Trong bộ lưỡng bội, các thể nhiễm sắc tồn tại thành cặp tương đồng, ví dụở người có 23 cặp tương đồng, trong cặp 2 thành viên (1 thể nhiễm sắc từ bố, 1 từ mẹ) giống nhau về hình dạng, kích thước. Những cặp như thếđược gọi là thể nhiễm sắc thường (autosome). Ngoài ra còn có 1 cặp trong đó 2 thành viên khác nhau về hình dạng, kích thước hoặc trạng thái hoạt
động được gọi là thể nhiễm sắc giới tính (sex chromosome). Ví dụ, ở người có 22 cặp thể
nhiễm sắc thường và 1 cặp (cặp thứ 23) là thể nhiễm sắc giới tính. Ở nam giới, cặp thể nhiễm sắc giới tính là XY, còn ở nữ giới là XX (xem hình 2.2).
Hình 2.2
Cặp thể nhiễm sắc giới tính là cơ sở di truyền để xác định giới tính và xác định tính di truyền liên kết giới tính ởđa số cơ thể sinh sản hữu tính.
2.2.1.1 Cơ sở thể nhiễm sắc của xác định giới tính
Đa số cơ thể đa bào sinh sản bằng phương thức hữu tính và được phân hóa giới tính đực và giới tính cáị Giới tính được biểu hiện ở các tính trạng sinh dục nguyên sinh (có tuyến sinh dục tinh hoàn, buồng trứng) và tính trạng sinh dục thứ sinh (các phần phụ sinh dục và tính trạng khác của cơ thể phân biệt đực cái). Những tính trạng này được qui định bởi nhân tố di truyền và nhân tố môi trường trong cơ thể và môi trường ngoàị
Đối với đa số cơ thể giới tính được xác định bởi thể nhiễm sắc giới tính (sex- chromosome) thể hiện ở 3 kiểu:
+ Kiểu đồng giao tử (XX) ở con cái và dị giao tử (XY) ở con đực (ví dụđa số sâu bọ như
châu chấu, ruồi quả v.v., động vật có vú, người, một số thực vật có hoa) trong đó con cái có cặp thể nhiễm sắc tương đồng giống nhau XX, còn con đực có cặp tương đồng khác nhau: một chiếc là X và một chiếc là Y. Thể nhiễm sắc X có kích thước dài hơn chứa nhiều gen hơn thể
nhiễm sắc Y (ví dụở người thể nhiễm sắc X chứa 163 triệu cặp nucleotit với 1.218 gen, trong lúc đó thể nhiễm sắc Y chỉ chứa có 51 triệu cặp nucleotit với 128 gen). Như vậy, trong thể
nhiễm sắc X có rất nhiều gen không có alen tương ứng so với Y và giới tính cái được xác định bởi sự có mặt của 2 thể nhiễm sắc X, còn giới tính đực được xác định bởi sự có mặt của thể
nhiễm sắc Y. Nghiên cứu nhiều trường hợp sai lệch giới tính ở người cho thấy: giới tính được xác định bởi sự có mặt hay không có thể nhiễm sắc Y. Ví dụ trường hợp hội chứng Turner có kiểu gen X0 (một thể nhiễm sắc X và không có Y) vẫn là nữ giới, còn trong trường hợp hội chứng Clinfenter có kiểu gen XXY tuy có hai XX nhưng có Y nên vẫn là giới tính nam. Rõ ràng là thể nhiễm sắc Y có tác động trội và quyết định giới tính, thể hiện ở chỗ trong qúa trình phát triển sớm của phôi thể nhiễm sắc Y đã điều khiển sự phát triển của mầm tuyến sinh dục nguyên thủy thành tinh hoàn (tính trạng sinh dục nguyên sinh) và tinh hoàn chế tiết testosteron kích thích hình thành các tính trạng đực thứ sinh. Người ta đã chứng minh là nhân tố xác định tinh hoàn được mã hóa bởi gen SRY (sex- determining region Y) định vị trong vế
ngắn của thể nhiễm sắc Y của ngườị Có rất nhiều trường hợp sai lệch giới tính thể hiện ở chỗ
nam giới có kiểu gen XX và ngược lại nữ giới có kiểu gen XY. Trong trường hợp nam XX là do gen SRY đã được chuyển đoạn sang X do đó chúng điều khiển phát triển tinh hoàn, còn trong trường hợp nữXY là do trong Y không có gen SRY do đó thiếu nhân tố phát triển tinh hoàn và mầm tuyến sinh dục phát triển thành buồng trứng. Nhiều nghiên cứu chứng minh rằng gen SRY có cả trong thể nhiễm sắc Y của chuột và đã phát hiện cơ chế phân tửđiều khiển phát triển giới tính từ gen SRY thông qua hệ hormon testosteron và thụ quan của testosteron.
Đối với con đực XY bình thường, gen SRY sản sinh ra nhân tố xác định tinh hoàn (TDF- testis determining factor) kích thích vùng tủy mầm tuyến sinh dục phát triển thành tinh hoàn, tinh hoàn chế tiết testosteron kích thính phát triển tính trạng sinh dục thứ sinh ở con đực. Đối với con cái XX bình thường vì không có Y (không có gen SRY) nên không có nhân tốTDF, vùng tủy mầm tuyến sinh dục không phát triển thành tinh hoàn mà vùng vỏ của tuyến phát triển buồng trứng, buồng trứng chế tiết hormon estrogen kích thính phát triển tính trạng sinh dục thứ sinh ở con cáị Đối với trường hợp sai lệch giới: con cái XY (có Y nhưng là con cái) thì tuy có Y nhưng vẫn phát triển giới tính cái là do Y mất gen SRY nên không có nhân tốTDF, vùng tủy mầm tuyến sinh dục không phát triển thành tinh hoàn, trái lại vùng vỏ mầm sinh dục phát triển thành buồng trứng. Thật ra gen SRY xác định giới tính đực thông qua sự tương tác với nhiều gen khác định vị trong các thể nhiễm sắc thường và thể nhiễm sắc X. Ví dụ các gen
tính đực. Người ta đã phát hiện được gen DAX1 định vị trong thể nhiễm sắc X có vai trò phối hợp với gen SRY xác định giới tính đực. Gen DAX1 mã hóa cho thụ quan của hormon tesotsteron do đó testosteron có thể được thu nhận và xâm nhập vào tế bào để hoạt hóa các gen có vai trò tạo nên các tính trạng sinh dục đực thứ sinh. Những con đực XY có gen DAX1 bị đột biến sẽ không sản sinh thụ quan do đó testosteron không được thu nhận vào trong tế
bào và cơ thể phát triển theo hướng cái hóạ Đối với con cái XX, thì gen DAX1 phối hợp với gen WNT4 (định vị trong thể nhiễm sắc thường) xác định sự phát triển của buồng trứng. Ở con
đực gen WTN4 bịức chế, do đó gen DAX1 phối hợp với gen SRY xác định sự phát triển tinh hoàn.
Đối với ruồi quả, tuy có cặp thể nhiễm sắc giới tính là XX (con cái) và XY (con đực), nhưng cơ chế xác định giới tính xác định giới tính khác với động vật có vú vì trong thể nhiễm sắc Y của chúng không có gen xác định giới tính SRY. Sự xác định giới tính ở ruồi quả diễn ra theo cơ chế: tỷ lệ giữa thể nhiễm sắc X với thể nhiễm sắc thường. Ruồi quả có bộ thể nhiễm sắc 2n = 8 trong đó có cặp giới tính XX (con cái) và XY (con đực) và 3 cặp thể nhiễm sắc thường được kí hiệu là AA. Tỷ lệ X/A sẽ qui định giới tính của ruồi (xem bảng sau)
NSTgi i (X) và NST th ng (A) T l X/A Ki u hình v gi i 1X 2A 0.5 Con c 2X 2A 1.0 Con cái 3X 2A 1.5 Siêu cái 4X 3A 1.33 Siêu cái 4X 4A 1.0 Con cái t b i
3X 3A 1.0 Con cái tam
b i
3X 4A 0.75 Trung gi i
2X 3A 0.67 Trung gi i
2X 4A 0.5 Con c t b i
1X 3A 0.33 Siêu c
Qua bảng trên ta thấy rõ là đối với ruồi kể cả con đực, thể nhiễm sắc Y không gây ảnh hưởng lên kiểu hình giới tính. Tuy nhiên, Y gây ảnh hưởng lên tính hữu thụ của con đực. Ngày nay người ta biết rằng gen Sxlđược gọi là gen gây chết giới (Sex- lethal) định vị trong X
đóng vai trò chủ yếu trong sự xác định giới tính ở ruồi quả theo cơ chế sau: - XY/ AA → 0.5 → gen Sxl không hoạt động → con đực.
- XX/ AA → 1.0 → gen Sxl hoạt động → con cáị
Nếu gen Sxl hoạt động ngược lại (hoạt động ở phôi đực và không hoạt động phôi cái) thì sẽ gây chết cho phôi (nên có tên gọi là gen gây chết).
Trạng thái hoạt động của gen Sxl liên kết với X (định vị trong X) liên quan chặt chẽ với sự
hoạt động của các gen khác định vị trong thể nhiễm sắc thường (AA). Ví dụ trên thể nhiễm sắc số 3 của ruồi quả có gen lặn tra (transformer gene), nếu ở trạng thái đồng hợp sẽ biến ruồi cái lưỡng bội thành ruồi đực bất thụ: các cá thể XX/ tratra có tính trạng giống con những con đực bình thường nhưng bất thụ.
+ Kiểu đồng giao tử là con đực (ZZ) và dị giao tử là con cái (ZW) (quan sát thấy ở các loài bướm, chim và một số loài bò sát), trong đó con đực có 2 thể nhiễm sắc tương đồng giống nhau, còn con đực có cặp tương đồng khác nhau, thể nhiễm sắc W bé hơn và không có đoạn tương đồng với Z.
+ Kiểu xác định giới tính 2n- n (con cái → 2n, con đực → n) quan sát thấy ở một số sâu bọ sống thành xã hội mà điển hình là ong mật. Con đực được phát triển từ trứng đơn bội không thụ tinh, có bộ thể nhiễm sắc n, còn ong thợ và ong chúa là ong cái được phát triển từ
các trứng thụ tinh, có bộ thể nhiễm sắc 2n. Sựđiều chỉnh tỷ lệ giới trong quần thể là do ong chúạ Ong chúa được thụ tinh bởi ong đực và tinh trùng được tích trữ trong túi chứa tinh của ong chúạ Khi ong chúa đẻ trứng nếu trứng được thụ tinh bởi tinh trùng từ túi chứa tinh sẽ
phát triển thành ong cái 2n, còn khi ong chúa đẻ trứng không được thụ tinh thì trứng đơn bội sẽ phát triển thành ong đực n. Ong chúa điều khiển sự sinh sản rất nhiều ong cái thợ tuy có bộ
thể nhiễm sắc 2n nhưng bất thụ (không đẻ trứng) chỉ làm nhiệm vụ kiếm ăn, xây tổ, chăm sóc nuôi dưỡng ong chúa và ong đực và sinh sản ít ong đực tuy có bộ thể nhiễm sắc đơn bội nhưng hữu thụ nghĩa là có khả năng giao cấu cung cấp tinh trùng cho ong chúạ Qua qúa trình giảm phân các noãn bào của ong chúa phân chia tạo nên trứng đơn bộị Đối với ong đực tinh bào không giảm phân mà thông qua qúa trình nguyên phân để tạo nên tinh trùng đơn bộị Ong chúa được phát triển từấu trùng cái được nuôi dưỡng bằng thức ăn đặc biệt (sữa ong chúa) nên có kích thước lớn hơn và có khả năng sinh sản. Mỗi quần thể (tổ ong) thường chỉ có một ong chúa và chỉ khi san đàn thì ong chúa mới được tạo ra từấu trùng cáị
2.2.1.2 Sự bù liều của các gen liên kết X
Các cơ thể sinh sản hữu tính ở con đực cũng như con cái, mỗi gen đều có 2 bản (gen- alen) định vị trong 2 thể nhiễm sắc tương đồng. Nhưng đối với thể nhiễm sắc giới tính, ở con cái có 2X còn ở con đực chỉ có 1X nghĩa là ở con cái các gen trong X đều có alen tương ứng, còn ở con đực các gen trong X không có alen tương ứng. Để bù đắp cho sự thiếu hụt này có cơ
chế bù liều (dosage compensation) thuộc 2 kiểu khác nhau: (1) bất hoạt của một thể nhiễm sắc Xở con cái (quan sát thấy ởđộng vật có vú), (2) tăng cường hoạt động của thể nhiễm sắc
Xở con đực (quan sát thấy ở ruồi quả).
- Bất hoạt các gen liên kết - X ở con cáiđộng vật có vú. Cơ chế bất hoạt một Xở con cái
động vật có vú được Mary Lyon đề xuất từ năm 1961 khi nghiên cứu trên chuột nhắt. Sự bất hoạt của một X xảy ra trong qúa trình phát triển phôi chuột khi phôi đạt cỡ vài nghìn tế bàọ Sự lựa chọn bất hoạt X nào trong 2X là ngẫu nhiên, tùy thuộc vào từng tế bào nhưng kết quả là toàn bộ tế bào của cơ thể đều chứa một X bất hoạt (chứa gen không hoạt động). Như vậy, ở
con cái động vật có vú chứa hai dòng tế bào khảm di truyền: một dòng chứa X bất hoạt đến từ
mẹ và một dòng chứa X bất hoạt đến từ bố. Cá thể cái là dị hợp tử về gen liên kết - X sẽ có khả năng cho ra 2 kiểu hình khác nhaụ Ví dụđiển hình là kiểu hình khảm được quan sát thấy
ở màu lông chuột và mèọ Đối với cả 2 loài, thể nhiễm sắc X chứa gen qui định màu lông. Con cái là dị hợp về gen này có đặc điểm khảm về màu lông: lông có các đốm sáng (trắng, vàng) xen lẫn các đốm đen (ví dụ mèo đốm, chuột đốm, chó đốm). Màu đốm trắng do một alen qui định, còn màu đốm đen do alen kia qui định. Tuy cơ chế của sự bất hoạt X còn nhiều vấn đề chưa được sáng tỏ, nhưng nhiều nghiên cứu di truyền đã chứng minh rằng sự bất hoạt xảy ra ở một vùng của vế dài của Xđược gọi là trung tâm bất hoạt X – XIC (X- inactivation center). Từ vùng XIC sự bất hoạt sẽ lan ra cả hai vế của X thể hiện ở sự methyl hóa ADN và sự xoắn lại và cô đặc của sợi nhiễm sắc (dị nhiễm sắc hóa - heterochromatine). Thể nhiễm sắc
X bị dị nhiễm sắc hóa thể hiện ra ở thểBarr (được Muray Barr phát hiện lần đầu tiên) trong nhân tế bào soma của con cái (thấy rõ nhất trong tế bào xoang miệng nữ giới). Thể nhiễm sắc
X bất hoạt tồn tại trong tất cả tế bào soma của cơ thể, nhưng trong dòng tế bào mầm (tế bào sinh dục) thì X bất hoạt được tái hoạt hóa vì sự cần thiết cho qúa trình sinh trứng (oogenesis).
Ở người trong trường hợp sai lệch thể nhiễm sắc giới tính, nữ giới có số lượng XXX vẫn là bình thường vì 2 trong 3 X của họ là bất hoạt.
- Tăng hoạt tính của các gen liên kết thể nhiễm sắc X ở ruồi quảđực. Đối với ruồi quả
sự bù liều gen xảy ra theo cơ chế tăng cường hoạt động của gen trong thể nhiễm sắc Xở con
đực, trong đó có vai trò của gen Sxl (gen gây chết) là gen có tác động chủđạo trong sự xác
định giới tính. Ở con cái gen Sxl hoạt động, còn ở con đực gen Sxl không hoạt động. Khi không có sản phẩm của gen Sxl (gen Sxl không hoạt động ở con đực), một phức hệ protein sẽ
tác động kích thích các gen trong X tăng cường hoạt động gấp hai lần. Khi gen Sxl hoạt động (ở con cái), sản phẩm của gen Sxl sẽ kìm hãm phức hệ protein do đó sự tăng cường hoạt động gen trong X không xảy rạ Bằng cơ chế bù liều như vậy sự hoạt động của các gen liên kết với
Xđược cân bằng như nhaụ