1.1. Cỏc quan niệm của Mendel về gen
Mendel là người đầu tiờn nờu lờn định nghĩa về gen năm 1865 (thuật ngữ gene được Johannsen đưa ra năm 1909). Theo đú, gen 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, là sự tiờn đoỏn tài tỡnh của Mendel về sự tồn tại tất yếu của gen. Quan niệm chớnh xỏc hơn về cơ sở
vật chất và chức năng của gen nảy sinh từ nhiều nguồn nghiờn cứu độc lập trong suốt 50 năm đầu của thế kỷ XX.
1.2. Cỏc quan niệm của trường phỏi Morgan về gen
Trường phỏi Morgan (1926) cho rằng gen là đơn vị di truyền nằm trờn NST khụng thể chia nhỏ hơn, và nú đúng ba vai trũ: (i) Đơn vị chức năng: mỗi gen tồn tại như một thể thống nhất toàn vẹn, xỏc định sự phỏt triển của một tớnh trạng cụ thể; (ii) Đơn vị tỏi tổ hợp: trao đổi chộo chỉ xảy ra giữa cỏc gen mà khụng xảy ra bờn trong phạm vi một gen; và vỡ gen khụng bị chia nhỏ bởi trao đổi chộo nờn nú được xem là đơn vị cấu trỳc cơ sở; và (iii) Đơn vị đột biến: gen bị biến đổi như một
đơn vị hoàn chỉnh và cho ra một kiểu hỡnh đột biến (–) so với kiểu dại (+).
Tuy nhiờn, bản chất húa học của gen là gỡ và nú xỏc định tớnh trạng như thế nào vẫn cũn là
điều bớ ẩn! Phải chăng trao đổi chộo khụng xảy ra trong gen? Phải chăng mỗi gen chỉ cho một kiểu
đột biến?
1.3. Giả thuyết “một gen - một enzyme” của Beadle và Tatum
Một hướng nghiờn cứu khỏc là tập trung vào phương diện chức năng sinh húa của gen. 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, họ lập luận rằng: (i) Trong tế bào, cỏc quỏ trỡnh chuyển húa xảy ra dưới dạng cỏc chuỗi phản ứng sinh húa; (ii) Mỗi phản ứng do một enzyme xỳc tỏc; (iii) Mỗi enzyme do một gen xỏc định (nếu như một gen bị đột biến thỡ enzyme của nú sai hỏng và kộo theo cả chuỗi phản ứng khụng thể thực hiện được, kết quả là tạo ra kiểu hỡnh đột biến). Từđú G. Beadle và E. Tatum đề xuất “giả thuyết một gen - một enzyme” nổi tiếng; mởđường cho sự ra đời của di truyền học-sinh húa. Sau đú, quan niệm này được mở rộng thành “một gen - một protein” và chớnh xỏc húa
bằng mệnh đề “một gen - một polypeptide” nhờ cỏc nghiờn cứu về hemoglobin của L. Pauling (1949) và V. Ingram (1957).
Kể từ khi Avery và đồng sự (1944) chứng minh “ADN là vật chất mang thụng tin di truyền”, và đặc biệt là sau khi Watson và Crick khỏm phỏ ra cấu trỳc ADN năm 1953, quan niệm về gen khụng ngừng được phỏt triển và chớnh xỏc húa. Trước tiờn, ta hóy tỡm hiểu cụng trỡnh nghiờn cứu của Benzer về cấu trỳc tinh vi của gen.
1.4. Quan niệm của Benzer về cỏc đơn vị di truyền học
Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu của Seymour Benzer (từ 1957 đến 1961) đó chứng minh rằng, gen khụng phải là đơn vị tỏi tổ hợp hay đột biến. Qua phõn tớch tỷ mỉ hàng trăm thểđột biến ở vựng rII của phage T4 (ký sinh ở E. coli), Benzer đó thiết lập được bản đồ chi tiết vựng này và khẳng định phần lớn cỏc trao đổi chộo xảy ra trong phạm vi một gen. Đồng thời ụng chỉ rừ vựng rII chứa hai
đơn vị chức năng riờng biệt (rIIA và rIIB), gọi là cỏc cistron. Mỗi cistron gồm nhiều đơn vị tỏi tổ
hợp và đơn vịđột biến, gọi là cỏc recon và muton. Từđõy Benzer đó định nghĩa lại cỏc thuật ngữ di truyền học do ụng đề nghị như sau: (i) Đơn vị chức năng (hay cistron) là một đoạn xỏc định của ADN (~1.200 cặp bazơ) mang thụng tin cấu trỳc của một polypeptide cụ thể mà giới hạn của nú
được xỏc định bằng trắc nghiệm cis-trans. (ii) Đơn vị tỏi tổ hợp (recon): đơn vị cấu trỳc bộ nhất của cistron (~2-3 cặp nucleotide) và tỏi tổ hợp chỉ cú thể xảy ra giữa cỏc recon. (iii) Đơn vị đột biến
Lưu ý rằng hiện nay thuật ngữ cistron được sử dụng rộng rói và nú đồng nghĩa với gen cấu trỳc; cũn muton và recon vỡ tương đương với một cặp nucleotide - khụng phải là đơn vị di truyền học, cho nờn tự chỳng mất ý nghĩa và khụng cũn giỏ trị sử dụng nữa, ngoại trừ giỏ trị lịch sử.
Thuật ngữ cistron của Benzer cú nghĩa là đơn vị chức năng di truyền khụng chia nhỏ mà cú thể được xỏc định bằng phương phỏp phõn tớch bổ sung (complementation analysis); trong đú gen mà cụ thể là sản phẩm của nú được trắc nghiệm về khả năng bự đắp cho một đột biến tại một gen tương ứng trong cựng tế bào. Sự bổ sung liờn tiếp cỏc sản phẩm dẫn tới phục hồi kiểu hỡnh dại.
Cơ sở của phõn tớch bổ sung là trắc nghiệm cis-trans (cis-trans test), mà từđõy nảy sinh thuật ngữ cistron ở chỗ cỏc cặp đột biến cú nguồn gốc độc lập được xột qua cỏc cấu hỡnh cis (đều) và
trans (lệch). Trắc nghiệm cis được dựng làm đối chứng (Hỡnh 3.2a), vỡ nếu như cả hai đột biến đều cú mặt trong một bộ gen thỡ bộ gen kia phải là kiểu dại ở cả hai locus và sinh ra cỏc sản phẩm bỡnh thường, vỡ vậy cho kiểu hỡnh dại (Hỡnh 3.2b). 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 gen khỏc nhau, nghĩa là thuộc cấu hỡnh trans, thỡ mỗi một bộ gen cú thể bổ sung sản phẩm mà gen kia khụng tạo ra được. Khi cú
đủ tất cả cỏc sản phẩm gen cần thiết thỡ tế bào biểu hiện kiểu dại (Hỡnh 3.2c), nghĩa là cú sự bổ sung dương tớnh. Nếu như cả hai đột biến thuộc cựng một gen và cú mặt ở cấu hỡnh trans, thỡ mỗi một bộ
gen cú thể mang một bản sao đột biến của gen đú và khụng cú sản phẩm hoạt động chức năng được tạo ra trong tế bào, nghĩa là khụng cú sự bổ sung nờn sẽ cho kiểu dại (Hỡnh 3.2d).
Hỡnh 3.2. Sơ đồ trắc nghiệm cis-trans. (a) con đường chuyển húa bỡnh thường; (b) trắc nghiệm cis; (c) và (d) trắc nghiệm trans. [S là cơ chất; I là sản phẩm trung gian; P là sản phẩm cuối cựng mà ở đõy là sắc tố đặc trưng cho kiểu hỡnh dại; cỏc mũi tờn chỉ cỏc enzyme sinh ra từ cỏc cistron 1 và cistron 2].
Sự phõn tớch bổ sung ở vi khuẩn và nấm men bia về sau cũng chỉ ra rằng gen là một cistron. Phương phỏp này tỏ ra hữu ớch cho việc xỏc định chức năng của gen, số lượng cũng như trật tự hoạt
động của cỏc gen trong một con đường chuyển húa cụ thể của tế bào.