V. Trao đổi chéo và lập bản đồ di truyền
ymr Tâm động
׀ ׀ ׀ ׀ ׀ ●
Sturtevant 0,0 1,0 30,7 33,7 57,6 Hiện nay 0,0 1,5 33,0 36,1 54,5 66,7
Hình 4.16 Bản đồ Sturtevant về năm gene liên kết-X và so với hiện nay.
Dưới đây cho thấy bản đồ của nhiễm sắc thể số 2 ở ruồi giấm (hình 4.17a) và nhiễm sắc thể số 9 ở ngô (hình 4.17b) với những gene chính yếu. Chẳng hạn, trên hình 4.17a, hình ống ở giữa tượng trưng cho nhiễm sắc thể số 2 ruồi giấm chỉ ra vị trí của sáu gene; phía trên là các kiểu hình đột biến, và phía dưới là các kiểu hình bình thường. Từ trái sang: vị trí 0 - gene al (aristaless antenna) chỉ đột biến râu ngắn đối với râu dài bình thường; vị trí 13 - gene dp (dumpy wings) chỉ đột biến cánh xén với cánh dài; vị trí 31 - gene d (dachs) chỉ đột biến chân ngắn với chân dài), vị trí 54,5 - gene pr (purple eyes) chỉ đột biến mắt đỏ tía với mắt đỏ), vị trí 67,0 - gene vg (vestigial) chỉđột biến cánh ngắn với cánh dài), vị trí 104 - gene
bw (brown eyes) chỉđột biến mắt nâu với mắt đỏ).
Cần lưu ý rằng, ngày nay, sau khi định vị bản đồ các gene xác định bảy tính trạng mà Mendel đã nghiên cứu ở đậu Hà Lan, người ta không khỏi ngạc nhiên tại sao Mendel lại không quan sát hiện tượng liên kết trong các phép lai hai tính của mình. Mặc dù Mendel chọn ra bảy tính trạng và có bảy nhiễm sắc thể ở đậu Hà Lan (2n = 14), hai trong số các tính trạng ông nghiên cứu được xác định bởi các gene trên nhiễm sắc thể số 1 và ba tính trạng được xác định bởi các gene trên nhiễm sắc thể số 4 (bảng 4.7). Thực ra, Mendel chỉ chọn nghiên cứu một vài tính trạng và có lẽ, thật may mắn là ông đã không quan sát thấy các kiểu mà khác với kỳ
vọng về sự phân ly độc lập. Chính điều này đã làm nên sự nhất quán hoàn toàn và hết sức rõ ràng, đơn giản trong các kết quả mà ông đã công bố.
Hình 4.17 Bản đồ nhiễm sắc thể số 2 của ruồi giấm (bên trái) và nhiễm sắc thể số 9 của ngô (bên phải).
Quảđúng như Watson đã viết trong Lời nói đầu cuốn "Chuỗi xoắn kép - Hồi ký về việc phát minh ra cấu trúc của DNA" của mình, rằng: "Cách giải quyết đúng không những phải đẹp mà còn phải đơn giản" (Watson 1968). Chân lý bao giờ cũng giản dị nhưng giản dị chưa hẳn là chân lý; chân lý bao giờ cũng đẹp nhưng đẹp thì chưa đủđể là chân lý. Tuy nhiên, để nhận chân được cái giản dị, cái đẹp đích thực trong các khám phá của Mendel, như chúng ta đều biết, nhân loại đã phải mất chừng 35 năm!
Bảng 4.7 Các vị trí nhiễm sắc thểđối với bảy tính trạng ởđậu Hà Lan Tính trạng Kiểu hình Allele Nhiễm sắc thể
Dạng hạt tròn-nhăn R-r 7
Màu sắc hạt vàng-xanh I-i 1
Màu sắc quả xanh-vàng Gp-gp 5
Kết cấu quả trơn-nhăn V-v 4
Màu sắc hoa tím-trắng A-a 1 Vị trí hoa trục-đỉnh Fa-fa 4 Chiều cao cây cao-thấp Le-le 4
3. Trao đổi chéo bốn sợi
Học thuyết của Morgan về các gene liên kết và trao đổi chéo đã được ủng hộ rộng rãi bởi nhiều số liệu. Tuy nhiên, còn chưa thật sự rõ ràng ở chỗ, liệu sự tái tổ hợp xảy ra giữa các nhiễm sắc thể trước khi chúng tái bản (ở giai đọan hai sợi) hay sau tái bản ( ở giai đoạn bốn sợi). Nếu như trao đổi chéo xảy ra trước khi tái bản thì tất cả bốn chromatid sẽ là các thể tái tổ hợp, trong khi nếu xảy ra sau tái bản thì chỉ có hai trong bốn chromatid sẽ là các thể tái tổ hợp (xem hình 4.15).
Để phân biệt giữa các dạng biến đổi này, phải cần tới một hệ thống di truyền trong đó tất cả các sản phẩm di truyền từ giảm phân phải được xác định. Bằng chứng đầu tiên về sự trao đổi chéo sau tái bản nhiễm sắc thể có được từ việc nghiên cứu ở ruồi giấm, trong đó hai nhiễm sắc thể X của ruồi giấm cái dính nhau ở tâm động của nó và tạo thành một nhiễm sắc thể sai hình, gọi là nhiễm sắc thể X-dính (attached-X). Kết quả của sự dính này là, từ con cái có nhiễm sắc thể X-dính đó và một nhiễm sắc thể Y tách riêng (X-XY) sẽ cho ra các giao tử hoặc chứa hai nhiễm sắc thể X hoặc không có X (chỉ có một Y). Ví dụ, phép lai trong đó cả hai nhiễm sắc thể X đều có mang allele kiểu dại tại locus mắt trắng được cho ở hình 4.18. Các con cái X-XY với allele kiểu dại trên cả hai X (X+-X+Y) được cho lai với các con đực mắt trắng "bình thường" (XwY). Các cá thể con sống được đều giống với bố mẹ, trong khi đó các con ruồi giấm YY chết hết và X- XX thường là bị chết. P ♀ X+-X+Y × ♂ XwY (cái mắt đỏ) (đực mắt trắng) Giao tử (X+-X+ : Y) (Xw : Y) F1 Kiểu gene = X+-X+Xw : X+-X+Y : XwY : YY Kiểu hình = (thường chết) : (cái mắt đỏ) : (đực mắt trắng) : (chết)
Hình 4.18 Một phép lai giữa ruồi giấm cái kiểu dại X-dính và con đực mắt trắng. Ởđây đời con sống sót thì giống hệt các bố mẹ chúng.
Khi các allele trên hai nhiễm sắc thể X-dính là khác nhau thì sự trao đổi chéo hai sợi và bốn sợi là có thể phân biệt được. Chẳng hạn, ở hình 4.19 cho thấy thểđột biến mắt thỏi Bar làm giảm số lượng các mắt bé từ con số bình thường khoảng 780 ở kiểu dại (con cái B+B+ hoặc con đực B+Y) xuống còn khoảng 360 ở các thể dị hợp (con cái BB+) và khoảng 70 ở các thểđồng hợp (con cái BB hoặc con đực BY).
Bằng các thực nghiệm cho thấy rằng: (i) Trong trường hợp không xảy ra trao đổi chéo, tất cả các giao tử mang các nhiễm sắc thể X thì có dạng
X-dính ở trạng thái dị hợp và do đó có kiểu hình mắt Bar dị hợp. (ii) Nếu trao đổi chéo xảy ra ở giai đoạn hai sợi thì sẽ có dính líu tới cả hai sợi. Vì vậy, khi tái bản xảy ra sau đó, tất cả các giao tử sẽ lại là dị hợp. Nói cách khác, các kết quả quan sát được trong cả hai trường hợp không có trao đổi chéo và trao đổi chéo hai sợi là như nhau.
(a) (b)
Hình 4.19 (a) Các kiểu hình dại, mắt Bar dị hợp và đồng hợp (ultraBar); và (b) Các kiểu băng tương ứng có một, hai và ba bản sao của băng 16A.
Tái tổ hợp ở giai đoạn bốn sợi sinh ra các kết quả khác nhau ởđời con. Trong trường hợp này, chỉ có hai trong bốn sợi tham gia vào tái tổ hợp, vì vậy sẽ sinh ra các kiểu mới. Với tái tổ hợp ở giai đọan bốn sợi, cả kiểu dại lẫn kiểu đồng hợp BB sẽđược tạo ra. Trên thực tế, điều này được quan sát trong các thí nghiệm, chỉ ra rằng sự tái tỏ hợp xảy ra sau khi tái bản - nghĩa là, trao đổi chéo phải xảy ra ở gai đoạn bốn sợi (xem hình 4.15). Chúng ta sẽđề cập trở lại bằng chứng bổ sung về trao đổi chéo bốn sợi ở vi nấm Neurospora trong phần sau (mục VII).
• Sơ lược về trao đổi chéo phức (multiple crossing over)
Trên thực tế, khi hai gene nằm xa nhau trên một nhiếm sắc thể, giữa chúng có thể xảy ra nhiều trao đổi chéo trong một lần giảm phân và điều này gây ra những rắc rối trong việc tính toán, giải thích các số liệu tái tổ hợp và lập bản đồ dựa trên các số liệu này. Trên hình 4.20 cho thấy trao đổi chéo kép ở giai đoạn bốn sợi có thể xảy ra theo nhiều cách khác nhau. Chẳng hạn, hình 4.20a cho thấy trao đổi chéo kép xảy ra giữa hai cặp gene Aa và Bb nhưng các nhiễm sắc thể này không tái tổ hợp đối với các allele của hai gene, và do đó không thể phân biệt được với các nhiễm sắc thể không trao đổi chéo về mặt di truyền. Kết quả là cho ra chỉ hai loại giao tử với tỷ lệ ngang nhau (AB = ab) giống như trường hợp không trao đổi chéo
(hình 4.15A), thay vì cho bốn loại giao tử thuộc hai kiểu (hình 4.15B). Hiện tượng này làm cho giá trị tái tổ hợp nhận được sẽ thấp hơn tần số trao đổi chéo thực và ảnh hưởng tới khoảng cách bản đồ giữa các gene.
(a)
(b)
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.20 (a) Hai trao đổi chéo đơn xảy ra ở vùng giữa hai gene A và B, và kêt quả là sinh ra cả bốn loại giao tử không tái tổ hợp đối với hai gene này, nghĩa là không phát hiện được thể trao đổi chéo kép nào. (b) Trao đổi chéo
đơn và các dạng trao đổi chéo kép liên quan đến hai, ba và cả bốn sợi có thể
xảy ra trong một cặp nhiễm sắc thể tương đồng.
Nhưđã nói, tần số tái tổ hợp cực đại giữa hai gene bất kỳ trên một cặp nhiễm sắc thể tương đồng là 50%. Điều này chỉ có thể xảy ra khi hai gene nằm cách xa nhau tới mức ít nhất có một đoạn trao đổi chéo hầu như lúc nào cũng xảy ra giữa chúng. Trên hình 4.15B ta thấy rõ rằng, cứ một trao đổi chéo đơn trong mỗi lần giảm phân sẽ cho ra một nửa số sản phẩm có các tổ hợp giống bố mẹ và nửa kia là các sản phẩm có tái tổ hợp gene.
Trên hình 4.20b cũng cho thấy khi xảy ra hai trao đổi chéo đơn mà có một chromatid chung hay trao đổi chéo kép liên quan ba sợi (hai hình đầu của hàng dưới), thì kết quả sẽ không khác với kết quả của trao đổi chéo đơn như ở hình 4.15B. Một khả năng khác, đó là trao đổi chéo kép liên quan cả bốn sợi (hình 4.20b, xem hình cuối của hàng dưới), trong đó sự trao đổi chéo thứ hai xảy ra giữa hai chromatid (ở ngoài) khác với hai chromatid tham gia vào trao đổi chéo thứ nhất (ỏ trong). Trong trường hợp này, tất cả các sản phẩm đều được tái tổ hợp. Nếu các chromatid tham gia vào hai trao đổi chéo đơn một cách ngẫu nhiên thì tỷ lệ kỳ vọng của ba kiểu trao đổi chéo kép sẽ tương ứng với tỷ lệ ¼ : ½ : ¼ . Điều đó có nghĩa là trung bình sẽ có hai trong bốn sản phẩm của giảm phân là có tái tổ hợp:
(¼)(0) + (½)(2) + (¼)(4) = 2. Tỷ lệ này rõ ràng là giống như khi một trao đổi chéo đơn mà lúc nào cũng xảy ra giữa hai gene.
Thực ra, như sẽ đề cập dưới đây, trao đổi chéo kép có thể phát hiện được trong các thí nghiệm tái tổ hợp sử dụng ba gene, gọi là lai ba điểm.