Bài 8: Di truyền liên kết giới tính, liên kết gene và hoán vị gene

I. BỐI CẢNH RA ĐỜI THÍ NGHIỆM CỦA MORGAN

Thomas Hunt Morgan là người xây dựng nên thuyết di truyền nhiễm sắc thể, trong đó chỉ ra rằng, các gene được liên kết thành một chuỗi trên nhiễm sắc thể và chi phối các tính trạng di truyền liên kết. Từ nghiên cứu năm 1909 của nhà nghiên cứu tế bào học Frans Janssens khi quan sát cấu trúc bắt chéo của nhiễm sắc thể dưới kính hiển vi, Morgan đã dự đoán, sự trao đổi các vùng tương đồng trên các nhiễm sắc thể tương đồng xảy ra khi hình thành giao tử. Vào năm 1908, khi nghiên cứu ruồi giấm, Morgan đã phát hiện các dòng đột biến về màu mắt và nhiều tính trạng khác. Từ các thí nghiệm lai giữa các dòng ruồi giấm, Morgan và cộng sự đã phát hiện sự di truyền của nhiễm sắc thể giới tính, di truyền liên kết giới tính và hiện tượng liên kết gene. 

II. DI TRUYỀN GIỚI TÍNH VÀ DI TRUYỀN LIÊN KẾT GIỚI TÍNH

Nhiều sinh vật có sự phân chia giới tính thành cá thể đực, cá thể cái. Giới tính được quyết định bởi nhiều cơ chế khác nhau, trong đó, phổ biến là do cặp nhiễm sắc thể giới tính trong nhân tế bào.

1. Nhiễm sắc thể giới tính

- Nhiễm sắc thể giới tính là nhiễm sắc thể có vai trò xác định giới tính của cá thể. Các nhiễm sắc thể giới tính khác nhau giữa cá thể đực và cá thể cái của loài.

- Ở động vật có vú và ruồi giấm, cá thể có cặp XX thuộc giới đồng giao tử do chỉ tạo ra một loại giao tử mang X. Cá thể có cặp XY thuộc giới dị giao tử do tạo giao tử mang X hoặc mang Y.

- Ở một số loài như châu chấu, cá thể đực chỉ có một nhiễm sắc thể X (kí hiệu là XO), cá thể cái vẫn có cặp XX.

2. Sự di truyền giới tính

- Sự di truyền giới tính là sự di truyền các nhiễm sắc thể giới tính và quyết định giới tính của sinh vật qua các thế hệ nhờ giảm phân và thụ tinh.

- Nếu giới tính được xem là một tính trạng di truyền thì phép lai XX x XY luôn có tỉ lệ đực : cái xấp xỉ 1 : 1 ở đời con.

- Ở một số loài, giới tính có thể bị chi phối bởi một số cơ chế khác. Con đực ở ong và rệp có bộ nhiễm sắc thể đơn bội do phát triển từ trứng chưa thụ tinh; con cái là thể lưỡng bội. Một số động vật thuộc lớp Bò sát như cá sấu, thằn lằn, rùa, trứng thụ tinh phát triển thành con đực hoặc cái phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.

3. Sự di truyền liên kết giới tính

Thí nghiệm phát hiện di truyền liên kết giới tính

- Morgan thực hiện các phép lai thuận nghịch dòng ruồi giấm thuần chủng (thế hệ P) có kiểu hình mắt đỏ với dòng đột biến mắt trắng.

- Kết quả của phép lai thuận và phép lai nghịch khác nhau.

Nhận định của Morgan

- Từ dữ liệu thu được, Morgan nhận định rằng, tính trạng màu mắt được quy định bởi gene nằm trên nhiễm sắc thể giới tính.

- Gene quy định màu mắt nằm trên nhiễm sắc thể X và không có gene tương ứng trên nhiễm sắc thể Y.

- Cá thể đực có cặp XY được di truyền gene trên X từ ruồi mẹ, do Y được nhận từ ruồi bố. Vì vậy, cá thể đực chỉ mang một allele trên X, không mang allele tương ứng trên Y. Ruồi cái có cặp XX nên vẫn có cặp allele của gene này.

Khái niệm di truyền liên kết giới tính

- Gene nằm trên X không có allele tương ứng trên Y có xu hướng di truyền liên kết X, được gọi là các gene liên kết X. Gene nằm trên Y không có allele tương ứng trên X quy định tính trạng chỉ có ở cá thể mang Y và di truyền liên kết Y, được gọi là gene liên kết Y.

- Di truyền liên kết giới tính là sự di truyền của tính trạng do gene nằm trên nhiễm sắc thể giới tính (X hoặc Y) quy định. Một số đặc điểm của sự di truyền liên kết X.

+ Tính trạng do gene lặn liên kết X thường gặp ở cá thể có cặp XY hơn so với ở cá thể có cặp XX. Gene lặn trên X được truyền từ cá thể có cặp XY đến đời con có cặp XX, sau đó truyền cho đời cháu có cặp XY (di truyền chéo).

+ Cá thể có cặp XY biểu hiện kiểu hiện do gene trội liên kết X luôn sinh con có cặp XX biểu hiện kiểu hình đó.

- Một số đặc điểm của sự di truyền liên kết Y:

+ Tính trạng do gene trên Y chỉ biểu hiện ở cả thể có Y.

+ Di truyền từ cá thể có cặp XY đến cá thể có cặp XY đời con (di truyền thẳng).

4. Ứng dụng di truyền giới tính và di truyền liên kết giới tính

- Cơ chế di truyền giới tính tạo nên sự cân bằng giới tính ở sinh vật.

- Tỉ lệ đực : cái xấp xỉ 1 : 1 giúp cân bằng số lượng cá thể đực, cái; làm giảm áp lực cạnh tranh sinh sản và đảm bảo sự ổn định bền vững kích thước quần thể của loài sinh sản hữu tính.

- Hiểu biết về di truyền giới tính được ứng dụng trong điều chỉnh tỉ lệ giới tính ở đàn vật nuôi nhằm tăng năng suất và đáp ứng yêu cầu của nhà sản xuất. Ví dụ: Để lấy trứng, sữa, số lượng cá thể cái trong đàn vật nuôi cần nhiều hơn số lượng cá thể đực.

- Việc xác định giới tính nhằm lựa chọn giới tính thai nhi có thể gây ra những những hệ luỵ về mặt xã hội, đạo đức và để lại hậu quả lâu dài cho quần thể người.

- Sự di truyền liên kết giới tính là cơ sở giải thích sự biểu hiện các tính trạng liên kết giới tính ở sinh vật, từ đó ứng dụng trong dự đoán và sàng lọc bệnh ở người.

- Một số tính trạng phức tạp ở vật nuôi như sản lượng sữa, thành phần dinh dưỡng trong sữa, khả năng kháng bệnh viêm vú, tầm vóc cơ thể ở bò sữa được xác định là liên kết X,... Dựa trên cơ sở di truyền liên kết giới tính của các tính trạng này, các nhà chọn giống có thể lựa chọn các tổ hợp lại phù hợp nhằm cải thiện chất lượng giống bò sữa.

III. DI TRUYỀN LIÊN KẾT

1. Thí nghiệm của Morgan phát hiện di truyền liên kết gene và hoán vị gene

Morgan và cộng sự đã tiến hành phép lai giữa các dòng ruồi giấm thuần chủng, khác nhau về các cặp tính trạng tương phản và lai phân tích; phân tích kiểu hình ở đời lại và so sánh với kết quả thí nghiệm lai trong nghiên cứu của Mendel.

1.1. Thí nghiệm phát hiện hiện tượng liên kết gene

Morgan và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm lại hai dòng ruồi giấm thuần chủng khác nhau về màu thân và dạng cánh, tiếp đó, cho ruồi đực F1 lai phân tích.

Quan điểm của Morgan về di truyền liên kết

- Kết quả thí nghiệm đã được Morgan giải thích dựa trên cơ sở di truyền nhiễm sắc thể và gene trên nhiễm sắc thể. Tỉ lệ 1 : 1 ở đời lai phân tích cho thấy, trong quá trình giảm phân ở ruồi giấm đực, gene quy định màu thân và gene quy định độ dài cánh cùng phân li về một giao tử. Do đó, ruồi giấm đực F, chỉ tạo ra hai loại giao tử có tỉ lệ bằng nhau. Gene quy định màu thân và gene quy định độ dài cánh cùng nằm trên một nhiễm sắc thể, được gọi là các gene liên kết.

- Từ đó, Morgan cho rằng, trên một nhiễm sắc thể có nhiều gene cùng tồn tại. Các gene này phân li cùng nhau trong quá trình giảm phân tạo giao tử. Vì vậy, các tính trạng do các gene trên cùng một nhiễm sắc thể di truyền liên kết với nhau.

Khái niệm và cơ sở tế bào học của liên kết gene

- Liên kết gene là hiện tượng các gene gần nhau trên cùng một nhiễm sắc thể có xu hướng di truyền cùng nhau. Tập hợp các gene liên kết thuộc mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng tạo thành một nhóm liên kết.

- Số nhóm liên kết tương đương với số nhiễm sắc thể khác nhau trong một bộ nhiễm sắc thể.

- Trong giảm phân tạo giao tử, mỗi nhiễm sắc thể của một cặp nhiễm sắc thể tương đồng phân li dẫn tới sự phân li cùng nhau của các gene trên một nhiễm sắc thể về một giao tử. Sự tổ hợp của các gene trên cùng nhiễm sắc thể trong quá trình thụ tinh tạo thành các cá thể mang các tính trạng di truyền liên kết.

- Sự di truyền các gene liên kết chi phối hiện tượng nhiều tính trạng di truyền liên kết ở sinh vật.

1.2. Thí nghiệm phát hiện hiện tượng hoán vị gene

Morgan tiếp tục tiến hành thí nghiệm lại các dòng ruồi giấm thuần chủng có các cặp tính trạng tương phản về màu thân và độ dài cánh, sau đó lai phân tích các cá thể ruồi giấm cái thu được từ đời lai F1.

Quan điểm của Morgan về quy luật di truyền

Trong thí nghiệm của Morgan, sự xuất hiện các kiểu hình thân xám, cánh ngắn và thân đen, cánh dài ở đời lai phân tích cho thấy có sự tổ hợp lại các gene quy định hai tính trạng này. Morgan cho rằng, các cá thể có kiểu hình tái tổ hợp ở đời lai phân tích được tạo ra từ các giao tử tái tổ hợp. Ruồi giấm cái F1 dị hợp tử tạo nên các giao tử có sự tổ hợp lại gene trên một nhiễm sắc thể (giao tử tái tổ hợp) do giảm phân xảy ra sự trao đổi các đoạn nhiễm sắc thể tương đồng. Như vậy, hai gene trên một nhiễm sắc thể có thể không di truyền cùng nhau. Từ kết quả phép lai phân tích ruồi giấm cái F1, Morgan đã xác định tỉ lệ các loại giao tử tái tổ hợp hình thành các kiểu hình tái tổ hợp thân xám, cánh ngắn và thân đen, cánh dài.

Khái niệm và cơ sở tế bào học của hoán vị gene

- Trong thí nghiệm của Morgan, các kiểu hình thân xám, cánh ngắn và thân đen, cánh dài là những biến dị tổ hợp ở đời lai phân tích, chiếm tỉ lệ nhỏ so với các kiểu hình giống ruồi bố mẹ. Giao tử tạo nên cá thể có biến dị tổ hợp đó là các giao tử hình thành từ sự hoán vị gene.

- Hoán vị gene là sự trao đổi các allele tương ứng trên hai chromatid khác nguồn của một cặp nhiễm sắc thể tương đồng, xảy ra trong giảm phân tạo ra các giao tử mang tổ hợp các allele mới.

- Ở kì đầu của giảm phân I, các nhiễm sắc thể kép tiếp hợp. Hai chromatid khác nguồn trong mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng có thể đứt gãy, trao đổi chéo và nối trở lại các đoạn tương đồng, tạo ra các chromatid tái tổ hợp. Giao tử tái tổ hợp (giao tử hoán vị) là các giao tử chứa nhiễm sắc thể có tái tổ hợp. Giao tử liên kết là các giao tử chứa nhiễm sắc thể không xảy ra trao đổi chéo.

2. Ý nghĩa của liên kết gene và hoán vị gene

- Di truyền liên kết duy trì các tổ hợp kiểu gene giúp sinh vật thích nghi với môi trường và tạo nên tính ổn định, đặc trưng ở các loài sinh vật. Liên kết gene giải thích được hiện tượng di truyền cùng nhau của nhiều tính trạng ở các cá thể. Việc thiết lập nhóm liên kết của các gene quy định tính trạng có lợi hoặc phá vỡ nhóm liên kết của gene quy định tính trạng không mong muốn là định hướng trong chọn, tạo giống vật nuôi, cây trồng. Từ đó, giống được tạo ra mang tổ hợp nhiều tính trạng ưu việt.

- Hoán vị gene cùng với sự phân li, tổ hợp ngẫu nhiên của các nhiễm sắc thể khi giảm phân và sự kết hợp ngẫu nhiên của các giao tử khi thụ tinh là các cơ chế hình thành biến dị tổ hợp ở sinh vật sinh sản hữu tính. Nhờ đó, biến dị di truyền ở sinh vật trở nên phong phú. Những biến dị tổ hợp này là nguồn nguyên liệu cho quá trình tiến hoá và chọn giống.

3. Bản đồ di truyền và ý nghĩa của bản đồ di truyền

- Bản đồ di truyền là sơ đồ biểu diễn trật tự sắp xếp và khoảng cách giữa các gene cùng nằm trên nhiễm sắc thể, được thiết lập dựa vào tần số hoán vị gene.

- Dựa vào bản đồ di truyền, người ta biết được khoảng cách giữa các gene trên một nhiễm sắc thể, từ đó có thể dự đoán được tỉ lệ kiểu hình của đời lại.

- Thông qua phân tích liên kết gene và lập bản đồ di truyền, có thể được xác định mối quan hệ tiến hoá giữa các loài và suy luận cơ chế tiến hoá loài.

- Sự di truyền liên kết và bản đồ di truyền được ứng dụng trong nghiên cứu di truyền y học và chọn giống. Liên kết giữa locus chỉ thị DNA với gene quy định tính trạng số lượng (QTL) được ứng dụng trong chọn giống vật nuôi, cây trồng dựa vào chỉ thị phân tử. Sự liên kết chặt giữa gene gây bệnh với chỉ thị DNA ở người là thông tin hữu ích cho chẩn đoán bệnh di truyền. Dựa vào di truyền liên kết của các locus này, sự có mặt allele đột biến được phát hiện ngay cả khi cá thể chưa biểu hiện triệu chứng bệnh.