Giáo trình môn Di truyền học (Phần 1)

c lặp đi lặp lại hàng ngàn lần trong genome. DNA lặp lại gồm 2 loại: + DNA vệ tinh (satellite DNA): loại DNA tập trung ở 1 số vùng nhất định trên NST, ở đó chúng xếp đuôi nhau, cái này tiếp cái kia. Loại này chiếm 10% bộ gen. + DNA lặp lại rãi rác: loại DNA này chiếm khoảng 15% genome, gồm 2 loại: Các yếu tố rãi rác có kích thước ngắn SINEs (short interspersed repetitive elements): kích thước từ 90-500 bp. Trong nhóm này có loại DNA lặp lại tên Alu với kích thước khoảng 300 bp, mang đoạn DNA có thể bị enzyme hạn chế Alu I cắt (đây là enzyme có nguồn gốc từ vi khuẩn Arthrobacter luteus). Đoạn lặp Alu là 1 họ bao gồm các đoạn DNA có độ giống nhau cao, phân bố rãi rác khắp hệ gen với khoảng 300.000 bản sao, chiếm khoảng 2-3% toàn bộ DNA của người, chúng được xem như là các yếu tố vận động. Ở 2 đầu mỗi đoạn Alu có các đoạn lặp cùng chiều ngắn khoảng 7-10 bp. Bên trong đoạn Alu có các đoạn lặp dài khoảng 40 bp. Điểm đặc biệt của các đoạn lặp DNA này là có thể tạo ra bản sao của mình và có thể cài vào các phần khác của bộ gen. Hiện tượng này đôi khi có thể làm gián đoạn một gen mã hóa cho protein nào đó và gây ra tình trạng bệnh lý di truyền. Vai trò của các trình tự Alu đến nay chưa rõ. Một điều đáng kinh ngạc là có sự tương đồng (homologus) từ 80-100% giữa phần 3' của Alu với đầu mút 5' và 3' của RNA 7SL, là phần tương tác với các tín hiệu peptid trước khi vận chuyển ra tế bào chất. Việc xác định trình tự nucleotide của 26 Alu cho thấy có ít nhất 6 nhóm phụ và tất cả đều bắt nguồn từ DNA mã hóa cho RNA 7SL. Các yếu tố rãi rác có kích thước dài LINEs (long interspersed repetitive elements): bao gồm các họ LINE 1 (hay Kpn 1) và THE 1. Các trình tự LINE có chiều dài khoảng 6000-7000 bp với gần 5.000 bản sao nguyên vẹn và 100.000 bản sao từng phần rãi rác khắp bộ gen người. Chúng là những trình tự lặp lại không mã hóa dài nhất và thường ở vùng giàu AT. Các bản phiên mã trình tự LINE gắn với protein tạo thành phức hợp ribonucleoprotein. Ở một dòng tế bào người bị ung thư (teratocarcinome), người ta quan sát thấy có các ribonucleoprotein này. Sự xen đoạn LINE vào các vị trí khác nhau có thể gây hậu quả nhất định, như trong một trường hợp bệnh máu không đông A (hemophilia). 4.2. Nhiễm sắc thể của Eukaryota Nhiễm sắc thể chứa một phân tử DNA thẳng, mạch kép. NST Eukaryote gồm DNA và protein, trong số đó histon là protein cốt lõi trong việc cuộn lại và điều hòa hoạt tính của DNA. Sự hình thành NST kỳ giữa từ chuỗi xoắn kép DNA qua hệ thống các bậc cấu trúc sau: + Nucleosome là đơn vị cấu trúc của NST được tạo nên do sợi DNA dài quấn quanh các protein histon thành sợi 11nm. Đơn vị này là phức hợp gồm 146 cặp nucleotide của DNA quấn quanh 8 phân tử histon: 2H2A, 2H2B, 2H3 ,2H4. Các nucleosome kề nhau được nối qua một phân tử histon trung gian H1. + Sợi chromatin dày 30nm: các nucleosome xếp sít nhau tạo thành phức hợp nucleoprotein. + Vùng xếp cuộn dày 300 nm do sợi chromatin sau nhiều lần xoắn uốn khúc tạo nên. + Chất dị nhiễm sắc 700 nm + Kỳ giữa 1400nm. 27 Hình 1.21 DNA quấn quanh bởi protein histon 28 Hình 1.22 Phức hợp nucleoprotein cuộn lại thành NST 4.3. Trình tự CEN: trình tự lặp lại cao CEN là của các tâm động. 4.4. Trình tự TEL: thuộc các telomer (đầu mút của NST) với nhiều vai trò khác nhau: bảo vệ đầu mút NST khỏi bị cắt bởi nuclease, giữ chiều dài của NST khi sao chép, gắn với màng nhân và kìm hãm sự biểu hiện của các gen ở đầu mút. Các trình tự TEL có tính bảo tồn cao trong tiến hóa. Chúng có số lần lặp lại cao, giàu A và C. 29 Câu hỏi ôn tập 1. Nêu chứng minh gián tiếp cho thấy DNA là vật chất di truyền. 2. Trình bày thí nghiệm biến nạp qua đó chứng minh DNA là vật chất di truyền. 3, Các đặc điểm của mô hình cấu trúc của Watson và Crick (1953). 4. Mô tả các dạng tồn tại của DNA trong tế bào. 5. Mô hình vầ cấu trúc bộ gene của E. coli. 6. Cấu trúc và chức năng các loại RNA trong tế bào Eukaryote. 7. DNA và RNA khác nhau ở những cấu phần nào 8. Hãy nêu các tính chất của phân tử DNA. 9. Các trình tự lặp lại ở DNA Eukaryote 10. Trình bày các mức độ kết cuộn của DNA để hình thành nhiễm sắc thể. Tài liệu tham khảo Trịnh Văn Bảo, Phan Thị Hoan, Trần Thị Thanh Hương, Trần Thị liên, Trần Đức Phấn, Phạm Đức Phùng, Nguyễn Văn Rực, Nguyễn Thị Trang. 2002. Các nguyên lý sinh học. NXB Y học Hà Nội. Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục. Nguyễn Bá Lộc (2004). Acid nucleic và sinh tổng hợp protein. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo Dục. Hoàng Trọng Phán (1995). Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart, David T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman Publishers. Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers. Toronto, Canada. Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Inc., New York. 30 Chương 2 Sao chép DNA Mục tiêu của chương Giới thiệu về sao chép DNA, nguyên tắc của sao chép và các nhân tố tham gia vào quá trình sao chép DNA, các hệ thống sửa sai DNA nhằm duy trì tính chính xác của thông tin di truyền qua các thế hệ. Số tiết: 3 Nội dung I. Sự bền vững của DNA với thời gian và qua nhiều thế hệ 1. DNA bị biến đổi ngay cả không sao chép Hình 2.1 Sự mất amin của các base (desamination) DNA là những phân tử rất dài, nhưng mảnh (đường kính: 20 Ao), lại thường xuyên chịu tác động môi trường bên trong và bên ngoài tế bào nên dễ có những đứt gãy, biến đổi ngay cả khi không có sao chép. 31 Người ta tính ra rằng DNA của tế bào người mỗi ngày mất 5000 purin do quá trình mất purin (depurination): dưới tác dụng của nhiệt liên kết N-glycosil bị thủy phân. Quá trình biến đổi làm mất amin (desamination): biến cytosin thành uracin. Mỗi ngày tế bào người có khoảng 100 biến đổi như vậy. Con người cũng thường xuyên chịu tác động của tia tử ngoại làm tạo ra các dimer thymine. Hình 2.2 Sự hình thành dimer thymine dưới tác dụng của tia tử ngoại 2. Trình tự nucleotid được duy trì với mức chính xác rất cao qua nhiều thế hệ Dùng các nucleotid và các enzyme DNA polymerse để tổng hợp DNA in vitro. Sai sót trong trường hợp này là 10-5. Như vậy sao chép trong ống nghiệm có mức chính xác cao, nhưng đối chiếu lên các sinh vật thì mức sai sót này hãy còn quá lớn. 32 Bằng cách đánh giá tần số các đột biến mới xuất hiện trong quần thể lớn và theo dõi biến đổi enzyme nào đó trong nuôi cấy mô tế bào, người ta tính được rằng trong cơ thể sinh vật sai sót trong khi sao chép in vivo là 1.10-9. Đánh giá tốc độ biến đổi trong tiến hóa cũng khẳng định mức chính xác rất cao trong sao chép in vitro. 3. Các hệ thống bảo vệ DNA Trong tế bào có một loạt hệ thống để bảo vệ DNA: - Các sinh vật tiền nhân và nhân thực đều chứa các enzyme có nhiệm vụ methyl hóa ở những điểm nhất định. Các enzyme cắt hạn chế của mỗi dòng vi khuẩn không cắt DNA của chúng vì đã được methyl hóa ở những điểm cần thiết, còn DNA ngoại lai vì không được methyl hóa ở những điểm nhất định nên bị cắt. Tế bào còn có các hệ thống sửa sai (repair system): + Sửa sai bắng cách cắt bỏ rồi tổng hợp sợi mới Các enzyme DNA polymerase I, II, III đều có hoạt tính polymerase hóa, còn có hoạt tính exonuclease theo hướng 5-3. Hình 2.3 Sửa sai bằng cắt bỏ và tổng hợp lại đoạn bị hỏng 33 + Sửa sai nhờ cơ chế tái tổ hợp Ngay cả khi không có sao chép vẫn có hệ thống bảo vệ: do DNA có hai mạch, khi sai hỏng trên một mạch, có thể dựa vào mạch còn lại để tổng hợp đoạn sai hỏng. Một số enzyme đặc hiệu phát hiện sự bắt cặp sai, như trong trường hợp mất purin. Có khoảng 50 enzyme chuyên phát hiện và sửa các sai hỏng trên phân tử DNA. Hình 2.4. Sửa sai nhờ enzyme 4. Sửa sai do phục quang hồi Dưới tác dụng của tia tử ngoại, làm các timin đứng gần nhau sẽ gắn lại tạo thành dimertimin. Khi trở lại ánh sáng, ánh sáng sẽ kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin tạo timin bình thường. Hiện tượng ánh sáng kích thích một enzyme cắt bỏ dimerthymin gọi là quang phục hồi. 34 5. Hệ thống SOS Ở tế bào vi khuẩn hoặc tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng do chiếu tia UV, tia X hoặc do tác dụng của các hóa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp được khởi động, tăng cường sửa sai. Ở E.coli, hệ thống này có liên quan với 2 protein được mã hóa bởi gene LexA và RecA. Protein LexA là một chất ức chế, nó gắn vào hộp SOS, chồng lấp các promotor của các gene SOS, ngăn cản sự mã nhóm các gen của hệ thống SOS. Một vài sản phẩm của DNA bị tổn thương sẽ làm hoạt hóa protease recA. Protein recA bị hoạt hóa sẽ cắt bỏ protein lexA, cho phép các gen của hệ thống SOS phiên mã. Phẩn ứng của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhưng phức tạp. Nó bao gồm các quá trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi trong khởi sự sao chép, ức chế nuclease và kích thích phục hồi sao chép và chuyển sai hỏng thành sửa sai úp sấp (error-prone replication). Tế bào bây giờ sẽ xảy ra sự sao chép nhanh hơn bình thường. + Nếu sửa sai kịp, tế bào ổn định, sinh trưởng trở lại + Nếu không sửa sai kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc chết hoặc bị đột biến Hình 2.5 Sửa chữa do quang phục hồi 35 II. Cơ chế phân tử của sao chép DNA 1. Nguyên tắc chung - DNA sao chép theo khuôn. Ưu điểm: + Với phân tử lớn như vậy thì việc tổng hợp theo khuôn sẽ chính xác hơn + Tiết kiệm được ezyme + Đạt hiệu quả nhanh - Sao chép theo nguyên tắc bán bảo tồn (semi-conservative) phân tử DNA mới được tổng hợp gồm một mạch cũ làm khuôn và một mạch mới tổng hợp - Quá trình tổng hợp DNA xảy ra đòi hỏi phải có “ mỗi “ (primer) - Quá trình tổng hợp xảy ra theo chiều 5 - 3. Hình 2.6 Sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn 36 2. Thí nghiệm tổng hợp nhân tạo DNA Kornberg (1956) thực hiện phản ứng tổng hợp DNA in vitro. Trong quá trình tổng hợp ông sử dụng DNA polymerase I, 4 loại desoxynucleotid triphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP), Mg2+ làm xúc tác. Ngoài ra còn có ít DNA làm khuôn mẫu. 3. Thí nghiệm chứng minh có sự tự nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo tồn Meselson, Stahl (1958) đã chứng minh kiểu sao chép bán bảo tồn. Nuôi E.coli nhiều thế hệ trên môi trường có nguồn nitơ đồng vị nặng N15. Như vậy tất cả DNA của vi khuẩn đều mang đồng vị nặng N15 thay cho N14 bình thường. Sau đó tế bào được chuyển sang môi trường chỉ chứa N14 nhẹ, mẫu các tế bào được lấy ra theo những khoảng thời gian đều đặn và chiết tách DNA. Bằng phương pháp ly tâm trên thang nồng độ CsCl, các loại DNA nặng, nhẹ và lai được tách ra. Hình 2.7 Thí nghiệm của Meselson và Stahl 37 Kết quả cho thấy DNA nặng ban đầu (thế hệ 0) chứa N15, sau một lần phân chia cho thế hệ I với DNA lai có tỷ trọng nằm giữa DNA nặng N15 và DNA nhẹ N14. Nói cách khác sau một lần sao chép phân tử DNA mới chứa một nữa mang N15 và một nữa N14. Ở thế hệ II một nữa số phân tử DNA là lai, nữa còn lại là DNA nhẹ N14. Thí nghiệm này khẳng định giả thuyết của Watson và Crick là đúng tức 2 mạch DNA mẹ tách ra, mỗi cái làm khuôn để tổng hợp nên mạch mới bổ sung. 4. Diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli Quá trình sao chép DNA ở E.Coli diễn ra qua hai giai đoạn: 4.1. Giai đoạn khởi sự (initiation) Hình 2.8 Sao chép DNA ở vi khuẩn E.coli 38 + Mở xoắn: Ở E.coli quá trình bắt đầu khi một protein B đặc hiệu nhận biết điểm khởi sự sao chép (replication orgine) ori và gắn vào trình tự base đặc biệt đó. Tiếp theo enzyme gyrase (một loại topoisomerase) cắt DNA làm tháo xoắn ở 2 phía của protein B. Trong khi 2 phân tử enzyme gyrase chuyển động ngược chiều nhau so với điểm ori thì 2 phân tử của enzyme helicase tham gia tách mạch tạo chẻ ba sao chép. Helicase sử dụng năng lượng ATP làm đứt các liên kết hydro giữa 2 base bắt cặp với nhau. + Các protein làm căng mạch SSB (single-strand binding protein) gắn vào các mạch đơn DNA làm chúng tách nhau, thẳng ra và ngăn không cho chập lại hoặc xoắn để việc sao chép được dễ dàng. + Tổng hợp mồi (primer) dặc trưng cho quá trình kéo dài chuỗi là DNA polymerase chỉ hoạt động khi đã có mồi, nên trước khi tổng hợp chuỗi thì phải có qua trình tổng hợp mồi. Mồi là một đoạn khoảng 9 -10 nu, có thể là DNA hoặc ARN. 4.2. Giai đoạn nối dài (elongation) Do tính chất đối song song nên khi tách ra thành 2 mạch đơn khuôn thì một mạch có đầu 3’, mạch kia có đầu 5’ nên để đảm bảo hướng sao chép của DNA theo chiều 5’ -3’ thì sự polymer hóa dựa vào 2 mạch khuôn DNA diễn ra khác nhau. Mạch khuôn có đầu 3’ được DNA polymerase III gắn vào và tổng hợp ngay mạch bổ sung 5’-3’ hướng vào chẻ ba sao chép. Mạch khuôn này được gọi là mạch khuôn trước, còn mạch mới được tổng hợp gọi là mạch trước (leading strand). Ở mạch có đầu 5’ (mạch khuôn sau) việc tổng hợp phức tạp hơn và thực hiện từ chẻ ba sao chép hướng ra ngoài để đảm bảo đúng hướng 5’-3’. Khi mạch kép tách ra ở gần chẻ ba sao chép , enzyme primase gắn mồi (primer) ARN khoảng 10 nucleotid có trình tự bổ sung với mạch khuôn. DNA-polymerase III nối theo mồi ARN, theo hướng ngược với chẻ ba sao chép, tổng hợp các đoạn ngắn 1000-2000 nucleotid, gọi là các đoạn Okazaki (người phát hiện là Reiji Okazaki). DNA polymerase nối dài đoạn Okazaki đến khi gặp ARN mồi phía trước thì dừng lại, rồi lùi ra sau tiếp tục tổng hợp từ ARN mồi mới được tạo nên gần chẻ ba sao chép. Tiếp theo DNA- 39 polymerase I nhờ hoạt tính exonuclease 5’-3’ cắt bỏ mồi ARN, lắp các nucleotid của DNA vào chỗ trống và thực hiện polymer hóa hướng 5’-3’. Đoạn DNA ngắn 10 nucleotid này còn hở 2 đầu, chỗ hở được nối nhờ enzyme ligase của DNA mạch được tổng hợp từ chẻ ba sao chép hướng ra ngoài được tổng hợp chậm hơn nên gọi là mạch sau (lagging strand). Quá trình sao chép DNA ở E.coli diễn ra với tốc độ rất nhanh, có thể đạt đến 50.000 nucleotid/phút. III. Sao chép DNA trong tế bào 1. Sao chép ở nhiễm sắc thể Prokaryote Để theo dõi sao chép DNA đồng vị phóng xạ Thymidin (tiền chất đặc hiệu cho DNA) được sử dụng. Quá trình sao chép xuất phát từ một điểm ori (điểm xuất phát sao chép) và triển khai ra cả 2 phía. Khi DNA vòng tròn đang sao chép, quan sát thấy dạng DNA hình con mắt. Chẻ ba sao chép lan dần cuối cùng tạo ra 2 phân tử DNA lai: một mạch có mang dấu phóng xạ (thymidin-H3). Có trường hợp sao chép chỉ xảy ra về một phía. E.coli chỉ có một điểm xuất phát sao chép ori nên cả phân tử DNA thành một đơn vị sao chép thống nhất được gọi là replicon. Bộ gen của sinh vật tiền nhân thường chỉ có một replicon. Hình 2.9 Sao chép DNA từ một điểm về 2 phía và về một phía 40 2. Sao chép nhiễm sắc thể ở tế bào eukaryote Tế bào nhân thực có số lượng DNA lớn hơn nhiều so với tế bào tiền nhân, tạo nên nhiều nhiễm sắc thể mà mỗi cái gồm một sợi DNA thẳng kết hợp với protein. Do đó sao chép DNA của tế bào nhân thực phức tạp hơn và tốc độ chậm hơn (khoảng 50 nucleotid/giây). Hình 2.10 Sao chép của nhiều replicon 41 Điểm khác căn bản là DNA của tế bào nhân thực có nhiều replicon Ví dụ: Saccharomyces cerevisiae có tới 500 replicon, tức có 500 điểm xuất phát sao chép. Quá trình sao chép cũng bắt đầu từ ori rồi lan về 2 phía. Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá trình sao chép, điểm ori nào đã sao chép qua một lần rồi thì không lặp lại trước khi toàn bộ DNA được sao chép hoàn toàn. Ở các eukaryote có 5 loại DNA polymerase được ký hiệu là pol α, pol β, pol γ, pol δ, pol ε. Các loại DNA polymerase này không đồng nhất về phân tử lượng và một số đặc tính hóa học. Pol γ phân bố trong ty thể và tham gia tái bản DNA ở ty thể, các DNA polymerase còn lại ở trong nhân. Trong nhân, DNA polymerase δ và DNA polymerase ε là 2 enzyme chính tham gia tổng hợp trên sợi khuôn dẫn đầu và sợi chậm. Pol β và tiểu đơn vị bé của pol δ có hoạt tính đọc sửa. Câu hỏi ôn tập 1. Hãy trình bày thí nghiệm chứng minh sao chép DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn 2. Sao chép DNA trên 2 mạch khuôn xảy ra như thế nào? 3. Các cơ chế nào đã đảm bảo sự ổn định rất cao của thông tin di truyền 4. Hãy nêu các nhân tố tham gia vào sao chép DNA. 5. Trình bày diễn biến sao chép DNA ở nhiễm sắc thể E.coli 6. Mục đích của cơ chế sao chép từ một phân tử DNA cho ra nhiều bản sao Tài liệu tham khảo Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục. Nguyễn Bá lộc (2004). Acid nucleic và sinh tổng hợp protein. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở di truyền học. NXB Giáo Dục. Hoàng Trọng Phán (1995). Di truyền học phân tử. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế. 42 Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart, David T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman Publishers. Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers. Toronto, Canada. Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Inc., New York. 43 Chương 3 Cơ sở tế bào học của tính di truyền Mục tiêu của chương Giới thiệu các cấu trúc trong tế bào có khả năng tự tái sinh, chu trình tế bào, các hình thức phân bào, các phương thức sinh sản. Số tiết: 3 Nội dung I. Các cấu trúc tế bào và khả năng tự tái sinh Tế bào của những sinh vật ở mức tiến hóa thấp như vi khuẩn, vi khuẩn lam chưa có nhân hoàn chỉnh nên gọi là tế bào tiền nhân và những sinh vật này gọi là những sinh vật tiền nhân (Prokaryote). Các tế bào có nhân hình thành rõ ràng được gọi là tế bào nhân thực, có ở các sinh vật nhân thực (Eukaryote). Sự khác nhau giữa tế bào Prokaryote và Eukaryote lớn hơn sự khác nhau giữa tế bào động vật và thực vật. Các tế bào Prokaryote không có phần lớn các bào quan và màng nhân, có vùng tương tự nhân gọi là nucleoid. Ngoài ra bộ gen gồm DNA không kèm histon. Điểm nổi bậc để phân biệt tế bào Eukaryote là có nhân (nucleus) điển hình với màng nhân bao quanh. Bên trong tế bào có hệ thống màng phức tạp và các bào quan như lưới nội sinh chất, bộ golgi, lysosome, ty thể, lục lạp. Nhiễm sắc thể của Eukaryote thẳng, phức tạp được cấu tạo từ DNA và protein. 1. Các cấu trúc có khả năng tự tái sinh Các tế bào Prokaryote có vùng nhân chứa DNA được tái tạo và phân đều về các tế bào con khi sinh sản. Các tế bào Eukaryote có nhiều bào quan nhưng chỉ có nhân, ty thể, lục lạp có chứa DNA và nhờ khả năng tự tái sinh nên tham gia vào các cơ chế di truyền. 44 Nhân chứa thông tin di truyền giữ vai trò chủ yếu trong sinh sản, chiếm khoảng 10% thể tích và hầu như toàn bộ DNA của tế bào (95%). Nó được giới hạn bởi màng nhân do 2 lớp màng xếp đồng tâm, bên trong có 2 cấu trúc chủ yếu là hạch nhân (nucleolus) như một nhân nhỏ trong nhân và chất nhiễm sắc (chromatin) là dạng tháo xoắn của nhiễm sắc thể (chromosome). Sự phân chia đều NST về các tế bào con đảm bảo sự chia đều thông tin di truyền cho thế hệ sau. 2. Nhiễm sắc thể 2.1. Hình thái NST Hình 3.1. Nhiễm sắc thể với vùng tâm động Khi nhuộm tế bào đang phân chia bằng một số màu base, có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi thường các cấu trúc hình que nhuộm màu đậm, nên được gọi là NST (chromosome). Mỗi NST có hình dạng đặc trưng, rõ nhất ở kỳ giữa của nguyên phân. Tâm động là điểm thắt eo chia NST thành 2 vai với chiều dài khác nhau, vai ngắn hơn là vai p và vai dài hơn là vai q. Dựa vào vị trí của tâm động có thể phân biệt hình thái các NST: - Tâm giữa (metacentric): 2 vai bằng nhau - Tâm đầu (acrocentric): 2 vai không bằng nhau - Tâm mút (telocentric): tâm động nằm gần cuối 45 Ở các tế bào sinh dưỡng (soma), mỗi NST có một cặp giống nhau về hình thái, được gọi là các NST tương đồng (homologous). Bộ NST có cặp gọi là lưỡng bội và khi mỗi NST chỉ có một chiếc gọi là đơn bội. Hình 3.2 Sơ đồ các kiểu nhiễm sắc thể ở kì giữa và kì sau 2.2. Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ: Tất cả các tế bào của một loài nói chung có số lượng NST đặc trưng cho loài đó. Mỗi loại NST có hình dáng đặc trưng. Sự mô tả hình thái của NST gọi là kiểu nhân (Karyotype). Kiểu nhân có thể biểu hiện ở dạng nhiễm sắc đồ (Idiogram) khi các NST được xếp theo thứ tự bắt đầu từ dài nhất đến ngắn nhất. 46 Sau này kỹ thuật nhuộm màu (màu giemsa hay quinacrin) hoàn chỉnh làm rõ hơn các vệt đặc trưng, hình thái của mỗi NST được xác định chi tiết hơn. Dựa vào nhiễm sắc đồ nhuộm màu, có thể tìm thấy các đoạn tương đồng trên các NST cùng loại của các loài có họ hàng gần nhau. Ví dụ so sánh nhiễm sắc đồ của người và vượn cho thấy có mối quan hệ họ hàng rất gần và NST thứ hai của người do sự nối lại của 2 NST khác nhau ở vượn người. Hình 3.3 Cặp nhiễm sắc thể tương đồng 2.3. Chất nhiễm sắc Vào những năm 1930, khi quan sát bằng kính hiển vi quang học ở gian kỳ nhận thấy trên NST có vùng nhuộm màu đậm được gọi là chất dị nhiễm sắc (heterochromatin) phân biệt với phần còn lại nhuộm màu nhạt là chất nguyên nhiễm sắc (euchromatin). Chất nguyên nhiễm sắc là chất nhiễm sắc ở trạng thái dãn xoắn, còn chất dị nhiễm sắc là chất nhiễm sắc biểu hiện dạng cuộn xoắn cao. DNA chất nguyên nhiễm sắc ở trạng thái hoạt động, còn ở chất dị nhiễm sắc thì DNA không phiên mã được và thường sao chép muộn hơn. 47 Hình 3.4 Sự phân hóa các phần trên nhiễm sắc thể 3. Các nhiễm sắc thể đặc biệt Bằng các kỹ thuật tế bào học hiện đại, căn cứ các mặt chức năng, cấu trúc, hình thái và đặc thù trong hoạt động, người ta đã phân biệt các loại NST khác nhau: - Nhiễm sắc thể thường (NST A: autosome): giống nhau ở cả 2 giới đực, cái. - Nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome) khác nhau giữa giới đực và cái - Nhiễm sắc thể B (nhiễm sắc thể phụ): được phát hiện ở một số loài thực vật như ngô, mạch đen ngoài các NST A bình thường. Các NST B ít gặp hơn trong các giống đã được chọn lọc của các loài nói trên Ở ngô có 20 NST A, ở một số cây còn có thêm NST B với số lượng biến động từ 1-20 hoặc nhiều hơn. Những cây có NST B thì yếu hơn và kém hữu thụ hơn các cây khác. Ở mạch đen, những cây có hơn 9 NST B thường không có khả năng sống. NST B có hiệu quả di truyền rất thấp. NST B cũng có nhiều ở sâu bọ, giun dẹp nhưng bé và không có hiệu quả di truyền rõ rệt. - NST khổng lồ (polytene chromosome): có trong một số cơ quan, tế bào tuyến nước bọt, tuyến Manpighi, màng ruột một số côn trùng bộ 2 cánh (Diptera): Drosophilidae, Chironomidae. 48 Năm 1981, E. Balbiani phát hiện NST khổng lồ ở tuyến nước bọt ấu trùng Chironomus, chúng có số lượng sợi nhiễm sắc nhiều gấp hàng ngàn lần so với NST thường, có thể chứa tới 1500-1600 sợi nhiễm sắc. Nguyên nhân của hiện tượng này là do cơ chế nội nguyên phân (endomitosis). NST tự nhân đôi bình thường, nhưng không phân ly, nhân tế bào không phân chia, tạo NST có dạng chùm nhiều sợi, bề ngang của NST tăng lên. Chiều dài của NST khổng lồ có thể tới 250-300 µm (gấp 100-200 lần NST thường) do các NST thể này không đóng xoắn. Dọc theo chiều dài của NST khổng lồphân hóa thành những khoanh bắt màu xẫm, nhạt không đồng nhất như các đĩa sáng, tối xen nhau. Người ta cho rằng các đĩa xẫm màu là nơi tích lũy nhiều DNA, được tạo ra do độ xoắn định khu dày đặc hoặc do tập trung nhiều hạt nhiễm sắc. Hinh 3.5. Nhiêm săc thê không lô cua ruôi giâm Ở ruồi giấm, NST khổng lồ ở tuyến nước bọt được hình thành do DNA tự nhân đôi 10 lần, tạo ra 210 = 1024 sợi dính liền nhau suốt dọc theo chiều dài. - NST chổi đèn (lambrush chromosome): NST này có thể dài đến 800µm, có ở tiền kì của giảm phân trong tế bào trứng của động vật có xương sống nhất là ở giai đoạn Diplotene của trứng có nhiều noãn hoàng (trứng gà, chim hoặc bò sát). 49 Hinh 3.6 Nhiêm săc thê không lô ruôi giâm (a) Nhiêm săc thê không lô cua ruôi giâm tao tâm săc (chromocenter) (b) Bô nhiêm săc thê cơ ban trong tê bao đang phân chia vơi cac nhanh đươc biêu hiên băng cac mau khac nhau (c) Anh chup nhiêm săc thê không lô Hinh 3.7 Nhiêm săc thê chôi đen 50 a. c. b. Đặc điểm của NST kiểu chổi đèn là từ trục của NST có nhiều vòng DNA, cạnh các vòng DNA này là những loại ARN được tổng hợp từ các vòng DNA mở xoắn. II. Chu trình tế bào và phân bào ở Eukaryote 1. Chu trình tế bào Hình 3.8 Chu trình tế bào Các tế bào của sinh vật Eukaryote trải qua nhiều giai đoạn nối tiếp nhau và kết thúc bằng sự phân chia tạo ra tế bào mới. Toàn bộ quá trình từ tế bào đến tế bào thế hệ kế tiếp được gọi là chu trình tế bào, gồm 4 giai 51 đoạn: M, G1, S và G2. Sự phân chia tế bào chỉ chiếm một phần của chu trình tế bào - M (Mitose) là giai đoạn nguyên phân - Giai đoạn G1 (Gap): kéo dài từ sau khi tế bào phân chia đến bắt đầu sao chép vật chất di truyền. Sự tích lũy vật chất nội bào đến một lúc nào đó đạt điểm tới hạn thì tế bào bắt đầu tổng hợp DNA - S (Synthesis) là giai đoạn tổng hợp DNA. Cuối giai đoạn này số lượng DNA tăng gấp đôi - G2 là giai đoạn được nối tiếp sau