Giáo trình

Di truyền học ADN Di truyền học
ADN, cơ sở phân tử của di truyền. Mỗi sợi ADN là một chuỗi
các nucleotide, liên kết với nhau ở chính giữa có dạng như những nấc thang trong một
chiếc thang xoắn.
Di truyền học là một bộ môn sinh học, nghiên cứu về tính di truyền và biến dị ở các sinh

protein, và điều này có thể tác động không nhỏ lên tế bào cũng như toàn bộ cơ thể sống.
Dù di truyền đóng một vai trò to lớn trong sự hình thành và hoạt động của sinh vật, thì sự
kết hợp giữa yếu tố di truyền và những gì sinh vật trải qua mới xác định được kết quả sau
cùng. Một ví dụ, trong khi gen có thể quy định nên
chiều cao của một người, thì dinh
dưỡng và sức khỏe của người đó trong thời niên thiếu cũng có ảnh hưởng không nhỏ.
Lịch sử

Gregor Mendel, "người cha của di truyền học".
Khoa học di truyền được khởi đầu với công trình ứng dụng và lý thuyết của Mendel từ
giữa thế kỷ 19, tuy nhiên trước đó vẫn tồn tại những quan điểm khác nhau về di truyền.
Từ thế kỷ V trước Công nguyên, Hippocrates và Aristotle đã lần lượt đưa ra những lý
thuyết của riêng mình, mà đã có ảnh hưởng không nhỏ đến các học thuyết khác sau đó.
Nếu Hippocrates cho rằng các vật liệu sinh sản ("humor") được thu thập từ tất cả các
phần của cơ thể và truyền cho thế hệ con, thì Aristotle lại phản bác lại ý kiến này, nêu ra
rằng sự sinh sản bắt nguồn từ chất dinh dưỡng, trên con đường đi tới các bộ phận cơ thể
thì bị chệch tới phần sinh sản, và bản chất các chất này vốn đã quy định cho cấu tạo các
phần cơ thể khác nhau. Ở thời kỳ Mendel sống, một thuyết phổ biến là quan niệm về di
truyền hòa hợp (blending): cho rằng các cá thể thừa kế từ bố mẹ một hỗn hợp pha trộn
các tính trạng, ví dụ như lai cây hoa đỏ với hoa trắng sẽ cho ra hoa hồng
[7]
. Nghiên cứu
của Mendel đã bác bỏ điều này, chỉ ra tính trạng là sự kết hợp các gen độc lập với nhau
hơn là một hỗn hợp liên tục. Một thuyết khác cũng nhận sự ủng hộ thời đó là sự
di truyền
các tính trạng tập nhiễm
: tin rằng sinh vật thừa kế những tính trạng đã được biến đổi do
quá trình luyện tập và nhiễm ở bố mẹ. Học thuyết này, chủ yếu gắn với Jean-Baptiste
Lamarck, hiện nay không được di truyền học hiện đại thừa nhận; khi sự tập nhiễm của cá
thể thực tế không ảnh hưởng đến các gen mà chúng truyền cho con cái

thuật ngữ genetics (di truyền học). (Tính từ genetic, xuất phát từ tiếng Hy Lạp, genesis -
γένεσις, "nguồn gốc" và từ genno γεννώ, "sinh ra", có trước danh từ này và được sử dụng
lần đầu trong sinh học từ năm 1860). Bateson đã phổ biến cách dùng của từ genetics để
miêu tả ngành khoa học nghiên cứu về di truyền trong bài phát biểu khai mạc Hội nghị
Quốc tế lần thứ ba về lai giống cây trồng tại London, Anh năm 1906. Riêng thuật ngữ
gen, vốn đã được Hugo de Vries định nghĩa với tên gọi pangen từ năm 1889 là: "phần tử
nhỏ nhất [đại diện cho] một đặc điểm di truyền", được
Wilhelm Johannsen giới thiệu lại
trong các tác phẩm của ông vào hai thập niên sau đó - trong đó ông cũng nêu ra thuật ngữ
kiểu gen (genotype) và kiểu hình (phenotype)
Sau sự tái phát hiện công trình của Mendel, các nhà khoa học đã cố gắng xác định những
phân tử nào trong tế bào đảm nhận tính di truyền. Trước đó, nhiễm sắc thể đã được phát
hiện, và những quan điểm đầu tiên về di truyền nhiễm sắc thể đã được đưa ra, phải kể đến
là thuyết di truyền nhiễm sắc thể của
August Weismann năm 1892 và giả thuyết gắn các
nhân tố Mendel với nhiễm sắc thể của
Walter Sutton năm 1903. Năm 1910, Thomas Hunt
Morgan
khẳng định rằng gen nằm trên nhiễm sắc thể, dựa trên sự quan sát về đột biến
mắt trắng ở
ruồi giấm. Năm 1913, một sinh viên của ông, Alfred Sturtevant đã sử dụng
hiện tượng di truyền liên kết để chỉ ra rằng gen được sắp đặt theo đường thẳng (tuyến
tính) trên nhiễm sắc thể, và xây dựng nên bản đồ liên kết gen đầu tiên.
Di truyền học phân tử
Dù sự tồn tại của gen trên nhiễm sắc thể - hợp thành từ protein và ADN - đã được xác
nhận, tuy nhiên người ta vẫn chưa biết đến cái gì trong hai chất đó đóng vai trò di truyền.
Năm
1928, Frederick Griffith tìm ra hiện tượng biến nạp: những vi khuẩn đã chết có thể
chuyển vật liệu di truyền của chúng để làm biến đổi những vi khuẩn còn sống khác. Năm
1944, Oswald Theodore Avery, Colin McLeod và Maclyn McCarty trực tiếp xác định

axít amin ở protein; trình tự của dãy nucleotide được dịch mã để tạo thành
dãy axít amin được gọi là
mã di truyền. Nó được dựa trên sự sắp xếp những bộ ba bazơ
nitơ không chồng lấn nhau, gọi là codon, mỗi codon mã hóa cho một axít amin. Điều này
lần đầu tiên được miêu tả trong thí nghiệm của Crick, Brenner và các cộng sự năm 1961.
Trong những năm 1961-1966 đã ghi nhận kết quả nỗ lực của các nhà khoa học để giải mã
được toàn bộ 64 codon, chủ yếu là những công trình do nhóm của
M. Nirenberg và nhóm
của
H. Khorana thực hiện.
Những hiểu biết mới tầm phân tử về tính di truyền đã tạo nên sự bùng nổ trong nghiên
cứu. Một bước phát triển quan trọng là phương pháp xác định trình tự ADN gián đoạn
chuỗi năm 1977 của Frederick Sanger: công nghệ này cho phép các nhà khoa học đọc
được trình tự nucleotide trên một phân tử ADN. Năm 1983, Kary Banks Mullis phát triển
phản ứng chuỗi trùng hợp (PCR), cung cấp một phương pháp nhanh chóng để phân lập và
khuyếch đại một đoạn ADN riêng biệt từ một hỗn hợp. Những cố gắng chung trong Dự
án Bản đồ gen Người và nỗ lực song song của công ty tư nhân Celera Genomics, cũng
như các công nghệ khác, cuối cùng đã thành công trong việc xác định trình tự bộ gen
người vào năm 2003.
Đặc trưng của di truyền
Di truyền riêng rẽ và quy luật Mendel
Một bảng Punnett mô tả sự lai hai cây đậu Hà Lan dị
hợp tử ở tính trạng hoa màu tía (B) và màu trắng (b).
Ở cấp độ cơ bản nhất, tính di truyền của các sinh vật xuất hiện ở các tính trạng riêng rẽ,
được gọi là gen. Đặc tính này lần đầu được nhận biết bởi Gregor Mendel, khi nghiên cứu
sự phân ly các tính trạng di truyền ở đậu Hà Lan. Trong thí nghiệm nghiên cứu về tính
trạng màu hoa của mình, Mendel quan sát được rằng hoa của mỗi cây đậu Hà Lan có màu
tía hoặc trắng - và không bao giờ có tính trạng trung gian giữa hai màu. Những dạng khác
nhau, riêng biệt của cùng một gen được gọi là allele.
Ở đậu Hà Lan, mỗi gen của mỗi cá thể có hai allele, và cây đậu sẽ thừa hưởng một allele

người, các nhà di truyền học thường dùng sơ đồ
phả hệ để diễn tả sự di truyền ở các tính trạng. Các sơ đồ này sẽ sắp xếp sự di truyền của
một tính trạng trên một cây phả hệ.
Tương tác của nhiều gen

Chiều cao con người là một tính trạng di truyền phức hợp. Các dữ liệu của
Francis Galton
từ 1889 cho thấy: sự liên hệ tất cả chiều cao của con cái là một hàm trung bình của chiều
cao cha mẹ. Trong khi mức biến đổi tương quan, còn lại trong chiều cao con cái biểu thị
rằng môi trường cũng là một nhân tố quan trọng ở tính trạng này.
Mỗi sinh vật có hàng ngàn gen và ở các sinh vật sinh sản hữu tính, sự phân ly các gen này
nhìn chung độc lập với nhau. Điều này có nghĩa là sự di truyền của một allele tính trạng
hạt đậu vàng hay xanh không có liên quan tới sự di truyền của cặp allele màu hoa trắng
hoặc tía. Hiện tượng này, được biết đến là Quy luật thứ hai của Mendel hay "
Quy luật
phân ly độc lập", mang ý nghĩa: các allele của những gen khác nhau sẽ thay đổi ngẫu
nhiên khi phân ly từ bố mẹ và sẽ tạo ra thế hệ con với nhiều tổ hợp gen khác nhau. Dù
thế, một số gen lại không phân ly độc lập với nhau, biểu thị tính liên kết gen.
Thực tế, các gen khác nhau lại có thể tương tác với nhau theo một cách nào đấy và ảnh
hưởng lên một tính trạng chung. Một ví dụ là ở loài hoa
Omphalodes verna, tồn tại một
gen với hai allele xác định tính trạng màu hoa: xanh lam hoặc đỏ tía. Một gen khác điều
khiển khả năng có màu của hoa: có màu hoặc không màu (màu trắng). Khi một cây có hai
allele hoa trắng, hoa của cây đấy luôn màu trắng - cho dù gen đầu tiên có allele hoa đỏ
hay xanh. Sự tương tác được gọi là
tương tác át chế (epistasis), khi gen thứ hai át chế sự
biểu hiện của gen thứ nhất. Bên cạnh tương tác át chế còn có kiểu tương tác bổ trợ, nghĩa
là sự biểu hiện của hai hay nhiều allele ở các gen khác nhau sẽ tạo kiểu hình mới, khác
với kiểu hình riêng được biểu hiện khi có mặt các allele ở từng gen riêng lẻ
[47]