1. Cỏc quan niệm của Mendel và Morgan về gene
Mendel là người đầu tiờn nờu lờn định nghĩa về gene năm 1865 (thuật ngữ này được Johannsen đưa ra năm 1909). Theo đú, gene là đơn vị di truyền tồn tại ở dạng hạt riờng biệt, xỏc định một tớnh trạng cụ thể trong cặp tớnh trạng tương phản. Đõy mới chỉ là sự suy luận thuần tỳy, khụng cú cơ sở vật chất đặc thự.
sinh từ nhiều nguồn nghiờn cứu độc lập nhau trong suốt 50 năm đầu của thế kỷ XX. Trường phỏi Morgan sau khi xỏc định cỏc gene nằm trờn nhiễm sắc thể và đề xuất phương phỏp lập bản đồ gene bằng tỏi tổ hợp, đó khăng định rằng cỏc gene là những đơn vị cơ sở và khụng chia nhỏ của vật chất di truyền về cả cấu trỳc lẫn chức năng; chỳng liờn kết với nhau theo kiểu thẳng hàng trờn nhiễm sắc thể.
2. Giả thuyết một gene - một enzyme của Beadle và Tatum
Một hướng nghiờn cứu khỏc tập trung vào phương diện chức năng sinh húa của gene. Năm 1902, Archibald Garrod gợi ý rằng rối lạn chuyển húa
alkapton niệu (alcaptonuria) bắt nguồn từ một sai hỏng của một enzyme đặc thự và được di truyền theo kiểu lặn nhiễm sắc thể thường, mà ụng gọi là sai sút chuyển húa bẩm sinh. Đến năm 1941, Beadle và Tatum mới làm sỏng tỏ ý tưởng trờn bằng cỏc thớ nghiệm gõy đột biến bằng tia X ở
Neurosporora. Để giải thớch cỏc tổn thương sinh húa đặc thự do đột biến, họđó đề xuất "giả thuyết một gene - một enzyme" nổi tiếng; nú được xem như là mụ hỡnh về chức năng của gene, mở đường cho sự ra đời của di truyền sinh húa. Về sau, quan niệm "một gene - một enzyme" được mở rộng thành "một gene - một protein", và tiếp tục chớnh xỏc húa bằng mệnh đề "một gene - một polypeptide".
Thật vậy, từ khi Avery và cỏc đồng sự chứng minh DNA là vật chất mang thụng tin di truyền vào năm 1944, và đặc biệt là sau khi Watson và Crick khỏm phỏ ra cấu trỳc phõn tử DNA năm 1953, quan niệm về gene khụng ngừng được phỏt triển và chớnh xỏc húa. Về mặt cấu trỳc, gene là một đoạn xỏc định của bộ gene (DNA ở hầu hết sinh vật và RNA ở một vài virus). Về phương diện chức năng, như chỳng ta đó rừ, khụng phải mọi gene đều mó húa cỏc enzyme mà một số mó húa cỏc polypeptide với cỏc chức năng khỏc nhau, và một số mó húa cỏc phõn tử RNA chức năng như RNA ribosome (rRNA) và RNA vận chuyển (tRNA). Hơn nữa, thụng tin trong gene cú thểđược sử dụng một cỏch cú chọn lọc để sinh ra nhiều hơn một loại sản phẩm (cỏc gene phõn đoạn). Trước tiờn, ta hóy tỡm hiểu cụng trỡnh nghiờn cứu của Benzer về cấu trỳc tinh vi của gene.
3. Quan niệm của Benzer về cỏc đơn vị cấu trỳc và chức năng di truyền
Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu của Seymour Benzer (từ 1957 đến 1961) về tỏi tổ hợp ở phage T4 đó cho thấy rằng, gene theo quan niệm của Morgan cú thể chia nhỏ thành cỏc đơn vị nhỏ hơn. ễng đó đưa ra cỏc thuật ngữ
muton, recon và cistron để định nghĩa cỏc đơn vị khụng chia nhỏ tương ứng là đột biến, tỏi tổ hợp và chức năng. Bằng cỏch lai cỏc thể đột biến của cựng một gene cú nguồn gốc độc lập nhau trong khi cho lõy nhiễm phage, đó làm xuất hiện phage kiểu dại. Điều này chỉ cú thể xảy ra bởi sự
tỏi tổ hợp bờn trong gene (intragenic recombination), nếu như cỏc phần nhỏ riờng biệt của gene đều bị đột biến. Điều này chứng tỏ rằng gene bị phõn chia thành cỏc đơn vị nhỏ hơn thụng qua tỏi tổ hợp và dột biến. Tuy nhiờn, vỡ kớch thước của muton và recon được coi là tương đương với một cặp nucleotide, cho nờn ngày nay tự thõn hai đơn vị này khụng cũn giỏ trị sử dụng nữa.
Thuật ngữcistron của Benzer cú nghĩa là đơn vị chức năng di truyền khụng chia nhỏ. Điều này cú thể xỏc định bằng sự phõn tớch bổ sung
(complementation analysis), trong đú gene mà cụ thể là sản phẩm của nú được trắc nghiệm về khả năng bự đắp cho một đột biến tại một gene tương đồng trong cựng tế bào. Sự bổ sung liờn tiếp làm phục hồi kiểu hỡnh dại.
cistron 1 cistron 2 ׀ ׀ ׀ ↓ ↓ S I P Kiểu dại (a) cistron 1 cistron 2 ׀ ׀ ׀ ↓ ↓ S I P Kiểu dại (b) ׀ X ׀ X ׀ cistron 1 cistron 2 ׀ X ׀ ׀ ↓ S I P Kiểu dại ↑ (c) ׀ ׀ X ׀ cistron 1 cistron 2 ׀ X ׀ ׀ ↓ S ׀ Thể đột biến ↑ (d) ׀ X ׀ ׀
Hỡnh 6.2 Sơđồ minh họa trắc nghiệm cis-trans: (a) con đường chuyển húa bỡnh thường; (b) trắc nghiệm cis; (c) và (d) trắc nghiệm trans. Chỳ thớch: S-cơ
chất (subtrate); I- sản phẩm trung gian (intermediate); P- sản phẩm cuối cựng (product), ởđõy là sắc tố đặc trưng cho kiểu hỡnh dại; cỏc mũi tờn (↓) chỉ cỏc enzyme sản phẩm sinh ra từ cỏc cistron 1 và cistron 2.
Cơ sở của phõn tớch bổ sung là trắc nghiệm cis-trans (cis-trans test), mà từ đõy nảy sinh ra thuật ngữ cistron, trong đú cỏc cặp đột biến bắt nguồn độc lập được xột ở cỏc cấu hỡnh cis (đều) và trans (lệch). Trắc nghiệm cis được dựng làm đối chứng, vỡ nếu như cả hai đột biến đều cú mặt trong một bộ gene thỡ bộ gene kia phải là kiểu dại ở cả hai locus và sinh ra cỏc sản phẩm gene bỡnh thường, do đú cho ra kiểu hỡnh dại (hỡnh 6.2b). Trắc nghiệm trans là phộp thử bổ sung và xỏc định gới hạn của đơn vị chức năng. Nếu như cỏc đột biến nằm trong cỏc gene khỏc nhau, khi chỳng cú mặt ở cấu hỡnh trans, mỗi một bộ gene cú thể bổ sung sản phẩm
mà gene kia khụng tạo ra được. Khi cú đủ tất cả cỏc sản phẩm gene cần thiết thỡ tế bào là kiểu dại (hỡnh 6.2c), nghĩa là cú sự bổ sung dương tớnh
(positive complementation). Nếu như cả hai đột biến thuộc cựng một gene, khi chỳng cú mặt ở cấu hỡnh trans, thỡ mỗi một bộ gene cú thể mang một bản sao đột biến của gene đú và khụng cú sản phẩm hoạt động chức năng được tạo ra trong tế bào, nghĩa là khụng cú sự bổ sung (hỡnh 6.2d).
Sự phõn tớch bổ sung ở vi khuẩn và nấm men bia cũng chỉ ra rằng gene là một cistron, nghĩa là gene được định nghĩa như là một đơn vị chức năng. Phương phỏp này tỏ ra hữu ớch cho việc khẳng định chức năng của gene, xỏc định số lượng cũng như trật tự hoạt động của cỏc gene trong một con đường chuyển húa nào đú.
Vậy cistron là gỡ? Cistron là một đoạn xỏc định của DNA (hay bộ gene núi chung) mang thụng tin cấu trỳc của một polypeptide cụ thể mà giới hạn của nú được xỏc định bằng trắc nghiệm cis-trans. Kớch thước trung bỡnh của một cistron là 1.200 cặp base. Như vậy, cistron chớnh là gene cấu trỳc theo nghĩa hẹp hay gene mó húa protein.
Một cỏch tương đối, theo nghĩa rộng, cú thể định nghĩa gene là một
đọan xỏc định của bộ gene mó húa thụng tin của một polypeptid hoặc một phõn tử RNA chức năng (như tRNA, rRNA...).
Tuy vậy, định nghĩa này khụng thể bao gồm đầy đủ chức năng và cấu trỳc của gene trong toàn bộ sinh giới, bởi vỡ cỏc chiến lược cho sự biểu hện gene và tổ chức bộ gene ở cỏc vi khuẩn và eukaryote là rất khỏc nhau.
4. Mối quan hệ gene - cistron ở cỏc prokaryote và eukaryote
4.1. Sự tương đương gene - cistron ở cỏc bộ gene đơn giản
Ở cỏc prokaryote và eukaryote bậc thấp, thường cú một mối quan hệ đơn giản giữa gene và sản phẩm của nú.Trong hầu hết trường hợp, cú một sự tương ứng một gene - một sản phẩm, và sựđồng tuyến tớnh giữa gene và chuỗi polypeptide của nú đó được Ch.Yanofsky xỏc nhận năm 1961. Vỡ vậy ở cỏc sinh vật này, gene và cistron là tương đương: gene là đơn vị chức năng di truyền, mang thụng tin di truyền được biểu hiện trọn vẹn.
(a) (b)
Hỡnh 6.3 (a) Ở vi khuẩn, cỏc gene thường được sắp xếp trong một operon và được phiờn mó thành một phõn tử mRNA đa cistron. (b) Ở eukaryote, cỏc gene tồn tại riờng biệt dưới dạng đơn cistron.