Các phương pháp nghiên cứu môn Di truyền y học | Đại học Y Tế Công Cộng

lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền BÀI 6
CƠ SỞ PHÂN TỬ CỦA DI TRUYỀN
Phần 1: CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DI TRUYỀN Y HỌC Mục tiêu: 1.
Trình bày ược ặc iểm, giá trị, thứ tự và các bước tiến hành của phương pháp phả hệ lâm sàng. 2.
Trình bày ược ặc iểm, giá trị, thứ tự và các bước tiến hành của phương pháp trẻ sinh ôi. 3.
Trình bày ược ặc iểm, giá trị, thứ tự và các bước tiến hành của phương pháp vân da. 4.
Trình bày ược ặc iểm, giá trị, thứ tự và các bước tiến hành của phương pháp di truyền tế bào.
1. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHẢ HỆ LÂM SÀNG
1.1. Những ặc iểm và giá trị của phƣơng pháp
Phương pháp phân tích phả hệ lâm sàng là phương pháp kinh iển và toàn
diện nhất ể làm sáng tỏ các mối quan hệ giữa họ hàng và tính trạng bệnh lý.
Cho phép xác ịnh ược ặc tính di truyền của các tính trạng bệnh lý và xác
ịnh ược kiểu di truyền của gen bệnh.
Là cơ sở ể thực hiện tư vấn di truyền y học.
1.2. Các bƣớc tiến hành
1.2.1. Lập sơ ồ phả hệ
Để lập sơ ồ phả hệ (phả hệ ồ), phải sử dụng hệ thống ký hiệu quốc tế ể
biểu diễn (hình 3.1) theo những nguyên tắc cơ bản sau:
- Các cá thể thuộc một thế hệ ược xếp trên một hàng ngang theo thứ tự
ngày sinh từ trái sang phải và ược ánh dấu bằng chứ số ả Rập (1, 2, 3...). lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
- Các thế hệ ược xếp theo chiều dọc theo thứ tự từ trên xuống dưới và
ược ánh dấu bằng chữ số La Mã (I, II, III, IV...) ở ầu bên trái mỗi hàng. Mỗi
phả hệ ồ phải có ít nhất là từ 3 ến 4 thế hệ.
- Thế hệ này ược nối với thế hệ kia bằng oạn thẳng vuông góc từ giữa
vạch kết hôn của thế hệ trước xuống thế hệ sau.
Ngoài ra, khi tiếp xúc với người bệnh phải tránh yếu tố tâm lý bất lợi của
họ nếu không thông tin cung cấp cho bác sĩ sẽ bị sai lệch.
Bảng 1.1. Các ký hiệu dùng trong lập phả hệ. lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
1.2.2. Phân tích phả hệ
Đây là bước quan trọng ể xác ịnh tính chất di truyền và cách thức di truyền
của tính trạng bệnh lý. Vì vậy, cần phải có kiến thức và biết vận dụng các
quy luật di truyền cơ bản kết hợp với việc tính toán thống kê ể xử lý các dữ liệu. lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
Hình 3.2. Một số sơ ồ phả hệ iển hình.
(A): Trội NST thường. (B): Lặn NST thường. (C): Lặn liên kết X. (D):
Trội liên kết X. (E): Liên kết Y.
Ví dụ: Nếu trong một phả hệ, ở các thế hệ ều thấy có người bị bệnh, khả
năng mắc bệnh ở cả giới nam và giới nữ ều như nhau, trong gia ình có cha lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
hoặc mẹ bị bệnh mà tỷ lệ các con bị bệnh là 50% thì có thể nghĩ rằng ây là
bệnh di truyền do gen trội nằm trên NST thường gây ra. Còn nếu trong phả
hệ thấy bệnh di truyền có tính chất cách quãng, con trai bị bệnh nhiều hơn
con gái, ông ngoại truyền bệnh cho cháu trai thì có thể là bệnh di truyền do
gen lặn nằm trên NST giới tính X gây ra.
2. Phƣơng pháp phân tích trẻ sinh ôi ( ồng sinh)
2.1. Những ặc iểm và giá trị của phƣơng pháp
Phương pháp phân tích trẻ sinh ôi là phương pháp dựa vào các trẻ sinh ôi.
Đây là một trong những phương pháp có hiệu quả nhất ể ánh giá vai trò
của yếu tố di truyền và môi trường ối với sự phát triển một tính trạng nào ó ở người.
Phương pháp trẻ sinh ôi cũng thường ược sử dụng ể ánh giá hiệu quả của
các phương pháp nuôi dạy trẻ, ánh giá chất lượng các loại thực phẩm, các loại thuốc...
2.2. Các bƣớc tiến hành
2.2.1. Chọn các mẫu sinh ôi
Các mẫu sinh ôi có thể ược lựa chọn bằng hai cách. Một là, từ trong dân
cư lựa ra các trẻ sinh ôi, sau ó chọn lấy các cặp có tính trạng cần nghiên cứu.
Hai là, từ các nhóm dân cư lựa ra những trẻ có tính trạng cần nghiên cứu, sau
ó chọn ra các cặp sinh ôi.
Chỉ tiến hành nghiên cứu khi có ủ hai người trong mỗi cặp, nếu chỉ có
một người thì không chọn ể nghiên cứu.
2.2.2. Chẩn oán kiểu sinh ôi
Đây là bước quan trọng òi hỏi sự chính xác cao. Để chẩn oán chính xác
phải sử dụng rất nhiều các chỉ tiêu so sánh về hình thái, sinh lý, sinh hóa như:
giới tính, màu tóc, màu mắt, màu da, dạng tóc, lông, hình dạng miệng, mũi,
tai, vân da bàn tay, các hệ thống nhóm máu, các protein huyết thanh...
Nếu tất cả các chỉ tiêu so sánh ở 2 người trong cặp sinh ôi ều giống nhau
thì chứng tỏ ó là các trẻ sinh ôi có nguồn gốc một hợp tử hay sinh ôi cùng
trứng (MZ: Monozygote). Nếu chúng không giống nhau hoặc giống nhau
một phần nào ó như sự giống nhau của các anh chị em ruột khác trong gia
ình thì iều ó chứng tỏ rằng ó là các trẻ sinh ôi có nguồn gốc 2 hợp tử hay lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
khác trứng (DZ: Dizygote). Mức ộ giống và khác nhau giúp chẩn oán kiểu
sinh ôi có thể ược xác ịnh qua các phiếu iều tra dạng câu hỏi ối với chính ối
tượng, bố mẹ, người thân trong gia ình như: bố mẹ, thầy giáo và các bạn
trong lớp có hay nhầm lẫn giữa hai người hay không...
Hình 3.3: Rau thai và các màng ở thai ôi.
A: Rau thai, màng nuôi và màng ệm ều riêng. B: Rau thai chung,
màng ệm chung, màng ối riêng. C: Rau thai và màng ệm chung, màng ối dính.
Đối với các trẻ sơ sinh, có thể chẩn oán kiểu sinh ôi qua tính chất của các
màng quanh thai: màng ối (trong), màng ệm (ngoài). Ở trẻ sinh ôi hai hợp tử,
luôn có màng ệm, màng ối và rau thai riêng. Tuy nhiên, có trường hợp các
thai khác hợp tử làm tổ ở tử cung thành hàng, thai này cạnh thai kia thì có
thể chung rau thai. Trường hợp có màng ối riêng nhưng có màng ệm chung
ở sinh ôi hai hợp tử là rất hiếm. Nếu có màng ệm riêng, màng ối riêng, rau
thai chung thì cũng có thể là sinh ôi một hợp tử nhưng rất hiếm gặp (chiếm
25% số sinh ôi một hợp tử và 50% sinh ôi hai hợp tử) (hình 3.3).
2.2.3. Đối chiếu so sánh các chỉ tiêu, rút ra kết luận ánh giá *
Đánh giá mức ộ tương ồng:
Để ánh giá mức ộ tương ồng của một tính trạng nào ấy ở các cặp sinh ôi,
người ta sử dụng công thức Alen - Smith: C Kp = (%) C + D lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
Ở ây C là số cặp tương ồng, D là số cặp không tương ồng theo tính trạng so sánh.
Ví dụ: Khi nghiên cứu bệnh tâm thần phân liệt ở 50 cặp sinh ôi một hợp
tử (MZ) người ta thấy có 43 cặp, trong ó cả 2 trẻ ều bị bệnh (tương ồng) còn
7 cặp thì chỉ có một trẻ trong mỗi cặp bị bệnh (không tương ồng). Theo công
thức Alen - Smith, người ta có thể tính ược mức ộ tương ồng trong trường hợp này là: C 43 KpMZ = = = 86 (%) C + D 43 + 7
Còn khi nghiên cứu tính trạng này ở 50 cặp sinh ôi hai hợp tử (DZ), nếu
thấy số cặp tương ồng là 8, số cặp không tương ồng là 42 thì sẽ có mức ộ
tương ồng trong trường hợp này là: 8 KpDZ = = 16 (%) 42 + 8
* Đánh giá vai trò của yếu tố di truyền và yếu tố môi trường:
Để xác ịnh vai trò của yếu tố di truyền ối với sự phát triển của một tính
trạng nào ó, người ta áp dụng một công thức tính khác là công thức Holzinger: KpMD - KpDZ H = (%) 100 - KpDZ
Theo công thức này ta có thể tính ược vai trò của yếu tố di truyền ối với
bệnh tâm thần phân liệt theo các số liệu ở trên: 86 – 16 70 H = = = 83 (%) 100 - 16 84
Vì mỗi tính trạng ở người ều là kết quả của sự tương tác giữa yếu tố di
truyền (H) và yếu tố môi trường (E) ở những mức ộ khác nhau. Bởi vậy, ể
xác ịnh vai trò của yếu tố môi trường trong trường hợp này ối với bệnh tâm
thần phân liệt, ta có: H + E = 100%, E = 100% - H = 100% - 83% = 17%.
Khả năng di truyền (h: heriability): là tỷ lệ các biến thể trong quần thể có
biểu hiện tính trạng do gen chi phối: h = 2 (KpMZ - KpDZ). lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
Nếu tính trạng ược quyết ịnh hoàn toàn bởi gen thì KpMZ = 1, KpDZ =
0,5 và h sẽ bằng 1. Nếu không có sự khác biệt giữa KpMZ và KpDZ thì h
sẽ bằng 0 và tính trạng hoàn toàn do yếu tố môi trường quyết ịnh.
3. Phƣơng pháp phân tích nếp vân da
3.1. Những ặc iểm và giá trị của phƣơng pháp
Phân tích nếp vân da là phương pháp nghiên cứu di truyền y học dựa trên
những ặc tính của các ường nét, hình thù của bề mặt da ở các ầu ngón tay và
lòng bàn tay. Phương pháp này có giá trị trong việc góp phần chẩn oán sớm
một số bệnh lý ở người, trong lĩnh vực khoa học hình sự và trong việc xác ịnh trẻ sinh ôi.
Hình 3.4: Các delta áy ngón a, b, Hình 3.5: Các ường vân chính A, B, c, d;
các vùng trong lòng bàn tay C, D và kiểu vân trong lòng bàn tay.
(Th, Hy, I1, I2, I3, I4) và ngã ba trục t.
Cơ sở khoa học của phương pháp vân da là hình thù và ường nét vân da
mang tính cá thể nghiêm ngặt do chúng ược kiểm soát bởi nhiều gen. Trong
quá trình phát triển cá thể, các hoa vân trên bàn tay, bàn chân ược hình
thành từ tháng thứ sáu và hầu như không bị biến ổi trong suốt cuộc ời.
3.2. Các bƣớc tiến hành
- Lấy mẫu in vân da: thường tiến hành bằng cách in trên giấy. lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
Hình 3.7: Các kiểu vân ầu ngón.
Hình 3.6: Các miền quanh gan bàn tay 1: Vân cung ơn giản. 2: Vân cung lều. 3:
(1 - 13) và chỉ số Cummins.
Vân móc/búi/nút. 4, 5, 6: Kiểu vân vòng
ối xứng, vòng xoáy và vòng móc kép.
- Phân tích mẫu in theo các chỉ tiêu cơ bản sau ây:
+ Tổng số các ường vân ầu ngón: tổng số iểm cắt của các oạn thẳng nối
từ tâm iểm của các ường vân ến các ngã ba (delta) ầu ngón.
+ Công thức vân ầu ngón: công thức biểu diễn kiểu vân của 10 ầu ngón
tay có dạng phân số (tử số thể hiện kiểu vân ầu ngón bàn tay phải, mẫu số
thể hiện tương ứng cho bàn tay trái).
+ Cường ộ vân ầu ngón: tổng số delta của 10 ầu ngón tay.
+ Tần số mỗi loại vân: tỷ lệ % của các kiểu vân vòng, vân móc và vân
cung tính trên 10 ầu ngón tay.
+ Chỉ số Cummins: thể hiện tổ hợp iểm ến tận cùng của các ường vân
chính ến các miền quanh gan bàn tay (1 - 13).
+ Các kiểu vân trên vùng mô cái và mô út: vân vòng hoặc vân móc trên
vùng mô cái hoặc mô út. + Góc ngã ba trục atd.
+ Số lượng và hình dạng các rãnh lòng bàn tay.
- Rút ra các kết luận, nhận xét, so sánh kết quả nghiên cứu ở các nhóm ối tượng khác nhau. lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
4. Phƣơng pháp di truyền tế bào
4.1. Những ặc iểm và giá trị của phƣơng pháp
Phương pháp di truyền tế bào là phương pháp ánh giá trực tiếp hoặc gián
tiếp các NST trong bộ NST của người. Đây là phương pháp bắt buộc trong
chẩn oán phân biệt các bệnh NST và ược sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu
các tác nhân gây ột biến NST ở người.
2.4.2. Các bƣớc tiến hành
Thu nhận các mẫu nghiên cứu trực tiếp từ các tổ chức trong cơ thể hay
nuôi cấy tế bào ngoài cơ thể.
Làm các tiêu bản hiển vi NST ở kỳ giữa trong quá trình phân chia hay nhân ở kỳ nghỉ.
Phân tích các tiêu bản dưới kính hiển vi theo các chỉ tiêu nghiên cứu.
Dựng karyotype, phân tích và ưa ra kết luận.
4.3. Một số phƣơng pháp di truyền tế bào
- Nhuộm Giemsa thông thường (conventional giemsa staining): giúp
quan sát và phân biệt ược các NST ở kỳ giữa dựa vào hình thái, kích thước.
- Nhuộm băng NST: băng G (Giemsa), băng R (Reverse), băng Q
(Quinacrine), băng C (Centromere): giúp quan sát và phân biệt ược chính xác
các NST dựa vào hình thái, kích thước NST; hình thái, số lượng, kích thước
và vị trí của băng trên NST.
- Lai tại chỗ ánh dấu huỳnh quang NST (FISH: fluorescence in situ
hybridization): giúp quan sát và phân biệt ược chính xác hơn các NST dựa
vào hình thái, kích thước, màu sắc NST hoặc dựa vào hình thái, số lượng,
kích thước, vị trí của băng trên NST (banding FISH).
- Lai so sánh bộ gen (CGH: comparative genome hybridization): nhận
biết ược các biến ổi do thay ổi liều lượng vật chất di truyền (mất oạn, lặp oạn...). lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
5. Phƣơng pháp di truyền sinh hóa
5.1. Những ặc iểm chung và giá trị của phƣơng pháp
Phương pháp di truyền sinh hóa là phương pháp nghiên cứu ược tiến hành
với việc sử dụng các phương tiện máy móc, kỹ thuật và các hóa chất chuyên
dụng. Đây là phương pháp cho phép phát hiện khuyết tật của các gen thông
qua các sản phẩm bất thường của chúng là các loại protid cấu trúc, protid
enzym và là phương pháp thường dùng trong chẩn oán các bệnh di truyền chuyển hóa.
5.2. Các bƣớc tiến hành
Nghiên cứu thăm dò với các xét nghiệm ơn giản nhằm phát hiện các
trường hợp nghi ngờ trong dân cư.
Nghiên cứu chi tiết với các xét nghiệm chính xác và phức tạp ể chẩn oán xác ịnh.
Câu hỏi lượng giá: 1.
Trình bày ặc iểm, giá trị, thứ tự và các bước tiến hành của phương pháp phả hệ lâm sàng? 2.
Trình bày ặc iểm, giá trị, thứ tự và các bước tiến hành của phương pháp trẻ sinh ôi? 3.
Trình bày ặc iểm, giá trị, thứ tự và các bước tiến hành của phương pháp vân da? 4.
Trình bày ặc iểm, giá trị, thứ tự và các bước tiến hành của phương pháp di truyền tế bào?
Phần 2: CƠ SỞ PHÂN TỬ CỦA DI TRUYỀN
ACID NUCLEIC VẬT CHẤT DI TRUYỀN CỦA MỌI SINH VẬT Mục tiêu:
1. Trình bày ược thành phần hóa học của acid nucleic.
2. Trình bày ược ặc iểm cấu tạo, mô hình cấu trúc và chức năng của ADN. lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
3. Trình bày ược ặc iểm cấu tạo, các loại và chức năng của ARN.
4. Trình bày ược tính chất của acid nucleic.
1. THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA ACID NUCLEIC
Acid nucleic ược F. Miescher phát hiện năm 1869.
Trong cấu tạo của acid nucleic có năm nguyên tố hóa học là carbon (C), hydro
(H), oxy (O), nitơ (N) và phospho (P). Trong ó, thành phần nitơ chiếm khoảng 8 -
10% và phospho chiếm 15 - 16%.
Phân tử acid nucleic ược cấu tạo từ ba thành phần chính là các base nitơ, ường pentose và acid phosphoric. 1.1. Các base nitơ
Có hai nhóm base nitơ là purine và pyrimidine (hình 1.1).
Hình 1.1. Base purine và pyrimidine.
Trong ADN chứa gốc ường deoxyribose, trong ARN chứa gốc ường ribose nằm
dưới dạng vòng (hình 1.2).
Khi một base nitơ liên kết với phân tử ường pentose bằng liên kết N glycoside
sẽ tạo thành một nucleoside. Liên kết N - glycoside này hình thành giữa nguyên tử
carbon thứ nhất (C1) của ường pentose với nguyên tử nitơ thứ chín (N9) của base
purine hoặc với nguyên tử nitơ thứ nhất (N1) của base pyrimidine.
Nucleoside của base pyrimidine với ường ribose mang tên của base và có uôi là “-
idine” (thymidine, uridine, cytidine).
Nucleoside của base purine với ường ribose mang tên của base và có uôi là “-
osine” (adenosine, guanosine). lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
Khi base nitơ liên kết với ường deoxyribose thì có thêm tiếp ầu ngữ “deoxy”
(deoxyadenosine, deoxyguanosine, deoxycytidine). Riêng base thymine chỉ có mặt
trong ADN nên gốc ường trong nucleoside luôn là deoxyribose. Trong trường hợp
này, nhiều khi người ta không cần gọi thêm tiếp ầu ngữ “deoxy-” mà chỉ gọi một
cách ơn giản là thymidine.
Adenosine 5’ - monophosphate (AMP) 2 - Deoxyribose
Hình 1.2. Nucleotide ơn và các thành phần.
1.2. Acid phosphoric và sự hình thành nucleotide
Nucleotide là este phosphate của nucleoside. Acid phosphoric tạo liên kết este
với một nguyên tử carbon nào ó của ường (thường là ở C5) tạo thành nucleotide.
Các nucleotide là ơn vị cấu tạo của acid nucleic, phân tử ADN ược cấu tạo nên
từ bốn loại nucleotide: dAMP, dGMP, dCMP và dTMP.
Nucleotide óng vai trò sinh học quan trọng. Ngoài chức năng cấu tạo nên vật
chất di truyền, chúng còn có mặt trong các coenzym, xúc tác nhiều phản ứng hóa
học trong tế bào như các coenzym NAD (Nicotinamide adenine dinucleotide), FAD
(Flavin adenine dinucleotide) và coenzym A. lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
Bảng 1.2. Tên gọi và chữ viết tắt của một số nucleotide. Tên gọi Ký hiệu
Adenosine 5’ - monophosphate (adenylic acid) AMP
Guanosine 5’ - monophosphate (guanylic acid) GMP
Cytidine 5’ - monophosphate (cytidytic acid) CMP
Uridine 5’ - monophosphate (thymidylic acid) UMP
Deoxyadenosine 5’ - monophosphate (deoxyadenylic acid) dAMP
Deoxyguanosine 5’ - monophosphate (deoxyadenylic acid) dGMP
Deoxycytidine 5’ - monophosphate (deoxycytidylic acid) dCMP
Deoxythymidine 5’ - monophosphate (deoxythymidylic acid) dTMP
Có hai loại acid nucleic là acid deoxyribonucleic (ADN) và acid ribonucleic (ARN).
Acid deoxyribonucleic (ADN) là polyme phân tử lượng lớn, có mặt trong tất
cả tế bào sống. ADN tập trung chủ yếu ở các nhiễm sắc thể trong nhân tế bào.
Ngoài ra còn có một số lượng nhỏ ADN nằm ở ty thể và lạp thể, ây là các ADN
ngoài nhân. Số lượng ADN không thay ổi trong nhân của các tế bào cùng loài. Acid
ribonucleic có mặt cả trong nhân tế bào và trong nguyên sinh chất. 2. ADN
2.1. Đặc iểm cấu tạo
Acid deoxyribonucleic (ADN) là phân tử mang thông tin di truyền của tế bào
sống, trong ó gen là ơn vị di truyền cơ bản.
ADN ược xây dựng từ bốn loại nucleotide: dAMP, dGMP, dCMP và dTMP.
Gốc ường trong các nucleotide này là deoxyribose. ADN là một polynucleotide,
các nucleotide nối với nhau bằng liên kết 3', 5' phosphodieste. Hai liên kết este ược
hình thành giữa gốc phosphate với carbon thứ ba của nucleotide này và carbon thứ
năm của nucleotide nằm kề nó (hình 1.5).
Phân tử ADN bao gồm hai sợi polynucleotide ngược chiều nhau, base purine
của sợi polynucleotide này nằm ối diện với base pyrimidine của sợi polynucleotide lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
kia theo quy luật bổ sung nghiêm ngặt: adenin ứng ối diện với thymine (A - T) và
guanine ứng ối diện với cytosine (G - C). Hai sợi polynucleotide ược giữ vững và
ổn ịnh nhờ các liên kết hydro giữa các base nitơ của hai mạch (hình 1.5).
Quy luật liên kết bổ sung giữa hai loại base nitơ do E. Chargaff phát hiện. Khi
nghiên cứu thành phần các base nitơ trong phân tử acid nucleic, ông thấy rằng số
base adenine luôn bằng thymine và số base guanine luôn bằng cytosine.
Quy tắc này ược gọi là quy tắc Chargaff: A = T và G = C hay (A + G)/(T+ C) = 1.
Về sau, các nhà nghiên cứu thấy rằng số lượng các cặp base A - T và G - C rất
khác nhau ở mỗi loài nên quy tắc này ược bổ sung: Tỷ lệ (A + T)/(G + C) tùy theo loài.
Hình 1.3. Các nucleotide trên một mạch ơn. lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
2.2. Đặc iểm cấu trúc
2.2.1. Cấu trúc bậc II - Mô hình Watson và Crick
Năm 1953, J. D. Watson và F. Crick ã khám phá ra mô hình cấu trúc phân tử
ADN. Đây là một phát minh quan trọng của thế kỷ XX, ánh dấu một bước ngoặt
cho sự phát triển của Di truyền học. J. D. Watson và F. Crick ã ược trao giải thưởng
Nobel năm 1962. Theo J. D. Watson và F. Crick, mô hình cấu tạo không gian của
ADN có những ặc iểm chính sau:
- Phân tử ADN gồm hai sợi polynucleotide sắp xếp theo hai hướng ngược
chiều nhau ( ối song song): sợi bên này có ầu 3' - OH thì sợi bên kia sẽ là 5' - P.
- Hai sợi cùng xoắn (xoắn ôi) xung quanh một trục.
- Các base nitơ của hai sợi nằm quay vào trong. Base nitơ của sợi này ứng ối
diện với base nitơ của sợi kia theo quy luật bổ sung A ối diện T và G ối diện C. A
nối với T bằng hai liên kết hydro, G nối với X (C) bằng ba liên kết hydro.
- Nhóm phosphate và gốc ường trong chuỗi polynucleotide xoay ra ngoài,
hình thành liên kết với nước, ảm bảo tính ổn ịnh cho phân tử ADN.
- Mỗi vòng xoắn ốc tương ứng với 10 cặp base nitơ, chiều dài của mỗi vòng
xoắn ốc là 34Å (1Å = 10-10m). Như vậy, chiều dài của mỗi nucleotide là 3,4Å,
ường kính trong là 20Å (hình 1.7).
2.2.2. CÁC DẠNG CẤU TRÚC CỦA ADN
Kể từ sau khám phá quan trọng của J.D. Watson và F. Crick, người ta không
những ã phát hiện thêm các dạng ADN xoắn phải và xoắn trái mà các bộ gen còn
ược tổ chức theo những thể thức khác, ó là:
ADN sợi kép dạng vòng có mặt ở hầu hết các bộ gen Prokaryote, bộ gen của
một số virus và bộ gen tế bào chất của các tế bào Eukaryote (các phân tử ADN ty thể và lạp thể).
ADN sợi ơn vòng của một số virus ký sinh ở vi khuẩn.
Dạng thẳng: Phân tử gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn với nhau, ối song
song, mỗi sợi ều có ầu 3' - OH và 5' - phosphate tự do. Ngày nay, người ta ã phát
hiện và mô tả ược sáu loại cấu trúc xoắn ôi của ADN là A, B, C, D, E và Z. Sự khác
nhau giữa các loại ược thể hiện chủ yếu ở những ặc iểm sau: lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
- Chiều xoắn (xoắn phải hoặc xoắn trái).
- Số lượng cặp base trong mỗi vòng xoắn.
- Khoảng cách giữa mỗi cặp base.
- Khoảng cách lớn nhất giữa mỗi sợi.
Loại B là loại hay gặp nhất trong iều kiện sinh lý bình thường và úng theo mô
hình của J. D. Watson và F. Crick, có chiều xoắn từ trái sang phải. Loại Z ược tìm
thấy trong nhiễm sắc thể của ruồi giấm, có chiều xoắn trái và 12 ôi base trong mỗi
vòng xoắn. Loại A ược tìm thấy trong môi trường chứa nhiều ion natri hay calci,
có chiều xoắn phải và có 11 ôi base trong mỗi vòng xoắn. Loại C, D và E không
có mặt trong cơ thể sống.
Các ADN mạch vòng sợi kép và sợi ơn.
Ngoài cấu trúc bậc một, bậc hai nêu trên, ADN và ARN còn có cấu trúc bậc ba
và bậc bốn. Trong ó có sự tương tác giữa các sợi ơn với sợi ôi, giữa hai sợi ôi, giữa
ADN với protein. Đây là những tương tác phức tạp liên quan ến các bậc cấu trúc
của ADN, nhiễm sắc thể, các trạng thái xoắn, siêu xoắn, óng mở và iều hòa hoạt ộng của gen.
Bảng 1.3. Đặc iểm của một số dạng ADN. Dạng Chiều xoắn Số bp/vòng xắn
Đường kính chuỗi A Trái sang phải 11,0 26Å B Trái sang phải 10,0 20Å C Trái sang phải 9,3 20Å Z Phải sang trái 12,0 18Å lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
Hình 1.4. Một số dạng cấu trúc không gian của ADN.
2.3. Chức năng của ADN
Ngày nay, chúng ta ều biết rõ rằng ADN hay bộ gen của tất cả các sinh vật có
chức năng chính là mang ầy ủ toàn bộ thông tin di truyền (genetic information) ặc
trưng cho từng loài. Thông tin di truyền này ược ghi lại dưới dạng mật mã, gọi là
mã di truyền (genetic code) và chứa ựng trong các gen cấu trúc cũng như các yếu
tố kiểm soát di truyền nhằm iều khiển mọi hoạt ộng sinh trưởng, phân chia và biệt hóa của tế bào.
Hơn nữa, ADN hay vật chất di truyền nói chung ều có khả năng tự sao chép
một cách chính xác bản thân nó trong một quá trình gọi là tái bản (replication) - cơ
sở của sự tự nhân ôi nhiễm sắc thể. Do ó, nó là cơ sở của sự phân chia tế bào (thực
chất là sự phân chia hay truyền ạt vật chất di truyền). Đó còn là các quá trình hoạt
ộng và iều hòa sự biểu hiện của các gen trong bộ gen - phiên mã (transcription) và
dịch mã (translation) ể tạo ra các phân tử ARN và protein tham gia vào các cấu trúc
và hoạt ộng sống cơ bản của tế bào. Nhờ ó mà con cái sinh ra thường giống với
cha mẹ, mỗi loài duy trì sự ổn ịnh tương ối bộ gen của mình nên sự sống ược duy
trì một cách liên tục kể từ khi bắt ầu hình thành trên trái ất.
Mặt khác, ADN hay vật chất di truyền nói chung có khả năng phát sinh các
biến ổi trong quá trình phát triển cá thể và sinh sản của sinh vật. Đó là các ột biến
gen gây ra bởi tác ộng của các tác nhân vật lý và hóa học khác nhau hoặc do chính
các sai sót trong quá trình tái bản hoặc do sự dịch chuyển vị trí của bản thân các
gen trong bộ gen. Đó là các yếu tố di truyền vận ộng (transposable genetic lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền
elements) hay còn gọi là các gen nhảy (jumping genes) gây ra sự biến ộng của bộ
gen và sự biến ổi ở kiểu hình. Ngoài ra, các quá trình tái tổ hợp di truyền (genetic
recombination) tạo nên các biến dị tổ hợp phong phú và a dạng trong quá trình sinh
sản của sinh vật. Chính các quá trình biến ổi a dạng này ã không ngừng tạo nên các
nguồn biến dị di truyền sơ cấp và thứ cấp cho sự chọn lọc và tiến hóa của sinh giới.
3. CÁC ARN TRONG TẾ BÀO
3.1. Đặc iểm cấu tạo
Acid ribonucleic (ARN) là một acid nucleic. Hai ặc iểm cơ bản về cấu tạo phân
biệt giữa acid ribonucleic và acid deoxyribonucleic là ường và base nitơ. Trong
phân tử ARN có chứa ường ribose, còn trong ADN có chứa ường deoxyribose.
Thành phần các base pyrimidine trong ARN và ADN cũng khác nhau. ADN chứa
cytosine và thymine, không bao giờ có uracil; ngược lại ARN chứa cytosine và
uracil, không khi nào có thymine. Ngoài ra, trong ARN có nhiều base thứ yếu (các
base nitơ ít gặp) hơn trong ADN như: 5', 6' - dihydrouridine (DHU), inosine (I),
ribothymidine (T), pseudouridine (ỉ)... Chúng ược tạo ra nhờ hoạt ộng xúc tác của các enzym sau phiên mã.
Đơn vị cơ bản xây dựng nên ARN là các nucleotide. Các nucleotide liên kết
với nhau bằng liên kết 3' - 5'- phosphodieste ể tạo thành phân tử polynucleotide
như ADN. Về cấu trúc phân tử, ARN có cấu trúc mạch ơn, không phải là mạch kép
như ADN. Cấu trúc bậc I của ARN xác ịnh trật tự sắp xếp các gốc nucleotide trong chuỗi polynucleotide.
Cấu trúc bậc II của ARN cũng là xoắn nhưng khác với ADN, phân tử ARN là
một chuỗi polynucleotide liên tục nên cấu tạo xoắn chỉ thực hiện trong phạm vi
một phân tử. Khi ó, chuỗi polynucleotide tạo cấu trúc xoắn bằng cách tạo nên các
liên kết hydro giữa adenine và uracil (A - U) và giữa guanine và cytosine (G - C).
Trong cấu trúc bậc II của ARN, chỉ có khoảng 50% chuỗi polynucleotide của phân
tử ARN ược xoắn, còn các phần khác thì không. Hơn nữa, cấu hình của các oạn
xoắn cũng chưa hoàn thiện như ở ADN. Do không có sự tương ứng hoàn toàn trong
trật tự của các base nitơ bổ sung nên một số mắt xích nucleotide riêng lẻ có dạng
cung lồi. ARN nằm trong bào tương, ribosome và nhân tế bào nhưng tập trung chủ yếu trong bào tương. lOMoAR cPSD| 59981978 Sinh học – Di truyền 3.2. Các loại ARN
3.2.1. ARN thông tin (mARN) mARN (messenger RNA) ược tổng hợp trong
nhân tế bào trên khuôn của ADN nên chúng chứa một lượng lớn thông tin cần thiết
cho sự tổng hợp các protein ặc hiệu khác nhau. Độ lớn của mARN phụ thuộc vào
ộ lớn của protein cần tổng hợp. Như vậy, các phân tử mARN của một tế bào có
kích thước khác nhau và trình tự nucleotide của các mARN cũng rất khác nhau.
Sau khi ược tổng hợp ở nhân tế bào, mARN sẽ chuyển từ nhân ến ribosome mang
những thông tin cần thiết cho quá trình tổng hợp protein.
Nhìn chung, các mARN có dạng cấu trúc mạch thẳng với kích thước khác nhau và có ba phần chính:
5’ - UTR | vùng mã hoá 13’ UTR
Vùng dẫn ầu (5' - UTR) không ược dịch mã nhưng có cấu trúc cần thiết cho sự
bám vào của tiểu ơn vị ribosome bé.
Vùng mã hóa (coding region) nằm kề sau vùng 5' - UTR, mang thông tin cấu
trúc của một chuỗi polypeptide.
Vùng kéo sau (3' - UTR) nằm ở uôi mARN, không ược dịch mã.
3.2.2. ARN vận chuyển (tARN) tARN (transfer RNA) làm nhiệm vụ vận chuyển
các acid amin ã ược hoạt hóa ến ribosome - là nơi tổng hợp nên phân tử protein.
tARN chiếm khoảng từ 10 - 20% tổng lượng ARN của tế bào và có trọng lượng
phân tử không lớn, chứa khoảng từ 75 - 90 nucleotide. Ngày nay, người ta ã xác
ịnh ược thành phần và trật tự sắp xếp của hơn 100 tARN khác nhau.