I.1. Gen là gì?
Một cách tổng quát, gen là đơn vị thông tin được truyền từ cha mẹ cho con cái. Đây là khái niệm trung tâm của di truyền học. Việc định nghĩa và phân loại gen cho đên nay còn gặp nhiều khó khăn và phức tạp. Với sự phát triển của các thành tự khoa học công nghệ, đặc biệt là lĩnh vực Sinh học phân tử, khái niệm gen vẫn còn đang được nghiên cứu và phát triển.
- G. Mendel (1865) là người đầu tiên định nghĩa gen dựa trên giả thuyết là các nhân tố (factor) di truyền nằm trên các nhiễm sắc thể và được xem là một đơn vị di truyền tách biệt.
- Thuật ngữ “gen” được W. Jonhansen đưa ra năm 1909, thuật ngữ này nhanh chóng được thừa nhận trong di truyền học và trở nên thông dụng.
- T.H.Morgan (1926) được xem là người đầu tiên cụ thể hoá khái niệm gen: Gen là đơn vị di truyền nằm trên nhiễm sắc thể không thể chia nhỏ hơn và đóng 3 vai trò sau:
+ Gen là một đơn vị chức năng, nó hoạt động như một đoan vị thống nhất qui định một tính trạng của cơ thể.
+ Gen là đơn vị tái tổ hợp, không phân chia được qua trao đổi chéo.
+ Gen là một đơn vị đột biến, tức là gen phát sinh đột biến như một đơn vị hoàn chỉnh. Năm 1941, để giải quyết vấn đề chức năng của gen, Beadle và Tatum bằng các thí nghiệm gây đột biến tia X ở Neurosporora đã đề xuất giả thuyết “một gen - một enzyme”, mở đường cho sự ra đời của di truyền sinh hoá. Về sau quan niệm này mở rộng thành “một gen -
một protein” và tiếp tục chính xác hoá bằng “một gen - một polypeptide” bởi V. Ingram
(1956) chủ yếu dựa trên các nghiên cứu hemoglobin của người.
Cho đên nay, định nghĩa về gen là dựa trên giả thuyết này: gen là một đơn vị của
ADN mã hoá cho một polipeptid hoặc một phân tử ARN cấu trúc. Thực ra định nghĩa này là
định nghĩa chức năng.
Sau khi Watson và Crick khám phá ra cấu trúc ADN, quan niệm về gen không ngừng được phát triển và thay đổi.
S.Benzer (1955-1961) cho rằng gen theo quan niệm của Morgan có thể chia thành những đơn vị nhỏ hơn, và ông đã đề xuất các thuật ngữ muton, recon và cistron để định nghĩa các đơn vị không chia nhỏ tương ứng là đột biến, tái tổ hợp và chức năng. Dựa trên việc phân
tích tỷ mỷ hằng trăm thể đột biến vùng rII của phage T4 ông đã khẳng định rằng phần lớn các hoạt động trao đổi chéo diễn ra ngay trong một gen và gen bị phân chia thành những đơn vị nhỏ hơn thông qua tái tổ hợp và đột biến. Tuy nhiên, kích thước của muton và recon được coi là tương đương với một cặp nucleotide nên ngày nay tự thân nó đã không còn giá trị. Còn thuật ngữ cistron của Benzer có nghĩa là một đơn vị chức năng di truyền không chia nhỏ. Vậy cistron là gì? Cistron là một đoạn xác định của ADN mang thông tin cấu trúc của một polypeptide cụ thể mà giới hạn của nó được xác định bằng trắc nghiệm cis-trans. Kích thước trung bình của một cistron là 1.200 cặp base. Như vậy, cistron chính là gene cấu trúc theo nghĩa hẹp hay gene mã hóa protein.
Một cách tương đối, theo nghĩa rộng, có thể định nghĩa gen là một đọan xác định của bộ
gen mã hóa thông tin của một polypeptid hoặc một phân tử RNA chức năng (như tRNA, rRNA...).
Tuy vậy, định nghĩa này không thể bao gồm đầy đủ chức năng và cấu trúc của gene trong toàn bộ sinh giới, bởi vì các chiến lược cho sự biểu hện gene và tổ chức bộ gene ở các vi khuẩn và eukaryote là rất khác nhau.
I.2. Phân loại gen
Các phân tử ADN trong các hệ gen khác nhau của eukaryote, prokaryote và ở nhiều virus (ở một số ít virus là ARN ) được phân thành các vùng chức năng đặc thù gọi là các gen. Có thể phân biệt như sau:
- Các gen cấu trúc hay cistron, thường gọi tắt là gen, mang thông tin cho tổng hợp các chuỗi polypeptid hoặc các ARN cấu trúc. Các gen điều hoà đặc trưng của prokaryote do đó cũng thuộc loại này.
- Các gen mang thông tin cho tổng hợp ARN vận chuyển (gen tARN). - Các gen mang thông tin cho tổng hợp ARN ribosom (gen rARN).
- Các vùng điều hoà dặc thù ở prokaryote thường vẫn được gọi là gen mặc dù chúng không mã hoá một polypeptid hoặc ARN nào, đó là các vùng khởi động (promoter) và vùng chỉ huy (operator).
- Các vùng đệm (spacer) giữa các gen.
- Các vùng mã hoá các tín hiệu khởi đầu và kết thúc phiên mã và một số vùng thực hiện hàng loạt các chức năng hiện chưa hoàn toàn sáng tỏ.
Nhìn chung, theo quan niệm ngày nay có thể coi ADN (hay ARN ở một số virus) có hai loại gen: Một phần là các gen cấu trúc mang thông tin cần cho sự tổng hợp các protein, tARN, rARN. phần lớn ở dạng dự trữ, chúng thực hiện một loạt chức năng liên quan tới sự điều hoà hoạt tính ở các phần của bộ gen.
I.3. Khuyếch đại gen (Gene amplification)
Phần lớn các gen cấu trúc của eukaryote là gen đơn, một số là gen phức đã được phát hiện.
Ví dụ: Các phân tử rARN 18S và 28S được phiên mã từ một vùng khởi động chung, còn rARN 5S được phiên mã tách biệt từ các gen của nó.
Ở cóc Xenopus (Châu Phi), có khoảng 300 bản sao của gen mã hoá 3 loại rARN trên một genom đơn bội, tất cả lặp lại trên 1 nhiễm sắc thể, hình thành vòng để tạo ra hạch nhân. Giữa các gen có các đoạn nối, chiều dài và thành phần có khác nhau. Gen rARN 5S có khoảng 20000 bản sao, nằm trên một nhiễm sắc thể khác.
Các tế bào người chứa khoảng 200 bản sao của 3 gen rARN, trải trên 10 nhiễm sắc thể khác nhau.
I.3.2. Khuyếch đại gen
Phần lớn các gen phức nói trên đêù thuộc phần ổn định trong genome. Tuy vậy ở một số trường hợp, khi cần thiết có các bản sao của gen được tạo thành.
Ví dụ: Ở noãn bào Cóc Xenopus, các gen rARN được khuếch đại khoảng hàng ngàn nếp cuộn, tạo ra nhiều rARN tự do, nhiều đoạn ADN. Riboxom được hình thành trên những đoạn này được sử dụng để tổng hợp ra nhiều protein cần thiết cho sự phát triển của trứng cóc, phải đủ cho đến giai đoạn nòng nọc. Những ADN thừa này được hình thành ở một giai đoạn sớm của noãn bào, sẽ mất đi trong các lần phân bào tiếp sau.
I.4. Yếu tố di truyền vận động (Transposable genetic element, TGE)
Yếu tố di truyền vận động (TGE) còn được gọi là gen nhảy (Jumping gene)- là những đoạn ADN đặc biệt, xen vào một hoặc một số vị trí trong hệ gen, tạo nên các biến đổi di truyền. Các biến đổi này sẽ mất đi khi TGE rời khỏi vị trí đã xen.
Trong các loại gen nhảy TGE thì loại đơn giản nhất là đoạn xen (Insertion sequence, IS), có cấu trúc giống nhau ở các sinh vật.
VD: Ở người, có một nhóm các đoạn ADN mang nhiều đoạn lặp lại, đảo ngược IR, chứa điểm cắt của enzym hạn chế AluI, tách từ vi khuẩn (Arthrobacterium luteus)
Ở E.Coli, có đoạn xen IS1 chứa gen dài 720 cặp bazơ (base pair, bp), xác định enzym có chức năng vận chuyển. Gen này nằm giữa hai đoạn lặp lại đảo ngược (inverted repeats, IR), mỗi đoạn dài 24bp. Một đoạn xen khác được phát hiện ở E.Coli là IS2, khi xen vào hệ
gen, vi khuẩn mất khả năng lên men galactose, khi IS2 rời khỏi gen, khả năng lên men được tái lập.
Ngoài ra, ở E.Coli còn phát hiện thấy gen nhảy mang tên Tn 1681 (transposon) gồm hai đoạn IS1 nằm ở 2 đầu một gen khác, dài 552bp, qui định độc tố chịu nhiệt, gây bệnh ỉa chảy.
Bằng các kỹ thuật lai phân tử, ly tâm gradien nồng độ và gần đây hơn là giải trình tự ADN (sequencing) đã phát hiện là ADN tế bào eukaryote có thể chia thành 3 nhóm chung:
- Một nhóm gồm các đoạn ngắn lặp lại, sắp xếp nối nhau, thường thấy là các ADN vệ tinh, nó được tách khỏi ADN khác qua ly tâm gradien nồng độ.
- Nhóm ADN thứ hai gồm các đoạn lặp lại vừa, đều đều (khoảng 100.000 bản sao), đôi khi nối đuôi nhau, nhưng thường là phân tán. Một số đoạn này gắn với ARN và protein.
- Nhóm thứ 3, khoảng 70% ADN của cả chuột và người, gồm các đoạn nucleotid tương đối dài. Một số ADN này chứa gen cấu trúc, những gen mã hoá protein.