325 17.1. Gen xác định protein qua phiên m và dịch m
17.2. Phiên m là quá trình tổng hợp ARN do ADN
điểu khiển: Quan sát gần hơn
17.3. Các tế bào sinh vật nhân thật cải biến ARN sau
phiên m
17.4. Dịch m là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit
do ARN điều khiển: Quan sát gần hơn
17.5. Các đột biến điểm có thể ảnh hởng đến cấu
trúc và chức năng protein
17.6. Mặc dù sự biểu hiện gen ở các liên giới sinh vật là
khác nhau, nhng khái niệm gen là thống nhất ào năm 2006, hình ảnh một con hơu con bị bạch tạng
đang nô đùa giữa đàn hơu nâu ở vùng núi miền đông
nớc Đức đã gây nên một làn sóng phản ứng khác nhau
trong cộng đồng (Hình 17.1). Một tổ chức săn bắn động vật ở
địa phơng cho rằng: con hơu bạch tạng mắc bệnh di truyền
và cần giết bỏ. Một số ngời khác thì cho rằng con hơu đó cần
đợc bảo vệ bằng cách cho lai với những con hơu khác để bảo
vệ vốn gen của quần thể. Trong khi, những ngời khác thì ủng
hộ quan điểm cần chuyển con hơu đó vào vờn quốc gia để
bảo vệ, vì trong môi trờng sống hoang dại, con hơu này dễ bị
các loài động vật ăn thịt phát hiện. Một siêu sao nhạc rốc ngời
Đức thậm chí đã tổ chức một buổi biểu diễn quyên góp tiền để

hởng đến các cơ thể sinh vật thông qua các protein của chúng.
Sự biểu hiện của các gen diễn ra thông qua các quá trình tơng
đối giống nhau ở cả ba liên giới sinh vật là sinh vật nhân sơ
(prokaryote), sinh vật nhân thật (eukaryote) và vi khuẩn cực
đoan (archea). Những hiểu biết về những quá trình này sẽ cho
phép chúng ta nhìn lại về khái niệm gen một cách thấu đáo hơn
ở phần cuối của chơng này.
Trớc khi tìm hiểu chi tiết bằng cách nào các gen có thể điều
khiển sự tổng hợp protein, chúng ta hãy quay ngợc bánh xe
lịch sử để xem gen và protein đợc phát hiện nh thế nào.
Bằng chứng từ các nghiên cứu về sai
hỏng chuyển hóa
Vào năm 1909, bác sĩ ngời Anh Archibald Garrod là ngời
đầu tiên cho rằng các gen qui định kiểu hình thông qua các
V
Các khái niệm chính

Tổng quan

Dòng thông tin di truyền
Hình 17.1 Tại sao một gen sai hỏng duy nhất có thể
dẫn đến kiểu hình khác biệt rõ rệt ở hơu bạch tạng?

Từ Gen
đến Protein

1
7
.1


là sự tổng hợp các sắc tố quy định màu mắt ở ruồi Drosophila
(xem Hình 15.3). Vào khoảng những năm 1930, George Beadle
và Boris Ephrussi dự đoán rằng ở ruồi Drosophila, mỗi một thể
đột biến màu mắt đều có quá trình tổng hợp sắc tố bị ức chế tại
một bớc đặc thù nào đó, do thiếu sự tổng hợp enzym xúc tác
bớc phản ứng đó. Tuy vậy, vào thời điểm đó không có phản
ứng nào cũng nh enzym có liên quan đến sự tổng hợp sắc tố
qui định màu mắt ở ruồi giấm đợc biết đến.
Các thể đột biến khuyết dỡng ở
Neurospora: Điều tra khoa học
Một bớc ngoặt trong việc làm sáng tỏ mối quan hệ giữa gen và
enzym đến sau đó vài năm khi Beadle và Edward Tatum nghiên
cứu ở nấm men Neurospora crassa. Trên cơ sở các phơng
pháp gây tạo đột biến đợc tìm ra từ những năm 1920, các nhà
khoa học đã dùng tia X bắn phá các chủng Neurospora để
tạo nên các chủng đột biến có nhu cầu dinh dỡng khác so với
kiểu dại. Các chủng nấm men Neurospora kiểu dại có nhu cầu
dinh dỡng đơn giản. Chúng có thể dễ dàng sống trong môi
trờng thạch (agar) đợc bổ sung một số muối vô cơ, đờng
glucose và vitamin biotin. Từ môi trờng tối thiểu này, các tế
bào nấm men có thể dùng các con đờng chuyển hóa của chúng
để tạo nên tất cả các phân tử cần cho sự sinh trởng và phát
triển của mình. Beadle và Tatum đã xác định đợc nhiều chủng
đột biến không có khả năng sống trên môi trờng tối thiểu do
nguyên nhân mất khả năng tổng hợp một hợp chất thiết yếu nào
đó. Những chủng đột biến nh vậy đợc gọi là đột biến khuyết
dỡng. Để có thể nuôi các chủng đột biến này, Beadle và
Tatum phải nuôi chúng trong môi trờng đủ, gồm các thành
phần của môi trờng tối thiểu, ngoài ra bổ sung thêm 20 loại
axit amin và một số chất dinh dỡng khác nữa. Trong môi

tiếp tục đợc củng cố khi ngày càng có nhiều thể đột biến đợc
xác định thiếu một enzym đặc thù nào đó so với các dạng kiểu
dại. Năm 1958, Beadle và Tatum đợc trao giải thởng Nobel
về phát hiện của họ cho thấy các gen điều khiển các sự kiện
hóa học xác định (Trích nguyên văn từ ủy ban Nobel).
Sản phẩm biểu hiện của gen: Câu
chuyện tiếp tục phát triển
Khi các nhà nghiên cứu ngày càng hiểu rõ hơn về protein, họ
bắt đầu xem lại giả thiết một gen - một enzym. Trớc hết,
không phải mọi protein đều là enzym. Ví dụ nh, keratin là một
protein cấu trúc có trong thành phần lông, tóc ở động vật; hay
nh insulin là một protein có chức năng điều hòa (hoocmôn),
đều là các protein nhng không phải là enzym. Do có nhiều
protein không phải là enzym nhng vẫn là các sản phẩm của
gen, nên các nhà sinh học phân tử bắt đầu nghĩ về khái niệm
một gen - một protein. Tuy vậy, rất nhiều protein đợc cấu tạo
nên từ hai hay nhiều chuỗi polypeptit khác nhau, mà mỗi chuỗi
polypeptit lại đợc mã hóa bởi một gen riêng. Ví dụ nh,
protein vận chuyển ôxy trong máu của động vật có xơng sống
là hemoglobin đợc cấu tạo nên từ hai loại polypeptit đợc mã
hóa tơng ứng bởi hai gen khác nhau (xem Hình 5.21). Vì vậy,
ý tởng của Beadle và Tatum đã đợc phát biểu lại là Giả thiết
một gen - một chuỗi polypeptit. Mặc dù vậy, khái niệm này
cũng không hoàn toàn chính xác. Thứ nhất, nhiều gen ở sinh
vật nhân thật có thể đồng thời mã hóa cho nhiều chuỗi
polypeptit khác nhau nhng có quan hệ với nhau thông qua
cách hoàn thiện các sản phẩm phiên mã và dịch mã khác nhau
mà chúng ta sẽ đề cập đến ở phần sau của chơng này. Thứ hai,
một số gen mã hóa cho các phân tử ARN có chức năng quan
trọng trong tế bào, mặc dù chúng không bao giờ đợc dịch mã

những kết luận gì về con đờng chuyển hóa và những sải hỏng ở các thể đột biến thuộc nhóm I và II?

Hình 1
7
.
2

Nghiên cứu phát hiện

Thí nghiệm

Kết quả

Kết luận

Nguồn

Nếu thì sao ?

Khi nghiên cứu ở
Neurospora crassa
, George Beadle và Edward
Tatum
tại Đại học Stanford đã phân lập đợc các thể đột biến cần bổ sung
arginine vào môi trờng sinh trởng của chúng. Các nhà nghiên cứu thấy rằng
các thể đột biến này chia làm ba nhóm, mỗi
nhóm bị sai hỏng một gen khác
nhau. Cân nhắc trên các dữ liệu thí nghiệm, họ dự đoán con đờng sinh tổng hợp
arginine liên quan đến một tiền chất trong môi trờng dinh dỡng và các phân tử
trung gian là ornithine và citruline. Thí nghiệm nổi tiếng nhất của

việc tế bào sản xuất một enzym. Kết quả
nghiên cứu này ủng hộ cho giả thiết một gen
-
một enzym của họ và đồng thời cũng xác
nhận con đờng chuyển hóa tổng hợp
arginine. (Chú ý trong phần Kết quả là các thể
đột biến chỉ sinh trởng đợc trong các môi
trờng bổ sung một hợp chất hình thành sau
bớc sai hỏng của quá trình chuyển hóa, vì
điều này mới có thể giúp khắc phục sai hỏng.)Sinh trởng:
Các tế bào
kiểu dại sinh
trởng và
phân chia
Không sinh trởng:

Các tế bào đột
biến không sinh
trởng và phân
chia
Môi trờng
tối thiểu

Các nhóm Neurospora crassa

Kiểu dại Nhóm đột biến I Nhóm đột biến II


Enzym C
Enzym B Enzym B
Enzym C Enzym C
Enzym A Enzym A
Gen
A

Gen
B

Gen
C

Kiểu dại
Nhóm đột biến I
(đột biến ở gen A)
Nhóm đột biến II
(đột biến ở gen B)
Nhóm đột biến III
(đột biến ở gen C)
328 khối kiến thức 3 Di truyền học

Các nguyên lý cơ bản của phiên m
và dịch m
Gen cung cấp bản hớng dẫn để tế bào tổng hợp nên các
protein đặc thù. Tuy vậy, gen không trực tiếp tạo nên protein.
Cầu nối giữa ADN và sự tổng hợp protein là axit nucleic ARN.
Từ Chơng 5, chúng ta đã biết ARN có cấu trúc hóa học giống
ADN, trừ hai đặc điểm: i) nó chứa đờng ribose thay cho đờng
deoxyribose, và ii) nó mang bazơ nitơ loại uracil chứ không

sao bảng điểm học tập của bạn; và cũng giống một bản phiên
mã, nó có thể đợc gửi đi dới dạng nhiều bản sao khác nhau.
Loại phân tử ARN nh vậy đợc gọi là ARN thông tin
(mARN) bởi vì nó mang thông điệp di truyền từ ADN tới bộ
máy tổng hợp protein của tế bào. (Phiên mã là thuật ngữ chung
cho quá trình tổng hợp mọi loại ARN trên cơ sở mạch khuôn
ADN. ở phần sau của chơng này, chúng ta sẽ đề cập đến các
loại ARN khác cũng đợc tạo ra từ phiên mã.)
Dịch mã là quá trình tổng hợp một chuỗi polypeptit diễn ra
dới sự chỉ dẫn của ARN. Trong giai đoạn này, có một sự
thay đổi ngôn ngữ: Tế bào phải phiên dịch trình tự các bazơ
của một phân tử mARN thành trình tự các axit amin của một
chuỗi polypeptit. Vị trí diễn ra sự dịch mã là các ribosome; đó
là phức hệ dạng hạt tạo điều kiện thuận lợi cho sự kết nối các
axit amin theo một trật tự nhất định để hình thành nên các
chuỗi polypeptit.
Phiên mã và dịch mã là các quá trình có ở mọi cơ thể sống.
Từ Chơng 1, chúng ta biết rằng sinh giới gồm ba liên giới: Vi
khuẩn (Bacteria), Vi khuẩn cực đoan (Archaea) và Sinh vật
nhân thật (Eukarya). Hai liên giới đầu đợc gọi chung là các
sinh vật nhân sơ (prokaryote) bởi vì tế bào của chúng không có
cấu trúc nhân đợc bao bọc bởi màng - vốn là đặc điểm rõ rệt
của các tế bào sinh vật nhân thật. Phần lớn các nghiên cứu về
phiên mã và dịch mã đến nay đợc thực hiện ở vi khuẩn và sinh
vật nhân thật; và vì vậy, đó cũng là những nội dung chính đợc
tập trung đề cập ở chơng này. Mặc dù những hiểu biết về
những quá trình này ở liên giới vi khuẩn cực đoan còn hạn chế,
nhng ở phần cuối chơng chúng ta cũng sẽ thảo luận về một
số khía cạnh của sự biểu hiện gen ở liên giới sinh vật này.
Các nguyên lý động học cơ bản của phiên mã và dịch mã là

tồn tại nh thế nào qua thời gian? Vào những năm 1970, các
nhà khoa học đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng một số
phân tử ARN có thể làm khuôn để tổng hợp ADN thông qua
một quá trình mà chúng ta sẽ đề cập đến ở Chơng 19. Tuy vậy,
cơ chế ngoại lệ này không hề phủ nhận khái niệm chung là
dòng thông tin di truyền chủ yếu đi từ ADN tới ARN rồi tới
protein. ở phần tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận về nội dung
bằng cách nào bản hớng dẫn cách lắp ráp các axit amin theo
một trật tự đặc thù trong chuỗi polypeptit đợc mã hóa trong
các axit nucleic.
M di truyền
Khi các nhà sinh học bắt đầu nghi ngờ rằng bản hớng dẫn
tổng hợp protein đợc ghi trong các phân tử ADN, họ nhận ra
một vấn đề: Chỉ có 4 loại bazơ trong các nucleotit để xác định
cho 20 loại axit amin. Do đó, mã di truyền không thể ở dạng
ngôn ngữ kiểu tợng hình nh Tiếng Trung quốc đợc, nghĩa là
mỗi ký tự tơng ứng với một từ riêng. Vậy, bao nhiêu bazơ
trong các nucleotit thì tơng ứng với một axit amin?
Chơng 17 Từ gen đến protein 329

Codon: Mã bộ ba của các bazơ
Nếu mỗi bazơ nucleotit đợc dịch mã thành một axit amin, thì
chỉ có nhiều nhất 4 axit amin đợc xác định. Thế còn nếu mã di
truyền là mã bộ hai thì sao? Chẳng hạn, trình tự hai bazơ AG
xác định một axit amin, còn trình tự bazơ GT xác định một axit
amin khác. Do ở mỗi vị trí, có 4 khả năng lựa chọn các bazơ
nucleotit khác nhau, nên chúng ta sẽ có tối đa 16 (tức là 4
2
) khả
năng tổ hợp; điều này cho thấy mã bộ hai không đủ để mã hóa

hình ảnh thu gọn ở trên, (a) và (b), phản ánh một số đặc điểm
của các quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra ở vi khu
ẩn và
sinh vật nhân thật đợc đề cập trong chơng này.
(a) Tế bào vi khuẩn.
Trong tế bào vi khuẩn, do thiếu
nhân, mARN đợc tạo ra từ phiên mã đợc dùng
ngay để dịch mã mà không cần biến đổi gì thêm.
ADN

Phiên mã
Màng
nhân
Hoàn thiện ARN

Dịch mã
Phiên mã
Dịch mã
mARN

Ribosome

Polypeptide

(b) Tế bào sinh vật nhân thật.
Nhân tạo thành không
gian tách biệt cho phiên mã. Bản phiên mã ARN
đầu tiên, gọi là tiền-
ARN, đợc biến đổi qua một số
bớc trớc khi rời nhân ở dạng mARN hoàn thiện.


Mạch
ADN
khuôn

Codon

Gen 2

Gen 3

Protein

Ph
iên mã

dịch

mã

Axit amin