một số tARN có thuỳ thứ IV gọi vòng biến đổi Đầu 3’ nơi gắn với axit amin tARN mang AXX, đầu mút 5’ kết thúc GGG, nucleotit khác thay đổi tuỳ loại tARN (hình 1.8) Chức tARN vận chuyển axit amin tương ứng hoạt hoá đến máy dịch mã để tổng hợp protein CẤU TRÚC CỦA NHIỄM SẮC THỂ - Nhiễm sắc thể cấu trúc hiển vi nằm nhân tế bào có khả bắt màu giữ màu nhuộm thuốc nhuộm bazơ Đặc trưng NST - Bộ nhiễm sắc thể nhân tế bào biểu rõ kỳ nguyên phân giai đoạn nhiễm sắc thể đóng xoắn cực đại nên có độ dày lớn nhất, nhuộm màu mạnh nhất, dễ nhìn thấy kính hiển vi thường Trong trạng thái người ta đếm, nghiên cứu hình dạng, kích thước, đặc điểm nhiễm sắc thể - Nhiễm sắc thể mang tính đặc trưng cho loài sinh vật số lượng, cấu trúc, hình thái, phân bố gen Trong tế bào xôma sinh vật nhân chuẩn NST tồn thành cặp, gồm giống hình dạng, kích thước, cấu trúc gọi cặp NST đồng dạng (tương đồng), NST có nguồn gốc từ bố, NST có nguồn gốc từ mẹ => 2n; Trong tế bào giao tử….=> n - Nhiễm sắc thể hoạt động theo phương thức tự nhân đôi, phân li, tổ hợp trình phân bào thụ tinh 3.1 Số lượng nhiễm sắc thể Nhiễm sắc thể tồn tế bào lưỡng bội 2n (tế bào soma, tế bào sinh dục) thành cặp tương đồng (trừ cặp NST giới tính XY), số lượng nhiễm sắc thể nhân tế bào chẵn bội số gọi nhiễm sắc thể lưỡng bội, ký hiệu 2n Trong giao tử (n) nhiễm sắc thể tồn thành đơn lẻ có số lượng số lượng nhiễm sắc thể tế bào sinh dưỡng, gọi nhiễm sắc thể đơn bội, ký hiệu: n NST sản phẩm trình phát triển lịch sử, có số lượng đặc trưng cho loài 3.2 Hình thái loại NST 10 Mục đích sử dụng máy tế bào chủ để chép vector tái tổ hợp thành số lượng lớn Hiện tế bào vi khuẩn chủ thường sử dụng nhiều E.coli Các tế bào E.coli phải xử lý CaCl2 làm chúng tiếp thu dễ dàng vector tái tổ hợp (tế bào khả biến) Mendel Higa (1971) cho thấy muối Ca++ giúp cho đoạn tương đối lớn xâm nhập dễ dàng vào E.coli Để đưa ADN tái tổ hợp vào tế bào chủ sử dụng phương pháp biến nạp sau: - Biến nạp hoá chất Chẳng hạn, tế bào vi khuẩn người ta thường sử dụng CaCl lạnh kèm sốc nhiệt (420C phút) - Biến nạp xung điện (electrotransformation), thường sử dụng với tế bào động vật có vú thực vật Quá trình thực nhờ dụng cụ chuyên biệt - Vi tiêm (micro-injection) thường dùng để chuyển ADN tái tổ hợp vào tế bào động vật (hợp tử) - Bắn gen thường dùng để chuyển gen vào tế bào trần thực vật tế bào mô sẹo CHỌN LỌC VÀ SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN ĐƯỢC TẠO DÒNG 7.1 Xác định dòng vi khuẩn chứa plasmid tái tổ hợp Plasmid đoạn gen cần tạo dòng trộn lẫn với tác dụng enzym nối ADN ligase Hỗn hợp có plasmid tái tổ hợp với plasmid gen lạ xen vào Hỗn hợp trộn lẫn với tế bào vi khuẩn để thực biến nạp Sau cấy hỗn hợp lên môi trường dinh dưỡng, hỗn hợp không đồng trên, nên khuẩn lạc mọc lên có loại sau: - Tế bào vi khuẩn nhận plasmid gen lạ xen vào - Tế bào vi khuẩn nhận plasmid tái tổ hợp Vì cần xác định dòng vi khuẩn chứa plasmid tái tổ hợp Có thể sử dụng phương pháp sau: 7.1.1 Lai axit nucleic Sử dụng phương pháp lai axit nucleic có hiệu việc tách dòng gen mong muốn từ thư viện ADN việc sử dụng mẫu dò đánh dấu phóng xạ Người ta tiến hành làm tan chỗ khuẩn lạc giấy lọc nitrocellulo để ADN thoát gắn giấy Sau cho mẫu dò lai với ADN màng lai Các sợi đơn mẫu dò bắt cặp với sợi đơn ADN màng lai vị trí có trình tự nucleotit bổ sung Việc phát phân tử lai thông qua phóng xạ tự ghi Bằng phương pháp người ta dễ dàng phát khuẩn lạc mang đoạn ADN mong muốn từ nhiều khuẩn lạc mang đoạn ADN khác nhau, dựa vào thông tin biết tổng hợp mẫu dò 7.1.2 Phát khuẩn lạc chứa plasmid tái tổ hợp thông qua biểu kiểu hình Nhiều vector (pUC 18/19, pCR  2.1) thiết kế mang trình tự điều hoà gen lacZ (gen tổng hợp protein enzym β- galactozidaza) biến nạp vào tế bào vi khuẩn chủ, biến tế bào chủ có kiểu hình Lac - thành Lac + (được gọi bổ sung α) Các vi khuẩn có kiểu hình Lac + nhận biết nhờ chuyển hoá chất X-gal làm khuẩn lạc có màu xanh Nếu đoạn ADN lạ gắn xen vào trình tự điều hoà lacZ, làm gen không hoạt động, không thực phản ứng biến đổi X-gal thành màu xanh, khuẩn lạc có màu trắng Nhờ người ta nhận biết nhanh chóng mắt thường khuẩn lạc chứa plasmid tái tổ hợp (màu trắng) lẫn đám khuẩn lạc màu xanh (không mang plasmid tái tổ hợp) 7.1.3 Mất hoạt tính xen đoạn Phương pháp sử dụng vector mang gen kháng thuốc (pBR 322) Trên gen (chẳng hạn: ampiciline, tetracycline) có mang điểm nhận biết enzym cắt hạn chế Plasmid mở vòng tác dụng RE mà điểm cắt nằm gen kháng thuốc (ví dụ: gen kháng tetracycline tet) đoạn ADN lạ xen vào vị trí mở vòng 85 plasmid, làm cho gen kháng thuốc hoạt tính Hỗn hợp biến nạp vào E.coli, tế bào E.coli có loại kiểu gen kiểu sau: - Tế bào E.coli không nhận plasmid không mọc môi trường có ampiciline, tetracycline - Tế bào E.coli nhận plasmid gen lạ không gắn vào mọc môi trường có ampiciline, tetracycline - Tế bào E.coli nhận plasmid tái tổ hợp, gen tet bị hoạt tính gen lạ xen vào, gen kháng ampiciline hoạt động bình thường Do tế bào E.coli mang plasmid tái tổ hợp không mọc môi trường chứa tetracycline, mọc môi trường chứa ampiciline Đây dòng tế bào cần chọn 7.2 Sự biểu gen tạo dòng Muốn gen tạo dòng có khả tổng hợp protein vector tạo dòng cần cấu tạo đầy đủ yếu tố phiên mã dịch mã Đó là: promotor, trình tự kết thúc vị trí bám ribosom Các vector gọi vector biểu Nếu gen tạo dòng không nằm promotor trình tự kết thúc gen không phiên mã Bởi gen tổng hợp hoá học hay từ cADN promotor nên phải gắn chúng cạnh vector có biểu phiên mã Muốn mARN tổng hợp từ gen tạo dòng dịch mã gen phải gắn đằng sau promotor rbs Sự biểu gen eucaryota tế bào vi khuẩn nhiều gặp khó khăn, nên phải tạo điều kiện tối ưu cho gen biểu như: - Số lượng lớn plasmid tái tổ hợp tế bào làm tăng số lượng protein tạo - Chọn promotor mạnh để phiên mã Thường promotor phage làm cho mARN dịch mã nhiều - ADN tái tổ hợp có ổn định lâu dài - Tránh phân giải protein enzym tế bào ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ TÁI TỔ HỢP ADN 8.1 Sản xuất insulin kỹ thuật plasmid insulin hoocmon tuyến tuỵ có chức điều hoà gluco máu Khi nồng độ gluco máu tăng ngưỡng, insulin tác động lên tế bào gan để tăng cường chuyển hoá gluco thừa máu thành glucogen dự trữ Trường hợp, insulin tự nhiên thể không đủ, tổng hợp insulin hoạt tính gluco phải thải qua đường nước tiểu → bệnh đái tháo đường Trước người ta tìm cách sản xuất insulin để chữa bệnh đái tháo đường cách: tách insulin từ xác người chết, từ động vật nuôi tổng hợp hoá học song giá thành cao Từ năm 1982, người ta bắt đầu sản xuất insulin kỹ thuật di truyền Quá trình sản xuất insulin thể người động vật insulin tổng hợp riboxom tế bào tuyến tuỵ Đầu tiên tổng hợp pre- insulin (sản phẩm sơ cấp dịch mã) gồm đoạn peptit tín hiệu pro- insulin Trong trình chế tiết tế bào, đoạn peptit tín hiệu bị tách bỏ, phần lại chuyển sang dự trữ túi tế bào tuyến tuỵ Pro- insulin gồm chuỗi polipeptit A, B, C Về sau chuỗi C phần chuỗi B bị cắt bỏ lại chuỗi A phần chuỗi B, phân tử insulin hoạt động Sản xuất insulin kỹ thuật ADN tái tổ hợp - Phân lập gen sản xuất insulin người, chuyển vào tế bào vi khuẩn E coli thông qua vector plasmid insulin sản sinh tế bào vi khuẩn giống tế bào người - Tổng hợp nhân tạo gen mã hoá chuỗi A B insulin người đưa vào E coli thông qua kỹ thuật tạo plasmid tái tổ hợp 86 8.2 Sản xuất somatostatin công nghệ plasmid tái tổ hợp Somatostatin loại hoocmon tổng hợp não người động vật với lượng cực nhỏ, có vai trò điều hoà hoocmon sinh trưởng insulin vào máu kiểm tra tổng hợp hai hoocmon Gen mã hoá somatostatin tổng hợp in vitro sau gắn vào plasmid Plasmid tái tổ hợp biến nạp vào tế bào E coli Somatostatin sản xuất tế bào E coli Từ 7,5 lít dịch vi khuẩn nuôi cấy cho mg somatostatin nguyên chất tương đương với số lượng somatostatin có nửa triệu não cừu 8.3 Sản xuất interferon công nghệ plasmid tái tổ hợp Interferon loại protein đặc biệt, có vai trò bảo vệ thể động vật bị nhiễm vi rut interferon chịu nhiệt độ cao 65 0C, không độc với người động vật Trước interferon tách từ bạch cầu để chống cúm, chữa viêm gan đắt Nếu tách từ máu để lấy interferon có tách máu từ toàn loài người không đủ chữa bệnh cho người năm interferon có bán thị trường sản xuất công nghệ di truyền Người ta tách gen mã hoá interferon từ thể sống ghép vào plasmid, đưa vào E coli để sản xuất interferon 8.4 Ứng dụng công nghệ ADN tái tổ hợp sản xuất nông nghiệp Công nghệ ADN tái tổ hợp tạo nhiều giống trồng có xuất cao, mang gen chống chịu sâu bệnh Câu hỏi ôn tập chương Khái niệm ADN tái tổ hợp kỹ thuật tái tổ hợp ADN Phân biệt ADN tái tổ hợp với tái tổ hợp di truyền Cho ví dụ minh hoạ Các đặc tính vector tạo dòng Kể số vector tạo dòng phân tích giá trị sử dụng chúng Trình bày phương pháp chọn dòng mang plasmid tái tổ hợp 87 Chương 10 DI TRUYỀN HỌC NGƯỜI (Lý thuyết: 02 tiết) Mục tiêu • Đặc điểm phương pháp nghiên cứu • Di truyền học số thông minh (IQ) • Bệnh nhiễm sắc thể • Bệnh di truyền • Di truyền học ung thư • Di truyền học virut HIV Nội dung giảng dạy lớp: (1) Đặc điểm phương pháp nghiên cứu; (2) Bệnh nhiễm sắc thể; (3) Bệnh di truyền; Sinh viên tự nghiên cứu: Di truyền học số thông minh (IQ); Di truyền học ung thư; Di truyền học virut HIV Tài liệu học tập Chu Hoàng Mậu, Nguyễn Thị Tâm, 2006, Giáo trình Di truyền học, NXB Giáo dục, Hà Nội Phương tiện: Bảng; Máy tính; Máy chiếu; Phương pháp: Thuyết trình; Tự học ĐẶC ĐIỂM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm nghiên cứu di truyền học người Việc nghiên cứu di truyền học người có nhiều khó khăn như: - Thời gian hệ dài (trung bình 20 năm) - Không thể tiến hành lai theo ý muốn - Không thể tiến hành gây đột biến nhân tạo - Số lượng cá thể - Không thể tiến hành thí nghiệm thể người - Không thể tạo điều kiện thí nghiệm đồng - Số lượng NST tương đối lớn (2n = 46), khó phân biệt chúng với - Sự không đồng phát triển cá thể điều kiện xã hội không giống 1.2 Phương pháp phân tích phả hệ Phương pháp GALTON nêu từ năm 1869 “Di truyền thiên tài” Phương pháp phân tích phả hệ có vị trí quan trọng nghiên cứu di truyền học người Phương pháp dùng để theo dõi di truyền số tính trạng định người thuộc dòng họ, qua nhiều hệ để xác định tính trạng trội hay lặn, gen hay nhiều gen chi phối, liên kết với giới tính hay không liên kết với giới tính 88 Hình 10.1: Ví dụ phả hệ gia đình mắc bệnh máu khó đông Bằng phương pháp nghiên cứu phả hệ người ta xác định bệnh: bạch tạng, đái tháo đường, điếc di truyền, câm bẩm sinh gen lặn nằm NST thường qui định Các bệnh thừa ngón, đục nhân mắt, ngón tay ngắn, gen trội qui định nằm NST thường Phương pháp nghiên cứu phả hệ cho thấy xác suất biểu bệnh di truyền, dị tật xảy trẻ em sinh từ cặp vợ chồng dòng họ cao rõ rệt so với trẻ em sinh từ cặp vợ chồng dòng họ Vì luật hôn nhân gia đình cấm kết hôn vòng - đời 1.3 Dùng phương pháp lai phân tử để lập đồ gen người Phương pháp lai phân tử để lập đồ gen người tiến hành theo bước sau: - Làm tiêu tế bào người kỳ - Dùng nhiệt tác động (85 0C 10 phút) → Biến tính ADN NST - Lai phân tử axit nucleic (lai insitu): Sử dụng mẫu dò (gen tách dòng) đánh dấu phóng xạ làm biến tính Sau ủ với tiêu NST chuẩn bị Các sợi đơn mẫu dò bắt cặp với sợi đơn gen NST vị trí có trình tự nucleotit bổ sung - Dùng phóng xạ tự ghi người ta xác định vị trí gen NST Do tác động đồng vị phóng xạ phim xuất vệt đen vị trí bắt cặp với ADN dò 1.4 Thư viện gen người Thư viện gen tập hợp tất trình tự ADN cấu thành gen Nói cách khác: Tập hợp tất dòng mang đoạn ADN tách trực tiếp từ gen Xây dựng thư viện gen người (ngân hàng gen) tiến hành theo bước sau: Tách chiết ADN ↓ RE Các đoạn có kích thước xác định ↓+ Vector Vector tái tổ hợp ↓ Biến nạp vào tế bào chủ Dòng 1.5 Phương pháp phát dòng cần tìm Từ thư viện gen để phát dòng cần tìm, sử dụng nhiều phương pháp khác Phương pháp thông dụng sử dụng mẫu dò oligonucleotit - phân tử ADN nhỏ, sợi đơn, khoảng 10 vài chục nucleotit tạo nên Phương pháp cho phép xác định dòng cần tìm xác định tỉ lệ nhỏ trình tự acid amin protein gen nói mã hoá Từ chọn trình tự oligonucleotit phù hợp số trình tự tương ứng với đoạn axit amin xác 89 định Trình tự oligonucleotit tổng hợp nhân tạo với số lượng lớn đánh dấu đồng vị phóng xạ Sau cho lai với thư viện gen, phát dòng lai phóng xạ tự ghi 1.6 Nghiên cứu di truyền tế bào học người Phương pháp di truyền tế bào di truyền y học di truyền học người phương pháp chuẩn đoán bệnh lý di truyền sở phân tích tế bào học kết hợp với phân tích phả hệ để làm rõ hình ảnh tế bào học liên quan với kiểu hình Nói ngắn gọn hơn, phương pháp phân tích kiểu nhân tế bào người bình thường người bị bệnh di truyền học người gọi phương pháp di truyền tế bào học người Trong tế bào soma người có 22 cặp NST thường + cặp NST giới tính, người ta đánh số 22 cặp NST tương đồng xếp thành nhóm tương ứng dựa chiều dài (cao → thấp) vị trí tâm động Cặp số 23 cặp NST giới tính Các phương pháp đại nghiên cứu di truyền tế bào: Lai tế bào xoma, lai phân tử, phương pháp băng Các phương pháp mở nhiều triển vọng để phân tích cấu trúc hiển vi hệ gen người Bộ genom người khoảng 3000 tỷ bp, cần tới 200 sách 1000 trang, người phải cần đến 78 năm, ngày tiếng hy vọng đọc hết thông tin 1.6.1 Nghiên cứu NST kiểu nhân- Kỹ thuật băng Bằng phương pháp nuôi cấy mô, nuôi cấy bạch cầu máu, với phương pháp nhuộm đặc trưng hay nhuộm phân hoá (kỹ thuật băng) xác định xác dị dạng NST, tượng lệch bội không phân li NST giảm phân, tượng cấu trúc lại NST dẫn đến bệnh hiểm nghèo Ví dụ: Hiện tượng lệch bội lẻ NST giới tính người phát nhờ phân tích chất nhiễm sắc giới tính (nghiên cứu thể Barr) Hội chứng Terner: 45 NST (44 + X0): có NST giới tính X Hội chứng Clainfelter: tăng NST X đàn ông Nhờ phương pháp nghiên cứu thể Barr người ta phát bệnh nam, nữ liên quan đến rối loạn số lượng NST giới tính, giúp cho chuẩn đoán xác số bệnh nam, nữ y học 1.6.2 Lai tế bào soma Lai tế bào người với tế bào chuột nhắt, người ta phát qua số lần phân bào tế bào lai nhanh chóng NST loài Thường sau 30 hệ tế bào, dòng tế bào lai lại toàn NST chuột, NST người số tế bào lại - cặp NST người Hiện tượng NST nêu không theo qui luật Trong trường hợp đơn giản nhất: tế bào lai lại độc NST người, enzym hay protein khác người phát TB lai phản ánh có mặt gen qui định protein nói trên, nằm NST lại độc người DI TRUYỀN HỌC CHỈ SỐ THÔNG MINH (IQ = intelligence quotient) 2.1 Công thức IQ AM IQ = AR AM: tuổi khôn AR: tuổi thực Tuổi khôn xác định qua test: - Khả diễn đạt qua lời - Khả xử lí số - Khả nhận thức rộng rãi mối quan hệ - Khả giải loại vấn đề khác 2.2 Các phương pháp nghiên cứu IQ 2.2.1 Phương pháp nghiên cứu trẻ đồng sinh Phương pháp nghiên cứu trẻ đồng sinh phương pháp thích hợp để phân tích tượng di truyền yếu tố môi trường hình thành tính trạng 90 Đồng sinh có loại: Đồng sinh trứng: Hợp tử hình thành từ trứng thụ tinh với tinh trùng phân cắt thành 2, thai Vì vật liệu di truyền giống hệt nhau, nên giới tính đặc điểm hình thái, sinh lí giống (chiều cao tương đương nhau, màu mắt, nhóm máu giống nhau) Đồng sinh khác trứng: Do hai nhiều trứng thụ tinh với tinh trùng → hình thành 2, thai Đồng sinh khác trứng hình thành từ trứng khác giống khác giới tính đặc điểm hình thái, sinh lí Một tính trạng biểu trẻ đồng sinh biểu trẻ đồng sinh Tính trạng biểu trẻ đồng sinh gọi trạng thái có tương hợp, tính trạng biểu trẻ đồng sinh gọi trạng thái không tương hợp Holzinger đưa công thức để tính tỷ lệ tham gia yếu tố di truyền hình thành tính trạng: % tương hợp trứng - % tương hợp khác trứng H% = 100 - % tương hợp khác trứng H: hệ số tương hợp Nếu H = 1→ tính trạng di truyền định hoàn toàn H = → tính trạng hoàn toàn môi trường định Từ số liệu nghiên cứu người ta khẳng định sở di truyền trí thông minh, song môi trường có vai trò không quan trọng 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu gia đình +) Gia đình Đacuyn: ông nội nhà tự nhiên học, bác sĩ, nhà thơ, triết gia Bố bác sĩ Đacuyn nhà tự nhiên học tiếng.Trong số trai có viện sĩ viên hàn lâm, nhà bác học +) Gia đình nhà toán học tiếng Bernouli: qua hệ có viện sĩ viện hàn lâm Pháp, nhà toán học tiếng Sự hình thành phát triển tài có chi phối mặt: Di truyền môi trường Sự xuất hiện, phát triển trí thông minh người chịu ảnh hưởng yếu tố di truyền mà gắn liền với điều kiện xã hội, quan tâm gia đình phấn đấu nỗ lực thân BỆNH NHIỄM SẮC THỂ 3.1 Bệnh thể ba (trisomic) 3.1.1.Hội chứng Down (do Langdom Down phát 1866) Bệnh lí: Ngu đần bẩm sinh, giảm trí lực, khả sinh dục, vóc dáng bé, lùn, cổ rụt, má phệ Hai trường hợp: • NST thứ 21 dạng cặp người bình thường mà có NST số 21 Trường hợp chiếm 95% hội chứng Down Nguyên nhân không phân li cặp NST 21 giảm phân bố mẹ • Do chuyển đoạn NST bố mẹ, cặp 21 sinh có NST phần NST 15 21 nối với Các nghiên cứu cho thấy, tượng Down thường xảy trẻ bà mẹ lớn tuổi sinh Về mặt di truyền tế bào học có sai khác trình hình thành giao tử nam nữ Người ta cho trứng phụ nữ chịu nhiều tác động bất lợi từ môi trường Do phụ nữ lớn tuổi sinh khả bị bệnh Down cao Tuổi bà mẹ từ 20 - 25 tỷ lệ mắc bệnh Down 1/1600, tuổi bà mẹ 45 tỷ lệ mắc bệnh Down 1/46 3.1.2 Thể ba cặp 13 (47+13) Xảy ≈ 1/20 000 trẻ em sinh Hội chứng gây chết phần lớn sau tháng tuổi, nên không gặp trẻ lớn người trưởng thành Bệnh lí: Não teo, trí, điếc 91 3.1.3 Thể ba cặp 18 (47+18) Bệnh lí: Mất trí, nhiều dị tật bẩm sinh, chết sớm, 90% chết tháng sau sinh Hội chứng xảy khoảng 1/8000 trẻ sinh, thường thấy bà mẹ lớn tuổi sinh 3.2 Bệnh NST giới tính 3.2.1 Hội chứng terner (45, X X/XX): Do H.H.Terner phát 1938 Bệnh nhân có 44 NST thường NST giới tính X Bệnh lí: 90% bị xảy thai đột ngột, sống dến tuổi trưởng thành thường buồng trứng, thiếu tính trạng giới tính thứ cấp, con, trí nhiều dị dạng bề khác Nguyên nhân: +) Trường hợp 1: Do tế bào trứng tinh trùng NST giới tính +) Trường hợp 2: Do NST giới tính lần phân cắt sau hình thành hợp tử XX XY Hiện tượng sau hợp tử bệnh nhân terner, thường thuộc dạng thể khảm X/XX có dị hình dạng 45,X Ngoài có trường hợp có kiểu hình terner tế bào soma dạng điển hình 45,X Phần lớn có 1X bình thường đoạn X thứ Nếu bệnh nhân có cánh dài X thứ 2: vóc dáng lùn triệu chứng terner Nếu có cánh ngắn X thứ bệnh nhân có vóc dáng bình thường dị hình terner → Kiểu hình terner gen cánh ngắn NST X qui định 3.2.2 Hội chứng Klinefelter (47, XXY) Xảy 1/1000 trẻ trai sinh Bệnh lý: Là bệnh nhân nam, không bình thường tuyến sinh dục, có số nét giống nữ, đặc biệt tính trạng giới tính thứ cấp, chân tay dài Nguyên nhân: +) Do tế bào trứng đặc biệt XX kết hợp với tinh trùng bình thường Y XX × Y → XXY +) Do tế bào trứng bình thường X kết hợp với tinh trùng đặc biệt XY X × XY → XXY Ngoài có dạng XXXY, XXXXY Tất bệnh nhân Klinfelter dạng có nhiều thể bar BỆNH DI TRUYỀN Đến phát 4937 bệnh di truyền khác nhau, nhóm chủ yếu: Bệnh di truyền xác định gen trội NST thường, xác định gen lặn NST thường gen liên kết với giới tính 4.1 Alcaptonuria (Alcapton niệu) Bệnh gen lặn NST thường gây Dễ gặp gia đình dòng máu lấy Khi gen trạng thái đồng hợp tử gây rối loạn trao đổi chất gọi tượng alcapton niệu Khi bé chưa gây ảnh hưởng nghiêm trọng, sau chất alcapton tiết theo đường nước tiểu, bị oxihoá thành màu đen xẫm, không tan, kết tủa người bình thường (gen tổng hợp enzym phân giải alcapton trạng thái đồng hợp tử trội dị hợp tử) có enzym biến alcapton thành axit acetoacetic, sau axit bị phân giải thành axit cacbonic nước 4.2 Phenyl ketonuria Bệnh gen đột biến gen lặn NST thường gây người gây Bình thường phenylalanin enzym phenylalanin hidroxilase xúc tác chuyển hoá thành tyrozin Khi gen tổng hợp enzym phenylalanin hidroxilase trạng thái đồng hợp tử lặn, gan khả tổng hợp enzym nói Dẫn đến ứ đọng phenylalanin máu, tăng phân giải phenylalanin thành axit phenylpiruvic, đầu độc tế bào thần kinh 4.3 Bệnh di truyền Hb 92 Điển hình bệnh hồng cầu lưỡi liềm, liên quan đến đột biến gen trội S gây chết Khi gen trạng thái đồng hợp tử trội SS → thể bị chết sơ sinh thiếu máu trầm trọng Bình thường hồng cầu dạng HbA, 30 đoạn chuỗi β HbA có thay đổi axit glutamic vị trí số thành valin, Hb A trở thành HbS HbS bị khử oxi trở thành không hoà tan, hình thành bó sợi làm hồng cầu dễ vỡ, máu khó lưu thông mao mạch dẫn tới tượng thiếu máu nghiêm trọng nghẽn mạch Điều tra cặp vợ chồng có kiểu gen dị hợp tử (Ss × Ss) thu tỉ lệ : bệnh này, chứng tỏ gen đột biến trội dạng đồng hợp tử có tác dụng gây chết DI TRUYỀN HỌC UNG THƯ Tế bào ung thư tế bào khả phân cực, phân chia liên tục, phát triển tổ chức → khối u Lí thuyết đột biến ung thư: Các khối u xuất đột biến gen đột biến NST tế bào soma Gần nghiên cứu tế bào u ác tính xác nhận biến đổi số lượng NST không theo qui luật cả, có số lượng NST tăng lên hàng trăm, có tế bào khác khối u lại giảm, có khối u ác tính lại rối loạn số lượng NST → Rối loạn NST nguyên nhân xuất ung thư Tuy nhiên có trường hợp đặc biệt: Đột biến cấu trúc NST: cánh dài NST số 21 bị đoạn → ung thư máu người bệnh polip ruột blaxtom võng mạc đột biến gen chuyển thành ung thư Lý thuyết virut di truyền ung thư: Gần đây, phát virut nhân tố gây ung thư đột biến NST đột biến gen Giữa virut gây nhiễm trùng với virut gây ung thư khác cấu trúc, thành phần hoá học phương thức sinh sản Virut nhiễm trùng: Sinh sản nhanh tế bào chủ → vỡ → giải phóng → gây nhiễm tế bào khác Dễ dàng phát tế bào Virut gây ung thư: Khi xâm nhập vào tế bào không làm tan tế bào mà làm biến đổi nhiều tính chất tế bào Tế bào phân chia không giới hạn, không chịu kiểm soát thể Biến đổi số lượng NST không theo quy luật → Biến u lành thành u ác truyền lại cho hệ sau qua phân bào nguyên nhiễm khó phát Chưa phát virut gây ung thư người * Quá trình lây nhiễm diễn sau: ARN virut ung thư mang mã enzym phiên mã ngược (reverse transcriptaza) Enzym sử dụng sợi ARN sợi đơn virus làm khuôn tổng hợp cADN Sợi cADN lại dùng làm khuôn tổng hợp sợi ADN tạo phân tử ADN kép mang thông tin di truyền mã hoá ARN virut ung thư Phân tử ADN xâm nhập vào ADN NST vật chủ tạo pro virut sau phiên mã thành mARN tổng hợp protein Hiện người ta phát virut ung thư chuột động vật, chưa phát virut gây ung thư người * Gen ung thư: Năm 1982 người ta tách từ tế bào ung thư người đoạn ADN làm biến đổi tế bào bình thường nuôi cấy chuột thành tế bào ung thư Những đoạn ADN gọi gen ung thư Nhưng gen có mặt ADN tế bào bình thường người Khi gen thay đổi vị trí → ung thư Như vậy, ung thư biến đổi điều hoà tế bào : + Xảy chuyển đổi gen bình thường đến vị trí khác genom (TGE) + Do tác nhân bên phóng xạ, tác nhân đột biến hoá học + Virut ung thư DI TRUYỀN HỌC VIRUT HIV HIV human immunodeficiency virus (virut gây giảm miễn dịch người) 93 AIDS acquired immunodeficiency symdrome (hội chứng suy giảm miễn dịch tập nhiễm) Sau xâm nhập vào thể đường khác nhau, loại virut sinh sản nhanh, tràn vào máu dich não, tuỷ sống gây sốt, mụn nhọt, cúm, triệu chứng thần kinh Các triệu chứng sau vài tuần hạt virut giảm đột ngột máu dịch não tuỷ, thân virut tồn lây nhiễm vào bạch cầu T4 tế bào khác hệ miễn dịch, thời kỳ kéo dài từ đến 10 năm, sau hạt virut sinh sản trở lại lây nhiễm kết thúc bệnh nhân tử vong HIV loại retrovirut, gồm sợi ARN giống nhau, chứa 9749 nucleotit Đối với virus thông thường, thông tin di truyền tích luỹ dạng ADN, gen biểu hiện, đoạn ADN ứng với gen chép thành mARN, từ tế bào tổng hợp protein Các gen retrovirut ADN mà ARN, chúng biểu chuyển thành tiền virut, sau gen tiền virut lại mã thành mARN dịch mã thành protein Sự lây nhiễm HIV: Khi hạt virut bám vào màng tế bào tuồn hạch vào tế bào chất Hạch HIV gồm sợi ARN giống hệt nhau, protein cấu trúc enzym đảm bảo cho lây nhiễm liên tục Đầu tiên tác dụng reverse transcriptase (enzym mã ngược) biến sợi ARN ban đầu virut thành sợi ADN, đồng thời làm tiêu biến sợi ARN Cũng tác dụng reverse transcriptase tạo sợi ADN thứ theo nguyên tắc bổ sung với sợi ADN thứ (reverse transcriptase có hoạt tính ADN polymerase ribonuclease) Lúc thông tin di truyền virut biểu dạng ADN sợi Dưới tác dụng enzym integrase gắn ADN sợi virut vào với genom tế bào vật chủ ADN virut tự với gen tế bào lây nhiễm Khi ADN virut xâm nhập vào genom tế bào lúc tế bào bị lây nhiễm hoàn toàn Sau lây nhiễm sinh sản hạt virut bắt đầu ADN virut tự thành ARN Một số ARN làm thành vật liệu di truyền hệ virut mới, số khác mARN tổng hợp protein cấu trúc enzym tạo thành virut CÂU HỎI CHƯƠNG 10 Nêu khó khăn nghiên cứu di truyền học người Các phương pháp thông dụng nghiên cứu di truyền học người Nêu số phương pháp thông dụng xây dựng đồ gen người Nêu đặc điểm bệnh lí, chế hình thành hội chứng Down, Terner, Klinefelter 94 Chương 11 ỨNG DỤNG DI TRUYỀN HỌC TRONG CHỌN GIỐNG (Lý thuyết: 02 tiết) KHÁI NIỆM GIỐNG Giống tập hợp cá thể sinh vật người chọn tạo ra, có phản ứng trước điều kiện ngoại cảnh, có tính trạng di truyền đặc trưng, chất lượng tốt, xuất cao ổn định, thích hợp với điều kiện khí hậu, đất đai kỹ thuật sản xuất định Nhiệm vụ ngành chọn giống cải tiến giống có tạo giống nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất đời sống Trước kia, người chưa có hiểu biết định khoa học sinh học người ta thường chọn giống theo kinh nghiệm (chọn lọc tự phát) Ngày nay, dựa vào thành tựu khoa học người ta chủ động tạo biến dị mong muốn để chọn giống Đồng thời hoàn thiện phương pháp chọn lọc để củng cố tăng cường tính trạng mong muốn CÁC NGUỒN VẬT LIỆU CHỌN GIỐNG 2.1 Thu thập vật liệu chọn giống 2.2 Biến dị tổ hợp Biến dị tổ hợp biến dị phát sinh xếp lại gen bố mẹ theo tổ hợp gen khác Sự xuất biến dị tổ hợp tiến hành phép lai, sau phương pháp để tạo đa dạng nguồn vật liệu chọn giống 95 Cơ chế hình thành biến dị tổ hợp - Sự phân li độc lập tổ hợp tự NST giảm phân hình thành giao tử, kết hợp ngẫu nhiên giao tử thụ tinh hình thành hợp tử - Sự tiếp hợp trao đổi chéo gen kỳ trước giảm phân Trong loại biến dị thân gen không bị biến đổi mà xếp lại gen kiểu gen Biến dị tổ hợp nguồn nguyên liệu phổ biến chọn giống tạo phương pháp lai giống (tạp giao) Cơ thể lai hình thành qua tạp giao có phối hợp thống tính chất di truyền, tính trạng cá thể bố, mẹ Đó biến dị tổ hợp sử dụng chọn giống Xu hướng giới tạo giống lai, tổ hợp lai giống địa phương với giống cao sản nhập nội giống hoang dại với giống vật nuôi trồng 2.3 Biến dị đột biến Biến dị đột biến biến đổi kiểu hình đột ngột thay đổi cấu trúc vật chất di truyền (NST, ADN) Trong tự nhiên, đột biến tự nhiên có lợi cho sinh vật chọn lọc tự nhiên giữ lại, trì , phát triển dẫn đến hình thành loài Nhìn chung đột biến tự nhiên xảy với tần số thấp (10-3-10-8) theo chiều hướng khác khó xác định thường có hại cho thể sinh vật: giảm sức sống, dị tật quái thai Vì vậy, đột biến tự nhiên có lợi cho người hiếm, người phải chủ động tạo đột biến có lợi làm nguyên liệu cho chọn tạo giống phương pháp đột biến thực nghiệm 2.3.1 Phương pháp gây đột biến tác nhân vật lý - Các loại tia phóng xạ: Tia X, tia β, tia γ, chùm nơtron có tác dụng kích thích ion hoá nguyên tử chúng xuyên qua mô sống Các phân tử ADN ARN tế bào chịu tác động trực tiếp tia phóng xạ gián tiếp qua tác động lên phân tử nước tế bào gây nên đột biến gen hay đột biến NST Trong chọn giống thực vật người ta thường chiếu xạ với cường độ liều lượng thích hợp lên hạt khô hay hạt nảy mầm, đỉnh sinh trưởng thân cành, hạt phấn, bầu nhuỵ Sau theo dõi, phân tích xuất biến dị, chọn lọc biến dị mong muốn - Tia tử ngoại: loại xạ có bước sóng ngắn từ 1000 Å – 4000 Å Tia tử ngoại có tác dụng kích thích không gây ion hoá bước sóng 2570 Å ADN có khả hấp phụ mạnh Trong chọn giống, tia tử ngoại khả xuyên sâu vào mô sống nên người ta sử dụng để xử lí vi sinh vật, bào tử, hạt phấn để gây đột biến gen đột biến NST - Sốc nhiệt: Sự tăng hay giảm nhiệt độ cách đột ngột làm chế nội cân thể không khởi động kịp gây chấn thương máy di truyền 2.3.2 Phương pháp gây đột biến nhân tạo tác nhân hoá học Một số loại hoá chất thấm vào tế bào làm thay làm nucleotit ADN gây đột biến gen Ví dụ: 5BU (5- brôm uraxin): thay cặp A-T cặp G - C EMS (ethyl metal sunfonat): cặp G- C bị thay cặp T - A C- G Các hoá chất gây đột biến NST Dung dịch cônsixin 0,1 % – 0,2 % thấm vào mô phân chia cản trở hình thành thoi vô sắc làm cho NST không phân li gây đột biến NST Ở trồng, người ta thường ngâm hạt khô hạt nảy mầm dung dịch hoá chất có nồng độ thích hợp tiêm vào bầu nhuỵ, quấn có tẩm dung dịch hoá chất vào đỉnh sinh trưởng thân hay chồi 2.3.3 Một vài thành tựu sử dụng đột biến chọn giống +) Xử lí bào tử nấm penicilium tia phóng xạ chọn lọc người ta tạo chủng penicilium có hoạt tính penicilin tăng gấp 200 lần dạng ban đầu 96 +) Xử lí giống táo Gia Lộc NMU (nitrozo methyl ure) tạo giống “táo má hồng” cho vụ quả/ năm, tròn, ngọt, giòn +) Xử lí lúa Mộc Tuyền tia gama tạo giống lúa Mộc Tuyền1 có đặc điểm chín sớm, thấp cây, cứng cây, chịu phèn, chịu chua, xuất tăng 15% - 25% so với dạng gốc +) Xử lí cônsixin tạo dưa hấu tam bội to, ngọt, không hạt, dâu tằm 3n to Phương pháp gây đột biến nhân tạo khó áp dụng cho động vật bậc cao quan sinh sản động vật bậc cao nằm sâu thể Hơn động vật bậc cao có hệ thần kinh phát triển, phản ứng nhạy, dễ bị chết xử lí tác nhân lí hoá CÁC PHƯƠNG PHÁP LAI TRONG CHỌN GIỐNG + 3.1 Nội phối 3.2 Ngoại phối Giao phối cá thể quan hệ họ hàng gần gũi vòng – hệ Hiện tượng ưu lai: Khi lai dòng chủng có kiểu gen khác có tượng ưu lai Biểu hiện: thể lai F1 có sức sống cao hẳn bố mẹ: Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh, chống chịu tốt, xuất cao Hiện tượng ưu lai biểu lai khác thứ, khác loài rõ lai khác dòng, thể lai có độ đồng cao phẩm chất ưu lai biểu cao F 1, sau giảm dần qua hệ Cơ sở di truyền học tượng ưu lai: Đây vấn đề phức tạp, có số giả thuyết sau: - Giả thuyết trạng thái dị hợp: Trong thể lai phần lớn gen trạng thái dị hợp, nên gen lặn gây hại không biểu kiểu hình gây hại P: AABBCC × aabbcc → F1: AaBbCc Trong hệ sau tỷ lệ dị hợp giảm dần nên ưu lai giảm - Giả thuyết tác động cộng gộp gen trội có lợi: Ví dụ: Một dòng mang gen trội có lợi lai với dòng mang gen trội có lợi cho dòng mang gen trội có lợi Lợn ỉ (AAbbccdd) × Lợn landrace (aaBBCCDD) 30+10+10+10 10+30+30+30 60kg 100kg AaBbCcDd 30+30+30+30 = 120kg Điều biểu rõ tính trạng đa gen, chẳng hạn chiều cao phụ thuộc số lượng gen trội có mặt kiểu gen - Giả thuyết siêu trội: Sự tương tác alen khác chức gen (cùng locut) dẫn đến hiệu bổ trợ, mở rộng phạm vi biểu kiểu hình AA< Aa > aa Trong thực tế thể dị hợp phát triển tốt thể đồng hợp gen trội Ví dụ: thuốc cặp gen aa qui định khả chịu lạnh tới 10 0C; AA qui định khả chịu nóng đến 350C Cây dị hợp Aa chịu nhiệt độ từ 100C đến 350C Các phương pháp tạo ưu lai - Lai khác dòng đơn: thực vật cho dòng tự thụ phấn qua –7 hệ, sau cho giao phấn với P: Dòng A × Dòng B → F1: ưu lai C - Lai khác dòng kép: Bình thường lai khác dòng đơn chưa đảm bảo tạo giống có phẩm chất cần thiết Để tạo giống lai cần có nhiều dạng khởi đầu tham gia cần tiến hành lai khác dòng kép cách lai cặp dòng thuần, sau dùng hai dạng lai F tạo giao phấn với P1: Dòng A × Dòng B → F1: ưu lai C 97 P2: Dòng D × Dòng E → F1: ưu lai G ưu lai C × ưu lai G → ưu lai H Viện lúa quốc tế (IRRI) Philippin dùng phương pháp tạo nhiều giống lúa tốt, nhiều giống trồng Việt Nam IR5, IR8 - Ở động vật người ta thường tiến hành phép lai kinh tế để tạo ưu lai (lai hai nòi khác nhau) Ví dụ: P: Bò vàng Thanh hoá × Bò Hônsten Hà lan F1: Chịu khí hậu nóng, suất sữa tăng 1000kg/năm Tỷ lệ bơ sữa tăng – 4,5% - Lai thuận lai nghịch ưu lai phụ thuộc đặc tính tế bào chất phép lai thuận lai nghịch cho hiệu ưu lai có khác Người ta phải tiến hành lai thuận lai nghịch dòng tự thụ phấn để thăm dò, tìm tổ hợp lai có giá trị kinh tế Không sử dụng thể có ưu lai lớn để làm giống vì: • Cơ thể ưu lai dị hợp (Aa) (AaBb) để làm giống hệ sau (F 2, F3 ) phân tính, tính di truyền không ổn định • Ưu lai biểu rõ F1, sau thường giảm dần hệ sau Vì hệ sau tính trạng bị phân li Hệ số di truyền (h2 = heritability) Hệ số di truyền (h2) đại lượng phản ánh mức độ ảnh hưởng kiểu gen lên tính trạng so với ảnh hưởng điều kiện ngoại cảnh Trong thống kê sinh học, người ta xác định đặc tính biến đổi kiểu hình, kiểu gen bình phương trung bình độ lệch so với trung bình cộng gọi phương sai (variance - σ2) n ( X i − X )2 ( Xi − X ) 2 n > 30; σ = n < 30; ∑ ∑ n n −1 i =1 i =1 Tổng phương sai kiểu hìmh chia thành cấu phần sau: σ2P = σ2G + σ2E = σ2GE Trong σ2P tổng phương sai kiểu hình phương sai kiểu gen (σ2G) cộng với phương sai môi trường (σ2E) tương tác kiểu gen với môi trường (genotype – environment interaction = σ2GE) Hệ số di truyền (h2) hiểu theo nghĩa rộng tỉ số phương sai kiểu gen so với phương sai kiểu hình σ 2G σ 2G h2 = = σ 2P σ + σ 2E Hệ số di truyền tính trạng có giá trị từ đến Hệ số di truyền lớn ảnh hưởng kiểu gen lên kiểu hình lớn +) h2 = ⇔ σ2P = σ2G → tính trạng không chịu ảnh hưởng môi trường Ví dụ: biểu nhóm máu gen qui định +) h2 lớn 0,6 gần → tính trạng tương đối ổn định phụ thuộc chủ yếu vào kiểu gen Ví dụ: hình dạng trứng có h2 = 0,7; hàm lượng protein trứng có h2 = 0,68 +) h2 thấp → tính trạng chịu tác động nhiều điều kiện môi trường Ví dụ: số bê lứa có h2 = 0,18; sản lượng trứng gà có h2 = 0,11 Hệ số di truyền giúp nhà chọn giống định phương pháp chọn lọc phù hợp Khi hệ số di truyền tính trạng cao, người ta sử dụng phương pháp chọn lọc hàng loạt tính trạng chịu ảnh hưởng điều kiện môi trường mà chủ yếu phụ thuộc kiểu gen Khi hệ số di truyền thấp người ta sử dụng phương pháp chọn lọc cá thể σ2 = n CÂU HỎI CHƯƠNG 11 98 Nêu vai trò biến dị tổ hợp biến dị đột biến chọn giống Các nguồn vật liệu tạo phương pháp nào? Hệ số di truyền gì? ý nghĩa việc nghiên cứu hệ số di truyền chọn giống Thế tượng ưu lai? Nguyên nhân tượng ưu lai Nêu phương pháp tạo ưu lai Nêu phép lai dùng nghiên cứu di truyền chọn giống 99 ... Di truyền học; tính di truyền; tính biến dị; Thông tin di truyền; Tính quy luật tượng DT; ứng dụng di truyền học; Phương pháp nghiên cứu di truyền học Nội dung giảng dạy lớp: Các khái niệm: Di. .. tế bào; Mã di truyền – Mối liên hệ ADN, ARN protein; qui luật di truyền biến dị; chế tái tổ hợp di truyền sinh vật; công nghệ tái tổ hợp ADN; kiến thức di truyền học người, di truyền học quần thể;...ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG DI TRUYỀN HỌC Số tín chỉ: 4(Lý thuyết: 37; Thực hành: 46) (i) Mục tiêu môn học + Kiến thức: Học phần di truyền học cung cấp kiến thức sở vật chất chế di truyền cấp độ