V. Tầm quan trọng của táI tổ hợp trong tự nhiên
1. Điều hoà ở mức cấu trúc của ADN và nhiễm sắc thể
Cách đầu tiên mà biểu hiện của gen có thể đ−ợc điều hoà là ở mức độ vật chất di truyền. ở Eukaryote, VCDT là phức hệ chặt chẽ của ADN với Histon tạo thành cấu trúc NST, đó là một kiểu cấu trúc đảm bảo cho sự tồn tại ổn định của VCDT và có thể ảnh h−ởng đến hoạt động của các protein có liên quan đến quá trình sao mã, cụ thể là nó làm ảnh h−ởng đến các nhân tố sao mã cũng nh− các ARN polymerase khi tìm đến đoạn gen đích để hoạt hoá quá trình sao mã ở đó. Sự có mặt của Histon và CpG methylation là có ảnh h−ởng tốt nhất. Trong tế bào, NST có thể tồn tại ở hai dạng, dạng cô đặc hay dạng điển hình. NST ở dạng cô đặc (heterochromatin) bắt màu mạnh hơn NST điển hình với tính chất “mở” hơn (ví dụ Thể Barr..) NST điển hình giữ dạng phân tán trong suốt kỳ trung gian, khi xảy ra quá trình sao mã. Một số vùng của heterochromatin xuất hiện nh− những dạng có cấu trúc riêng nh− NST ở gần tâm động. Các vùng cô đặc khác nhau ở các tế bào khác nhau là khác nhau, khi tế bào tiến hành phân hoá, tỉ lệ NST cô đặc so với NST điển hình tăng lên, đồng nghĩa với việc chuyên môn hoá của các tế bào khi tr−ởng thành.
* Sự sắp xếp lại trình tự ADN có thể làm thay đổi lâu dài biểu hiện của gen: Những thay
đổi ổn định trong trình tự gen của ADN đã xảy ra ở nhiều loài và là một phần quan trọng trong cơ chế điều hoà gen. Khác với những cách điều hoà khác, sự sắp xếp lại ADN đ−ợc sao chép lại một cách chính xác và đ−ợc di truyền tới tất cả các tế bào sinh ra do nguyên phân. Một số sự sắp xếp lại này hồi biến và cũng đã duy trì đủ thời gian để biểu hiện gen theo một cách khác. Ví dụ: Samollena và Trypanosomes có thể thực hiện sự sắp xếp lại ADN để tránh khỏi hệ thống miễn dịch của vật chủ (thay đổi có thể hồi biến) và vật chủ tiến hành sắp xếp lại hệ gen để tạo đ−ợc những kháng thể đặc tr−ng (thay đổi không thể hồi biến).
Tất cả động vật có x−ơng sống mà thiếu hệ miễn dịch đầy đủ đều có nguy cơ bị chết sớm do những tác nhân gây nhiễm: vi khuẩn, nấm, vật ký sinh hoặc virus. Khi cơ thể bị nhiễm
một loại phân tử hoặc loại ký sinh vật ngoại lai, hệ thống miễn dịch có trách nhiệm khởi động một sự kiện dẫn tới việc tiêu diệt và thải loại những vật xâm nhập.
Một đặc điểm đặc biệt của hệ thống miễn dịch là nó có khả năng phân biệt những chất ngoại lai và những chất của cơ thể, cho dù đôi lúc cũng có tr−ờng hợp nhầm lẫn. Những tế bào có chức năng miễn dịch đặc hiệu là những tế bào Lymphọ Lympho phát triển từ những tế bào mầm đa tiềm năng ở trong tuỷ x−ơng và chúng phát triển thành tất cả các loại tế bào mầm, bao gồm hồng cầu, bạch cầu và tiểu cầụ Lympho đồng thời cũng có mặt trong bạch huyết và trong các cơ quan lymphọ Sự đa dạng của kháng thể đ−ợc giải thích bằng giả thuyết chọn lọc dòng, đồng thời sự đa dạng này cần có sự sắp xếp lại của ADN. ở động vật có x−ơng sống, thay vì một đoạn liên tục mã hoá cho một kháng thể riêng biệt, hệ gen có những mảnh gen mã hoá cho những tiểu đơn vị riêng lẻ của kháng thể. Do đó có một nhóm gen cho vùng không thay đổi và một nhóm khác cho vùng thay đổi, sắp xếp nối tiếp nhau theo chiều dài của NST. Mỗi gen mã hoá cho chuỗi nặng hoặc chuỗi nhẹ khác nhau ít làm cho sự hình thành gen có thể hoàn thành nh−ng lại tạo những gen khác nhaụ Trong quá trình sắp xếp lại của NST, những gen hoàn chỉnh mã hoá cho chuỗi nặng hay chuỗi nhẹ đ−ợc chọn lọc ngẫu nhiên từ những mảnh gen. Những mảnh gen này đ−ợc sắp xếp lại ở trong tế bào mầm để hình thành các gen hoàn chỉnh trong từng tế bào riêng biệt có khả năng tổng hợp những chuỗi nặng và nhẹ đặc tr−ng khác nhau của một protein kháng thể.
Ví dụ, ở Ng−ời có 7 bản sao khác nhau của chuỗi nhẹ vùng C và khoảng 300 bản sao khác nhau cho vùng V. Số l−ợng của những gen cho chuỗi nhẹ này có thể hình thành từ những mảng gen này là 7 x 300 = 2100. Thực ra chuỗi nhẹ bao gồm 1 mảnh gen V (variable), một mảnh gen C (constant) và một mảnh gen J (joining), do đó con số này có thể lớn hơn. Mỗi
chuỗi nặng đ−ợc hình thành từ một mảnh gen V, một mảnh gen C, một mảnh gen J và một mảnh gen D (diversity). ở ng−ời có khoảng 200 mảnh V, 8 mảnh C, 6 mảnh J và 20 mảnh D khác nhau, do đó chuỗi nặng có thể có số gen là 192000 gen khác nhaụ Hơn 5 triệu kháng thể có thể đ−ợc hình thành bằng cách kết hợp những mảnh khác nhau và kết nối chuỗi nặng-chuỗi nhẹ theo cách có thể đ−ợc. Khi tất cả các họ gen và mảnh gen đ−ợc tính đến, con số này có thể cao hơn 10 đến 100 lần.
Hiện nay, cơ chế sắp xếp lại ADN xảy ra trong các tế bào mầm Lympho vẫn ch−a đ−ợc biết chính xác, nh−ng nó có liên quan đến sự tái tổ hợp. Thuyết chọn lọc dòng, dựa vào những bằng chứng đầy đủ, đã dự đoán mỗi tế bào riêng biệt có nguồn gốc từ sự sắp xếp lại ADN tạo ra những kháng thể khác nhaụ Ng−ời ta cũng biết rằng mảnh gen của chuỗi nặng và chuỗi nhẹ đ−ợc sắp xếp lại sẽ định vị trên một số NST nh− là những nhóm gen liên kết. Ngoài con đ−ờng đã nêu ở trên, có nhiều con đ−ờng khác có thể xảy ra trong sự sắp xếp lại ADN, sao mã và dịch mã kháng thể. Nh− vậy, mức độ điều hoà đầu tiên là sự sắp xếp các gen cần biểu hiện vào các vùng điển hình hay cũng chính là những vùng nhạy cảm.
ở một vài giới sinh vật, gen chỉ biểu hiện khi có sự sắp xếp lại trình tự ADN, điển hình là các gen của "kiểu giới tính" của nấm men, S. cerevisiae, tồn tại hai dạng sống: dạng tế bào l−ỡng bội và dạng tế bào đơn bộị Có hai loại bào tử đơn bội là MATα và MATa hình thành nên 3 loại tế bào l−ỡng bội MATα/ MATα, MATα/ MATa, MATa/ MATạ Chỉ riêng loại tế bào MATα/ MATa do sự kết hợp của hai loại bào tử MATα, MATa mới có khả năng tạo bào tử trở lạị Hai kiểu này không phải là 2 alen trên cùng một gen mà là hai gen nằm trên cùng một NST, các gen không hoạt động khi chúng nằm ở vị trí "chờ" và chỉ biểu hiện khi chúng đ−ợc nhân lên và chuyển đến một vị trí đặc biệt là locus MAT. Nh− vậy, ở đây, biểu hiện của gen đ−ợc qui định bởi sự sắp xếp lại các trình tự ADN trên NST.
* Sự metyl hoá cơ thể cũng tham gia vào quá trình điều hoà sự phát triển của tế bào:
Phân tử ADN có thể bị biến đổi bằng cách gắn thêm vào nhiều nhóm bên khác nhau, một trong những biến đổi th−ờng thấy là thêm nhóm metyl vào vị trí C5. Sự metyl hoá này có thể duy trì qua các quá trình tự sao nhờ enzyme maintenance metylase chỉ tác dụng lên những trình tự cpg mà bắt cặp bổ sung với trình tự mCpG. Vì thế sau mỗi chu kì tự sao maintenance metylase biến đổi ADN, thêm nhóm metyl vào các cpg trên sợi mới đối diện với mCpG. Bằng chứng về sự ảnh h−ởng của metyl hoá đến sự điều hoà biểu hiệ của gen là những thí nghiệm sử dụng dẫn xuất của nucleotid 5-azacytidinẹ Hợp chất này là dẫn xuất của cytidine và chứa phân tử nitrogen thay cho phân tử C ở vị trí số 5 trên vòng pyrimidinẹ Phân tử này không thể bị metyl hoá và ức chế việc duy trì metyl hoá, làm giảm mức metyl hoá chung. Khi tế bào đ−ợc sử lý với 5-azacm, các gen bất hoạt tr−ớc đây trở nên hoạt động. Ví dụ khi maintenance metylase bị bất hoạt bởi đột biến ở một loài thực vật nhỏ Arabidopsis thaliana, thể đột biến có nhiều lá hơn, cần thời gian sinh tr−ởng dài hơn, ra hoa không bình th−ờng. Những bằng chứng bổ sung cho vai trò của sự metyl hoá đến sự biểu hiện của gen là từ những vùng có mức độ metyl hoá thấp, các vùng này đ−ợc biết đến nh− là các đảo GC trong hệ gen của thực vật và động vật có x−ơng sống. Trong các đảo này có nhiều gen Housekeeping- những gen mã hóa cho nhiều phân tử protein có chức năng sống còn đối với tế bào, và do đó biểu hiện ở hầu hết các tế bàọ