Giáo trình Sinh học phát triển | Học viện Báo chí và Tuyên truyền
Giáo trình Sinh học phát triển | Học viện Báo chí và Tuyên truyền. Tài liệu được sưu tầm giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao. Mời bạn đọc đón xem.
Môn: Sinh học 2 tài liệu
Trường: Học viện Báo chí và Tuyên truyền 2.6 K tài liệu
Tác giả:
Preview text:
G S . T S . N G U Y Ễ N N H Ư K H A N H (Chủ biên)
T T S . N G U Y Ễ N V Ă N Đ ÍN H - T S . V Õ V Ă N T O À N GIÁO TRÌNH
SINH HỌC PHÁT TRIỂN
(T ái bản lần th ứ nhất)
N H À X U Ấ T B ẢN G IÁ O D Ụ C V IỆ T NAM LỜI GIỚI THIỆU
G iáo trình Sin h học p h á t triển là giáo trình đào tạo đại học và sau dại học ờ các trường
Đại học Sư phạm và trường khác. Giáo trình cập nhật những kiến thức mới nhất (đến năm
2011) về các cơ chế phân tử, cơ chế tế bào, vốn là các cơ sờ của các quá trình phát triển của cá thê sinh vật.
Sinh học phát triển là môn khoa học tổng hợp kiến thức từ nhiều môn khoa học khác
như tế bào, hình thái, giải phẫu, sinh lý học thực vật và động vật, mô phôi, hoá sinh, di
truyền, tiến hoá, sinh học phân tử, công nghệ sinh học, môi trường. Giáo trình cũng đã cố
gắng tập hợp các lý giải nhiều hiện tượng sinh học, ví dụ, giải thích vì sao ly cà phê giúp
người ta hết buồn ngủ dựa trên kiến thức về truyén tín hiệu, hoặc vì sao ăn cá nóc (Figu
ru bripes) có thể bị ngộ độc chết người nếu không biết chuẩn bị đúng cách; các câu trả lời
có trong chương 1. Một câu hỏi đã tồn tại lâu đời rằng, quá trình chuyển đổi từ trứng được
thụ tinh (hợp tử) thành cơ thể sinh vật trường thành xảy ra như thế nào? Trước đây để trả lời
câu hỏi đó, phải dựa vào lực siêu nhiên huyẻn bí. Ngày nay câu hỏi đó đã có thể trả lời một
cách có c a sở. Trong sách cũng có các lý giải được nhiều bệnh lý dựa trên những tri thức
của sinh học phân từ như sự biểu hiện gen phân hoá, truyền tín hiệu trong Sinh học phát
triển. G iáo trình cũng sưu tập các thành tựu ứng dụng của sinh học phân lử và công nghệ
sinh học vốn đang và sẽ được áp dụng rộng rãi vào y học tái sinh và nông nghiệp.
Sách hướng tới phục vụ cho sinh viên và học viên cao học các khoa sinh học, sinh học
- kỹ thuật nòng nghiệp,, sinh - hoá, sinh học môi trường, công nghệ sinh học cùa các
trường Đại học, Cao đẳng Sư phạm và sinh viên các trường đại học và cao đẳng khác, cũng
như các trường trung học kỹ thuật có môn học liên quan với sinh học.
Sách sẽ là tài liệu tham khảo bổ ích trong quá trình tự bồi dưỡng nâng cao kiến thức
cùa giáo viên sinh học trong các trường Trung học phổ thông và Trung học cơ sở.
Sách cũng rất bổ ích cho những ai muốn tìm hiểu quá trình phát triển của cá thể sinh
vật trong đó có cả bản thân mình. Sách cũng cập nhật các thành tựu của sinh học ứng dụng
ở cấp độ phân từ và tế bào vào y học tái sinh nhằm giúp chữa trị, thay thế các cơ quan của
cơ thê bị bệnh, lý giải nguyên nhân của một số bệnh tật trên cơ sở kiến thức của khoa học
sinh học hiện đại.
G iáo trình gồm 3 ph ần , 13 chương:
Phần một: Những c a sở chung cùa sinh học p hát triển, gồm 4 chương từ chương 1 đến
chương 4 là: 1) Cơ sờ phân tử trong sinh học phát triển, 2) Các cơ chế tế bào của sự phát
triển. 3) Kiểm tra hormon quá trình phát triển, 4) Tiến hoá của sự phát triển.
Phần hai: Sinh học p liá i triển cá th ề động vật, gồm 6 chương, từ chương 5 đến chương
10 là: 5) Giảm phân, 6) Phát sinh giao tử, 7) Thụ tinh, 8) Phát triển phôi sớm, 9) Hình thành
trục cột sống, 10) Sự phát triển của người. 3
Phần ba: Sinli học p liá l triển cá th ề thực vật, gồm 3 chương, từ chương 11 đến chương
13 là: 11) Phát triển sinh dưỡng, 12) Phát triển cơ thể (hình thái) thực vật, 13) Phát triển
sinh sản ớ thực vật.
Cuối mồi chương có phần tóm tắt và câu hỏi.
P hàn côn g bién soạn :
GS. TS. Nguyễn Như Khanh, Chủ biên và tham gia biên soạn nhập môn, lời giới thiệu
và các chương 1, 2 và 4 phần một.
TS. V õ Vãn Toàn biên soạn các chương 3 phần một; toàn bộ phẩn hai, gồm các chương 5, 6, 7, 8, 9 và 10.
TS. Nguyễn Văn Đính biên soạn toàn bộ phần ba, gồm các chương 11,1 2 và 13.
Mặc dầu đã rất cố gắng, giáo trình có đặc trưng tổng hợp, chứa đựng kiến thức nhiều
môn khoa học sinh học khác nhau nẽn sách không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong sự
dóng góp ý kiến cúa các bạn đồng nghiệp, của sinh viên, học viên sau đại học và của bạn
đọc dế lẩn tái bản sau sách được tốt hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Công ty c ổ phần
Sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất bản G iáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội.
XÌII trăn H ọng cám ơn. C Á C T Á C G IẢ 4 MỤC LỤC
Lời giới th iệu ................................................................................................................................... 3
Nhập môn của sinh học phát triển............................................................................................. 9 P h ầ n m ột
NHỮNG Cơ SỞ CHUNG CỦA SINH HỌC PHÁT TRIỂN
C h ư ơ n g 1. C ơ s ở p h â n tử tro n g s in h h ọ c p h á t t r i ể n ....................................................... 11
1.1. Sự biểu hiện gen từ A D N —» Protein.........................................i.u...........................11
1.2. Điểu hoà sự biểu hiện g en .......................................................... ij.iij.j.iii..;................36
1.3. Sự biểu hiện gen phân hoá trong phát triển .......................... 80
1.4. Truyền tín hiệu trong sinh học phát triển................................. ............................... 90
Tóm tắt chương 1: Cơ sờ phân tử trong sinh học phát triển...,.............................. . 110 l i i ĩ / I j . i l ' i
Câu hỏi chương 1..................................................................................... ............................ 115
C h ư ơ n g 2. C á c c ơ c h ế t ế b à o c ủ a s ự p h át t r iể n ..........................................................116
Nhập chương................................................................................ ....................................... 116
2.1. Phân b ào ................................................................................................................. . 116 _ _ _ . (Triii Ợ n T gnoiHTU
2.2. Phân hoá tế bào...................................................................... f. . . ............. 130
2.3. Tái lập trình n h â n ...................................................................................................... 141
2.4. Tạo hình m ẫu.................................................................... ............ ................................146
2.5. Phát sinh hình th ái...................................................... ................................................. 150
Tóm tắt chương 2: Cơ sở tế bào của sinh học phát .................. 156
Câu hỏi chương 2 ......................................................................... ...................................... 157
C h ư ơ n g 3. K iể m tra h o rm o n q u á trìn h p h át t r i ể n
. ................................... 158
3.1. Hormon Ihực vật (phytohormon)...................... ........... ...... .................................... 158
3.2. Hormon động vật.......................................................................................................... 165
Tóm tắt chương 3: Kiểm ira hormon quá trình phát triển........................................... 197
Câu hỏi chương 3 ...................................................................................................................197
C h ư ơ n g 4. T iế n h o á c ủ a s ự p h át tr iể n ............................................................................... 198
4.1. Tống quan về sự tiến hoá của sinh học phát triển................................................. 198
4.2. Độl biến một hoặc hai gen, xuất hiện dạng m ới...................................................200
4.3. Cùng gen, chức năng m ớ i...........................................................................................202 5
4.4. Các gen khác biệt, chức năng đồng q u y ...................................................................205
4.5. Nhân đổi gen và phân hướng.......................................................................................206
4.6. Phân tích chức nãng của các gen thông qua các lo à i............................................ 208
4.7. Sự đa dạng của các con mắt trong thế giới tự n h iê n .......................................... 209
Tóm tắt chương 4: Tiến hoá của phát triển................................................................... 212
Câu hỏi chương 4 ................................................................................................................. 213 Phẩn hai
SINH HỌC PHÁT TRIỂN CÁ THỂ ĐỘNG VẬT
C h ư ơ n g 5. G iả m p h â n .....................................................................................................................214
5.1. Giảm p h ân ........................................................................................................................214
5.2. So sánh giảm .phân với nguyên p hân ........................................................................ 226
Tóm tắt chương 5: G iảm phân............................................................................................ 229
Câu hỏi chương 5 .................................................................................................................... 230
C h ư ơ n g 6. P h á t s in h g ia o tử ( g a m e t o g e n e s is ) ................................................................. 231
6.1. K hái quát chung về phát sinh giao tử ........................................................................231
6.2. Phát sinh tinh trùng (sự sinh tinh, spermatogenesis)........................................... 233
6.3. Phát sinh trứng (Sự sinh trứng, sự tạo noãn b ào )...................................................239
Tóm tắt chương 6: Phát sinh giao tử..................................................................................260
Câu hỏi chưcmg 6 ............................................................................................................................................ 261
C h ư ơ n g 7. T h ụ t in h ....’..................................................................................................................... 2 62
7.1. Sự xâm nhập cùa tinh trùng qua màng sinh chất cùa trứng
và sự đung hợp m àng..................................................................................................................... 262
7.2. Hoạt hoá trứng................................................................................................................ 263
7.3. Dung hợp nhân ................................................................................................................266
Tóm tắt chương 7: T h ụ tin h .................................................................................................266
Cầu Hôi chương 7 .................................................................................................................... 267
C h ư ơ n g 8. P h á t triể n p h ô i s ớ m ................................................................................................. 268
8.1. Phân cắt và giai đóạn phôi nang (phôi tú i)............................................................. 268
8.2. Tạo phôi v ị........................................................................................................................273
8.3. Phát sinh cơ quan........................................................................................................... 280
8.4. Phát sinh cơ quan trong động vật có xương sống................................................. 283
8.5. Các dẫn xuất mào thần kinh trong sự tiến hoá của động vật
có xương sống..,..,..)...,,...... ........................................................................................... 287
Tóm lắt chương 8: Phát triển phôi s ớ m ........................................................................... 289
Câu hỏi chương 8 ....................................................................................................................289 6
C h ư ơ n g 9. H ìn h th à n h t r ụ c c ộ t s ố n g .....................................................................................290
9.1. Tổ chức Spemann xác định trục lưng-bụng.......................................................... 290
9.2. Các phân tử truyền tín hiệu từ tổ chức spemann ức chế sự phát triển
của bụng..........................................................................................................................292
9.3. Bằng chứng vể tổ chức spemann trong động vật có xương sốn g ..................... 293
9.4. Cảm ứng có thể sơ cấp hoặc thứ cấp........................................................................ 294
9.5. Các chất xác định lưng được mã hoá đằng mẹ hoạt hoá tín hiệu W nt.... 295
Tóm tắt chương 9: Hình thành trục cột sống................................................................. 295
Câu hỏi chương 9 ...................................................................................................................295
Ch ư ơ n g 10. S ự p h át triể n c ủ a n g ư ờ i.....................................................................................296
10.1. Sự phát triển trong thời kỳ ba tháng đầu....................................................................... 296
10.2. Phát triển trong kỳ ba tháng thứ h a i...................................................................... 299
10.3. Phát triển trong kỳ ba tháng thứ b a ....................................................................... 299
10.4. Những biến đổi quyết định trong hormon dẫn tới sinh đẻ...............................299
10.5. Nuôi trẻ bầng sữa mẹ là đặc trưng khác biệt của động vật có v ú ..................300
10.6. Sự phất triển sau sinh ờ người.................................................................................. 301
Tóm tắt chương 10: Sự phát triển của người.................................................................. 302
Câu hòi chương 10................................................................................................................ 302 P h ẩ n ba
SINH HỌC PHÁT TRIỂN CÁ THỂ THỰC VẬT
NHẬP M ÔN P H Ầ N SIN H H Ọ C P H Á T T R IẺ N c á t h ể t h ụ c v ậ t ............... 303
C h ư o n g 11. P h á t triể n s in h d ư d n g ........................................................................................ 303
11.1. Phát triển cùa phôi thực v ậ t.....................................................................................303
11.2. H ạ t................................ ................................................................................................. 312
11.3. Q u ả .................................................................................................................................313
11.4. Nảy m ầ m ......................................................................................................................316
Tóm tắt chương 11: Phát triển sinh dưỡng.................................................................... 319
Câu hói chương 11............................................................................................................... 320
C h ư ơ n g 12. P h á t triể n c ơ th ể (h ìn h th ái) th ự c v ậ t ......................................................... 321
12.1. Tổng quan về tổ chức cùa cơ thể thực vật.............................................................321
12.2. Các mô thực vật..........................................................................................................326
12.3. Rễ: cấu trúc móc neo và hấp th ụ ........................................................................... 335
12.4. Thân: giá đỡ cho các cơ quan trẽn và dưới mặt đ ất...........................................341
12.5. Lá: cơ quan quang hợp.............................................................................................347
Tóm lắt chương 12: Phát triển cơ thể (hình thái) thực vật................................................. 354
Câu hỏi chương 12................................................................................................................355 7
C h ư ơ n g 13. P h á t triể n s in h s ả n ỏ th ự c v ậ t .......................................................................356
13.1. Sự chuyển đổi pha.........................................................................................................356
13.2. Sự tạo h o a ........................................................................................................................361
13.3. Thụ phấn và thụ tin h .................................................................................................... 372
13.4. Sinh sản vồ t ín h ............................................................................................................ 379
13.5. Quãng đời thực v ậ t ...................................................................................................... 382
Tóm tắt chương 13: Phát triển sinh s ả n .......................................................................... 384
Câu hỏi chương 13...................................................................................................................386
T à i liệu tham k h á o ..................................................................................................................... 387 8
NHẬP MÔN CỦA SINH HỌC PHÁT TRIEN
Phát triển có thể được xác định như là quá trình của những biến đổi có hệ thống, được
di truyền điều phối, qua đó cơ thê chịu hàng loạt các biến đổi tiến triển, hình thành nên các
giai đoạn kế tiếp (hình 1.1) vốn đạc trưng chu trình sống cùa cá thể (W . K . Purves et al.,
2003, Peter H. Raven et al., 2010). Các giai đoạn phát triển sớm của cơ thể thực vật hoặc
động vật được gọi là phôi. Đ ôi khi phôi nằm bên trong một cấu trúc bảo vệ như vỏ hạt,
hoặc vỏ trứng, hoặc tử cung. Phôi không quang hợp hoặc không được cung cấp dinh dưỡng
chủ động; thay vào đó, nó tiếp nhận thức ăn trực tiếp từ cơ thê mẹ hoặc gián tiếp (bàng dinh
dưỡng dự trữ trong hạt hoặc trong trứng). Nhiều giai đoạn phôi có thể xảy ra trước khi sinh
ra ccr thể mới, độc lập. Hầu hết các cơ thể tiếp tục phát triển suốt cả cuộc đời; phát triển chỉ
dừng lại khi cơ thể chết. 2 tê bào Phôi giai đoạn Phôi giai đoạn Phôi bên 8 tế bào quả tim trong hạt (Giai đoạn ngư lôi) Cây trưởng thành
Các giai đoạn phát triển từ phôi đến trưởng thành của cơ thè thực vật và động vật. Sinh trưởng, phán
hoá và phát sinh hinh thái là toàn bộ các phẩn của quá trinh phức tạp của sự phát triển.
(Theo w. K. Purves et ai, 2003).
Phát triển bao gồm sinh trướng, phân hoá và phát sinh hình thái. Ba quá trình đó chịu
Irách nhiệm đối với các biến đổi phát triển mà mỗi cơ thể trải qua trong chu trình sống cùa nó.
Sinh trưởng (gia tăng kích thước) diên ra thông qua quá trình p h â n bào và g iã n bào.
Trong mọi sinh vật đa bào, sự phân bào lặp lại lạo nên cơ thể đa bào. Ớ thực vật, sinh
trướng giãn dài bắt đầu vào một thời gian ngắn sau các làn phán bào đầu tiên của trứng đã 9
được thụ tinh. Ớ động vật, ngược lại, sự giãn bào thường bắt đầu chậm hơn. Phôi động vật
có thể gồm hàng nghìn tế bào trước khi nó trở nên lớn hơn so với trứng nguyên khởi đã
được thụ tinh. Sinh trường tiếp tục trong suốt đời sống cá thể trong một số loài, nhưng trong
một số loài khác, sinh trưởng đạt đến một điểm cuối tương đối ổn định.
Phán hoá là tạo ra các tế bào chuyên hoá; điều đó có nghĩa là phân hoá xác định cấu
trúc và chức năng chuyên biệt của tế bào, phân hoá thuộc phạm trù phát triển. Nguyên phân
sàn sinh ra nhân mới vốn y hột về mặt di truyền và nhiễm sắc thổ đối với nhân từ đó nó
được hình thành. Tu y nhiên có thể thấy rõ rằng, các tế bào của cơ thể đa bào không hoàn
toàn giống nhau về cấu trúc và chức năng. Sự thiếu nhất quán rõ rệt như vậy là kết quả từ
quá trình điều hoà biểu hiện các phần khác nhau của bộ gen (genome). K h i phôi bao gồm
chỉ sô ít các tế bào, mỗi tế bào có tiềm năng phát triển theo nhiều con đường khác nhau.
Tuy nhiên, vì phát triển diễn tiến, những khả năng sẵn có đối với các tế bào riêng biệt bị thu
hẹp dần đến khi số phận của tế bào được xác định hoàn toàn và tế bào đã được phân hoá.
Phát sinh hình thái (Morphogenesis) có nghĩa là sự "tạo hình dạng". Đ ó là hình dạng
cúa cơ thê đa bào và các cơ quan với các đặc điểm giải phẫu của chúng. Phát sinh hình thái
là kết quá từ sự tạo hìn h m ẩu (pattern formation), là sự tổ chức của các mô khác biệt đã
phân hoá thành các cấu trúc chuyên biệt; trong sự tạo hình mẫu, các tế bào trong phôi đang
phát triển phải định hướng đối với sơ đồ thiết kế thân của cơ thể mà phôi sẽ trở thành. Sự
tạo hình mẫu liên quan với khả nãng của các tế bào phôi khám phá ra thông tin vị trí.
Thông tin đó chỉ dẫn các tế bào đạt đến số phận cuối cùng. Trong sự phát triển của thực vật,
tế bào bị giối hạn bời vách tế bào và khỏng di chuyển quanh thân thể, do vậy, sự phân chia
tế bào và sự giãn tế bào được thực hiện một cách có tổ chức là những quá trình chủ yếu tạo
nên cơ thể cùa cây. Trong động vật, sự vận dộng của tế bào là rất quan Irọng trong phát
sinh hình thái. Ở cả thực vật và động vật, sự chết được chương trình hoá cùa tế bào là thiết
yếu đối với sự phát triển có trật tự. Tương tự như sạ phân hoá, phất sinh hình thái có kết quả
cuối cùng là từ sự hoạt động được điều hoà cùa các gen và các sản phẩm cùa chúng, cũng
như từ sự tương tấc của các tín hiệu ngoại bào và sự truyền tín hiệu của chúng vào các tế bào đích. 10 P h ầ n m ộ t
NHỮNG Cơ SỞ CHUNG CỦA SINH HỌC PHÁT TRIỂN C h ư ơ n g 1
C ơ SỞ PHÂN TỬ TRONG SINH HỌC PHÁT TRIEN
Thay cho phần nhập chương, chúng ta xem
bằng cách nào chất độc, trong trường hợp cụ thê’
là rixin, giết chết tế bào. Điều đó liên quan đến
nội dung biểu hiện gen cùa chương. Rixin, một
chất độc từ hạt cây thầu dẩu (Ricimts communis).
Độc tố là một protein không có trong tinh dầu
thầu dẩu vốn đã được sử dụng hàng thế kỷ như
là nguồn dược liệu để tẩy rửa đường tiêu hoá và
hiện nay tinh dầu này được sử dụng trong công
nghiệp chất dẻo. Rixin giết chết tế bào bằng
cách phong toả quá trình tổng hợp protein. Một
cách đặc hiệu hơn, nó xúc tác sự biến đổi và sự
phân cắt của một trong các phân tử A R N lớn
vốn cấu thành ribosom (bào quan tổng hợp
Hình 1.1. Cây thầu dẩu
protein) trong cơ thể có nhân (eukaryote). Các
(R icin u s com m unis). Hạt cùa nó chứa phân
protein là biểu hiện kiểu hình của kiểu gen -
tử rixin, một chất độc gây chết tế bảo bằng cách
thông tin di truyền được mã hoá trong A D N
ức chế sự tổng hợp protein tại ribosom.
của tế bào. R ix in ức chế khả năng của tế bào
biểu hiện kiểu gen thành kiểu hình thông qua sự tổng hợp protein, do vậy tế bào bị nhiễm độc
rixin không thể sống được (Perves w . K . et al„ 2008).
Trong mục tiếp theo sau đây, chúng ta sẽ xem xét cơ chế mà theo đó các gen (từ A D N )
được biểu hiện thành các protein vốn làm xuất hiện các chu trình trao đổi chất dẫn đến phát
sinh hình thái (phát sinh cá thể, phát triển cá thể).
1.1. S ự B IỂ U HIỆN G E N T Ừ ADN — P R O T E IN
Kiêu gen —* kiêu hình (Genotype —> phenotype)
Bây giờ chúng ta sẽ bắt đầu với chứng minh cho quan hệ giữa gen và protein và sau đó
sẽ cung cấp một số các chi tiết về quá trình phiên mã - sao chép trình iự gen của AD N
thành trình tự cùa A R N - và dịch mã - sử dụng trình tự của A R N để tạo polypeptit với trình
tự xác định của các axil amin. Cuối cùng, chúng ta sẽ xác định các đột biến và các kiểu
hình nong những giới hạn phân tử đặc trưng. 11
1.1.1. Một gen, một polypeptit
Có nhiều bước giữa kiểu gen và kiểu hình. Các gen không thể tự mình trực tiếp sản
sinh ra kết quả kiểu hình, v í như màu mắt riêng, hình dạng hạt riêng biệt hoặc rănh cằm,...
Bước có tính lịch sử đầu tiên trong các gen liên quan đến các kiểu hình đã xác định
kiểu hình trong các giới hạn phân tử. C ơ sờ phân tử của các kiểu hình thực tế đã được phát
hiện ra trước khi phát hiện ra A D N là nguyên liệu di truyền. Các nhà khoa học đã nghiên
cứu sự khác biệt hoá học giữa cá thê hoang dã và các alen đột biến trong các cơ thế như là
con người và mốc bánh mỳ. Họ phát hiện ra rằng, sự khác biệt kiểu hình là kết quả của sự
khác biệt trong các protein chuyên biệt.
Trong năm I940, George w . Beadle và Edward L . Tatum ở Trường Đại học Stanford
dã thấy ràng khi một gen đã biến đổi dẫn đến kết quả được thê hiện trong một kiểu hình
biến đổi và kiểu hình biến đổi luôn luôn liên kết với enzym biến dổi. Sự phát hiện ấy là cực
kỳ quan trọng trong việc xác định các ranh giới hoá học.
V ai trò của enzym trong hoá sinh đã dược mô tả vào thời gian này. Điều đó làm cho
Beadle và Tatum nảy ra ý tưởng rằng, sự biểu hiện của gen thành kiểu hình có thể xảy ra
thông qua enzym. Họ đã thực nghiệm với mốc bánh mỳ N eurospora crassa. Nhân trong
thân nấm đó là đơn bội («) vì đó là các bào tử sinh sản của nó. (Sự kiện ấy là quan trọng vì
điểu dó có nghĩa rằng, thậm chí alen đột biến lặn là dễ thăm dò trong thực nghiệm). Beadle
và Tatum đã nuôi cấy N eurospora trẻn mỏi trường dinh dưỡng tối thiểu chứa saccarose,
muối khoáng và vitamin, sử dụng môi trường ấy, các enzym của N eu rospora kiểu hoang dã
có thê xúc tác các phản ứng trao đổi chất cần để tạo nên tất cả các cấu tử hoá học cùa tế bào
của chúng, gồm cả các protein. Các chủng kiểu hoang dã ấy được gọi là các p rotolropli (vật ăn khới nguyên).
Beadle và Tatum đã xử lý Neurospora kiểu hoang dã bằng tia X có tác động như là chất
gây đột biến (mutagen). K h i họ khảo sát nấm mốc được chiếu xạ, họ thấy rằng một số các
chúng đột biến có thể sinh trưởng không được lâu trên môi trường tối thiểu, cẩn phải cung
cấp dinh dưỡng bổ sung. Các nhà khoa học đã giả thuyết rằng, các chủng khuyết dưỡng
(auxotrophs - "increased eaters") ấy đã phải trải qua các đột biến ở trong gen vốn đã mã hoá
đối với các enzym được sử dụng để tổng hợp các chất dinh dưỡng, bây giờ chúng cần được
thu nhặn từ mói trường. Đối với mỗi chủng khuyết dưỡng (auxotrophic train), Beadle và
Tatum đã phát hiện một hợp chất đơn mà khi được cho thêm vào môi trưcmg tối thiểu, chủng
nấm đó đã duy trì được sinh trưởng. Kết quả ấy giả thiết rằng, các đột biến đã có được các
hiệu ứng đơn và mỗi đột biến đã gây được khuyết tật chỉ trong một enzym trong một con
đường trao đổi chất được mô tả như là giả thuyết mộI gen, m ột enzym (hình 1.2).
V í dụ, một nhóm các chủng khuyết dưỡng (auxotrophs) chỉ có thể sinh trưởng nếu môi
trường tối thiểu dược phụ thêm axit amin arginin. (Kiểu hoang dã N enrospora tự nó tạo
được arginin). Các chúng đột biến ấy được ký hiệu là các thể đột biến arg. Beadle và Tatum
đã phát hiện dược một vài chủng đột biến arg khác biệt. Họ đã giả định hai giả thuyết chọn
thay thế để giải thích vì sao các chủng di truyền khác biệt như thế lại có cùng kiểu hình:
1) Các thế đột biến a rg khác biệt có thể đã có những đột biến trong cliinh gen đó, như
trong trường hợp các alen màu mắt của ruổi giấm (D rosophila). Trong trường hợp đó, gen
có the mã hoá dối với một enzym liên quan trong lổng hợp arginin.
2) Các thê dột biến arg có thể có các dột biến Irong các gen khác biệt, mỗi một mã hoá 12
đối với các chức năng tách biệt vốn dẫn đến sự hình thành arginin. Các chức năng không
phụ thuộc ấy có thể phải là các enzym khác nhau theo cùng con đường hoấ sinh.
Một số các chúng thể đột biến rơi vào một trong hai loại. Sự bắt chéo di truyền chỉ ra
ràng, một số các đột biến là ở cùng locus (ổ gen) và do vậy là các alen khác nhau của cùng
gen. Các dột biến khác là ở các quần cư (loci) tương ứng khác nhau, hoặc trẽn các nhiêm
sắc thể khác nhau, do vậy đã không phải alen của cùng gen. Beadle và Tatum kết luận rằng,
những gen khác biệt ấy tham gia vào sự điểu phối con đường tổng hợp đơn, trong trường
hợp này là con đường dẫn đến tổng hợp arginin (xem kết luận trong hình 1.2). T hự c nghiệm
Cảu hỏi: Quan h ệ giữa cá c gen và cá c enzym trong con dưòrtg hoá sin h là g ì? Phương pháp
Cho các bào tử cùa mỗi chủng đột biên lèn mõi
Các chất bổ sung vào môi trường tối thiểu
trường tối thiểu (mm) không có chất bổ sung;
mm + arginin; mm + xitrulin và mm+ ornithin.
ẲTất cả các chủng đột biến
sinh trường nếu bổ sung axit amin arginin (các r Ị g t n d l l i » 1 ^ chủng dã chọn vi chúng K ết quả cẩn arginin).
Kiểu hoang dã sinh trường trẻn
mọi môi trường: vi nó có the tổng ỉ
hợp được arginin của nó.
Chùng dột biến 1 chi sinh trưởng
trên arginin, nó không có thể biến — — —
đổi hoặc xitrulin hoăc ornitin thành arginin. * i ! i i I 1
Chủng đột biến 2 sinh trường
hoặc arginin hoặc xitrulin, nó có h— — — —
thể biến đổi xitrulin ttìành arginin,
nhưng không thể chuyển đổi ornitin. I ĩ *'7 I 8 v
Chủng dột biến 3 sinh trưòng khi
môt trong ba thành phần phụ đuạc
bổ sung. Nó có thể biến ornitin
thành xitrulin và xitrulin thành arginin. I !v_ y 1 XS' G iả i thích
Nếu cơ thể không chuyển hoá một
Chủng 3 bị Chủng 2 bị Chủng 1 bị
hợp chất rièng thành một chất khác, chặn tại chặn tại chặn tại
nó có lẽ thiếu enzym cán cho sự bước này bước này bước này
chuyển hoả và sự đột biến trong gen
vỏn ghi mã đỏi với enzym dó. Tiền chất
Omllhli.* @ E EE > n iiu U in . 1 1 t Gen A Gen B Gen c
Kết luận: S ự tổng hợp arginin xảy ra như thế. Mồi gen chuyên biệt một enzym riêng.
Hinh 1.2. Một gen, một enzym
Beadle và Tatum đã nghiên cứu một số các đột biến arg của Neurospora. Các chủng đột biến arg khác nhau
đòi hỏi phải bổ sung các hợp chất khác nhau để tổng hợp arginin cẩn cho sinh trưởng của chúng.
Đảy là hình minh hoạ giả thuyết "một gen, một enzym" (Theo W.K. Purves et al., 2008). 13
Do các thể đột biến sinh trưởng trong sự hiện hữu của các hợp chất khác nhau, đã có sự
nghi ngờ rầng, chúng là các hợp chất trung gian trong con đường trao đổi chất tổng hợp đối
với arginin. Beadle và Tatum đã phân loại mỗi đột biến như là ảnh hưởng một enzym, hoặc
enzym khác và điều phối các hợp chất dọc theo con đường. Sau đó họ kiểm tra hoạt tính
enzym của các tế bào chủng đột biến và kiểu hoang dã. Kết quả đã khẳng định giả thuyết của
họ: mỗi một chủng đột biến thật sự mất enzym hoạt tính đơn trong con đường (trao đổi chất).
Theo Purves et al., 2008, sự liên kết gen - enzym đã được đề xuất từ lâu, trong năm
1908, bác sĩ nội khoa Scotlen Archibald Garrod, người đã nghiên cứu bệnh di truyền cùa
người alcapton - niệu (alkaptonuria). Ông gắn kiểu hình hoá sinh của bệnh vào một gen dị
thường và enzym mất. Ngày nay, chúng ta đã biết được hàng trăm v í dụ về bệnh di truyền như vậy.
Khái niệm về quan hệ gen - enzym đã trải qua một số các biến đổi dưới ánh sáng của
kiến thức về sinh học phân tử. Nhiều enzym được cấu thành từ nhiều hơn một chuỗi
polypeptit hoậc đơn phân (tức là chúng có cấu trúê bậc bốn). Trong trường hợp này, mỗi
chuỗi polypeptit là được chuyên biệt bởi gen tách biệt chính nó. Như vậy, một cách chính
xấc hơn cần nói: quan hệ một gen, một polypeptit; chức năng của gen là điều phối sự sản
xuất ra polypeptit đơn, chuyên biệt.
Vẻ sau, đã phát hiện được rằng, một sô' gen mã hoá các dạng A R N vốn không thể được
dịch thành polypeptit và rằng còn những gen khác đã liên quan trong việc điều phối các
trình tự A D N nào khác được biểu hiện. Trong khi dó, các phát minh mới đã thay thế ý
tưởng rằng, tất cả các gen mã hoá protein, chúng không làm mất quan hệ giữa gen và
polypeptit. Nhưng quan hệ ấy hoạt động bằng cách nào - có nghĩa là bằng cách nào thông
tin được mã hoá trong A D N được sử dụng để chuyên hoá polypeptit riẽng biệt?
1.1.2. ADN, ARN và dòng thõng tin
Sự biểu hiện của gen để hình thành polypeptit diễn ra trong hai bước lớn:
1) Phiên mã: sao chép (copy) thông tin của trình tự A D N (gen) thành thông tin tương
ứng trong trình tự A R N .
2) Dịch mã: chuyển trình tự A R N đó thành trình tự các axit amin của polypeptit.
a) A R N k h á c v ớ i A D N
A R N là chìa khoá trung gian giữa A D N và polypeptit. A R N (axit nucleic) là polynucleotit
tương tự đối với A D N (hình 1.3), nhưng khác với A D N trong ba cách:
- Nhìn chung A R N gồm chỉ có một sợi polynucleotit.
- Phân tử đường được phát hiẽn trong
A R N là ribose, thay cho deoxyribose được tìm thấy trong A D N . -
Ba trong số các bazơ nitơ (adenin,
guanin và xytoxin) trong A R N là tương tự với
các bazơ trong A D N , bazơ thứ tư trong A R N là H H
uraxin (U), vốn là giống với thymin nhưng Thym in U raxịn
thiếu nhóm metyl ( - C H 3). 14
A R N có thể cặp đòi bazơ với sợi đơn A D N . Sự cặp đôi ấy tuân theo đúng các quy tắc
cặp đôi như trong A D N , ngoại trừ adenin cặp đôi với uraxin thay thế cho thymin. Sợi đơn
A R N có thể gấp cuộn thành các hình dạng phức tạp bằng cách cặp đôi bazơ bên trong. b)
T h òn g tin truyền theo m ột hướng khi các gen được biểu hiện
Chẳng bao lâu sau, Watson đã đề nghị cấu trúc ba chiều đối với A D N , Francis Crick đã
cân nhắc vấn đề bằng cách nào AD N quan hệ chức năng đối với protein. Điều đó dẫn ông
đến giả định điều mà được óng gọi là giáo lý trung tâm của sinh học phân tử. Giáo lý
trung tâm được phát biểu một cách đơn giản rằng, A D N ghi mã để sinh ra A R N , A R N ghi
mã để sinh ra protein và protein không ghi mã cho sự sản sinh protein, A R N hoặc AD N
(hình 1.4). Trong các phát biểu của Crick "một khi 'thông tin' đã chuyển thành protein, nó
không thể lộ ra một lẩn nữa". ARN ( sợi dơn) ADN (sợi kép) Thứ tự cacbon
Trong ARN, các base được gắn vào ribose.
Trong ADN, các bazơ được gắn vào deoxyribose.
Các bazơ là các purin adenin (A), guanin
Bazơ thymin (T) được phát hiện thay cho uraxin.
(G) và các pyrimidin xytosin (X), uraxin (U).
C ác liên kết hydro giữa các purin và cảc pyrimidin nối hai sợi ADN lại với nhau.
H ình 1.3. Những dặc trưng khác biệt giữa ADN và ARN
ARN thường là một sợi đơn. ADN thường gổm hai sợi chạy theo các hướng ngược nhau.
Giáo lý trung tâm nêu ra hai câu hỏi:
* Bằng cách nào Ihông tin di truyền được chuyển từ nhân vào tế bào chất? (như đã biết
hầu hết A D N của tế bào có nhân (eukaryote) được giữ ở trong nhân, nhưng các protein
được tổng hợp trong tế bào chất).
* Quan hệ giữa các nucleotit đặc hiệu trong A D N và trình tự axit amin đặc hiệu trong protein là gì? 15
Thông tin được mă hoá trong trình tự của
Thông tin trong ARN đã được truyền đến
các căp bazơ trong ADN đã được truyền
các protein. Thông tin đó chảng bao giờ đến các phân tử ARN
truyển từ protein đến axit nucleic.
Hình 1.4. Giáo lý trung tàm. Dòng thông tin từ ADN đến ARN
đến protein như được chỉ ra trên hỉnh
Để trả lời các câu hỏi đó, C rick để nghị hai giả thuyết:
G iá thuyết truyền tin và phicn
mã: Để trả lời câu hỏi thứ nhất,
Crick và các cộng sự của ông đã đề
nghị giá tlniyết truyền tin. Các ông
đã giá định rầng, phán tứ A R N tạo
bán sao bổ sung của một sợi A D N
của gen riêng biệt. Quá trình mà
theo đó hình thành nên A R N như thế
dược gọi là phiên m ã (hình 1.5).
A R N truyền tin hoặc m A R N , sau
đó di chuyển từ nhân vào tế bào
IDịch mã (Tổng hợp protein) (xem hình 1.10, 1.11, 1.12, 1.13, 1.14).
chất, nơi nó phục vụ như là khuôn
cho sự tổng hợp protein. G iả thuyết
Crick đã được thử lặp lại đối với các
gen vốn mã hoá protein và câu trả
lời luôn luôn là như vậy: Mỗi trình
tự gen trong A D N mã hoá ctio một
protein được biểu hiện như là một
trình tự trong m A R N .
G iá thuyết tiếp hợp và dịch
mả: Để trả lòi cho câu hỏi thứ
Hình 1.5. Từ gen đến protein
hai C r ic k đề n g h i g iá tliu y ế t tiế p
Hinh này tóm lược các quá trình của sự biểu hiện gen trong tế * _ * , .
báo íiển nhàn (prokaryote).
Trong tế bao có nhan (eukaryote),
hợp: ơ đo cân co phãn tư tiêp hợp
quà (rinh có phẩn phức tạp hơn (hình 1.29).
vốn có Ihể gấn axit amin đặc hiệu
tại một vùng và nhận biết trình tự của các nucleotit tại vùng khác. Sau này, các chất tiếp hợp
ấy đã được định rõ và được gọi là A R N vận chuyển hoặc tA RN . V ì chúng nhân ra thông tin
di truyền của m A R N và đổng thời mang axit amin đạc hiệu, tA R N có thê dịch ngôn ngữ cùa
AD N thành ngôn ngữ cùa các protein. Chất tiếp hợp tA R N xếp hàng nôi đuôi nhau trên
m ARN , do vậy các axit amin là ờ vào trình tự đúng đối với chuỗi polypeptit đang lớn một
quá trình gọi là dịch mã (hình 1.5). Một khi lặp lại, cấc quan sát thực tế về sự biểu hiện của
hàng nghìn gen đã khẳng định già thuyết rằng, tA RN hoạt động như là chất trung gian giữa
thông tin của trình tự nucleotit trong m A R N và trình (ự axit amin trong protein.
Tóm lược những đặc điểm chủ yếu cùa giáo lý trung tâm, g ià thuyết truyền till và giả 16
thuyết tiếp hợp, chúng ta có thê nói rằng, gen đã cho đã được phiên mã để sinh ra A R N
truyền tin (m ARN ) bổ sung cho một trong các sợi A D N và rằng, các phân tử A R N vận
chuyển (tA RN ) dịch trình tự của các bazơ trong m A RN thành trình tự chính xác của các
axil amin dược liên kết trong quá trình tổng hợp protein.
A R N virut bién dổi Ị>iáo lý trung tâm:
Một số virut xác định là các ngoại lệ hiếm hoi đối với lý thuyết trung tâm. Virul là các
tiểu phẩn lây nhiễm vốn sinh sản bên trong các tế bào. Nhiều virut như virut khảm thuốc lá,
virut bệnh cúm (influenza) và virut gây bệnh bại liệt (poliovirus) có A R N thay cho AD N
như là vật chất di truyền. Với trình tự nucleotit của nó, có thể có tiềm năng hoạt động như
là một chất mang thông tin và có thể được biểu hiện thành protein. Nhưng vì A R N thưòng
là sợi đơn, sự lái bán cùa nó là một vấn đề. Nói chung, các virut giải quyết vấn đề đó bới sự
phiên mã từ A R N đến A R N , tạo nên một sợi A R N , điều đó có nghĩa là bổ sung cho bộ gen
(genome) của chúng. Sau đó, sợi đối nghịch như thế được dùng để tạo các đa bản sao của
bộ gen (genome) virut bòi sự phiên mã:
Virut gây thiếu hụt miễn dịch ờ người (H IV ) và một số virut u bướu hiếm nhất định
cũng có A R N là bộ gen (genome) của chúng, nhưng không tái bản nó như A R N thành
A R N . Sau khi gây nhiễm tế bào chủ, chúng thực hiện bản sao A D N bộ gen của chúng và
dùng nó tạo nhiểu hơn A R N . Sau đó A R N ấy được dùng như là các bộ gen để sao chép
nhiều hơn của virut và nhu là m A R N để sản ra các protein virut. ADN ARN Protein
Sự tổng hợp A D N từ A R N được gọi là phiên m ã ngược và không ngạc nhiên, những
virut như thế được gọi là retrovirus (virut retro).
1.1.3. Phiên mã: ADN điểu khiển sự tổng hợp ARN
Mặc dầu các virut A R N đặt ra sự biến đổi của lý thuyết trung tâm, sự Ihực vẫn là như
vậy trong các tế bào tiền nhân (prokaryote) và có nhân (eukaryote), sự tổng hợp A R N được
điều khiển bởi A D N . Sự phiên mã - hình thành A R N đặc hiệu từ A D N đặc hiệu - đòi hỏi
một số thành phẩn:
1) Khung A D N đối với cập đôi bazơ bổ sung.
2) Các triphosphat ribonucleotit thích hợp (ATP, G TP, X T P và UTP) để hoạt động như là các cơ chất.
3) Enzym, A R N polymerase.
Bẽn trong mỗi gen, chỉ có một trong hai sợi A D N là sợi khuôn được phiên mã. Sợi khác,
sợi A D N bổ sung, được ám chỉ như là sợi khõng làm khuôn, không được phiên mã. Đối với các
gen khác nhau trong cùng phân tử A D N , các sợi khác biệt có thể được phiên mã. Có nghĩa là
sợi vốn là không làm khuôn trong mội gen có thể trớ thành sợi khuôn trong gen khác.
Không chỉ m A R N được sinh ra bởi phiên mã. Quá trình như thế chịu trách nhiệm đối
với sự tống hợp lA R N (A R N vận chuyên) và rA R N (A R N ribosom), vai trò quan trọng của
các A R N này sẽ được mô là bèn dưới. Tương tư với các Dolypeptit, các A R N ấy được mã
hoá bới các gen đặc hiệu. 2-GTSNHHOCPT 17
Trong sự tái bản A D N , như đã biết, hai sợi của phân từ mẹ tháo xoắn và mỗi sợi phục
vụ như là khuôn đúc sợi mới. Trong phiên mã, A D N tháo xoắn từng phần, do vậy nó cộ thể
phục vụ như là khuôn cho sự tổng hợp A R N . V ì A R N phiên mã (tiền A R N , A R N sơ khai)
đã được hình thành và tách ra, cho phép A D N được tái xoắn thành xoắn kép (double helix) như trên hình 1.6.
Trên hình 1.6, phiên mã có thể phân biệt thành ba quá trình: khởi đẩu, kéo dài và kết
thúc. Bây giờ chúng ta nghiên cứu lẩn lượt mỗi quá trình trong chúng.
A R N p o lym e rase gắn vào
gen Khởi đẩu và bắt đẩu
th áo xo ắn c á c sợ i ADN. ARN polỵmera^e
✓ N ơi k h ở i dầu Sợi bổ sung. Tái xoắn S ạ i khuôn / Tháo xoắn ADN
ARN polym erase đọc sợi khuôn ADN từ 3’ dến 5' và G en khỏi dấu
sinh ra ARN sơ khai bởi thèm c á c nucleotit vào đáu 3'
Khi A R N polym erase đạt đến
nơi kết thúc, sợi ARN phién mã Kết thúc
Hỉnh 1.6. ADN được phiên thành ARN
ADN thảo xoắn từng phần để làm khuôn cho tổng hợp ARN. ARN phiên mã (tiền ARN, ARN sơ khai) được
hinh thành và sau đó tách ra khỏi khuôn, cho phép ADN đã được phiên mã tái xoắn thành xoắn kép. Ba quá
trinh khác biệt: khởi đấu, kéo dài và kết thúc - lạo nên sự phiên mã ADN. ARN polymerase thực ra phải lớn
hơn so với ỏ trèn hinh, che phủ khoảng 50 cặp bazơ (Theo w. K. Purves et al., 2008). 18
