Ở một loài thực vật, biết rằng mỗi gen quy định một tính trạng. Theo lí thuyết, có bao nhiêu phát biểu sau đây đúng?
I. Khi ở trạng thái dị hợp, alen đột biến có thể được biểu hiện thành kiểu hình.
II. Đột biến gen có thể được phát sinh khi ADN nhân đôi hoặc khi gen phiên mã.
III. Đột biến gen được gọi là biến dị di truyền vì đột biến gen làm thay đổi vật chất di truyền của tế bào.
IV. Trong cùng một tế bào, khi có tác nhân đột biến thì tất cả các gen đều có tần số đột biến như nhau.
Trong phân tử ADN thì ta chỉ cần biết một trong các đại lượng tổng số nuclêôtit hoặc chiều dài hoặc khối lượng hoặc số kì xoắn ta sẽ tính được các đại lượng còn lại.
Từ phần lý thuyết về cấu trúc của ADN [hay gen] ta cần nhớ một số dữ liệu sau để làm bài tập sinh học đơn giản về cấu trúc ADN:
Có rất nhiều cách thay đổi các đoạn trình tự ADN. Các đột biến gen tác động rất đa dạng lên sức khỏe phụ thuộc vào vị trí đột biến, đột biến có làm thay đổi chức năng của các protein thiết yếu hay không. Có rất nhiều kiểu đột biến, bao gồm các dạng như sau:
Đột biến thay thế
Đột biến làm thay đổi vị trí của một cặp base dẫn đến tạo ra một protein thay thế axit amin ban đầu được tạo ra bởi gen.
Nguồn: U.S. National Library of Medicine
Đột biến vô nghĩa
Đột biến vô nghĩa cũng là dạng làm thay đổi vị trí cặp một cặp base trong ADN nhưng thay vì tạo ra axit thay thế cho axit amin ban đầu thì đoạn trình tự ADN thay thế sẽ đưa ra tín hiệu đến tế bào làm dừng quá trình tổng hợp ra 1 protein. Dạng đột biến này làm protein bị ngắn đi không thực hiện chức năng một cách hợp lý hoặc không thể thực hiện các hoạt động chức năng.
Nguồn: U.S. National Library of Medicine
Đột biến chèn
Đột biến chèn làm thay đổi số lượng các cặp base của một gen bằng cách chèn thêm vào một đoạn ADN. Kết quả là protein được tạo ra bởi gen không thực hiện chức năng thích hợp.
Nguồn: U.S. National Library of Medicine
Đột biến mất điểm
Đột biến mất điểm thay đổi số lượng các cặp base của ADN bằng cách loại bỏ đi một đoạn ADN. Đột biến mất điểm nhỏ có thể xóa bỏ một hoặc một vài cặp base trong một gen, trong khi đột biến mất đoạn lớn có thể xóa bỏ toàn bộ một gen hoặc một vài gen lân cận. ADN bị mất điểm có thể tổng hợp nên protein bị thay đổi chức năng.
Nguồn: U.S. National Library of Medicine
Đột biến lặp đoạn
Đột biến lặp đoạn khi một đoạn của ADN bị sao chép một cách bất thường một hoặc nhiều lần. Dạng đột biến này có thể thay đổi chức năng của protein được tạo ra do gen đột biến.
Nguồn: U.S. National Library of Medicine
Đột biến dịch khung
Đột biến này xảy ra khi ADN bị chèn thêm hoặc mất đi các cặp base làm thay đổi khung đọc của gen. Khung đọc chứa các bộ ba mã hóa, mỗi bộ ba mã hóa cho một axit amin. Đột biến khung làm dịch vị những bộ ba mã hóa này và thay đổi mã hóa cho các axit amin. Các protein được tạo ra thường sẽ không có chức năng. Đột biến chèn, mất điềm và đột biến sao chép đều là những đột biến dịch khung.
Nguồn: U.S. National Library of Medicine
Đột biến lặp lại mở rộng
Đột biến lặp lại mở rộng là đột biến một đoạn trình tự ADN ngắn được lặp lại liên tục nhiều lần. Ví dụ như, việc lặp lại một trinucleotide được cấu tạo bởi đoạn trình tự gồm 3 cặp base và việc lặp lại tetracucleotide được cấu tạo bởi đoạn trình tự gồm 4 cặp base. Đột biến mở rộng lặp lại là đột biến làm tăng số lượng nhân lên của đoạn trình tự ADN ngắn. Dạng đột biến này có thể tạo ra những protein thực hiện sai chức năng.
Gen, đơn vị cơ bản của di truyền, là một đoạn DNA chứa tất cả các thông tin cần thiết để tổng hợp một polypeptide [protein]. Điều này tạo nên tính đa dạng và đặc thù của từng loại protein từ đó đảm bảo cấu tạo và hoạt động từng phần của cơ thể.
Cấu trúc
Con người có khoảng 20.000 đến 23.000 gen tùy thuộc vào cách xác định gen. Các gen được lưu trữ ở các nhiễm sắc thể trong nhân tế bào và ty thể. Ở người, nhân tế bào sinh dưỡng [không có khả năng sinh sản hữu tính] thường có 46 nhiễm sắc thể ghép thành 23 cặp nhiễm sắc thể. Mỗi cặp gồm một nhiễm sắc thể từ mẹ và một từ cha. Trong 1 cặp nhiễm sắc thể có 22 cặp nhiễm sắc thể thường, tương đồng về kích thước, hình dạng, vị trí và số lượng gen. Cặp nhiễm sắc thể thứ 23, còn được gọi là cặp nhiễm sắc thể giới tính [X và Y], quy định giới tính của một người, ngoài ra chúng cũng chứa các gen mang chức năng khác. Trong nhân tế bào sinh dưỡng ở giới nữ có 2 nhiễm sắc thể X [XX]; ở nam giới có một nhiễm sắc thể X và một nhiễm sắc thể Y [XY].
Nhiễm sắc thể X chứa nhiều gen chịu trách nhiệm về nhiều tính trạng di truyền khác nhau; nhiễm sắc thể Y nhỏ hơn, mang gen quy định giới tính nam, cũng như một ít gen khác. Vì nhiễm sắc thể X có nhiều gen hơn nhiễm sắc thể Y, nên ở nam giới ̣[XY] rất nhiều gen có trên X nhưng không tương ứng trên Y từ đó không được biểu hiện thành kiểu hình. Do vậy để duy trì sự cân bằng vật liệu di truyền giữa nam và nữ, một trong cặp nhiễm sắc thể XX ở mỗi tế bào của những phụ nữ bị vô hiệu hóa một cách ngẫu nhiên trong giai đoạn đầu đời [ ]. Trong một số tế bào, X từ mẹ bị vô hiệu hóa, và ở những tế bào khác, X từ bố. Khi sự bất hoạt đã diễn ra trong một tế bào, tất cả thế hệ kế tiếp của tế bào đó đều có cùng một X bất hoạt. Nhiễm sắc thể đồ là bộ đầy đủ các nhiễm sắc thể trong tế bào của một người.
Tế bào mầm [trứng và tinh trùng] phân chia thông qua quá trình meiosis, làm giảm số lượng nhiễm sắc thể xuống còn 23 - một nửa số lượng trong tế bào xôma. Trong giảm phân, thông tin di truyền từ mẹ và cha được tổ hợp lại thông qua quá trình trao đổi chéo [trao đổi giữa các nhiễm sắc thể tương đồng]. Khi một trứng được thụ tinh bởi một tinh trùng, hợp tử sẽ chứa 46 nhiễm sắc thể như bình thường.
Các gen được sắp xếp theo trình tự xác định dọc theo DNA của nhiễm sắc thể. Mỗi gen có một vị trí cụ thể [locus] trên một nhiễm sắc thể và thường cùng vị trí trên cặp nhiễm sắc thể tương đồng. Hai gen nằm trên cùng một locus của mỗi cặp nhiễm sắc thể [một được thừa kế từ mẹ và một từ cha] được gọi là allele. Mỗi gen bao gồm một chuỗi DNA đặc trưng; 2 allele có thể có các trình tự DNA khác nhau hoặc giống nhau. Hai allele giống hệt nhau trên cùng một gen gọi là đồng hợp tử; hai allen khác nhau gọi là dị hợp tử. Trong quá trình nhân bản, một số gen đột biến đến những vị trí có thể là cạnh nhau hoặc ở các vị trí khác nhau trong cùng một nhiễm sắc thể hoặc các nhiễm sắc thể khác nhau.
Cấu trúc DNA
DNA [axit deoxyribonucleic] là vật liệu di truyền của tế bào, lưu trữ trong các nhiễm sắc thể ở nhân tế bào và ty thể.
Ngoại trừ một số tế bào [ví dụ, tinh trùng, tế bào trứng và hồng cầu], nhân tế bào chứa 23 cặp nhiễm sắc thể. Một nhiễm sắc thể chứa rất nhiều gen. Gen là một đoạn DNA cung cấp mã để tạo ra một protein.
Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép dài, cuộn lại giống như một cầu thang xoắn ốc. Trong đó, hai sợi, bao gồm đường [deoxyribose] và phân tử photphat, được nối với nhau bằng cặp bốn phân tử gọi là bazơ, tạo thành các bậc của cầu thang. Trong các bước, adenine được ghép cặp với thymine và guanine được ghép cặp với cytosine. Mỗi cặp bazơ được nối với nhau bằng một liên kết hydro. Một gen bao gồm một trình tự các bazơ. Trình tự của ba bazơ mã cho một axit amin [axit amin là khối cấu tạo của protein] hoặc thông tin khác.
Chức năng gen
Các gen bao gồm DNA. Chiều dài của gen quyết định chiều dài của protein được tổng hợp từ mã gen. DNA là một chuỗi xoắn kép, trong đó các nucleotide [các bazơ] liên kết với nhau:
Adenine [A] liên kết với thymine [T]
Guanine [G] liên kết với cytosine [C]
DNA được phiên mã trong quá trình tổng hợp protein, trong đó một sợi ADN được dùng làm khuôn mẫu tổng hợp RNA thông tin [mRNA]. RNA có các base như DNA, ngoại trừ uracil [U] thay thế thymine [T]. Các phần của mRNA đi từ nhân đến tế bào chất và sau đó đến ribosome, nơi tổng hợp protein xảy ra. RNA vận chuyển [tRNA] mang các axit amin đến ribosome, và gắn axit amin vào chuỗi polypeptide đang phát triển theo một trình tự xác định bởi mRNA. Khi một chuỗi axit amin được lắp ráp, nó tự gấp nếp cuộn xoắn để tạo ra một cấu trúc protein ba chiều phức tạp dưới ảnh hưởng của các phân tử đi kèm lân cận.
DNA được mã hóa bằng mã bộ ba, chứa 3 trong số 4 nucleotides A, T, G, C. Các axit amin cụ thể được mã hóa bởi các bộ ba cụ thể gọi là codon. Vì có 4 nucleotide, nên số lượng mã bộ ba có thể có là 43 [64]. Tuy nhiên chỉ có 20 axit amin, nên có một số mã bộ ba dư thừa. Bởi vậy, một số mã bộ ba cùng mã hóa một axit amin. Các bộ ba khác có thể mã hóa các yếu tố mở đầu hoặc kết thúc quá trình tổng hợp protein và sắp xếp, lắp ráp các axit amin.
Gen bao gồm exon và intron. Exons mã hóa cho các axit amin cấu thành protein. Còn introns chứa các thông tin chi phối việc kiểm soát và tốc độ sản xuất protein. Exons và intron cùng được sao chép vào mRNA, nhưng các đoạn được sao chép từ intron được loại bỏ sau đó. Nhiều yếu tố điều hòa việc phiên mã, bao gồm RNA antisense, được tổng hợp từ chuỗi DNA không được mã hoá thành mRNA. Ngoài DNA, các nhiễm sắc thể chứa histon và các protein khác cũng ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen [protein và số lượng protein được tổng hợp từ một gen nhất định].
Kiểu gen cho biết thành phần và trình tự di truyền cụ thể; nó quy định những protein nào được mã hóa để sản xuất.
Ngược lại, bộ gen nói đến toàn bộ thành phần tất cả của các nhiễm sắc thể đơn bội, bao gồm các gen mà chúng chứa.
Kiểu hình hướng tới biểu hiện cơ thể, sinh hóa và sinh lý của một người - nghĩa là, làm thế nào các tế bào [hay cơ thể] thực hiện chức năng. Kiểu hình được xác định bởi loại và số lượng protein tổng hợp, tức là, sự biểu hiện của các gen ra môi trường như thế nào. Kiểu gen cụ thể có thể có hoặc không tương quan tốt với kiểu hình.
Biểu hiện đề cập đến quá trình điều hòa thông tin được mã hoá trong một gen được dịch mã từ một phân tử [thường là protein hoặc RNA]. Sự biểu hiện gen phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính trạng đó trội hay lặn, mức ngoại hiện và biểu hiện của gen [ xem Các yếu tố ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen Các yếu tố ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến biểu hiện gen. Một vài tính trạng được biểu hiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố, phức tạp hơn quy luật di truyền của Mendel. [Xem thêm Tổng quan về di truyền học... đọc thêm ], mức độ phân hóa mô [xác định theo loại mô và tuổi], các yếu tố môi trường, giới tính hoặc sự bất hoạt của nhiễm sắc thể và các yếu tố khác chưa biết.
Các yếu tố ngoại sinh
Các yếu tố ảnh hưởng đến biểu hiện gen mà không thay đổi trình tự bộ gen được gọi là các yếu tố biểu sinh.
Sự hiểu biết về nhiều cơ chế sinh hóa điều chỉnh sự biểu hiện gen ngày càng rõ ràng. Một cơ chế là sự thay đổi việc nối exon [còn gọi là quá trình trưởng thành mRNA]. Bởi vì các intron được nối ra, các exon cũng có thể được nối ra, và sau đó các exon có thể được lắp ráp theo nhiều tổ hợp, dẫn đến nhiều mRNA khác nhau có khả năng mã hóa cho các protein tương tự nhưng khác nhau. Số lượng protein được tổng hợp trong cơ thể con người có thể lên đến > 100.000 mặc dù hệ gen của con người chỉ có khoảng 20.000 gen.
Các cơ chế trung gian biểu hiện gen khác bao gồm các phản ứng methyl hóa DNA và phản ứng của histone như methyl hóa và acetyl hóa. DNA methyl hóa có xu hướng làm bất hoạt một gen. Chuỗi DNA cuộn xoắn quanh quả cầu histone. Sự methyl hóa histone có thể làm tăng hoặc giảm số lượng protein được tổng hợp từ một gen cụ thể. Sự acetyl hóa histone liên quan đến việc giảm biểu hiện gen ra bên ngoài. Sợi DNA không được phiên mã để hình thành mRNA cũng có thể được sử dụng như một khuôn mẫu để tổng hợp RNA, kiểm soát quá trình phiên mã của sợi đối diện.
Một cơ chế quan trọng khác liên quan đến microRNAs [miRNAs]. MiRNA ngắn, hình dạng như chiếc kẹp tóc [các trình tự RNA khi liên kết với nhau] RNA này ức chế sự biểu hiện gen sau khi phiên mã. MiRNA có thể tham gia vào việc điều chỉnh đến 60% protein đã phiên mã.
Các tính trạng và sự di truyền
Một tính trạng có thể đơn giản như là màu mắt hoặc phức tạp hơn như là sự nhạy cảm với bệnh tiểu đường. Biểu hiện của một tính trạng có thể liên quan đến một gen hoặc nhiều gen. Một số thiếu hụt đơn gen Thiếu hụt đơn gen Di truyền một gen đơn [theo thuyêt di truyền của Mendel] dễ phân tích nhất và được hiểu rõ nhất. Nếu biểu hiện của một tính trạng chỉ cần một gen [một allele], thì tính trạng đó được coi là... đọc thêm gây bất thường ở nhiều mô, hiệu ứng này gọi là tính đa hiệu của gen. Ví dụ, bệnh tạo xương bất toàn Tạo xương bất toàn Tạo xương bất toàn là một rối loạn collagen di truyền gây ra sự mỏng manh bất thường của xương và đôi khi đi kèm với mất thính giác thần kinh, củng mạc mắt xanh, tạo răng bất toàn, và sự tăng... đọc thêm
Xây dựng phả hệ gia đình
Phả hệ gia đình [cây gia đình] như là sơ đồ mô hình di truyền. Pedigrees thường được sử dụng trong tư vấn di truyền. Phả hệ sử dụng các ký hiệu quy ước thay cho các thành viên trong gia đình và thông tin sức khỏe đặc biệt về họ [ Professional.Fig. # ]. Một số rối loạn gia đình có kiểu hình giống hệt nhau có nhiều kiểu di truyền.
Ký hiệu xây dựng một phả hệ gia đình
Trong phả hệ, các ký hiệu cho mỗi thế hệ trong gia đình được xếp vào một hàng và được đánh số bằng chữ số La Mã, bắt đầu với thế hệ đầu tiên ở trên cùng và kết thúc bằng những thế hệ mới nhất ở cuối [ xem Hình: , xem Hình: , xem Hình: , và xem Hình: ]. Trong mỗi thế hệ, con người được đánh số từ trái sang phải với chữ số Ả-rập. Anh chị em thường được liệt kê theo độ tuổi, với người lớn nhất bắt đầu từ bên trái. Do đó, mỗi thành viên của phả hệ có thể được xác định bởi 2 số [ví dụ, II, 4]. Vợ/chồng cũng được gắn số để nhận dạng.
Những điểm chính
Kiểu hình phụ thuộc biểu hiện gen và kiểu gen.
Các cơ chế điều chỉnh biểu hiện gen đang được làm sáng tỏ và bao gồm ghép nối exon, methyl hóa DNA, các phản ứng ở histone và microRNAs.