NGUYÊN LÝ CƠ BẢN DI TRUYỀN HỌC HIỆN ĐẠI

LÊ ĐÌNH LƯƠNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN DI TRUYỀN HỌC HIỆN ĐẠI Dịch từ tài liệu tiếng Anh tác giả dùng cho luật sư triết gia EU làm luật công nghệ sinh học đại khuôn khổ Dựán LEMLIFE: Pháp chế, Môi trường Quản lý CNSH, 2001; bổ sung, cập nhật giáo trình hợp tác với Đại học Cơng nghệ Massachusetts khuôn khổ Quỹ Đào tạo Việt - Mỹ VEF, 2009 Tài liệu dùng cho độc giả không chuyên quan tâm đến di truyền học đại Hà Nội - 2009 Lời giới thiệu Chúng ta bị hút phần thật tham gia vào cách mạng khoa học công nghệ mà thật dự đoán trước từ năm bảy mươi kỷ XX vừa qua Nhưng loài người bị bất ngờ thành tựu nối tiếp thành tựu ngày dồn dập làm tăng nhanh tốc độ cách mạng - cách mạng công nghệ sinh học đại mà hạt nhân di truyền học đại - lĩnh vực khoa học đạt tới tầm cao lý thuyết đủ để trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp, phục vụ hiệu cho nhu cầu hàng ngày thực tiễn xã hội, nước phát triển mà cho nước nghèo nước ta Điều đặc biệt đặc thù cách mạng tạo hội lớn có nước nghèo rút ngắn khoảng cách với nước giàu việc phát triển khoa học này, biết chớp lấy tận dụng tốt hội Các khái niệm “gen”, “sinh vật chuyển gen”, ngày cịn mang nặng tính hàn lâm, lý thuyết xa vời, sản phẩm chuyển gen bày bán sạp chợ khắp châu lục Việc thao tác ADN, kỹ thuật di truyền phân tử - hệ thống phương pháp kết hợp thành tựu khoa học lớn giải thưởng Nobel, sử dụng phổ biến khắp giới, có nhiều phịng thí nghiệm nước ta, để phục vụ nhu cầu thực tiễn đa dạng Ngày 12-2-2001 tồn trình tự hệ gen người xác định công bố, mở thời kỳ phát triển di truyền học đối tượng người Đây lại hội cho nước phát triển thừa hưởng kho thông tin khổng lồ vô trả tiền Tập tài liệu “Nguyên lý di truyền học đại” biên soạn nhằm cung cấp kiến thức di truyền học, giúp bạn đọc “ngoại đạo” tìm hiểu sở khoa học mơn học Trung tâm di truyền học gen Từ cuối thập kỷ 60 kỷ XX xuất công nghệ cao bắt nguồn từ di truyền học đại gọi kỹ thuật di truyền Nó phát triển với tốc độ thần kỳ đạt tới điểm mà nhiều phịng thí nghiệm tồn giới kỹ thuật trở thành cơng việc hàng ngày: từ tách chiết đoạn ADN đặc thù hệ gen từ sinh vật đến việc xác định trình tự bazơ đánh giá chức Điều đặc biệt hấp dẫn nhà khoa học riêng biệt áp dụng kỹ thuật mà không cần thiết bị đắt tiền nguồn tài lớn, nằm ngồi tầm với cá nhân nhà khoa học riêng lẻ Nguyên lý kỹ thuật đơn giản Cơ sở công nghệ thông tin di truyền mã hố ADN, tồn dạng gen Thơng tin sửa đổi theo nhiều cách khác để đạt tới mục tiêu định nghiên cứu lý thuyết, ứng dụng y học Có lĩnh vực chủ yếu sử dụng thao tác di truyền là: - Nghiên cứu lý thuyết cấu trúc chức gen; Sản xuất protein hữu ích phương pháp mới, dựa chức gen; - Tạo thực vật, động vật vi sinh vật chuyển gen; Xét nghiệm ADN để xác định đặc trưng cá thể chẩn đoán bệnh di truyền bệnh nhiễm trùng Như vậy, trung tâm di truyền GEN Trên sở hiểu biết rõ cấu trúc, chức qui luật vận động chúng người ngày làm chủ cơng nghệ điều khiển sống mn lồi theo hướng mong muốn Vậy gen gì? Hành vi chúng sao? Con người làm để điều khiển hành vi phục vụ cho lợi ích nhân loại? Gen Mendel phát từ kỷ 19 Ngay từ lịch sử loài người bắt đầu, người ta tự hỏi đặc điểm, tính trạng truyền từ hệ sang hệ khác Mặc dù thường trông giống bố mẹ hơn, nói chung đặc điểm thường pha trộn bố mẹ Nhiều kỷ chọn giống động thực vật cho thấy tính trạng có ích tốc độ chạy ngựa, sức mạnh bò, kích thước hoa chịu ảnh hưởng rõ ràng phép lai định Tuy nhiên, lúc khơng có phương pháp khoa học dự đoán trước kết phép lai hai cặp cha mẹ cụ thể Cho đến tận năm 1865 thầy tu người Áo tên Gregor Mendel phát tính trạng riêng biệt xác định nhân tố riêng rẽ mà sau gọi gen Chính chúng di truyền từ bố mẹ sang Cách nghiên cứu nghiêm túc chặt chẽ ông biến chọn giống nông nghiệp từ nghệ thuật trở thành khoa học Tuy nhiên, cơng trình ơng lúc chưa thừa nhận Vì vậy, khoa học di truyền thật tái sinh với việc phát minh lại cơng trình Gregor Mendel vào đầu kỷ 20 40 năm sau nguyên lý di truyền chứng minh làm sáng tỏ Di truyền học vi sinh vật phát triển mạnh mẽ vào năm 40 kỷ trước vai trị ADN (thành phần hóa học gen) khẳng định Cũng vậy, hiểu biết người chế chuyển gen vi khuẩn kiến thức khoa học sống trở nên sáng tỏ nhiều Phát minh James Watson Francis Crick năm 1953 cấu trúc ADN tạo bước đột phá cho phát triển di truyền học mức phân tử Việc giải xong mã di truyền đầy đủ vào năm 1966 coi ngày đời di truyền học đại Từ năm 1865 đến ngày lịch sử phát triển di truyền học phản ánh hiểu biết ngày tăng người gen Trước định nghĩa gen cách xác, tạm hiểu gen đoạn ADN có đủ thơng tin di truyền để qui định chức màu mắt người, hình dạng hạt đậu hay bệnh Gen chủ yếu nằm nhiễm sắc thể Tất sinh vật cấu thành từ tế bào Các phản ứng hóa học diễn bên tế bào gọi trình trao đổi chất Thơng tin di truyền cần thiết để trì tế bào tồn sản sinh tế bào tàng trữ nhân tế bào sinh vật Thông tin di truyền truyền từ hệ sang hệ Nhân tế bào có chứa thơng tin di truyền (ADN) trung tâm điều khiển tế bào ADN bọc gói thành nhiễm sắc thể Việc tổng hợp (sao chép) ADN tổng hợp (phiên mã) ARN tương ứng diễn bên nhân Phiên mã bước q trình biểu thơng tin di truyền hoạt động trao đổi chất chủ yếu nhân tế bào Mỗi gen, tức đơn vị thông tin di truyền đoạn ADN mà thông tin thể ngơn ngữ bao gồm chữ cái, chữ bazơ nitơ Thông tin lưu trữ sợi ADN sau thể trình tự loại polymer sinh học khác, protein Cơng trình tế bào học cuối năm 1800 chứng minh thể sống có nhiễm sắc thể đặc thù nằm tế bào Cùng thời gian nghiên cứu hóa sinh học cho thấy vật liệu cấu tạo nên nhiễm sắc thể bao gồm ADN protein Trong 40 năm đầu kỷ 20 nhiều nhà khoa học tin protein mang mã di truyền, cịn ADN có chức làm dàn giáo hỗ trợ Như quan điểm ngược lại chứng minh Cơng trình Avery Hershey, năm 1940 1950, chứng minh ADN phân tử di truyền Các cơng trình hồn thành vào năm 1960 1970 cho thấy nhiễm sắc thể cấu trúc gồm sợi ADN liên tục dài Ở sinh vật bậc cao protein cấu trúc, mà số histon, đóng vai trị giá đỡ giúp cho ADN có cấu trúc nhiễm sắc thể chặt chẽ Gen có thành phần ADN ARN Cấu trúc ADN (Axit DeoxyriboNucleic) gồm đơn vị vật liệu gọi nucleotid Mỗi nucleotid gồm đường deoxyribose, nhóm phosphat, bazơ nitơ: adenin (A), thymin (T), guanin (G), cytosin (C) Các nhóm phosphat đường nucleotid kế cận nối với tạo nên polymer mạch dài Trong bazơ nitơ A kết với T G kết với C tạo cho phân tử ADN hình ảnh chuỗi xoắn kép giống thang xoắn nhà Điều khảng định cơng trình năm 1953 James Watson Francis Crick phịng thí nghiệm Cavendish Cambridge, nước Anh Như cặp bazơ có tác dụng gắn chuỗi xoắn kép với Nơi "bắt đầu" sợi phân tử ADN ký hiệu 5' Cịn phân tử ADN ký hiệu đầu 3' Thuật ngữ 5' 3' vịtrí bazơ tương ứng với phân tử đường khung ADN nơi mối liên kết phosphodiester kết nối nguyên tử carbon 3' carbon 5' đường deoxyribose (trong ADN) đường ribose (trong ARN) Mỗi nhiễm sắc thể bao gồm phân tử ADN đơn lẻ ADN chứa tới tỷ cặp bazơ - số khổng lồ Tất lượng thông tin phải tổ chức theo cách để bọc gói bên nhân tế bào bé nhỏ Để thực việc đó, ADN phải nằm tổ hợp với histon để tạo thành chromatin Histon protein đặc biệt để phân tử ADN quanh trở nên đặc Sau chromatin tự cuộn tạo thành dạng nhiễm sắc thể Khi tế bào phân chia thành hai tế bào ADN, tất 46 nhiễm sắc thể, chẳng hạn, người, phải chép (tổng hợp) Tính đặc hiệu việc kết cặp A/T C/G quan trọng để tổng hợp sợi ADN giống hệt sợi ADN cha mẹ Vì sợi dùng làm khuôn để tổng hợp ADN theo nguyên tắc bổ sung hai sợi – sợi cũ làm khuôn sợi tổng hợp Nếu có trục trặc xảy q trình chép ADN làm hỏng chức gen Chẳng hạn, bazơ sai xen vào trình chép (một đột biến) sai sót xảy đoạn gen quan trọng, dẫn đến protein bị bất hoạt Rất may, có q trình tiến hóa chế khác để đảm bảo đột biến phát hiện, sửa chữa không bị nhân lên Tuy nhiên, chế bị hỏng đột biến không sửa chữa xảy Trong trường hợp q trình chuyển hóa cấu trúc bị hủy hoại dẫn đến bệnh tật Một số virut lưu trữ thông tin di truyền ARN, có lúc người ta tin ADN phân tử di truyền Mặc dù vậy, virut tạo protein theo cách sinh vật bậc cao Trong trình gây nhiễm, mã ARN phiên mã ngược trở lại ADN, sau chuyển sang ARN sang protein phù hợp với sơ đồ chấp nhận Quá trình chuyển đổi từ ARN sang ADN gọi phiên mã ngược, virut sử dụng chế gọi retro-virut Một polymerase chuyên dụng, gọi transcriptase ngược, sử dụng ARN sợi khuôn để tổng hợp phân tử ADN mạch kép bổ sung nêu hình Gen tự sinh gen Vì gen có thành phần cấu tạo ADN nên chúng tự tạo chúng ADN chép Tính đặc hiệu trình kết cặp bazơ A/T C/G giúp giải thích ADN chép trước tế bào phân chia Các enzym dãn xoắn ADN cách bẻ gãy mối liên kết hydro cặp bazơ Các bazơ không kết cặp tự bám vào nucleotid khác với bazơ bổ trợ Enzym primase bắt đầu trình cách tổng hợp đoạn mồi ARN ngắn bổ trợ với ADN chưa kết cặp ADN polymerase đính nucleotid ADN vào đầu sợi bổ trợ kéo dài tổng hợp Quá trình chép thực liên tục sợi gọi sợi dẫn đầu Trên hình phía Q trình tổng hợp diễn với đoạn ngắn riêng biệt có tên Okazaki gọi sợi theo sau, nằm hình phía sợi dẫn đầu Sự khác biệt ADN chỉcó thể gắn nucleotid vào đầu 3’.Sau enzym có tên ligase nối đoạn Okazaki với Bây ta có phân tử ADN, phân tử sợi gốc ban đầu sợi có trình tự nucleotid bổ trợ (bổ sung) với Hai sợi giống hệt Ngơn ngữ gen đơn giản chứa đầy thông tin Thông tin di truyền giống ngôn ngữ Chúng ta sửdụng chữ bảng alphabet đểtạo từ, sau nối từ lại với để tạo câu, đoạn vănvà sách Trong ngơn ngữ ADN: Bảng alphabet có chữ (A, T, G C) Mỗi chữ hợp chất hóa học gọi bazơ nucleotid Bốn chữ dùng để tạo từ di truyền gọi codon Khác ngôn ngữ bình thường, tất từ di truyền có chữ Các từ kết hợp với tạo nên câu gọi gen có chức mã hóa cho trình tự axit amin polypeptid Tại cuối câu có từ đặc biệt dùng làm dấu chấm câu gọi codon dừng Tất cảcác câu nối lại với tạo thành sách chứa đựng tồn thơng tin di truyền vềbạn (hoặc sinh vật) gọi hệgen Chúng ta làm phép so sánh tiếng Việt Ngôn ngữ di truyền: So sánh ngôn ngữ Tiếng Việt Ngôn ngữ Di truyền - Chúng ta có 24 chữ để tạo nên từ - Các từ có chiều dài khác - Chúng ta ghép từ để tạo nên câu - Môi câu kết thúc dấu chấm - Các câu phối hợp tạo Sách - ADN có phân tử để tạo nên ba - Các ba có chiều dài Các ba phối hợp tạo nên gen Mỗi gen kết thúc ba vô nghĩa Tất gen phối hợp tạo nên hệ gen - Ngôn ngữ di truyền ADN cung cấp thông tin cần thiết cho việc sản xuất protein để thực trình trao đổi chất đảm bảo cho sống sinh vật Các protein lại có ngơn ngữ riêng chúng với bảng "alphabet" có 20 "chữ cái" Các chữ axitamin ARN dùng để "dịch" ngôn ngữ di truyền sang ngôn ngữ protein Nó lấy thơng tin từ gen sợi ADN để tạo protein cần thiết cho sống Dọc theo gen (cũng dọc theo ADN) thông tin dùng cho axit amin lưu trữ từ gồm chữ gọi codon Mỗi codon định axit amin cụ thể Bằng cách đọc codon protein đặc thù sinh từ mã di truyền Các codon ADN mã hóa cho axit amin đặc thù Có 20 axit amin tìm thấy protein tự nhiên Bên đoạn ngôn ngữ gen: CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG ACG TCC GAA GAG TGA CCG Gen bị biến đổi trở thành đột biến ADN hai cá thể thuộc lồi có độ giống cao - khác nucleotid 1000 Một đột biến, trường hợp đơn giản nhất, sựthay đổi đoạn ADN Thay đổi khơng thể dẫn đến thay đổi protein mà gen mã hóa Thay đổi khơng ảnh hưởng đến trình tựprotein gọi tượng đa hình phần biến dị bình thường hệ gen người Tuy nhiên, thường biến đổi ADN thường làm hỏng chức gen mà gọi biểu lâm sàng Protein bị biến đổi bắt nguồn từ đột biến phá vỡ cách thức hoạt động gen dẫn đến bệnh tật Các đột biến biểu phụ thuộc vào khả di truyền riêng biệt cá thể vào tương tác với mơi trường Ngồi ra, biến đổi truyền khơng truyền lại cho hệ Nếu bệnh ung thư khơng mang tính gia đình, đột biến xảy tế bào soma tách biệt khơng truyền lại cho hệ Chỉ đột biến xảy ADN giao tử (tinh trùng tế bào trứng) truyền lại cho hệ sau Nếu đột biến truyền lại cho hệ chúng mang đột biến tất tế bào cơthể Các loại đột biến chủ yếu xảy mức phân tử liệt kê giải thích bảng dưới: 10 - Phiên mã trình trình tự ADN (các nucleotid) gen sử dụng để tạo sợi mARN giống nó, sau sợi dùng để điều khiển việc tổng hợp protein - Dịch mã trình mà trình tự mARN dùng để hướng dẫn việc xây dựng trình tự axit amin trongprotein Sự cố xảy trình số kể dẫn đến phá vỡ chức bình thường gen dẫn tới bệnh tật Bên danh sách 20 axit amin cơng thức hóa học chúng GS Douglas J Burks xây dựng trao tặng Các proteins có vai trị vơ to lớn đa dạng thể Chúng có trách nhiệm vận chuyển, lưu giữ xây dựng khung cấu trúc tế bào Chúng tạo kháng thể, máy enzym để xúc tác phản ứng hóa sinh học cần thiết cho hoạt động trao đổi chất Cuối cùng, protein thành phần quan trọng nhiều hormon, protein co bóp có nhiệm vụ co bóp vận động tế bào Thí dụ số protein quen biết hemoglobin, collagen, hormon thyroid, insulin, myosin Bệnh tật thường biểu chức không phù hợp protein ảnh hưởng di truyền, môi trường, hai 12 Gen bật tắt Qua chế phân bào mà tìm hiểu phần sau tài liệu này, tất tế bào thể mang gen giống Nếu tất gen hoạt động với mức độ suốt thời gian tồn thể, từ hình thành hợp tử bụng mẹ đến sinh đi, hình dạng, chỉnói hình dạng, tất giống giống bóng (hình cầu) Nhưng thực tế không diễn Những gen khác mô tế bào khác hoạt động chức với cường độ khác thời gian khác Nói cách khác, gen không sản xuất protein chúng vào lúc, việc sản xuất protein chịu điều khiển Các nhà nghiên cứu Pháp lần làm sáng tỏ chế điều hòa hoạt động gen đối tượng vi khuẩn gọi chế biểu gen phân hóa (differential gene expression) Thí nghiệm sau: Khi có đường lactose mơi trường vi khuẩn E coli mở tồn nhóm gen để chuyển hóa đường Các nhà nghiên cứu phát thấy lactose loại bỏ nhân tố ức chế khỏi ADN Sự loại bỏ nhân tố ức chế bật điện cho việc sản xuất gen Gen tạo nhân tố ức chế gọi gen điều hòa Phát minh làm thay đổi quan niệm trước phát triển sinh vật bậc cao Các tế bào khơng có kế hoạch di truyền dùng cho protein cấu trúc ADN chúng mà cịn có chương trình điều hịa di truyền để biểu kế hoạch nói Các chi tiết chương trình điều hịa nghiên cứu cấu trúc lac operon - đơn vị điều hòa gen Sơ đồ nguyên lý hoạt động operon trình bày 13 Các gen khác hoạt động tế bào khác Tất tế bào thể mang thông tin di truyền đầy đủ, khoảng 20% gen biểu thời điểm cụthể Các protein khác tạo tế bào khác phù hợp với chức tế bào Sự biểu gen kiểm sốt điều hịa chặt chẽ Phần lớn sinh vật có thể bao gồm nhiều loại tế bào khác chuyên hóa để hoàn thành chức khác Chúng gọi tế bào biệt hóa, khác với tế bào gốc Tế bào gan chẳng hạn, khơng có nhiệm vụ hóa sinh tế bào thần kinh Vậy tế bào thể có cấu trúc di truyền, loại tế bào khác làm cách để có cấu trúc khác chức hóa sinh khác thế? Vì chức hóa sinh xác định enzym (protein) đặc hiệu, gen khác phải bật tắt loại tế bào khác Đó cách tế bào phân hóa Quan niệm biểu đặc thù tế bào gen chứng minh thí nghiệm lai- thí nghiệm xác định mARN có loại tế bào.Gần đây, phép thử ADN chip gen tạo điều kiện sàng lọc nhanh chóng tất hoạt động gen sinh vật Do vậy, biểu đồng thời gen phản ứng với nhân tố bên ngồi sử dụng xét nghiệm hình bên GS Douglas J Burks trao tặng 14 Các gen vận động chủ yếu với nhiễm sắc thể Sự di truyền gen dựa qui luật vận động nhiễm sắc thể mà gen nằm Nói cách khác, vận động gen tùy thuộc vào cách nhiễm sắc thể phân bố trình phân bào nguyên phân giảm phân sinh vật nhân chuẩn Nguyên phân sinh tế bào giống hệt mặt di truyền; sản phẩm giảm phân lại khác biệt mặt di truyền phân ly độc lập tượng trao đổi chéo Nguyên phân q trình mà nhiễm sắc thể nhân tế bào nhân chuẩn chia thành phần giống hệt mặt di truyền Do gọi ngun phân photocopy Cịn q trình giảm phân, thơng tin di truyền tổ hợp lại, tạo tính đa dạng quần thể Một tế bào lưỡng bội chứa hai nhiễm sắc thể Bộ mẹ mẹ đóng góp Cịn bố bố đóng góp Một cặp nhiễm sắc thể tương đồng bao gồm mẹvà bố Chúng đơn vị di truyền Mendel, cho thấy phân ly tổ hợp độc lập Các nhiễm sắc thể tương đồng mang gen giống có dạng khác gọi alen gen Khi giảm phân bắt đầu cặp nhiễm sắc thể tương đồng nhiễm sắc tử khơng chị em trao đổi đoạn ADN trình gọi trao đổi chéo tái tổ hợp Các nhiễm sắc thể sau trao đổi chéo chứa tổ hợp alen khác so với nhiễm sắc thể di truyền từ bố mẹ Ở khoảng giảm phân I nhiễm sắc thể cha mẹ cặp tương đồng xếp cách độc lập so với nhiễm sắc thể cha mẹ cặp tương đồng khác Các gen nằm nhiễm sắc thể khác chịu chi phối qui luật tổ hợp độc lập nhiễm sắc thể cha mẹ Do vậy, giao tử giảm phân sinh có tổ hợp alen khác chúng kết hai tượng tái tổ hợp xếp độc lập 15 Các gen chuyển qua lại lồi Vì tính phổ biến mã di truyền mà enzym polymerase sinh vật dùng để phiên mã xác gen sinh vật khác Thí dụ, lồi vi khuẩn khác nhận gen kháng chất kháng sinh cách trao đổi đoạn ADN nhỏ gọi plasmid Vào đầu năm 1970, nhà nghiên cứu California dùng kiểu trao đổi để chuyển phân tử ADN tái tổ hợp hai loài khác Vào đầu năm 1980, nhà khoa học khác cải tiến kỹ thuật đưa gen người vào vi khuẩn E coli để tạo insulin người tái tổ hợp hormon sinh trưởng Stanley Cohen (bên trái) and Herbert Boyer (bên phải) thực thí nghiệm kỹ thuật di truyền vào năm 1973 Họ chứng minh gen ếch chuyển sang tế bào vi khuẩn E.coli biểu chúng Công nghệ ADN tái tổ hợp - tức Kỹ thuật di truyền - hạt nhân công nghệ sinh học đại, giúp người nhìn vào bên cách thức hoạt động chi tiết gen Trong trường hợp kiểm tra chức gen mô hình động vật gen biểu vi khuẩn tế bào nuôi cấy Tương tự, kiểu hình đột biến gen hiệu thuốc tác nhân khác kiểm nghiệm hệ thống tái tổ hợp Sự truyền gen xảy tự nhiên thơng qua tượng biến nạp Điều chứng tỏ điều mà nhà di truyền học thực quan trọng nhiều so với người ta vốn nghĩ trước Kỹ thuật thao tác gen truyền gen mô tả chi tiết phần sau 16 Hệ gen đầy đủ gen sinh vật Trong di truyền học kinh điển hệ gen sinh vật lưỡng bội nhân chuẩn, chẳng hạn người, đầy đủ nhiễm sắc thể gen có giao tử; có nghĩa tế bào soma bình thường có chứa hai hệ gen đầy đủ Các sinh vật đơn bội bao gồm vi khuẩn, cổ sinh vật, virut hay ty thể, tức tế bào có chứa hệ gen riêng lẻ, thường hệ gen nằm phân tử ADN hay ARN (ởmột sốvirut) mạch vòng hay mạch thẳng Trong sinh học phân tử đại hệ gen sinh vật thông tin di truyền mã hóa ADN ARN Hệ gen bao gồm gen đoạn ADN khơng mã hóa protein Thuật ngữ giáo sư Hans Winkler đặt vào năm 1920, ông làm việc Đại học tổng hợp Hamburg, Đức Chính xác hơn, hệ gen sinh vật trình tự di truyền đầy đủ nhiễm sắc thể; thí dụ, hai nhiễm sắc thể có tế bào soma sinh vật lưỡng bội Thuật ngữ hệ gen áp dụng cách đặc thù để đầy đủ ADN nhân (thí dụ "hệ gen nhân") áp dụng cho ADN nằm quan tử tế bào hệ gen ty thể, hệ gen lạp thể Ngoài ra, thuật ngữ hệ gen dùng cho phần tử di truyền nhiễm sắc thể virut, plasmid yếu tố di truyền vận động (transposable elements) Khi người ta nói hệ gen lồi sinh sản hữu tính giải trình tự, điều có nghĩa xác định trình tự nhiễm sắc thể thường nhiễm sắc thể giới tính Cả số lượng cặp bazơ số gen khác loài khác Hiện nay, số lượng gen lớn vào khoảng 60.000 gen động vật nguyên sinh (protozoan), gần gấp lần số gen hệ gen người Cần ý hệ gen không phản ánh tính đa dạng di truyền hay đa hình di truyền lồi Bảng so sánh kích thước hệ gen sinh vật khác nhau: Sinh vật Kích thước hệ gen (cặp bazơ) Chú thích Virus, Bacteriophage MS2 3,569 First sequenced RNAGenome [3] Virus, SV40 5,224 [4] Virus, Phage -X174; 5,386 First sequenced DNAGenome [5] Virus, Phage 48,502 17 Bacterium, Haemophilus influenzae 1,830,000 First genome of living organism, July 1995 [6] Bacterium, Carsonella ruddii 160,000 Smallest non-viral genome.[7] Bacterium, Buchnera aphidicola 600,000 Bacterium, Wigglesworthia glossinidia 700,000 Bacterium, Escherichia coli 4,600,000 Amoeba, Amoeba dubia 670,000,000,000 Largest known genome.[9] Plant, Arabidopsis thaliana 157,000,000 First plant genome sequenced, Dec 2000.[10] Plant, Genlisea margaretae 63,400,000 Smallest recorded flowering plant genome, 2006.[10] Plant, Fritillariaassyrica 130,000,000,000 Plant, Populus trichocarpa 480,000,000 First tree genome, Sept 2006 moss, Physcomitrella patens 480,000,000 First genome of a bryophyte, January 2008 [11] Yeast,Saccharomyces cerevisiae 12,100,000 [12] Fungus, Aspergillusnidulans 30,000,000 Nematode, Caenorhabditis elegans 98,000,000 Insect, Drosophila melanogaster aka Fruit Fly 130,000,000 Insect, Bombyx mori aka Silk Moth 530,000,000 Insect, Apis mellifera aka Honey Bee 1,770,000,000 Fish, Tetraodon nigroviridis, type of Puffer fish 385,000,000 Mammal, Homo sapiens 3,200,000,000 Fish, Protopterus aethiopicus aka Marbled lungfish 130,000,000,000 [8] First multicellular animal genome,December 1998 [13] [14] Smallest vertebrate genome known Largest vertebrate genome known 18 Các sinh vật khác có chứa nhiều gen chung Tất sinh vật lưu trữ thông tin di truyền phân tử ADN ARN Mã di truyền chung ghi phân tử chứng tất yếu cho thấy tất sinh vật có tổ tiên chung Q trình tiến hóa dạng sống bậc cao đòi hỏi phát triển gen để hỗ trợ chương trình khác thể kiểu dinh dưỡng khác Mặc dù vậy, sinh vật phức tạp trì nhiều gen điều khiển chức chuyển hóa nịng cốt thực từ q khứ sơ khai chúng Các gen chung sinh vật với người % gen chung với người Khỉ Chimpanzee, Pantroglodytes, 30 000 genes Chimpanzees have about the same number of genes as humans But then why can't they speak? The difference could be in a single gene, FOXP2, whichin the chimpanzee is missing certain sections 98% Chuột, Mus musculus, 30000 genes Thanks to mice, researchers have been able to identify genes linked to skeletal development, obesity and Parkinson's disease, to name but a few 90% Cá Vằn (Zebra Fish, Danio rerio), 30000 genes 85% of the genes in these little fish are the same as yours Researchers use them to study the role of genes linked to blood disease such as anemia falciforme and heart disease 85% Ruồi dấm, Drosophila melanogaster, 13600 genes For the past 100 years, the fruit fly has been (Image: David M.Phillips, Visuals Unlimited,Inc.) 36% 19 Cây Arabidopsis thaliana, 25000 genes This little plant, from the mustard family, is used as a model for the study of all flowering plants Scientistsuse its genes to study hepatolenticular degeneration, a disease causing copper to accumulate in the human liver.(Image: Wally Eberhart, Visuals Unlimited, Inc.) Nấm men Saccharomyces cerevisiae, 6275 genes You have certain genes in common with this organism that is used to make bread, beer and wine Scientists use yeast to study the metabolism of sugars, the cell division process, and diseases such ascancer 26% 23% (Image: Kessel & Shih, Visuals Unlimited, Inc.) Giun đũa Caenorhabditis elegans, 19000 genes Just like you, this worm possesses muscles, a nervous system, intestines and sexual organs Thatis why the roundworm is used to study genes linked to aging, to neurological diseases such as Alzheimer's, to cancer and to kidneydisease 21% Vi khuẩn Escherichia coli, 4800 genes The E coli bacterium inhabits your intestines Researchers study it to learn about basic cell functions, such as transcription and translation (Image: Fred Hossler, Visuals Unlimited, Inc.) 7% Các gen trì qua q trình tiến hóa sinh vật; nhiên chúng bị biến đổi lấy từ sinh vật khác vi khuẩn trao đổi với plasmid kháng thuốc kháng sinh, virut đính gen chúng vào vật chủ Một số gen động vật có vú bị virut lấy sau đính vào vật chủ khác chúng 20 Như vậy, tất sinh vật có gen cổ xưa bắt nguồn từ buổi ban đầu lồi người có gen chung với sinh vật Nếu người có nhiều gen chung với lồi khác tạo nên khác biệt người? Cái biến người thành sinh linh phức hợp biết học, biết nói, biết nghĩ cảm nhận? Và làm cho người ta khác biệt nhau? Chúng ta có nhiều gen chung với chuột giun nhiều ta tưởng! Bất chấp ngoại hình khác biệt, có số gen chung với loài khác cách đáng ngạc nhiên (xem bảng trên) Mặc dù gen có chung nucleotid trình tự xếp nhau, chức chúng có độ tương đồng đủ để so sánh với Chắc chúng bắt nguồn từ tổ tiên chung sống cách khoảng 3,5 tỷ năm Các nhà khoa học cho q q trình tiến hóa hệ gen tổ tiên trở thàn sở cho loài mà ngày quan sát thấy Chính vậy, thành phần nhiều gen giống Hình bảng bên trái cung cấp thí dụ gen béo obesity (ob) động vật khác nhau, trình tự chúng giống Bức tranh phía chí cho thấy trình tự giống hệt sinh vật khác nhau, từ nấm men đến người TS Michael Wigler nghiên cứu gen ung thư 21 Các gen cắt, ghép, sửa đổi Sự tiến lĩnh vực khoa học phụ thuộc vào kỹ thuật phương pháp có khả mở rộng phạm vi đạt độ xác cao thí nghiệm cần thực Trong 40 năm qua điều minh chứng cách ngoạn mục làm bật lên lĩnh vực di truyền học phân tử nịng cốt Cơng nghệ sinh học đại Lĩnh vực phát triển nhanh chóng đạt tới điểm mà ngày nhiều phịng thí nghiệm toàn giới việc nghiên cứu gen trở thành thực tế sôi sục hàng ngày, bao gồm tách chiết đoạn ADN đặc thù từ hệ gen sinh vật, xác định trình tự bazơ đánh giá chức Điều đặc biệt ấn tượng công nghệ dễ dàng sử dụng cá nhân nhà khoa học mà không cần đến thiết bị qui mô nguồn tài lớn ngồi tầm với phịng nghiên cứu trang bị vừa phải Mặc dù có nhiều kỹ thuật phức tạp đa dạng liên quan, nguyên lý thao tác di truyền lại đơn giản Quan điểm chung mà công nghệ dựa vào thông tin di truyền mã hóa ADN bố trí dạng gen, nguyên liệu nguồn thao tác theo nhiều cách khác nhằm đạt tới mục tiêu cụ thể Những phương pháp công nghệ chủ yếu dùng hàng ngày phịng thí nghiệm di truyền học đại: Tách chiết ADN Bước cần thực để có ADN mong muốn phù hợp với mục tiêu thí nghiệm Nguyên lý chung giống nhau, có khác biệt nhỏ loại đối tượng khác nhau: động vật, thực vật tế bào nhân sơ vi khuẩn Các phương pháp lai tử Dựa tính chất bổ trợ sợi ADN mạch kép sợi ADN ARN có phương pháp Southern blotting, Northern blotting lai chỗ (including fluorescent in situ hybridization - FISH) Các kỹ thuật lai cho phép tách biệt gen quan tâm từ hỗn hợp gồm nhiều đoạn ADN, ARN hai loại Sửa đổi ADN enzym Dựa vào đặc tính hoạt động đặc hiệu enzym lên ADN người ta cắt ADN điểm mong muốn (enzym giới hạn), sau nối đoạn ADN lại với enzym ADN ligase, tạo nên đoạn ADN có thành phần nguồn gốc khác nhau, thuật ngữ chuyên môn gọi ADN tái tổ hợp Ngồi ra, cịn nhiều loại enzym khác có đặc thù hoạt động khác ADN phân hủy ADN từ đầu định, hay từ sợi ADN ngồi - Nói chung, ngày tay nhà khoa học có công cụ phong phú để tạo đoạn ADN mang chức cần thiết cho nhu cầu đa dạng người 22 Gắn vào vector Để chuyển ADN tạo phương pháp trên, thường cần gắn ADN vào cấu trúc ADN mạch vòng nhỏ gọi plasmid, cosmid hay loại virut, tựa đưa hàng lên xe để chuyển Sau nhân số lượng vector lên để sẵn sàng cho thí nghiệm chuyển gen đến cá vật chủ thích hợp Do kỹ thuật thường gọi tách dòng gen Tách dòng gen sử dụng lĩnh vực sau: nhận dạng gen đặc hiệu, lập đồ hệ gen, sản xuất protein tái tổ hợp, tạo sinh vật chuyển gen (GMO) Phản ứng chuỗi trùng hợp (PCR) kỹ thuật khơng thể thiếu phịng thí nghiệm di truyền học đại Bản chất phương pháp cho phép nhân lên hàng triệu lần đoạn ADN quan tâm chỉtrong vòng đồng hồ GS James Watson, người Francis Crick tìm cấu trúc khơng gian chuỗi xoắn kép ADN nhận xét: Kỹ thuật PCR cách mạng hóa cơng nghệ sinh học Đặc biệt nước nghèo nước ta, kỹ thuật tạo hội ngàn năm có để rượt đuổi nước tiên tiến, không cần đầu tư lớn mà làm khoa học công nghệ mức độ cao Phương pháp Kary Mullis phát minh vào năm 1980, dựa nguyên lý tổng hợp ADN tự nhiên tế bào gồm bước sau: 1) Tách sợi ADN mạch kép thành sợi đơn nhiệt độ cao, đểmỗi sợi đơn có thểlàm khn để tổng hợp sợi mới; 2) Gắn đoạn mồi (các đoạn ADN ngắn có chiều dài từ 18 - 30 nucleotid) vào sợi ADN khn nhiệt độ thích hợp; 3) Tổng hợp sợi ADN vị trí mồi gắn vào nhiệt độ khác Các bước lặp lại 20-40 lần đoạn ADN nằm mồi tổng hợp Ứng dụng PCR Chẩn đoán bệnh di truyền y học, vi sinh vật y học y học phân tử Định typ HLA ghép tạng Phân tích ADN vật liệu cổ sinh Xác định đặc trưng cá thể hình xét nghiệm huyết thống Chuẩn bị mẫu dò axit nucleic Sàng lọc dòng xây dựng đồ Nghiên cứu đa dạng di truyền lồi Giải trình tự ADN Một cơng nghệ cho phép giải trình tự trực tiếp đoạn ADN thay cố gắng tìm trình tự gen, trình tự đột biến ADN gen phương pháp truyền thống phân tích RFLP, nhiễm sắc thể di chuyển hay chí thí nghiệm tải nạp, tiếp hợp vi khuẩn Ngày giải trình tự ADN đạt đến giai đoạn tự động hóa sử dụng hàng ngày nhiều phịng thí nghiệm cho nhiều mục đích khác 23 Ngoại di truyền (Epigenetics) cách điều khiển hoạt động gen hiệu Ngoại di truyền lĩnh vực nghiên cứu thay đổi di truyền biểu gen mà khơng thay đổi trình tự ADN Các nghiên cứu cho thấy chế ngoại di truyền cung cấp thêm tầng kiểm soát phiên mã cho phép điều hòa cách thức mà gen biểu Các chế hợp phần then chốt phát triển sinh trưởng bình thường tế bào Các bất thường ngoại di truyền phát thấy nhân tố gây ung thư, rối loạn di truyền hội chứng nhi khoa Chúng nhân tố góp phần vào bệnh tự miễn dịch lão hóa Bài giới thiệu nguyên lý chế ngoại di truyền góp phần chúng cho sức khỏe người hậu lâm sàng sai lệch ngoại di truyền Bài đề cập việc sử dụng đường ngoại di truyền cách tiếp cận chẩn đốn điều trị có định hướng thông qua phổ lâm sàng 24 Lĩnh vực có ảnh hưởng rộng lớn đến y học, đặc biệt việc nghiên cứu biến đổi di truyền chức gen mà không biến đổi trình tự ADN Lĩnh vực phát triển nhanh tạo hội hấp dẫn cho chẩn đoán điều trị rối loạn lâm sàng phức tạp Các nguyên lý ngoại di truyền tượng methyl hóa ADN việc sửa đổi histon (A) Sơ đồ sửa đổi ngoại di truyền Các sợi ADN cuộn gói xung quanh khối bát phân histon, tạo thể nhân (nucleosome), cấu trúc tổ chức thành chromatin - đơn vịvật liệu cấu thành nhiễm sắc thể Quá trình sửa đổi histon đặc hiệu điểm thuận nghịch diễn nhiều điểm thơng qua acetyl hóa, methyl hóa phosphoryl hóa Methyl hóa ADN xảy vị trí gốc cytosin phản ứng xúc tác enzym ADN methyltransferases (DNMTs) Đồng thời, sửa đổi cung cấp dấu hiệu (signature) ngoại di truyền riêng biệt có tác dụng điều hòa cấu trúc chromatin biểu gen (B) Sơ đồ thay đổi thuận nghịch cấu trúc chromatin ảnh hưởng đến biểu gen: gen biểu (bật) chromatin mở (hoạt động), chúng bị bất hoạt (đóng) chromatin bị đặc (câm) Các vịng trắng = cytosin khơng bị methyl hóa; vịng đỏ = cytosin bị methyl hóa Hậu lâm sàng sai lệch ngoại di truyền chế điều hòa chịu ảnh hưởng ADN qua suốt thời gian sống người Ngay sau thụ tinh, hệ gen người bố nhanh chóng bị demethyl hóa ADN sửa đổi histon Hệ gen mẹ demethyl hóa từ từ, tất nhiên sóng methyl hóa phơi khởi đầu tạo dựng kế hoạch chi tiết cho mô phôi phát triển Kết tế bào có mẫu hình ngoại di truyền riêng đượ trì nghiêm ngặt để điều hòa biểu gen cần thiết Những dao động mẫu hình bố trí nghiêm ngặt q trình methyl hóa ADN sửa đổi histon dẫn đến rối loạn bẩm sinh hội chứng thai nhi đa hệ thống người tiềm ẩn trạng thái bệnh tật ung thư rải rác rối loạn suy thoái thần kinh Lão hóa Cả việc tăng cường thuyên giảm q trình methyl hóa ADN liên quan tới q trình lão hóa Các chứng tích lũy chothấy thay đổi methyl hóa phụ thuộc tuổi tham gia vào phát triển rối loạn thần kinh, tính tự miễn dịch ung thư người già Những biến đổi methyl hóa diễn theo tuổi bao gồm việc bất hoạt gen liên quan ung thư Ở số mô mức độ cytosin bị methyl hóa tăng cao tế bào lão hóa q trình demethyl hóa kích thích tính bất ổn định nhiễm sắc thể gây tái cấu trúc làm tăng nguy ung thư Trong mô khác ruột, việc tăng cao methyl hóa kiện tiềm ẩn mắc ung thư ruột kết tuổi cao Ung thư liệu pháp ngoại di truyền Ung thư trình bao gồm nhiều bước mà sai lệch di truyền ngoại di truyền tích lũy lại 25 chuyển tế bào bình thường thành tế bào ung thư xâm lấn di Các mẫu hình methyl hóa ADN bị biến đổi làm thay đổi biểu gen liên quan đến ung thư Q trình methyl hóa ADN giảm hoạt hóa gen ung thư khởi đầu bất ổn định nhiễm sắc thể, q trình tăng methyl hóa ADN lại khởi đầu cho câm lặng gen ức chế ung thư Tỷ lệ mắc phải tượng tăng siêu methyl hóa, đặc biệt ung thư rời rạc, dao động tùy thuộc gen liên quan loại ung thư mà cố xảy Cho đến nay, liệu pháp ngoại di truyền cịn số lượng số nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng chấp nhận cho áp dụng điều trị kiểu ung thư đặc thù Một số chất đồng đẳng azacitidin gắn vào ADN chép, ức chế methyl hóa tái hoạt hóa gen bị câm trước Azacitidin có hiệu thử nghiệm lâm sàng pha I điều trị hội chứng myelodysplast bệnh bạch cầu siêu methyl hóa gây Các oligonucleotid đối nghĩa cho kết hứa hẹn thử nghiệm lâm sàng pha I cá khối u rắn ung thư thận Tương tự, phân tử nhỏ axit valproic sử dụng để làm chết tế bào ung thư Sự phối hợp liệu pháp ngoại di truyền với liệu pháp hóa học truyền thống đưa lại hiệu cao chúng tái kích hoạt gen câm có gen ức chế ung thư, đồng thời làm cho tế bào nhờn thuốc nhạy cảm trở lại với liệu pháp chuẩn bình thường Con đường phía trước Kiến thức chế ngoại di truyền tăng lên 10 năm qua bắt đầu chuyển hóa thành cách tiếp cận chẩn đốn phân tửvà điều trị nhằm đích thơng qua phổ lâm sàng Với hoàn thành Dự án hệ gen người, Dự án ngoại hệ gen người đề xuất tạo đồ methyl hóa cho hệ gen Bằng cách nghiên cứu mô khỏe mô bệnh vùng hệ gen đặc thù nhận dạng, chúng tham gia vào trình phát triển, vào biểu đặc thù mơ, vào tính nhạy cảm với mơi trường vào phát sinh bệnh Việc sử dụng đồ ngoại di truyền dẫn đến liệu pháp ngoại di truyền điều trị rối loạn phức tạp xuyên suốt phổ lâm sàng 26