Nhiều bằng chứng xác nhận tổn thƣơng ADN là nguyên nhân gây nên biến loạn NST. Tổn thƣơng trên phân tử ADN đƣợc tạo ra bởi tác động hóa lý hoặc do bức xạ ion hóa nhƣ đứt gãy đơn, đứt gãy kép, tổn thƣơng bazơ nitơ các loại, đứt gãy các liên kết chéo giữa ADN - ADN, liên kết chéo giữa ADN - protein, sự alkyl hoá các nhóm đơn chức, đứt gãy liên kết phosphodiester… Những tổn thƣơng này có thể hồi phục hoặc sẽ trở thành nguyên nhân dẫn đến sai hình NST.
Trong những năm gần đây, nhiều cơng trình nghiên cứu đánh giá mối liên quan giữa các loại tổn thƣơng ADN do bức xạ ion hóa gây nên với tần suất biến loạn NST. Tần suất biến loạn NST có liên quan đến tần suất hồi phục tổn thƣơng ADN. Những tổn thƣơng ADN lại phụ thuộc vào độ nhạy cảm bức xạ ion hóa của cùng một loại tế bào ở những loài khác nhau hay ở những loại tế bào khác nhau trên cùng một lồi [87,89].
Giả thuyết “đứt gãy” để giải thích sự hình thành biến loạn NST. Thuyết này cho rằng những đứt gãy sơ cấp của NST do tác động trực tiếp của bức xạ ion hóa ở
thời điểm gian kỳ. Những đứt gãy này có thể hồi phục, nên NST vẫn giữ nguyên cấu trúc và hình dạng ban đầu. Nếu khơng hồi phục thì những điểm vừa đứt gãy có thể tƣơng tác và nối lại để hình thành NST mới có những biến loạn kiểu trao đổi, hoặc giữ nguyên hình thành những NST mất đoạn cuối. Nhƣ vậy, cần có hai đứt gãy độc lập để hình thành một biến loạn NST kiểu trao đổi. Năm 1988 Carrano A.V, Natarajan A.T đã nghiên cứu và đề xuất thuyết “trao đổi”; thuyết này cho rằng những đứt gãy sơ cấp không phải là đứt gãy thật sự mà chỉ là sự “mất tính bền cục bộ” trong cấu trúc NST. Sự mất tính bền cục bộ này có thể đƣợc hồi phục trực tiếp hoặc dẫn đến “điểm khởi đầu trao đổi”. Sự tƣơng tác giữa hai “điểm khởi đầu trao đổi” dẫn đến hình thành biến loạn NST thực sự trong quá trình trao đổi . Crossen P.E 1988cho rằng giả thuyết này chỉ đúng với những điều kiện đặc biệt nhất định, nhƣng đối với những biến loạn NST do bức xạ ion hố gây ra thì giả thuyết của Sax và Stadler phù hợp hơn. Đƣờng cong hiệu ứng biến loạn NST kiểu trao đổi đều tuân theo hàm mũ, chứng tỏ những biến loạn NST kiểu trao đổi đƣợc tạo nên bởi hai “cú đánh”. Phƣơng pháp chiếu xạ phân đoạn cho thấy tần suất biến loạn NST của 2 lần chiếu xạ sẽ thấp hơn một lần chiếu với liều tƣơng đƣơng vì có sự hồi phục trong khoảng thời gian giữa 2 lần chiếu. Những giả thuyết này đƣợc chứng minh trong nội dung “hiệu ứng tích lũy” và định luật Blair.
Phân loại sai hình nhiễm sắc thể
Biến loạn NST là những kiểu biến loạn xảy ra trên cả hai NStử của NST, bao gồm kiểu đa tâm, mảnh khơng tâm, vịng có tâm và khơng tâm, kiểu chuyển đoạn và đảo đoạn.
Cơ chế hình thành biến loạn NST đƣợc giải thích theo thuyết tái hợp và trao đổi các mảnh có “đầu dính” của Purrott R.J, Dolphin G.W, Palitti F[48,51]. Sự hình thành các kiểu biến loạn cấu trúc NST trong tế bào có các “đầu dính” khơng chỉ phụ thuộc vào số lƣợng đứt gãy chuỗi xoắn kép ADN mà còn phụ thuộc vào cơ hội gặp nhau giữa các “đầu dính”. Cơ chế hình thành các kiểu biến loạn cấu trúc đa tâm, mảnh không tâm, vịng có tâm và khơng tâm, chuyển đoạn, đảo đoạn là một quá trình tái liên kết giữa các “đầu dính” theo giả thuyết đổi chỗ và nội trao đổi.
Trƣờng hợp trong tế bào có hai đứt gãy kép trên 3 NST thì sẽ tạo ra 8 “đầu dính” theo hai nhóm, xác suất liên kết của 4 “đầu dính” ở mỗi nhóm là nhƣ nhau. Nếu đứt gãy kép trên hai vai 1 NST sẽ tạo ra NST 3 tâm.
Hình 1.5: Cơ chế hình thành nhiễm sắc thể vịng khuyên (Tanka V. 1998)[63,64]
Trƣờng hợp hai đứt gãy kép xảy ra trên hai vai 1 NST sẽ tạo ra 4 “đầu dính” nếu liên kết hồn tồn sẽ tạo thành NST hình vịng có tâm kèm mảnh khơng tâm hoặc đảo đoạn (hình 1.5). Trong tế bào có hai đứt gãy kép trên 2 NST sẽ tạo thành 4 “đầu dính” của hai mảnh có tâm và hai mảnh không tâm, nếu liên kết hoàn toàn theo từng cặp thì tạo nên một biến loạn 2 tâm và mảnh khơng tâm (hình 1.6).
Liên kết sẽ tạo nên 4 kiểu biến loạn cấu trúc hình vịng kèm 2 mảnh khơng tâm hoặc 1 NST có kích thƣớc ngắn kèm một mảnh khơng tâm hay một hình vịng có tâm và một minut (hình 1.5- 1.7).
Hình 1.7: Các loại mất đoạn nhiễm sắc thể (Theo Tanka V. 1998)[63,64]
Giả thuyết của Savage [56,57] cho rằng quá trình tái liên kết do một tổn thƣơng hai đứt gãy đơn không xảy ra sẽ tạo thành biến loạn khơng tâm và một NST có kích thƣớc ngắn hơn nhƣ hình 1.8.
Hình 1.8: Các loại mất đoạn giữa nhiễm sắc tử (Theo Tanka V. 1998) [63,64]
Trong chuyển đoạn bất đối xứng giữa những NST thƣờng tạo ra những NST 2 tâm hoặc NST ba tâm. Khi phân tích thƣờng thấy đi kèm với 1 NST hai tâm là một mảnh, một 3 tâm là 2 mảnh. Các trao đổi đoạn thƣờng tạo ra NST loại hai tâm cao hơn rất nhiều so với những tổn thƣơng khác gây ra do phóng xạ. Chính vì vậy chỉ tiêu NST hai tâm thƣờng đƣợc dùng để đánh giá liều chiếu. Cơ chế hình thành nhƣ hình 1.9.
Hình 1.9: Chuyển đoạn bất đối xứng (Theo Tanka V. 1998)[63,64]
Chuyển đoạn đối xứng giữa những NST, là hiện tƣợng trao đổi đoạn giữa 2 NST, mỗi NST bị đứt ở 1 vị trí, chúng trao đổi đoạn đứt cho nhau để hình thành 2 NST mới. Những NST mới này đều thay đổi về hình thái. Nếu những đoạn trao đổi khác nhau về kích thƣớc cịn đƣợc gọi là chuyển đoạn tƣơng hỗ.
Chuyển đoạn hoà nhập tâm chỉ xảy ra đối với những NST tâm đầu. Trong kiểu chuyển đoạn này, 2 NST bị đứt ở vùng gần tâm, các đoạn đứt chuyển đoạn cho nhau, kết quả tạo nên 1 NST bất thƣờng và 1 NST rất nhỏ có thể bị tiêu biến đi. Trong bộ NST sẽ thiếu 2 NST tâm đầu, thay vào đó xuất hiện 1 NST tâm giữa lớn có kích thƣớc tƣơng tự NST nhóm A (chuyển đoạn giữa nhóm D/D) hoặc 1 NST tâm lệch có kích thƣớc tƣơng tự nhóm C (chuyển đoạn giữa nhóm D/G) hoặc 1 NST tâm giữa nhỏ (chuyển đoạn giữa nhóm G/G).
Hình 1.10: Chuyển đoạn tƣơng hỗ(Theo Tanka V. 1998) [63,64]
Liên kết hoàn tồn giữa các “đầu dính” cịn tạo ra đảo đoạn ngồi tâm hoặc đảo đoạn quanh tâm (hình 1.11, hình 1.12).
Hình 1.11: Đảo đoạn quanh tâm (Theo Tanka V. 1998) [63,64]
Giả thuyết của Savage giải thích biến loạn cấu trúc NST phụ thuộc vào số lƣợng đứt gãy đôi và sự tái liên kết các mảnh có “đầu dính” đã lý giải đƣợc số lƣợng đơn vị nhiễm sắc trong tế bào luôn đƣợc bảo đảm đủ 46 khi các mảnh sinh ra đƣợc tái liên kết hoàn chỉnh. Số lƣợng đơn vị nhiễm sắc sẽ lớn hơn 46 khi các mảnh đứt gãy khơng liên kết hồn tồn.
Trong thực tế khi nghiên cứu đánh giá những tổn thƣơng ADN do tác động của bức xạ ion hoá cũng rất dễ gặp sai sót, thậm chí trong cùng một thời điểm nghiên cứu nhƣng thực hiện trên đối tƣợng khác nhau, có điều kiện chế độ dinh dƣỡng khác nhau cũng có thể cho kết quả giao động khác nhau.
Khác với bức xạ ion hoá, các đứt gãy kép do hoá chất thƣờng là những đứt gãy kép gián tiếp do hồi phục khuyết các tổn thƣơng liên kết hoặc tổn thƣơng bazơ nên thƣờng là dạng đơn, khả năng liên kết hồn tồn các “đầu dính” tự do thấp, tính chất bảo tồn đơn vị nhiễm sắc trong tế bào thấp. Ngồi ra hố chất cịn tác dụng làm bất hoạt các enzym hồi phục, do đó những đứt gãy đơn tồn tại đƣợc qua pha S để hình thành kiểu biến loạn nhiễm sắc tử. Đây là những đặc điểm để phân định hậu quả tác động của phóng xạ hay hố chất trong q trình nghiên cứu.