[hsgs.edu.vn] Campbell_Ch21_HeGen&TienHoa (1).pdf

1. 426 21.1. Çc ph−¬ng ph¸p míi ® gióp gia t¨ng tèc ®é gi¶i tr×nh tù çc hÖ gen 21.2. Çc nhµ khoa häc øng dông tin sinh häc ®Ó ph©n tÝch çc hÖ gen vµ chøc n¨ng cña chóng 21.3. Çc hÖ gen kh¸c nhau vÒ kÝch cì, sè gen vµ mËt ®é gen 21.4. Sinh vËt nh©n thËt ®a bµo cã nhiÒu ADN kh«ng m hãa vµ nhiÒu hä ®a gen 21.5. LÆp ®o¹n, t¸i s¾p xÕp vµ ®ét biÕn trong tr×nh tù ADN ®ãng gãp vµo qu¸ tr×nh tiÕn hãa 21.6. So s¸nh çc tr×nh tù hÖ gen cung cÊp b»ng chøng vÒ çc qu¸ tr×nh tiÕn hãa vµ ph¸t triÓn g−êi phô n÷ trªn Hinh 21.1 vµ con tinh tinh bªn c¹nh c« ®ang c−êi ®ïa víi nhau – cã thËt vËy kh«ng? Hä cã hiÓu nh÷ng “c©u ®ïa giìn” vµ ®¸p l¹i b»ng vÎ mÆt cïng víi çc tiÕng ph¸t ©m cña nhau kh«ng? Nhê nh÷ng kü thuËt ®−îc ph¸t triÓn gÇn ®©y trong viÖc gi¶i tr×nh tù nhanh toµn bé çc hÖ gen, giê ®©y chóng ta cã thÓ tuyªn bè vÒ c¬ së di truyÒn liªn quan ®Õn çc c©u hái hÊp dÉn nh− võa ®−îc nªu. Tinh tinh (Pan troglodytes) lµ loµi cã quan hÖ sèng gÇn chóng ta nhÊt trªn c©y tiÕn hãa cña sù sèng. HÖ gen cña nã ®−îc gi¶i tr×nh tù hoµn toµn vµo n¨m 2005, nghÜa lµ kho¶ng 2 n¨m sau khi viÖc gi¶i tr×nh tù hÖ gen ng−êi hoµn thµnh phÇn lín. Giê ®©y chóng ta ®· cã thÓ so s¸nh hÖ gen cña chóng ta víi hÖ gen cña tinh tinh vµ ®èi chiÕu tõng baz¬ nit¬ nh»m lµm s¸ng tá nh÷ng th«ng tin di truyÒn kh¸c nhau nµo ®· dÉn ®Õn çc ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt gi÷a hai loµi linh tr−ëng nµy. Ngoµi viÖc ®· x¸c ®Þnh ®−îc tr×nh tù hÖ gen ®Çy ®ñ cña ng−êi vµ tinh tinh, çc nhµ nghiªn cøu còng ®· thu ®−îc tr×nh tù hÖ gen ®Çy ®ñ cña vi khuÈn E. coli vµ nhiÒu loµi sinh vËt nh©n s¬ kh¸c, còng nh− cña mét sè loµi sinh vËt nh©n thËt, bao gåm Saccharomyces ceriviseae (nÊm men bia), Caenorhabitis elegans (mét loµi giun trßn), Drosophila melanogaster (ruåi giÊm), Mus musculus (chuét b¹ch) vµ Macaca mulatta (khØ rhezut). ThËm chÝ çc ph©n ®o¹n ADN tõ çc loµi ®· bÞ tuyÖt chñng, nh− gÊu hang (Ursus spelaneus) hay voi mamót l«ng (Mammuthus primigenius) còng ®· ®−îc gi¶i tr×nh tù. Çc tr×nh tù hÖ gen ®Çy ®ñ hoÆc tõng phÇn b¶n th©n chóng lµ ®èi t−îng ®−îc quan t©m nghiªn cøu, ®ång thêi chóng cung cÊp nh÷ng th«ng tin s©u h¬n vÒ tiÕn hãa vµ nhiÒu qu¸ tr×nh sinh häc kh¸c. B»ng viÖc më réng so s¸nh hÖ gen ng−êi vµ tinh tinh víi çc loµi linh tr−ëng kh¸c còng nh− víi çc loµi ®éng vËt cã quan hÖ di truyÒn xa h¬n, chóng ta cã thÓ t×m thÊy tËp hîp çc gen quy ®Þnh sù kh¸c biÖt râ rÖt cña mçi nhãm sinh vËt. Xa h¬n mét chót, sù so s¸nh víi çc hÖ gen vi khuÈn, vi khuÈn cæ (archaea), nguyªn sinh ®éng vËt vµ çc loµi thùc vËt sÏ gióp chóng ta lµm s¸ng tá lÞch sö tiÕn hãa l©u dµi liªn quan ®Õn çc gen ®−îc çc loµi cïng nhau “chia sÎ” cïng víi çc s¶n phÈm cña chóng. Víi viÖc hÖ gen cña nhiÒu loµi ®· ®−îc gi¶i tr×nh tù ®Çy ®ñ, çc nhµ khoa häc cã thÓ nghiªn cøu çc tËp hîp gen hoµn chØnh vµ sù t−¬ng t¸c cña chóng theo mét h−íng nghiªn cøu ®−îc gäi lµ hÖ gen häc (genomics). Çc nç lùc gi¶i tr×nh tù theo h−íng nghiªn cøu nµy ®· vµ ®ang tiÕp tôc t¹o ra nh÷ng khèi d÷ liÖu khæng lå. Nhu cÇu cÇn xö lý mét l−îng th«ng tin trµn ngËp ®ang t¨ng lªn nhanh chãng ®· dÉn ®Õn sù h×nh thµnh cña lÜnh vùc tin sinh häc (bioinformatics), lÜnh vùc øng dông çc ph−¬ng ph¸p khoa häc m¸y tÝnh vµo viÖc l−u gi÷ vµ ph©n tÝch çc sè liÖu sinh häc. Chóng ta sÏ b¾t ®Çu ch−¬ng nµy b»ng viÖc th¶o luËn vÒ hai h−íng nghiªn cøu, gåm çc kü thuËt gi¶i tr×nh tù hÖ gen vµ mét sè tiÕn bé trong viÖc øng dông tin sinh häc. Sau ®ã chóng ta sÏ s¬ l−îc vÒ nh÷ng hiÓu biÕt thu nhËn ®−îc tõ viÖc gi¶i tr×nh tù çc hÖ gen ®· ®−îc tiÕn hµnh ®Õn nay. Sau ®ã chóng ta sÏ m« t¶ vÒ thµnh phÇn hÖ gen ng−êi nh− mét hÖ gen ®¹i diÖn cho çc sinh vËt nh©n thËt ®a bµo. Cuèi cïng, chóng ta sÏ cïng t×m hiÓu nh÷ng quan ®iÓm vÒ qu¸ tr×nh tiÕn hãa vµ çc c¬ chÕ ph¸t triÓn vèn lµ c¬ së t¹o nªn sù ®a d¹ng vÜ ®¹i cña sù sèng hiÖn cã trªn Tr¸i §Êt. N Çc kh¸i niÖm chÝnh Tæng quan §äc çc l¸ trªn c©y sù sèng H×nh 21.1 Th«ng tin nµo trong hÖ gen ®· t¹o nªn con ng−êi vµ tinh tinh ? Çc hÖ gen vµ sù tiÕn hãa cña chóng

2. Ch−¬ng 21 Çc hÖ gen vµ sù tiÕn hãa cña chóng 427 ViÖc gi¶i tr×nh tù hÖ gen ng−êi, mét dù ¸n tham väng víi tªn gäi Dù ¸n HÖ gen Ng−êi (HGP) ®−îc b¾t ®Çu vµo n¨m 1990. §−îc tæ chøc thµnh mét Tæ hîp (conxoocxi«m) gåm nhiÒu nhµ khoa häc quèc tÕ ®−îc céng ®ång tµi trî, dù ¸n ®· ®−îc triÓn khai ë 20 trung t©m gi¶i tr×nh tù lín thuéc 6 quèc gia bªn c¹nh nhiÒu phßng thÝ nghiÖm nhá thùc hiÖn çc nh¸nh cña dù ¸n. Sau khi viÖc gi¶i tr×nh tù hÖ gen ng−êi ®−îc hoµn thµnh phÇn lín vµo n¨m 2003, tr×nh tù cña mçi nhiÔm s¾c thÓ ®· ®−îc ph©n tÝch kü l−ìng vµ ®−îc m« t¶ trong hµng lo¹t çc bµi b¸o khoa häc, trong ®ã bµi b¸o cuèi cïng liªn quan ®Õn tr×nh tù cña nhiÔm s¾c thÓ sè 1 ®−îc c«ng bè vµo n¨m 2006. Víi kÕt qu¶ nµy, çc nhµ nghiªn cøu coi viÖc gi¶i tr×nh tù hÖ gen ng−êi ®· “chÝnh thøc hoµn thµnh”. §Ó ®¹t ®−îc nh÷ng cét mèc ®ã, dù ¸n ®· ®−îc triÓn khai qua ba giai ®o¹n víi çc ph¸t hiÖn ngµy cµng chi tiÕt h¬n vÒ hÖ gen ng−êi; ba giai ®o¹n ®ã gåm: lËp b¶n ®å liªn kÕt, lËp b¶n ®å vËt lý vµ gi¶i tr×nh tù ADN. Gi¶i tr×nh tù hÖ gen qua ba giai ®o¹n Tr−íc khi Dù ¸n HÖ gen Ng−êi b¾t ®Çu, çc nghiªn cøu tr−íc ®ã ®· ph¸c th¶o ®−îc mét b−íc tranh s¬ bé vÒ tæ chøc hÖ gen cña nhiÒu c¬ thÓ sinh vËt kh¸c nhau. VÝ dô nh−, viÖc ph©n tÝch kiÓu h×nh nhiÔm s¾c thÓ cña nhiÒu loµi ®· cho biÕt sè l−îng nhiÔm s¾c thÓ vµ kiÓu h×nh nhuém b¨ng cña chóng (xem H×nh 13.3). Vµ ®èi víi mét sè gen, vÞ trÝ cña chóng trªn nhiÔm s¾c thÓ ®· ®−îc x¸c ®Þnh bëi ph−¬ng ph¸p lai huúnh quang t¹i chç (FISH), ph−¬ng ph¸p mµ trong ®ã ng−êi ta ®em lai çc mÉu dß ph¸t huúnh quang víi çc nhiÔm s¾c thÓ nguyªn vÑn ®−îc cè ®Þnh (xem H×nh 15.1). B¶n ®å di truyÒn tÕ bµo ®−îc x©y dùng theo çch nµy ®· cung cÊp nh÷ng th«ng tin khëi ®Çu cho viÖc lËp b¶n ®å chi tiÕt h¬n sau nµy. Khi ®· cã trong tay b¶n ®å di truyÒn tÕ bµo cña çc nhiÔm s¾c thÓ, giai ®o¹n ®Çu tiªn cña tiÕn tr×nh gi¶i tr×nh tù hÖ gen ng−êi lµ x©y dùng mét b¶n ®å liªn kÕt (mét lo¹i b¶n ®å di truyÒn; xem Ch−¬ng 15) cña kho¶ng vµi ngh×n dÊu chuÈn di truyÒn ®−îc ph©n bè kh¾p çc nhiÔm s¾c thÓ (Hinh 21.2 giai ®o¹n ). TrËt tù vÞ trÝ cña çc dÊu chuÈn vµ kho¶ng çch gi÷a chóng trªn b¶n ®å ®−îc x¸c ®Þnh trªn c¬ së tÇn sè t¸i tæ hîp (xem H×nh 15.11). Çc dÊu chuÈn di truyÒn cã thÓ lµ çc gen hoÆc lµ çc ®o¹n tr×nh tù ADN kh¸c cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc, ch¼ng h¹n nh− çc RFLP hay çc tr×nh tù lÆp l¹i kÕ tiÕp ng¾n (STR) ®· ®−îc ®Ò cËp ë Ch−¬ng 20. TÝnh ®Õn n¨m 1992, çc nhµ nghiªn cøu ®· tËp hîp ®−îc mét b¶n ®å liªn kÕt ë ng−êi gåm kho¶ng 5000 dÊu chuÈn kh¸c nhau. Mét b¶n ®å nh− vËy ®· gióp hä x¸c ®Þnh ®−îc vÞ trÝ cña çc dÊu chuÈn kh¸c, bao gåm c¶ çc gen, b»ng viÖc kiÓm tra tÝnh liªn kÕt di truyÒn cña chóng víi çc dÊu chuÈn ®· biÕt tr−íc ®ã. Ngoµi ra, nã cßn cã gi¸ trÞ lµ phÇn cèt lâi cña viÖc lËp b¶n ®å chi tiÕt h¬n t¹i nh÷ng vïng nhÊt ®Þnh trong hÖ gen. Giai ®o¹n tiÕp theo lµ viÖc lËp b¶n ®å vËt lý hÖ gen ng−êi. Trong b¶n ®å vËt lý, kho¶ng çch gi÷a çc dÊu chuÈn ®−îc biÓu diÔn bëi ®¬n vÞ vËt lý, th−êng lµ sè cÆp baz¬ nit¬ (bp) däc theo ph©n tö ADN. §Ó lËp mét b¶n ®å hÖ gen hoµn chØnh, mét b¶n ®å vËt lý ®−îc thiÕt lËp b»ng çch c¾t ph©n tö ADN t−¬ng øng víi mét nhiÔm s¾c thÓ thµnh mét sè çc ph©n ®o¹n giíi h¹n råi x¸c ®Þnh trËt tù cña çc ph©n ®o¹n trªn ph©n tö ADN nhiÔm s¾c thÓ gèc. Ch×a khãa ®Ó thùc hiÖn ®iÒu nµy lµ cÇn t¹o ra çc ph©n ®o¹n ADN gèi lªn nhau, råi sö dông çc mÉu dß hoÆc ph−¬ng ph¸p gi¶i tr×nh tù tù ®éng çc tr×nh tù ®Çu cuèi cña nh÷ng ph©n ®o¹n nµy ®Ó t×m ra çc tr×nh tù gèi lªn nhau ®ã (H×nh 21.2, giai ®o¹n ). B»ng çch ®ã, cã thÓ ®Æt çc ph©n ®o¹n vµo ®óng trËt tù t−¬ng øng cña chóng trªn nhiÔm s¾c thÓ. Nguån cung cÊp çc ph©n ®o¹n ADN dïng cho viÖc lËp b¶n ®å vËt lý dùa trªn viÖc nh©n dßng ADN. §Ó gi¶i tr×nh tù çc hÖ gen lín, çc nhµ khoa häc ph¶i thùc hiÖn lÆp l¹i nhiÒu lÇn çc c«ng viÖc c¾t ADN, nh©n dßng vµ lËp b¶n ®å vËt lý. Çc vect¬ nh©n dßng ®Çu tiªn th−êng ®−îc sö dông lµ nhiÔm s¾c thÓ nh©n t¹o nÊm men (YAC) cho phÐp mang nh÷ng ®o¹n ADN cµi dµi ®Õn hµng triÖu bp, hoÆc nhiÔm s¾c thÓ nh©n t¹o vi khuÈn (BAC) vèn ®iÓn h×nh cã thÓ mang çc ®o¹n cµi dµi tõ 100.000 ®Õn 300.000 bp. Sau khi nh÷ng ®o¹n ADN dµi nh− vËy ®· ®−îc x¸c ®Þnh trËt tù trªn nhiÔm s¾c thÓ chÝnh x¸c, chóng sÏ ®−îc c¾t thµnh nh÷ng ph©n ®o¹n nhá h¬n, råi ®−îc nh©n dßng vµo çc 21.1 Kh¸i niÖm Çc ph−¬ng ph¸p míi ® gióp gia t¨ng tèc ®é gi¶i tr×nh tù çc hÖ gen H×nh 21.2 Ph−¬ng ph¸p gi¶i tr×nh tù toµn hÖ gen qua ba giai ®o¹n. B¾t ®Çu tõ mét b¶n ®å di truyÒn tÕ bµo cña mçi nhiÔm s¾c thÓ, çc nhµ nghiªn cøu liªn quan ®Õn Dù ¸n HÖ gen Ng−êi ®· tiÕn hµnh çc nghiªn cøu qua ba giai ®o¹n ®Ó ®¹t ®−îc môc tiªu cuèi cïng, ®ã lµ gi¶i tr×nh tù toµn bé tõng nucleotide trªn mçi nhiÔm s¾c thÓ. B¶n ®å di truyÒn tÕ bµo KiÓu h×nh nhuém b¨ng cña nhiÔm s¾c thÓ vµ vÞ trÝ çc gen ®Æc thï ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ph−¬ng ph¸p lai insitu (FISH) VÞ trÝ gen ®−îc x¸c ®Þnh b»ng FISH Çc b¨ng nhiÔm s¾c thÓ sau khi ®−îc nhuém B¶n ®å liªn kÕt X¸c ®Þnh trËt tù cña çc dÊu chuÈn di truyÒn nh− RFLP, STR vµ çc ®a h×nh di truyÒn kh¸c (kho¶ng 200 dÊu chuÈn trªn mçi nhiÔm s¾c thÓ) B¶n ®å vËt lý X¸c ®Þnh trËt tù cña çc ph©n ®o¹n lín gèi lªn nhau ®−îc nh©n dßng bëi çc vect¬ YAC vµ BAC; sau ®ã lµ trËt tù cña çc ®o¹n ng¾n h¬n ®−îc nh©n dßng bëi çc vect¬ plasmid vµ phag¬ Gi¶i tr×nh tù ADN X¸c ®Þnh tr×nh tù cña çc nucleotide trªn mçi ®o¹n ng¾n vµ ghÐp nèi çc tr×nh tù thµnh phÇn víi nhau thµnh tr×nh tù hÖ gen hoµn chØnh Çc dÊu chuÈn di truyÒn Çc ®o¹n gèi lªn nhau

3. 428 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc vect¬ plasmid hoÆc phag¬, tr−íc khi nh÷ng ph©n ®o¹n nhá nµy ®−îc dïng ®Ó gi¶i tr×nh tù chi tiÕt. Môc tiªu cuèi cïng cña viÖc lËp b¶n ®å mét hÖ gen lµ x¸c ®Þnh ®−îc tr×nh tù nucleotide hoµn chØnh cña mçi nhiÔm s¾c thÓ (H×nh 21.2, giai ®o¹n ). §èi víi hÖ gen ng−êi, giai ®o¹n nµy ®−îc thùc hiÖn nhê çc m¸y gi¶i tr×nh tù sö dông ph−¬ng ph¸p kÕt thóc chuçi dideoxy ®−îc m« t¶ trªn H×nh 20.12. Ngay c¶ khi ®· ®−îc tù ®éng hãa, viÖc gi¶i tr×nh tù cña toµn bé 3,2 tØ cÆp baz¬ trong bé nhiÔm s¾c thÓ ®¬n béi cña ng−êi vÉn cßn lµ mét th¸ch thøc khñng khiÕp. Trong thùc tÕ, mét ®ét ph¸ chÝnh cña Dù ¸n HÖ gen Ng−êi lµ sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ gi¶i tr×nh tù nhanh. Nh÷ng c¶i tiÕn kü thuËt ®−îc tÝch lòy qua nhiÒu n¨m ®· “mµi dòa” tõng b−íc cña qui tr×nh kü thuËt vèn tèn nhiÒu thêi gian, vµ nhê vËy tèc ®é gi¶i tr×nh tù ®· ®−îc gia tèc mét çch Ên t−îng. NÕu nh− mét phßng thÝ nghiÖm hiÖu qu¶ cã thÓ gi¶i tr×nh tù ®−îc 1000 bp mçi ngµy vµo nh÷ng n¨m 1980, th× ®Õn n¨m 2000, mçi trung t©m nghiªn cøu thuéc Dù ¸n HÖ gen Ng−êi cã thÓ gi¶i tr×nh tù 1000 bp mçi gi©y trong suèt 24 giê mçi ngµy vµ 7 ngµy mçi tuÇn. Çc ph−¬ng ph¸p nh− vËy cã thÓ ph©n tÝch rÊt nhanh çc vËt liÖu sinh häc vµ t¹o ra çc khèi d÷ liÖu khæng lå trong thêi gian ng¾n vµ ®−îc gäi chung lµ çc ph−¬ng ph¸p “hiÖu n¨ng cao”. Çc m¸y gi¶i tr×nh tù tù ®éng lµ mét vÝ dô vÒ çc thiÕt bÞ thÝ nghiÖm hiÖu n¨ng cao. Trong thùc tiÔn, ba giai ®o¹n ®−îc m« t¶ trªn H×nh 21.2 gèi lªn nhau theo mét çch phøc t¹p h¬n m« h×nh gi¶n l−îc võa ®−îc chóng ta ®Ò cËp; tuy vËy, m« h×nh nµy ph¶n ¸nh ®óng chiÕn l−îc nghiªn cøu tæng thÓ ®−îc dïng trong Dù ¸n HÖ gen Ng−êi. Trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn dù ¸n, mét chiÕn l−îc kh¸c nh»m gi¶i tr×nh tù hÖ gen ®· xuÊt hiÖn vµ sau ®ã ®−îc ¸p dông réng r·i nhê hiÖu qu¶ cùc kú cao cña nã. PhÇn tiÕp theo, chóng ta ®Ò cËp ®Õn chiÕn l−îc gi¶i tr×nh tù nµy. Gi¶i tr×nh tù ngÉu nhiªn toµn hÖ gen N¨m 1992, m¹nh d¹n dùa trªn çc thµnh tùu míi cña kü thuËt gi¶i tr×nh tù vµ c«ng nghÖ m¸y tÝnh, J. Craig Venter - mét nhµ sinh häc ph©n tö - ®· ph¸t minh ra mét ph−¬ng ph¸p gi¶i tr×nh tù toµn hÖ gen míi. §−îc ®Æt tªn lµ ph−¬ng ph¸p gi¶i tr×nh tù ngÉu nhiªn toµn hÖ gen (hay ph−¬ng ph¸p shotgun), thùc chÊt ph−¬ng ph¸p nµy ®· bá qua çc giai ®o¹n lËp b¶n ®å liªn kÕt vµ b¶n ®å vËt lý; thay vµo ®ã, nã b¾t ®Çu ngay b»ng viÖc gi¶i tr×nh tù çc ph©n ®o¹n ADN ngÉu nhiªn cña toµn hÖ gen. Sau ®ã, çc ch−¬ng tr×nh m¸y tÝnh m¹nh sÏ tiÕn hµnh s¾p xÕp mét sè l−îng lín çc ph©n ®o¹n ADN ®· ®−îc gi¶i tr×nh tù, dùa trªn çc ®o¹n tr×nh tù ng¾n n»m gèi lªn nhau cña chóng, thµnh mét tr×nh tù liªn tôc duy nhÊt (Hinh 21.3). MÆc dï ban ®Çu bÞ hoµi nghi bëi nhiÒu nhµ khoa häc, gi¸ trÞ cña ph−¬ng ph¸p Vender trë nªn râ rµng vµo n¨m 1995 khi «ng vµ céng sù c«ng bè hÖ gen cña mét loµi sinh vËt ®−îc gi¶i tr×nh tù hoµn chØnh ®Çu tiªn, ®ã lµ vi khuÈn g©y bÖnh tiªu ch¶y Haemophilus influenza. N¨m 1998, Venter thµnh lËp mét c«ng ty cã tªn lµ Celera Genomics vµ tuyªn bè dù ®Þnh gi¶i tr×nh tù toµn bé hÖ gen ng−êi cña m×nh. N¨m n¨m sau, Cerela Genomics vµ Tæ hîp HGP ®ång thêi th«ng b¸o viÖc gi¶i tr×nh tù hÖ gen ng−êi ®· hoµn thµnh phÇn lín, nghÜa lµ sím h¬n hai n¨m so víi tiÕn ®é dù kiÕn ban ®Çu cña Dù ¸n HÖ gen Ng−êi. Çc ®¹i diÖn cña Tæ hîp HGP chØ ra r»ng viÖc hoµn thµnh gi¶i tr×nh tù hÖ gen ng−êi cña Celera ph¶i dùa nhiÒu vµo çc b¶n ®å di truyÒn vµ sè liÖu tr×nh tù cña hä, còng nh− çc trang thiÕt bÞ mµ hä thiÕt lËp cho dù ¸n ®· hç trî nhiÒu cho çc nç lùc cña Celera. Ng−îc l¹i, Venter còng ®· dïng lý lÏ ®Ó biÖn hé cho hiÖu qu¶ vµ gi¸ thµnh h¹ trong ph−¬ng ph¸p gi¶i tr×nh tù cña Celera, ®ång thêi chØ ra r»ng Tæ hîp HGP còng ®· sö dông çc sè liÖu cña hä. Râ rµng c¶ hai ph−¬ng ph¸p ®Òu cã gi¸ trÞ vµ cïng ®ãng gãp vµo viÖc nhanh chãng hoµn thµnh viÖc gi¶i tr×nh tù hÖ gen cña mét sè loµi. HiÖn nay ph−¬ng ph¸p gi¶i tr×nh tù ngÉu nhiªn toµn hÖ gen ®ang ®−îc dïng réng r·i. Theo mét çch ®iÓn h×nh, çc ph©n ®o¹n ADN ®−îc nh©n dßng b»ng ba lo¹i vect¬ kh¸c nhau, mçi lo¹i ®−îc cµi mét ph©n ®o¹n x¸c ®Þnh. Kho¶ng çch ®· biÕt gi÷a çc ®Çu cña ph©n ®o¹n ADN cµi lµ mét th«ng tin bæ sung gióp m¸y tÝnh cã thÓ s¾p xÕp ®óng çc tr×nh tù. Mét nghiªn cøu gÇn ®©y so s¸nh hai chiÕn l−îc gi¶i tr×nh tù ®· chØ ra r»ng ph−¬ng ph¸p shotgun cã thÓ m¾c lçi bá qua mét sè tr×nh tù lÆp l¹i, v× vËy cã thÓ ph¶n ¸nh kh«ng chÝnh x¸c kÝnh th−íc thùc cña hÖ gen vµ cã thÓ bá qua mét sè gen trong nh÷ng vïng nh− vËy trªn nhiÔm s¾c thÓ. Çc ph−¬ng ph¸p phèi hîp cuèi cïng ®· ®−îc ¸p dông cho hÖ gen ng−êi; trong ®ã ph−¬ng ph¸p shotgun cã tèc ®é nhanh ®−îc hç trî bëi b¶n ®å di truyÒn cña çc dßng gen cã lÏ lµ çch h÷u hiÖu nhÊt cho nh÷ng øng dông l©u dµi. §Õn n¨m 2007, vÉn cßn mét phÇn nhá cña hÖ gen ng−êi ch−a ®−îc gi¶i tr×nh tù. Do sù cã mÆt cña tr×nh tù ADN lÆp l¹i vµ bëi mét sè nguyªn nh©n ch−a biÕt kh¸c, mét sè phÇn nhÊt C¾t ADN tõ nhiÒu b¶n sao cña mét nhiÔm s¾c thÓ thµnh çc ph©n ®o¹n gèi lªn nhau cã chiÒu dµi ®ñ ng¾n ®Ó cã thÓ gi¶i tr×nh tù. Nh©n dßng mçi ph©n ®o¹n trong çc vect¬ plasmid hoÆc phag¬ (xem çc H×nh 20.4 vµ 20.5) Gi¶i tr×nh tù tõng ph©n ®o¹n (xem H×nh 20.12) Sö dông phÇn mÒm m¸y tÝnh s¾p xÕp çc ph©n ®o¹n theo ®óng trËt tù vÞ trÝ cña chóng H×nh 21.3 Gi¶i tr×nh tù ngÉu nhiªn toµn hÖ gen. Theo ph−¬ng ph¸p nµy, ®−îc ph¸t triÓn bëi Craig Venter vµ çc ®ång nghiÖp t¹i C«ng ty Celera Genomics do chÝnh «ng s¸ng lËp, çc ®o¹n ADN ®−îc gi¶i tr×nh tù ngÉu nhiªn, råi sau ®ã chóng ®−îc s¾p xÕp theo ®óng trËt tù vÞ trÝ t−¬ng ®èi víi nhau. H·y so s¸nh ph−¬ng ph¸p nµy víi ph−¬ng ph¸p gi¶i tr×nh tù toµn hÖ gen qua ba giai ®o¹n ®−îc m« t¶ trªn H×nh 21.2. Çc ph©n ®o¹n ë giai ®o¹n 2 trªn h×nh nµy ®−îc vÏ n»m r¶i r¸c, trong khi nh÷ng ph©n ®o¹n ë giai ®o¹n 2 trªn H×nh 21.2 ®−îc vÏ n»m theo trËt tù vÞ trÝ. Sù kh¸c biÖt trong çch vÏ nh− vËy ph¶n ¸nh sù kh¸c biÖt gi÷a hai ph−¬ng ph¸p nh− thÕ nµo?.

4. Ch−¬ng 21 Çc hÖ gen vµ sù tiÕn hãa cña chóng 429 ®Þnh trªn nhiÔm s¾c thÓ cña çc c¬ thÓ ®a bµo rÊt khã gi¶i tr×nh tù chi tiÕt bëi çc ph−¬ng ph¸p th«ng th−êng. Tho¹t nh×n th× d−êng nh− tr×nh tù hÖ gen cña ng−êi vµ çc sinh vËt kh¸c ®¬n gi¶n chØ lµ nh÷ng tr×nh tù “kh« khèc” cña çc nucleotide, nghÜa lµ hµng triÖu çc “ch÷ çi” A, T, G vµ C s¾p xÕp kÕ tiÕp nhau mét çch “buån ch¸n”. §iÒu cèt yÕu ®Ó l−îng d÷ liÖu khæng lå nµy trë nªn cã nghÜa lµ çc ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch mµ chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn ë tiÓu môc tiÕp theo. Mçi mét trung t©m trong sè kho¶ng 20 trung t©m gi¶i tr×nh tù tham gia dù ¸n HÖ gen Ng−êi ngµy nµy qua ngµy kh¸c ®· t¹o ra mét l−îng khæng lå çc tr×nh tù ADN. Khi sè liÖu ngµy cµng ®−îc tÝch lòy, th× nhu cÇu n¶y sinh lµ ph¶i cã çch qu¶n lý vµ theo dâi tÊt c¶ çc tr×nh tù ®· ®−îc ph¸t hiÖn. Nhê ®· chuÈn bÞ tõ tr−íc, çc nhµ khoa häc vµ çc c¬ quan qu¶n lý tham gia Dù ¸n HÖ gen Ng−êi ®· ®Æt ra mét môc tiªu ngay tõ ®Çu lµ thiÕt lËp çc ng©n hµng d÷ liÖu, hay cßn gäi lµ c¬ së d÷ liÖu, vµ ngµy cµng hoµn thiÖn çc phÇn mÒm ph©n tÝch d÷ liÖu. Nh÷ng c¬ së d÷ liÖu vµ nh÷ng phÇn mÒm nµy sau ®ã ®−îc tËp hîp l¹i vµ cã thÓ dÔ dµng truy cËp vµ sö dông trªn m«i tr−êng Internet. ViÖc hoµn thµnh môc tiªu nµy cña dù ¸n ®· gãp phÇn thóc ®Èy viÖc ph©n tÝch çc tr×nh tù ADN nhê t¹o ®iÒu kiÖn cho çc céng ®ång khoa häc toµn thÕ giíi cã thÓ tiÕp cËn çc tµi nguyªn tin sinh häc, còng nh− thóc ®Èy viÖc truyÒn b¸ vµ trao ®æi çc th«ng tin cã liªn quan. TËp hîp d÷ liÖu ®Ó ph©n tÝch çc hÖ gen Çc c¬ quan ®−îc chÝnh phñ tµi trî thùc hiÖn vai trß thiÕt lËp çc c¬ së d÷ liÖu vµ cung cÊp çc ph©n mÒm nhê ®ã çc nhµ khoa häc cã thÓ ph©n tÝch çc d÷ liÖu tr×nh tù hÖ gen. Ch¼ng h¹n, ë Mü, mét ch−¬ng tr×nh hîp t¸c gi÷a Th− viÖn Y häc Quèc gia vµ ViÖn Y häc Quèc gia (NIH) ®· thiÕt lËp nªn Trung t©m Quèc gia vÒ Th«ng tin C«ng nghÖ Sinh häc (NCBI) ®ång thêi duy tr× mét trang Web (www.ncbi.nlm.nih.gov) l−u gi÷ çc tµi nguyªn tin sinh häc hÕt søc phong phó. T¹i trang Web nµy, çc ®−êng “link” dÉn ®Õn çc c¬ së d÷ liÖu, çc phÇn mÒm vµ çc kho chøa çc th«ng tin vÒ çc hÖ gen vµ çc chñ ®Ò cã liªn quan kh¸c. Çc trang Web t−¬ng tù còng ®· ®−îc thiÕt lËp bëi Phßng thÝ nghiÖm Sinh häc ph©n tö Ch©u ¢u vµ Ng©n hµng D÷ liÖu ADN NhËt B¶n; ®©y còng chÝnh lµ hai trung t©m nghiªn cøu hÖ gen cïng hîp t¸c víi NCBI. Nh÷ng trang Web lín vµ toµn diÖn nµy cßn ®−îc bæ sung thªm bëi nh÷ng trang Web kh¸c ®−îc duy tr× bëi çc phßng thÝ nghiÖm nhá h¬n hoÆc bëi çc ç nh©n. Çc trang Web nhá h¬n th−êng cung cÊp çc c¬ së d÷ liÖu vµ çc phÇn mÒm ®−îc thiÕt kÕ cho çc môc ®Ých nghiªn cøu hÑp h¬n, ch¼ng h¹n nh− ®Ó t×m hiÓu vÒ nh÷ng thay ®æi di truyÒn hoÆc trong hÖ gen liªn quan ®Õn mét bÖnh ung th− nhÊt ®Þnh. Çc c¬ së d÷ liÖu vÒ çc tr×nh tù cña NCBI ®−îc gäi chung lµ Ng©n hµng gen (Genbank). TÝnh tíi th¸ng 8 n¨m 2007, Genbank ®· chøa tr×nh tù cña 76 triÖu ph©n ®o¹n ADN hÖ gen kh¸c nhau, gåm tæng céng 80 tû cÆp baz¬ ! Çc tr×nh tù trong ng©n hµng gen liªn tôc ®−îc cËp nhËt, vµ −íc tÝnh l−îng d÷ liÖu cña nã cø sau kho¶ng 18 th¸ng l¹i t¨ng lªn gÊp ®«i. Mäi tr×nh tù trong Genbank cã thÓ ®−îc truy xuÊt vµ ph©n tÝch b»ng çc ph©n mÒm ë trang Web cña NCBI hoÆc tõ çc trang Web kh¸c. Mét ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm s½n cã trªn trang Web cña NCBI, gäi lµ BLAST, cho phÐp bÊt cø ai truy cËp cã thÓ so s¸nh ®−îc mét tr×nh tù ADN nhÊt ®Þnh víi bÊt cø tr×nh tù nµo s½n cã trong Genbank trªn c¬ së ®èi chiÕu tõng cÆp baz¬, qua ®ã t×m thÊy çc vïng tr×nh tù gièng nhau gi÷a chóng. Mét phÇn mÒm kh¸c cho phÐp so s¸nh çc tr×nh tù protein dù ®o¸n. Ngoµi ra, mét phÇn mÒm thø ba cho phÐp t×m kiÕm mét chuçi axit amin (miÒn) cã chøc n¨ng sinh häc ®· biÕt hoÆc ®ang ®−îc dù ®o¸n tõ mäi tr×nh tù protein s½n cã trong Genbank; ®ång thêi, nã cã thÓ biÓu diÔn m« h×nh kh«ng gian ba chiÒu cña miÒn chøc n¨ng ®ã cïng víi çc th«ng tin cã liªn quan phï hîp (xem H×nh 21.4 ë trang sau). ThËm chÝ cßn cã mét ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm cã thÓ so s¸nh mét tËp hîp çc tr×nh tù, hoÆc lµ çc tr×nh tù axit nucleic hoÆc lµ çc tr×nh tù polypeptit, vµ biÓu diÔn chóng ë d¹ng c©y tiÕn hãa trªn c¬ së mèi quan hÖ gi÷a çc tr×nh tù. (Chóng ta sÏ ®Ò cËp kü h¬n vÒ nh÷ng s¬ ®å nµy ë Ch−¬ng 26). Trang Web cña NCBI còng cßn duy tr× mét c¬ së d÷ liÖu bao gåm tÊt c¶ çc cÊu tróc ba chiÒu cña protein ®· ®−îc x¸c ®Þnh (®Ó tæng quan vÒ ph©n tÝch cÊu tróc protein, xem H×nh 5.25). B»ng phÇn mÒm m¸y tÝnh, ng−êi xem cã thÓ quay nh÷ng cÊu tróc nµy ®Ó cã thÓ quan s¸t protein tõ mäi phÝa. Gi¶ sö mét nhµ nghiªn cøu cã mét tr×nh tù axit amin lµ tr×nh tù ®Çy ®ñ hoÆc mét phÇn cña mét protein ch−a biÕt nµo ®ã, mµ nã l¹i cã tr×nh tù gièng víi mét tr×nh tù axit amin cã cÊu tróc kh«ng gian ®· biÕt. Trong tr−êng hîp nµy, nhµ nghiªn cøu cã thÓ dù ®o¸n cÊu tróc cña protein ch−a biÕt b»ng mét phÇn mÒm, vµ sö dông mét phÇn mÒm kh¸c ®Ó so s¸nh nã víi tÊt c¶ çc cÊu tróc protein ®· biÕt. Nh÷ng th«ng tin nµy cã thÓ gióp nhµ nghiªn cøu x¸c ®Þnh ®−îc chøc n¨ng cña protein ch−a biÕt. HiÖn nay, trªn toµn thÕ giíi cã rÊt nhiÒu nguån tµi nguyªn s½n cã cho çc nhµ nghiªn cøu sö dông. B©y giê chóng ta sÏ nãi ®Õn çc chñ ®Ò mµ nh÷ng nguån tµi nguyªn nµy ®Ò cËp ®Õn. X¸c ®Þnh çc gen m hãa protein trong çc tr×nh tù ADN B»ng viÖc sö dông çc tr×nh tù ADN s½n cã, çc nhµ di truyÒn häc cã thÓ nghiªn cøu trùc tiÕp çc gen mµ kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i pháng ®o¸n vÒ kiÓu gen trªn c¬ së ph©n tÝch kiÓu h×nh nh− trong çc nghiªn cøu di truyÒn häc kinh ®iÓn tr−íc ®©y. Tuy vËy, çch tiÕp cËn nµy l¹i cã mét trë ng¹i kh¸c: ®ã lµ viÖc x¸c ®Þnh kiÓu h×nh trªn c¬ së kiÓu gen ®· biÕt. Trªn c¬ së mét tr×nh 21.2 Kh¸i niÖm Çc nhµ khoa häc øng dông tin sinh häc ®Ó ph©n tÝch çc hÖ gen vµ chøc n¨ng cña chóng 21.1 1. B¶n ®å liªn kÕt vµ b¶n ®å vËt lý cña mét nhiÔm s¾c thÓ kh¸c nhau c¬ b¶n ë ®Æc ®iÓm g× ? 2. XÐt tæng thÓ, ph−¬ng ph¸p lËp b¶n ®å hÖ gen ®−îc dïng trong Dù ¸n HÖ gen Ng−êi vµ ph−¬ng ph¸p gi¶i tr×nh tù ngÉu nhiªn toµn hÖ gen kh¸c nhau nh− thÕ nµo ? 3. Gi¶ sö b¹n quyÕt ®Þnh tiÕn hµnh gi¶i tr×nh tù hÖ gen cña mét loµi chuét ®ång, vèn lµ mét loµi cã quan hÖ gÇn gòi víi loµi chuét thÝ nghiÖm cã tr×nh tù hÖ gen ®· ®−îc x¸c ®Þnh hoµn toµn. T¹i sao tr×nh tù hÖ gen chuét thÝ nghiÖm ®· biÕt ®−a b¹n ®Õn quyÕt ®Þnh chän ph−¬ng ph¸p gi¶i tr×nh tù ngÉu nhiªn toµn hÖ gen thay cho ph−¬ng ph¸p ba giai ®o¹n ? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A. KiÓm tra kh¸i niÖm ®iÒu g× NÕu

5. 430 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc tù ADN dµi cã trªn c¬ së d÷ liÖu nh− Genbank, b»ng çch nµo chóng ta cã thÓ nhËn ra çc gen m· hãa protein vèn ch−a tõng ®−îc biÕt tíi vµ x¸c ®Þnh chøc n¨ng cña chóng? Çch th«ng th−êng lµ sö dông mét phÇn mÒm ®Ó t×m kiÕm trong nh÷ng tr×nh tù nµy sù cã mÆt hay kh«ng cña çc tÝn hiÖu khëi ®Çu vµ kÕt thóc phiªn m· hoÆc dÞch m·, hoÆc lµ çc vÞ trÝ c¾t - nèi ARN hay çc tÝn hiÖu kh¸c th−êng cã ë çc gen m· hãa protein. PhÇn mÒm nµy ®ång thêi còng t×m kiÕm çc ®o¹n tr×nh tù ng¾n t−¬ng øng víi çc tr×nh tù th−êng cã trªn çc ph©n tö mARN ®· biÕt. Hµng ngh×n çc tr×nh tù nh− vËy, ®−îc gäi lµ çc ®o¹n ®¸nh dÊu tr×nh tù biÓu hiÖn hay EST ®−îc thu thËp tõ çc tr×nh tù cADN vµ ®−îc m¸y tÝnh tËp hîp l¹i thµnh çc c¬ së d÷ liÖu. KiÓu ph©n tÝch nµy cho phÐp x¸c ®Þnh ®−îc çc tr×nh tù t−¬ng øng víi çc gen m· hãa protein mµ tr−íc ®ã ch−a tõng ®−îc biÕt tíi. Kho¶ng mét nöa sè gen ë ng−êi ®· ®−îc biÕt tõ tr−íc khi dù ¸n hÖ gen ng−êi b¾t ®Çu. VËy ®èi víi nh÷ng gen cßn l¹i, viÖc ph©n tÝch çc tr×nh tù ADN b»ng çch nµo cho biÕt chóng lµ çc gen ch−a ®−îc biÕt tr−íc ®ã? Manh mèi ®Ó x¸c ®Þnh nh÷ng gen nµy xuÊt ph¸t tõ viÖc so s¸nh tr×nh tù cña çc “gen øng cö viªn” (çc tr×nh tù ®−îc dù ®o¸n lµ gen) víi tr×nh tù cña çc gen ®· biÕt cã nguån gèc tõ çc sinh vËt kh¸c b»ng viÖc sö dông çc phÇn mÒm ®· ®−îc nh¾c ®Õn ë trªn. Do tÝnh tho¸i hãa cña m· di truyÒn, b¶n th©n tr×nh tù ADN cã thÓ cã møc ®é biÕn ®æi lín h¬n so víi çc tr×nh tù protein t−¬ng øng. V× vËy, víi çc nhµ khoa häc quan t©m ®Õn protein, hä th−êng tiÕn hµnh so s¸nh gi÷a tr×nh tù axit amin cña protein pháng ®o¸n víi çc tr×nh tù cña çc protein ®· biÕt. §«i khi mét tr×nh tù võa míi ®−îc x¸c ®Þnh khíp hoµn toµn hay mét phÇn víi tr×nh tù cña mét gen hoÆc mét protein mµ chøc n¨ng ®· biÕt râ. VÝ dô nh−, mét phÇn cña mét gen míi cã thÓ khíp víi mét gen ®· biÕt m· hãa cho mét protein kinase, mét protein quan träng tham gia vµo mét con ®−êng truyÒn tÝn hiÖu (xem Ch−¬ng 11), chØ ra nhiÒu kh¶ n¨ng gen míi nµy cã thÓ cã chøc n¨ng t−¬ng tù. Theo mét çch kh¸c, tr×nh tù cña mét gen míi l¹i gièng víi mét tr×nh tù ®· tõng ®−îc biÕt tõ tr−íc nh−ng ch−a râ chøc n¨ng. Mét kh¶ n¨ng kh¸c lµ tr×nh tù míi ®−îc x¸c ®Þnh kh«ng gièng víi bÊt cø mét tr×nh tù nµo ®· tõng ®−îc biÕt ®Õn. §iÒu nµy lµ ®óng ®èi víi Ýt nhÊt mét phÇn ba çc gen cña E. coli khi hÖ gen cña vi khuÈn nµy ®−îc gi¶i tr×nh tù. Trong tr−êng hîp cuèi cïng, chøc n¨ng cña protein th−êng ®−îc suy diÔn b»ng viÖc kÕt hîp gi÷a çc nghiªn cøu vÒ chøc n¨ng ph©n tö vµ hãa sinh häc. Çc nghiªn cøu vÒ hãa sinh nh»m x¸c ®Þnh cÊu tróc kh«ng gian ba chiÒu còng nh− çc thuéc tÝnh hãa lý cña protein, ch¼ng h¹n nh− çc vÞ trÝ liªn kÕt cña protein víi çc ph©n tö kh¸c. Trong khi ®ã, çc nghiªn cøu vÒ chøc n¨ng ph©n tö th−êng tiÕn hµnh lµm bÊt ho¹t hoÆc lµm gi¶m møc ®é biÓu hiÖn cña çc gen míi x¸c ®Þnh råi theo dâi H×nh 21.4 Çc c«ng cô tin sinh häc s½n cã trªn internet. Mét trang web ®−îc Trung t©m Quèc gia Th«ng tin vÒ C«ng nghÖ Sinh häc (Mü) duy tr× cho phÐp çc nhµ khoa häc vµ céng ®ång tiÕp cËn çc tr×nh tù protein vµ ADN. Trang web nµy gåm c¶ kÕt nèi tíi mét c¬ së d÷ liÖu cÊu tróc protein - CDD (Conserved Domain Database) gióp t×m vµ m« t¶ nh÷ng miÒn gièng nhau ë çc protein cã quan hÖ víi nhau, còng nh− çc phÇn mÒm quan s¸t ba chiÒu - Cn3D - cho phÐp quan s¸t m« h×nh ba chiÒu cña çc miÒn cÊu tróc ®· ®−îc x¸c ®Þnh. H×nh ¶nh ®−îc minh häa ë trªn lµ kÕt qu¶ t×m kiÕm çc vïng protein gièng víi mét tr×nh tù axit amin t×m thÊy ë mét protein cña d−a hÊu. Trong cöa sæ nµy, mét phÇn tr×nh tù axit amin tõ mét protein ch−a biÕt (Query) ë d−a hÊu ®−îc xÕp th¼ng hµng víi çc tr×nh tù cña çc protein kh¸c mµ ch−¬ng tr×nh m¸y tÝnh t×m thÊy gièng víi nã. Çc tr×nh tù ë ®©y biÓu diÔn mét miÒn ®−îc gäi lµ WD40. Bèn dÊu hiÖu ®iÓn h×nh cña miÒn nµy ®−îc nhÊn m¹nh b»ng nÒn mµu vµng. (Sù gièng nhau gi÷a çc tr×nh tù ®−îc nhËn biÕt chñ yÕu dùa trªn çc ®Æc ®iÓm hãa häc cña çc axit amin, v× vËy çc axit amin ë çc vïng ®−îc nhÊn m¹nh kh«ng nhÊt thiÕt gièng nhau hoµn toµn.) Ch−¬ng tr×nh Cn3D hiÓn thÞ mét m« h×nh ruy b¨ng ba chiÒu cña protein transductin cña bß (protein ®−îc t« b»ng nÒn mµu tÝm nh¹t trong cöa sæ Sequence Aligment Viewer). Protein nµy lµ lo¹i duy nhÊt trong çc protein tr×nh diÖn ë ®©y cã cÊu tróc ®· ®−îc x¸c ®Þnh. Sù gièng víi transductin bß cña çc protein kh¸c cho thÊy cÊu tróc cña chóng cã thÓ gièng víi m« h×nh ®−îc hiÓn thÞ ë ®©y. Transductin bß chøa b¶y miÒn WD40; mét trong nh÷ng miÒn nµy ®−îc nhÊn m¹nh b»ng mµu ghi. Çc vïng ®−îc t« mµu vµng nµy t−¬ng øng víi çc axit amin dÊu hiÖu ®iÓn h×nh ®−îc t« mµu vµng ë cöa sæ bªn trªn. Cöa sæ nµy hiÓn thÞ th«ng tin vÒ miÒn WD40 tõ C¬ së d÷ liÖu cÊu tróc protein – CDD.

6. Ch−¬ng 21 Çc hÖ gen vµ sù tiÕn hãa cña chóng 431 sù thay ®æi cña kiÓu h×nh, qua ®ã x¸c ®Þnh chøc n¨ng cña gen. ARNi, ®−îc m« t¶ ë Ch−¬ng 20, lµ mét vÝ dô vÒ kü thuËt phßng thÝ nghiÖm ®−îc dïng ®Ó bÊt ho¹t chøc n¨ng cña gen. T×m hiÓu çc gen vµ çc s¶n phÈm cña gen ë cÊp ®é sinh häc hÖ thèng Søc m¹nh ®Çy Ên t−îng cña çc c«ng cô sinh tin häc vµ m¸y tÝnh cho phÐp çc nhµ khoa häc giê ®©y cã thÓ nghiªn cøu toµn bé çc gen thuéc çc bé nhiÔm s¾c thÓ vµ sù t−¬ng t¸c cña chóng víi nhau, còng nh− cã thÓ so s¸nh hÖ gen tõ çc loµi kh¸c nhau. HÖ gen häc lµ mét tµi nguyªn th«ng tin phong phó vµ chuyªn s©u cã thÓ tr¶ lêi çc c©u hái c¬ b¶n vÒ çch tæ chøc cña çc hÖ gen, vÒ sù ®iÒu hßa sù biÓu hiÖn çc gen, vÒ çc qu¸ tr×nh sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn, kÓ c¶ tiÕn hãa. Nh÷ng thµnh c«ng trong lÜnh vùc gi¶i tr×nh tù çc hÖ gen vµ kh¶ n¨ng nghiªn cøu toµn bé çc gen thuéc çc bé nhiÔm s¾c thÓ kh¸c nhau ®· thóc ®Èy çc nhµ khoa häc nç lùc nghiªn cøu mét hÖ thèng t−¬ng tù çc bé protein ®Çy ®ñ (proteom) ®−îc m· hãa t−¬ng øng bëi çc hÖ gen, tõ ®ã h×nh thµnh nªn mét lÜnh vùc nghiªn cøu míi gäi lµ hÖ protein häc (proteomics). Çc protein, chø kh«ng ph¶i çc gen m· hãa chóng, trong thùc tÕ thùc hiÖn phÇn lín çc ho¹t ®éng sèng cña tÕ bµo. V× vËy, ®Ó t×m hiÓu sù biÓu hiÖn chøc n¨ng sinh häc cña çc tÕ bµo vµ c¬ thÓ, chóng ta ph¶i t×m hiÓu çc protein ®−îc t¹o ra khi nµo vµ ë ®©u trong mçi c¬ thÓ, còng nh− viÖc chóng t−¬ng t¸c víi nhau thÕ nµo trong çc m¹ng l−íi t−¬ng t¸c ph©n tö. Çc hÖ thèng ®−îc t×m hiÓu thÕ nµo: mét vÝ dô Çc lÜnh vùc hÖ gen häc vµ hÖ protein häc cho phÐp çc nhµ sinh häc tiÕn hµnh çc nghiªn cøu vÒ sù sèng ë qui m« ngµy cµng réng lín vµ theo xu h−íng toµn cÇu. B»ng viÖc sö dông çc c«ng cô mµ chóng ta ®· m« t¶, çc nhµ sinh häc ®· b¾t ®Çu tËp hîp çc d÷ liÖu vÒ çc gen vµ çc protein, tøc lµ liÖt kª tÊt c¶ çc “cÊu phÇn” tham gia vµo viÖc ®iÒu hµnh çc ho¹t ®éng cña tÕ bµo, m« vµ c¬ thÓ. Víi tËp hîp çc d÷ liÖu nh− vËy, çc nhµ nghiªn cøu cã thÓ chuyÓn mèi quan t©m cña hä tõ mçi cÊu phÇn ®¬n lÎ sang sù biÓu hiÖn chøc n¨ng ë d¹ng tæ hîp gåm nhiÒu cÊu phÇn ë çc cÊp ®é cña hÖ thèng sinh häc. Nhí l¹i ë Ch−¬ng 1, chóng ta ®· ®Ò cËp ®Õn “sinh häc hÖ thèng” lµ lÜnh vùc m« h×nh hãa çc biÓu hiÖn ho¹t ®éng n¨ng ®éng cña çc hÖ thèng sinh häc toµn bé. Mét øng dông c¬ b¶n cña h−íng nghiªn cøu sinh häc hÖ thèng lµ x¸c ®Þnh ®−îc çc m¹ch nèi tiÕp gi÷a çc gen vµ çc m¹ng l−íi t−¬ng t¸c cña çc protein. Ch¼ng h¹n nh−, ®Ó x©y dùng ®−îc s¬ ®å m¹ng l−íi t−¬ng t¸c gi÷a çc protein ë ruåi Drosophila nh− ®−îc nªu ë Ch−¬ng 1, çc nhµ nghiªn cøu ®· b¾t ®Çu tõ trªn 10.000 b¶n phiªn m· ARN dù ®o¸n. Sau ®ã, b»ng çc ph−¬ng ph¸p ph©n tö, hä ®· kiÓm tra sù t−¬ng t¸c gi÷a toµn bé hoÆc mét phÇn çc s¶n phÈm protein thu ®−îc çc b¶n phiªn m· nµy. B»ng viÖc sö dông çc phÐp ph©n tÝch thèng kª ®Ó chän ra çc mèi t−¬ng t¸c cã sè liÖu thuyÕt phôc nhÊt, hä ®· t×m ra kho¶ng 4700 lo¹i protein biÓu hiÖn tham gia vµo 4000 mèi t−¬ng t¸c kh¸c nhau. Mét phÇn trong nh÷ng mèi t−¬ng t¸c nµy ®−îc minh häa ë d¹ng s¬ ®å trªn H×nh 21.5; chi tiÕt cã thÓ ®−îc nh×n dÔ h¬n ë hai h×nh phãng to bªn d−íi. §Ó cã thÓ xö lý mét sè lín çc d÷ liÖu thu ®−îc vÒ çc mèi t−¬ng t¸c protein - protein phøc t¹p thu ®−îc tõ çc thÝ nghiÖm nµy, ®ång thêi cã thÓ tæ hîp chóng víi nhau d−íi d¹ng çc s¬ ®å m« h×nh, chóng ta cÇn ®Õn çc hÖ thèng m¸y tÝnh hiÖu n¨ng cao, çc c«ng cô to¸n häc vµ çc phÇn mÒm ®−îc ph¸t triÓn míi. Nh− vËy, cã thÓ nãi sinh häc hÖ thèng trong thùc tÕ ®· trë thµnh hiÖn thùc nhê çc tiÕn bé cña tin sinh häc. øng dông sinh häc hÖ thèng trong y häc Dù ¸n Atl¸t HÖ gen Ung th− lµ mét vÝ dô kh¸c vÒ sinh häc hÖ thèng mµ ë ®ã ng−êi ta ®ång thêi tiÕn hµnh ph©n tÝch mét sè lín çc gen vµ s¶n phÈm cña gen t−¬ng t¸c víi nhau. Dù ¸n nµy ®Æt d−íi sù chØ ®¹o phèi hîp cña ViÖn Ung th− Quèc gia (Mü)vµ NIH nh»m t×m hiÓu nh÷ng thay ®æi trong çc hÖ thèng sinh häc dÉn ®Õn sù ph¸t sinh ung th−. Trong giai ®o¹n 3 n¨m thö nghiÖm dù ¸n (tõ 2007 ®Õn 2010), çc nhµ nghiªn cøu tËp trung ph©n tÝch ba lo¹i ung th− lµ ung th− phæi, ung th− buång trøng vµ u nguyªn bµo ®Öm (glioblastoma) th«ng qua viÖc t×m hiÓu sù kh¸c nhau trong tr×nh tù cña çc gen vµ sù biÓu hiÖn cña chóng ë çc tÕ bµo ung th− so víi çc tÕ bµo b×nh th−êng. Mét tËp hîp gåm kho¶ng 2000 gen ë çc tÕ bµo ung th− sÏ ®−îc gi¶i tr×nh tù vµo çc thêi ®iÓm kh¸c nhau trong qu¸ tr×nh tiÕn triÓn cña bÖnh nh»m t×m ra nh÷ng thay ®æi hoÆc g©y ra do ®ét biÕn hoÆc g©y ra bëi çc c¬ chÕ s¾p xÕp l¹i nhiÔm s¾c thÓ kh¸c. NÕu nh÷ng nghiªn cøu nµy thµnh c«ng, chóng sÏ ®−îc më réng ¸p dông ®Ó nghiªn cøu çc lo¹i bÖnh ung th− kh¸c. H×nh 21.5 Sinh häc hÖ thèng tiÕp cËn çc t−¬ng t¸c protein. B¶n ®å t−¬ng t¸c protein tæng thÓ nµy hiÓn thÞ mét tËp hîp con cña çc t−¬ng t¸c nhiÒu kh¶ n¨ng nhÊt (®−êng kÎ nèi) tõ 2300 protein (vßng trßn nhá) ë ruåi Drosophila. Ba mµu nÒn kh¸c nhau trªn b¶n ®å t−¬ng øng víi vÞ trÝ chung cña mçi protein: mµu xanh lôc lµ nh©n, xanh lam lµ tÕ bµo chÊt vµ vµng lµ mµng sinh chÊt. Çc protein ®−îc “m· hãa” b»ng mµu t−¬ng øng víi vÞ trÝ ®Þnh vÞ trong tÕ bµo ®Æc thï cña chóng; vÝ dô, çc vßng trßn mµu xanh lôc lµ çc protein trong nh©n. Çc protein

7. 432 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc Sinh häc hÖ thèng cã tiÒm n¨ng øng dông to lín trong y häc, mÆc dï hiÖn nay nã míi b¾t ®Çu ®−îc triÓn khai. §Õn nay, ng−êi ta ®· t¹o ra ®−îc çc lo¹i chip vi d·y (microarray) lµm b»ng thñy tinh hoÆc silicon chøa phÇn lín çc gen ®· biÕt cña ng−êi (H×nh 21.6). Nh÷ng chip nh− vËy ®ang ®−îc sö dông ®Ó ph©n tÝch sù biÓu hiÖn cña çc gen ë nh÷ng bÖnh nh©n m¾c çc chøng bÖnh ung th− kh¸c nhau vµ mét sè bÖnh lý kh¸c n÷a. Môc ®Ých cuèi cïng cña nh÷ng nghiªn cøu nµy lµ ®Ò ra çc ph¸c ®å ®iÒu trÞ phï hîp ®Æc thï víi b¶n chÊt di truyÒn cña mçi bÖnh nh©n vµ ®Æc tr−ng ®èi víi mçi lo¹i bÖnh ung th− mµ hä m¾c ph¶i. Çch tiÕp cËn nµy ®· ®¹t ®−îc mét sè thµnh c«ng nhÊt ®Þnh trong viÖc x¸c ®Þnh ®−îc ®Æc tÝnh ë mét sè nhãm bÖnh ung th−. Cuèi cïng, mçi ng−êi chóng ta cã thÓ cã mét “hå s¬ y häc” cïng víi çc tr×nh tù ADN cña m×nh; ®ã lµ mét tËp hîp nhá th«ng tin di truyÒn víi çc vïng hÖ gen ®−îc “®¸nh dÊu” cho biÕt xu h−íng mÉn c¶m víi nh÷ng bÖnh nhÊt ®Þnh. Lóc nµy, tiÒm n¨ng øng dông trong phßng tr¸nh vµ ®iÒu trÞ bÖnh ®èi víi mçi ng−êi sÏ thµnh hiÖn thùc. Sinh häc hÖ thèng lµ mét çch tiÕp cËn nghiªn cøu hiÖu qu¶ vÒ çc thuéc tÝnh ë cÊp ®é ph©n tö. Tõ Ch−¬ng 1 chóng ta nhí l¹i r»ng, çc thuéc tÝnh míi ®−îc t×m thÊy ë cÊp ®é tæ chøc phøc t¹p h¬n th−êng b¾t nguån tõ sù s¾p xÕp çc “khèi cÊu tróc” cña cÊp ®é tæ chøc thÊp h¬n. Khi chóng ta hiÓu biÕt ngµy cµng ®Çy ®ñ h¬n vÒ çch s¾p xÕp vµ tæ hîp cña çc cÊu phÇn thuéc çc hÖ thèng di truyÒn, chóng ta cµng hiÓu biÕt s©u h¬n vÒ ho¹t ®éng cña çc c¬ thÓ sèng. PhÇn cßn l¹i cña ch−¬ng nµy sÏ ®Ò cËp ®Õn nh÷ng kiÕn thøc mµ chóng ta ®· häc ®−îc ®Õn nµy nhê çc nghiªn cøu thuéc lÜnh vùc hÖ gen häc. TÝnh ®Õn ®Çu n¨m 2008, viÖc gi¶i tr×nh tù cña trªn 700 hÖ gen ®· hoµn thµnh vµ kho¶ng trªn 2700 hÖ gen kh¸c ®ang tiÕp tôc ®−îc gi¶i tr×nh tù. Trong nhãm çc hÖ gen ®· ®−îc gi¶i tr×nh tù hoµn toµn, cã kho¶ng 600 hÖ gen vi khuÈn vµ 50 hÖ gen vi khuÈn cæ. Trong sè 65 loµi sinh vËt nh©n thËt thuéc nhãm nµy cã çc loµi ®éng vËt cã x−¬ng sèng, çc loµi ®éng vËt kh«ng x−¬ng sèng, çc nguyªn sinh ®éng vËt, nÊm vµ thùc vËt. Çc tr×nh tù hÖ gen ®· ®−îc tÝch lòy chøa ®ùng mét tµi nguyªn th«ng tin phong phó mµ hiÖn nay chóng ta míi b¾t ®Çu khai th¸c. Cho ®Õn nay chóng ta ®· häc ®−îc g× tõ viÖc so s¸nh çc hÖ gen ®· ®−îc gi¶i tr×nh tù? Trong môc nµy, chóng ta sÏ xem xÐt çc ®Æc tÝnh vÒ kÝch cì hÖ gen, sè gen vµ mËt ®é gen cña chóng. Do xÐt vÒ chi tiÕt, çc ®Æc tÝnh nµy rÊt ®a d¹ng, nªn chóng ta chØ nhÊn m¹nh vµo çc xu h−íng chung; tuy vËy, bªn c¹nh çc xu h−íng chung th× th−êng xuÊt hiÖn çc ngo¹i lÖ. KÝch cì hÖ gen Khi so s¸nh hÖ gen gi÷a ba liªn giíi (vi khuÈn, vi khuÈn cæ vµ sinh vËt nh©n thËt), chóng ta nhËn thÊy mét xu h−íng kh¸c biÖt chung vÒ kÝch cì hÖ gen gi÷a çc sinh vËt nh©n s¬ (vi khuÈn vµ vi khuÈn cæ) víi sinh vËt nh©n thËt (B¶ng 21.1). Ngoµi mét sè ngo¹i lÖ, phÇn lín hÖ gen vi khuÈn cã kÝch cì tõ 1 ®Õn 6 triÖu cÆp baz¬ (bp); ch¼ng h¹n nh− hÖ gen cña E. coli lµ 4,6 triÖu bp. HÖ gen cña çc vi khuÈn cæ trong phÇn lín tr−êng hîp cã kÝch cì gièng víi hÖ gen vi khuÈn. (Tuy vËy, cÇn ph¶i nhí r»ng míi chØ cã mét sè Ýt hÖ gen vi khuÈn cæ ®· ®−îc gi¶i tr×nh tù hoµn toµn, v× vËy “bøc tranh toµn c¶nh” nµy còng cã thÓ sÏ thay ®æi.) Çc hÖ gen sinh vËt nh©n thËt cã xu h−íng lín h¬n. HÖ gen cña nÊm men ®¬n bµo Saccharomyces cerevisiae lµ kho¶ng 13 Mb (triÖu cÆp baz¬); trong khi ®ã, phÇn lín çc loµi ®éng vËt vµ thùc vËt, tøc lµ çc sinh vËt ®a bµo, cã kÝch cì hÖ gen Ýt nhÊt lµ 100 Mb. HÖ gen ruåi giÊm cã kÝch cì lµ 180 Mb, cßn hÖ gen ng−êi lµ 3.200 Mb, nghÜa lµ lín h¬n tõ 500 ®Õn 3000 lÇn so víi mét hÖ gen vi khuÈn ®iÓn h×nh. Bªn c¹nh sù kh¸c biÖt chung gi÷a hÖ gen cña çc sinh vËt nh©n s¬ vµ sinh vËt nh©n thËt, th× viÖc so s¸nh kÝch cì hÖ gen trong ph¹m vi çc loµi sinh vËt nh©n thËt l¹i kh«ng ph¶n ¸nh mèi t−¬ng quan cã hÖ thèng gi÷a kÝch cì hÖ gen víi kiÓu h×nh cña çc loµi sinh vËt. Ch¼ng h¹n nh−, hÖ gen cña loµi Fritillaria assyriaca, mét loµi hoa thuéc hä lily, cã kÝch cì lµ 120 tØ cÆp baz¬ (120.000 Mb), tøc lµ lín h¬n kho¶ng 40 lÇn so víi hÖ gen ng−êi. Nh−ng cßn kinh ng¹c h¬n lµ hÖ gen mét loµi amip ®¬n bµo, Amoeba dubia, cã kÝch cì kho¶ng 670.000 Mb. (HÖ gen loµi nµy ch−a ®−îc gi¶i tr×nh tù.) Trong ph¹m vi hÑp h¬n, viÖc so s¸nh hÖ gen gi÷a hai loµi c«n trïng cho thÊy hÖ gen cña dÕ (Anabrus simplex) lín h¬n 11 lÇn so víi hÖ gen cña ruåi giÊm (Drosophila melanogaster). KÝch cì hÖ gen còng biÕn ®éng réng trong ph¹m vi mçi nhãm loµi nguyªn sinh ®éng vËt, c«n trïng, l−ìng c− vµ thùc vËt; nh−ng Ýt biÕn ®éng h¬n trong ph¹m vi çc loµi thó vµ bß s¸t. Sè gen Mét xu h−íng kh¸c biÖt t−¬ng tù còng ®óng khi xÐt vÒ sè gen: nghÜa lµ, nh×n chung çc vi khuÈn vµ vi khuÈn cæ cã Ýt gen h¬n so víi sinh vËt nh©n thËt. Çc vi khuÈn vµ vi khuÈn cæ sèng tù 21.3 Kh¸i niÖm Çc hÖ gen kh¸c nhau vÒ kÝch cì, sè gen vµ mËt ®é gen H×nh 21.6 Mét chip ph©n tÝch gen ng−êi. Çc ®iÓm nhá chøa ADN ®−îc xÕp thµnh çc ®−êng kÎ « trªn b¶n silicon nµy ®¹i diÖn cho hÇu hÕt çc gen trong hÖ gen ng−êi. Nhê sö dông chip nµy, çc nhµ nghiªn cøu cã thÓ ph©n tÝch cïng lóc møc biÓu hiÖn cña tÊt c¶ çc gen, qua ®ã gióp gi¶m l−îng hãa chÊt cÇn dïng tèi ®a ®ång thêi ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn ®ång ®Òu cho tÊt c¶ çc gen. 21.2 1. Internet cã vai trß nh− thÕ nµo trong çc nghiªn cøu hiÖn nay vÒ çc hÖ gen häc vµ protein häc ? 2. H·y gi¶i thÝch −u thÕ cña çc nghiªn cøu theo h−íng sinh häc hÖ thèng khi t×m hiÓu vÒ ung th− so víi ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu ®éc lËp tõng gen vµo mçi thêi ®iÓm. 3. Gi¶ sö b¹n ®ang dïng mét ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu di truyÒn kinh ®iÓn ®Ó t×m hiÓu mét tÝnh tr¹ng di truyÒn ë ruåi Drosophila. Cô thÓ, b¹n ®· g©y ®ét biÕn ë ruåi vµ chän läc ra ®−îc çc ç thÓ cã kiÓu h×nh mµ b¹n quan t©m. Gi¶ thiÕt b¹n còng cã thÓ sö dông çc c«ng cô sinh häc ph©n tö ®Ó thu ®−îc vïng ADN mang ®ét biÕn. B¹n sÏ tiÕp tôc ph©n tÝch ®ét biÕn ®ã nh− thÕ nµo ®Ó cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc çch mµ nã liªn quan ®Õn kiÓu h×nh ®−îc quan t©m ? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A. KiÓm tra kh¸i niÖm ®iÒu g× NÕu

8. Ch−¬ng 21 Çc hÖ gen vµ sù tiÕn hãa cña chóng 433 do cã tõ 1500 ®Õn 7500 gen, trong khi sè gen ë çc sinh vËt nh©n thËt dao ®éng tõ kho¶ng 5000 gen ë çc nÊm ®¬n bµo cho ®Õn Ýt nhÊt 40.000 gen ë mét sè loµi sinh vËt nh©n thËt ®a bµo (xem B¶ng 21.1). Trong ph¹m vi çc loµi sinh vËt nh©n thËt, sè gen ë mçi loµi th−êng thÊp h¬n sè gen ®−îc dù ®o¸n ®¬n thuÇn trªn c¬ së kÝch cì hÖ gen cña chóng. Nh×n vµo B¶ng 21.1, b¹n cã thÓ thÊy hÖ gen giun trßn C. elegans cã kÝch cì lµ 100 Mb vµ chøa kho¶ng 20.000 gen. Trong khi ®ã, hÖ gen Drosophila cã kÝch c¬ gÇn gÊp ®«i (180 Mb), song chØ cã sè gen b»ng kho¶ng hai phÇn ba - tøc lµ, chØ cã 13.700 gen. H·y xem mét vÝ dô kh¸c gÇn gòi h¬n, chóng ta ®Ó ý thÊy hÖ gen ng−êi chøa 3200 Mb, tøc lµ lín h¬n kho¶ng trªn 10 lÇn so víi çc hÖ gen Drosophila vµ C. elegans. Khi Dù ¸n HÖ gen Ng−êi khëi ®éng, trªn c¬ së sè protein ®· biÕt, çc nhµ sinh häc mong ®îi sÏ cã kho¶ng tõ 50.000 ®Õn 100.000 gen sÏ ®−îc x¸c ®Þnh sau khi hoµn thµnh viÖc gi¶i tr×nh tù hÖ gen. Däc theo tiÕn tr×nh triÓn khai dù ¸n, sè gen −íc l−îng cã trong hÖ gen ng−êi ®−îc söa ®æi nhiÒu lÇn theo xu h−íng gi¶m dÇn; vµ ®Õn n¨m 2007, sè gen −íc l−îng ®−îc tin cËy h¬n c¶ dõng ë con sè 20.488 gen. Sè l−îng gen t−¬ng ®èi thÊp nµy, chØ gÇn gièng sè gen cã ë loµi giun trßn C. elegans, ®· g©y söng sèt nhiÒu nhµ sinh häc vèn ®· lu«n mong ®îi hÖ gen ng−êi cã nhiÒu gen h¬n. Thuéc tÝnh di truyÒn nµo ®· cho phÐp loµi ng−êi (vµ nhiÒu loµi ®éng vËt cã x−¬ng sèng kh¸c) tiÕn hãa mµ kh«ng cÇn nhiÒu gen h¬n so víi giun trßn? Mét yÕu tè quan träng ®ã lµ çc tr×nh tù m· hãa trong çc hÖ gen ®éng vËt cã x−¬ng sèng cã ®Æc ®iÓm “mét vèn bèn lêi” do chóng cã nhiÒu çch c¾t - nèi çc b¶n phiªn m· kh¸c nhau. Chóng ta nhí l¹i r»ng qu¸ tr×nh nµy cã thÓ t¹o ra nhiÒu h¬n mét lo¹i protein biÓu hiÖn chøc n¨ng xuÊt ph¸t tõ mét gen duy nhÊt (xem H×nh 18.11). VÝ dô nh−, hÇu hÕt çc gen ë ng−êi ®Òu chøa nhiÒu exon, vµ −íc l−îng cã kho¶ng 75% sè gen gåm nhiÒu exon nµy ®−îc c¾t - nèi Ýt nhÊt b»ng hai çch kh¸c nhau. NÕu chóng ta gi¶ thiÕt mçi gen khi ®−îc c¾t nèi theo çc çch kh¸c nhau trung b×nh x¸c ®Þnh 3 chuçi polypeptit kh¸c nhau, th× tæng sè chuçi polypeptit kh¸c nhau ë ng−êi sÏ ®¹t con sè kho¶ng 75.000. Sù ®a d¹ng cña çc chuçi polypeptit thùc tÕ cßn bæ sung thªm bëi çc biÕn ®æi sau dÞch m·, ch¼ng h¹n bëi sù c¾t tØa çc axit amin hay g¾n thªm çc gèc cacbohydrat diÔn ra kh¸c nhau ë çc tÕ bµo kh¸c nhau hoÆc ë çc giai ®o¹n kh¸c nhau cña qu¸ tr×nh ph¸t triÓn. MËt ®é gen vµ çc tr×nh tù ADN kh«ng m· hãa Bªn c¹nh kÝch cì hÖ gen vµ sè gen, chóng ta còng cã thÓ so s¸nh mËt ®é gen ë nh÷ng loµi kh¸c nhau, nghÜa lµ cã bao nhiªu gen trªn mét ®¬n vÞ chiÒu dµi cña ADN. Khi chóng ta so s¸nh hÖ gen gi÷a çc loµi vi khuÈn, vi khuÈn cæ vµ sinh vËt nh©n thËt, chóng ta thÊy sinh vËt nh©n thËt th−êng cã hÖ gen lín h¬n nh−ng l¹i cã sè gen Ýt h¬n trªn cïng mét sè nhÊt ®Þnh çc cÆp baz¬. Ng−êi cã kÝch cì hÖ gen lín h¬n hµng tr¨m thËm chÝ hµng ngh×n lÇn so víi hÖ gen cña phÇn lín çc loµi vi khuÈn, nh−ng nh− chóng ta ®· nãi, ng−êi chØ cã sè gen gÊp tõ 5 ®Õn 15 lÇn so víi nh÷ng loµi nµy; nh− vËy, mËt ®é gen ë ng−êi lµ thÊp h¬n (xem B¶ng 21.1). Ngay c¶ çc loµi sinh vËt nh©n thËt ®¬n bµo, nh− nÊm men, còng cã Ýt gen h¬n trong mçi mét triÖu cÆp baz¬ so víi çc loµi vi khuÈn vµ vi khuÈn cæ. Trong sè çc hÖ gen ®· ®−îc gi¶i tr×nh tù hoµn toµn ®Õn nay, ng−êi vµ çc loµi thó cã mËt ®é gen thÊp nhÊt. Trong tÊt c¶ çc hÖ gen vi khuÈn ®· ®−îc nghiªn cøu ®Õn nay, phÇn lín ADN chøa çc gen m· hãa cho protein, tARN hoÆc rARN; mét l−îng nhá cña çc tr×nh tù ADN cßn l¹i gåm chñ yÕu lµ çc tr×nh tù ®iÒu hßa kh«ng ®−îc phiªn m·, ch¼ng h¹n nh− çc tr×nh tù khëi ®Çu phiªn m· (promoter). Tr×nh tù çc nucleotit däc theo mét gen m· hãa protein ë vi khuÈn th−êng kh«ng bÞ ng¾t qu·ng tõ vÞ trÝ b¾t ®Çu cho ®Õn vÞ trÝ kÕt thóc bëi çc tr×nh tù kh«ng m· hãa (intron). Ng−îc l¹i, ë çc hÖ gen sinh vËt nh©n thËt, phÇn lín ADN hoÆc kh«ng ®−îc dïng ®Ó m· hãa cho protein hoÆc kh«ng ®−îc phiªn m· thµnh çc ph©n tö ARN biÓu hiÖn chøc n¨ng (nh− tARN ch¼ng h¹n), ®ång thêi ADN chøa nhiÒu tr×nh tù ®iÒu hßa phøc t¹p. Trong thùc tÕ, hÖ gen ng−êi chøa ADN kh«ng m· hãa nhiÒu h¬n kho¶ng 10.000 lÇn so víi hÖ gen vi khuÈn. Mét sè tr×nh tù ADN kh«ng m· hãa nµy ë sinh vËt nh©n thËt ®a bµo xuÊt hiÖn trong çc intron cña çc gen. Thùc tiÔn cho thÊy çc intron lµ nh©n tè chÝnh dÉn ®Õn phÇn lín çc kh¸c biÖt vÒ chiÒu dµi trung b×nh gi÷a çc gen cña ng−êi (27.000 bp) so víi çc gen cña vi khuÈn (1000 bp). B¶ng 21.1 KÝch cì hÖ gen vµ sè gen −íc tÝnh* Loµi KÝch cì hÖ gen ®¬n béi (Mb) Sè gen Sè gen / Mb Vi khuÈn Haemophilus influenzae 1,8 1700 940 Escherichia coli 4,6 4400 950 Vi khuÈn cæ Archaeoglobus fulgidus 2,2 2500 1130 Methanosarcina barkeri 4,8 3600 750 Sinh vËt nh©n thËt Saccharomyces cerevisiae (nÊm men) 13 6200 480 Caenorhabditis elegans (giun trßn) 100 20.000 200 Arabidopsis thaliana (c©y thuéc hä mï t¹t) 118 25.500 215 Drosophila melanogaster (ruåi giÊm) 180 13.700 76 Oryza sativa (lóa g¹o) 390 40.000 140 Danio rerio (ç ngùa) 1700 23.000 13 Mus musculus (chuét nhµ) 2600 22.000 11 Homo sapiens (ng−êi) 3200 20.500 7 Fritillaria assyriaca (c©y thuéc hä lily) 120.000 ND ND * Mét sè sè liÖu trªn ®©y cã thÓ sÏ ®−îc chØnh lý sau nµy do çc ph©n tÝch hÖ gen vÉn ®ang tiÕp tôc tiÕn hµnh. Mb = 1 triÖu cÆp baz¬ (bp). ND = ch−a x¸c ®Þnh.

9. 434 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc Bªn c¹nh çc intron, çc sinh vËt nh©n thËt ®a bµo chøa mét l−îng lín ADN kh«ng m· hãa ë gi÷a çc gen. Trong môc tiÕp theo, chóng ta sÏ m« t¶ thµnh phÇn vµ çch s¾p xÕp çc chuçi tr×nh tù lín cña ADN nh− vËy trong hÖ gen ng−êi. §Õn ®©y, cã thÓ nãi chóng ta ®· dïng phÇn lín dung l−îng cña ch−¬ng nµy, mµ thùc tÕ lµ cña c¶ khèi kiÕn thøc nµy, ®Ó tËp trung nãi vÒ çc gen m· hãa protein. Nh−ng trong thùc tÕ, çc vïng m· hãa cña nh÷ng gen nµy vµ çc gen m· hãa cho çc s¶n phÈm ARN nh− rARN, tARN vµ tiÓu-ARN (miARN hay microARN) chØ chiÕm mét tØ lÖ nhá trong hÖ gen cña phÇn lín çc sinh vËt nh©n thËt ®a bµo. Mét phÇn lín hÖ gen cña hÇu hÕt sinh vËt nh©n thËt lµ çc tr×nh tù ADN hoÆc kh«ng m· hãa cho protein hoÆc kh«ng ®−îc phiªn m· ®Ó t¹o nªn çc lo¹i ARN cã chøc n¨ng ®· biÕt; nh÷ng tr×nh tù ADN kh«ng m· hãa nµy tr−íc kia th−êng ®−îc m« t¶ nh− çc “ADN d− thõa”. Tuy vËy, ngµy cµng cã nhiÒu b»ng chøng cho thÊy nh÷ng tr×nh tù ADN nµy gi÷ vai trß quan träng trong ho¹t ®éng sèng cña tÕ bµo; ý t−ëng nµy ®ång thêi ®−îc cñng cè bëi sù tån t¹i mét çch “bÒn v÷ng” qua hµng tr¨m thÕ hÖ cña nh÷ng tr×nh tù nµy ë nhiÒu hÖ gen kh¸c nhau. Ch¼ng h¹n, khi so s¸nh hÖ gen gi÷a ng−êi víi chuét ®ång vµ chuét nhµ, çc nhµ nghiªn cøu t×m thÊy cã ®Õn 500 vïng ADN kh«ng m· hãa trong hÖ gen gièng hÖt nhau ë c¶ ba loµi. ë nh÷ng loµi nµy, møc ®é b¶o thñ cña nh÷ng tr×nh tù nµy thËm chÝ cßn cao h¬n so víi çc vïng m· hãa protein; ®iÒu nµy ñng hé m¹nh mÏ cho gi¶ thiÕt çc vïng kh«ng m· hãa cã nh÷ng chøc n¨ng quan träng. Trong môc nµy chóng ta sÏ t×m hiÓu çc gen vµ çc tr×nh tù ADN kh«ng m· hãa ®−îc tæ chøc nh− thÕ nµo trong hÖ gen cña çc sinh vËt nh©n thËt, víi vÝ dô chñ yÕu chÝnh lµ hÖ gen ng−êi cña chóng ta. Çch tæ chøc cña hÖ gen cho chóng ta biÕt con ®−êng mµ çc hÖ gen ®· vµ ®ang tiÕp tôc tiÕn hãa; ®©y còng lµ néi dung ®−îc ®Ò cËp tiÕp theo. Khi hÖ gen ng−êi ®· ®−îc gi¶i tr×nh tù hoµn toµn, mét sù thËt ®−îc béc lé râ rµng lµ chØ cã 1,5% tr×nh tù nucleotit trong hÖ gen ®−îc dïng hoÆc ®Ó m· hãa cho çc protein hoÆc ®−îc phiªn m· thµnh çc ph©n tö rARN vµ tARN. H×nh 21.7 cho thÊy thµnh phÇn cÊu tróc nªn 98,5% tr×nh tù cßn l¹i cña hÖ gen ng−êi. Çc tr×nh tù ®iÒu hßa liªn quan ®Õn çc gen vµ çc tr×nh tù intron chiÕm 24% hÖ gen ng−êi; phÇn cßn l¹i, n»m gi÷a çc gen biÓu hiÖn chøc n¨ng (çc tr×nh tù liªn gen), gåm çc tr×nh tù kh«ng m· hãa ®¬n nhÊt, ch¼ng h¹n nh− çc ph©n ®o¹n cña gen vµ çc gen gi¶, tøc lµ çc gen cò vèn tõng tån t¹i nh−ng sau ®ã do tÝch lòy çc ®ét biÕn ®· trë nªn mÊt chøc n¨ng. Tuy vËy, phÇn lín çc tr×nh tù ADN liªn gen lµ nh÷ng tr×nh tù ADN lÆp l¹i, tøc lµ çc tr×nh tù cã mÆt víi nhiÒu b¶n sao trong hÖ gen. §iÒu ®¸ng ng¹c nhiªn lµ ba phÇn t− cña çc tr×nh tù ADN lÆp l¹i nµy (t−¬ng øng víi 44% cña toµn bé hÖ gen ng−êi) t¹o nªn çc ®¬n vÞ ®−îc gäi lµ çc yÕu tè di truyÒn vËn ®éng hoÆc çc tr×nh tù cã liªn quan ®Õn chóng. 21.4 Kh¸i niÖm Sinh vËt nh©n thËt ®a bµo cã nhiÒu ADN kh«ng m hãa vµ nhiÒu hä ®a gen 21.3 1. Theo çc sè liÖu −íc tÝnh hiÖn nay, hÖ gen ng−êi chøa kho¶ng 20.500 gen. Tuy vËy, cã b»ng chøng cho thÊy çc tÕ bµo ng−êi cã thÓ s¶n sinh nhiÒu h¬n 20.500 lo¹i chuçi polypeptide kh¸c nhau. Nh÷ng qu¸ tr×nh nµo cã thÓ gióp gi¶i thÝch cho sù “kh«ng nhÊt qu¸n” nµy? 2. Sè hÖ gen ®−îc gi¶i tr×nh tù ®ang tiÕp tôc t¨ng lªn ®Òu ®Æn. H·y sö dông trang web www.genomesonline.org ®Ó t×m sè hÖ gen hiÖn t¹i thuéc çc liªn giíi kh¸c nhau ®· ®−îc gi¶i tr×nh tù hoµn toµn, còng nh− sè hÖ gen ®ang tiÕp tôc ®−îc gi¶i tr×nh tù (gîi ý: H·y dïng chuét nh¸y kÐp vµo khÈu lÖnh “GOLD tables” råi sau ®ã nh¸y kÐp vµo “Published Complete Genomes” ®Ó cã thªm th«ng tin.) 3. Çc qu¸ tr×nh tiÕn hãa nµo cã thÓ gi¶i thÝch cho viÖc çc sinh vËt nh©n s¬ cã hÖ gen nhá h¬n so víi çc sinh vËt nh©n thËt ? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A. KiÓm tra kh¸i niÖm ®iÒu g× NÕu H×nh 21.7 Çc lo¹i tr×nh tù ADN trong hÖ gen ng−êi. Çc tr×nh tù gen m· hãa cho protein hoÆc ®−îc phiªn m· thµnh çc ph©n tö rARN hay tARN chØ chiÕm kho¶ng 1,5% hÖ gen ng−êi (mµu tÝa sÉm trªn biÓu ®å táa trßn), trong khi çc tr×nh tù ®iÒu hßa vµ çc intron liªn quan ®Õn çc gen (mµu tÝa nh¹t) chiÕm kho¶ng 1/4 hÖ gen. PhÇn lín h¬n c¶ cña hÖ gen ng−êi lµ nh÷ng tr×nh tù kh«ng m· hãa cho protein vµ còng kh«ng ®−îc dïng ®Ó t¹o ra çc lo¹i ARN ®· biÕt, mµ phÇn nhiÒu trong nh÷ng tr×nh tù nµy lµ çc ADN lÆp l¹i (mµu xanh lôc sÉm vµ nh¹t). Do ADN lÆp l¹i lµ nh÷ng tr×nh tù khã ph©n tÝch vµ khã gi¶i tr×nh tù h¬n c¶, nªn sù ph©n lo¹i cña mét phÇn nh÷ng tr×nh tù nµy ë trªn chØ cã tÝnh −íc ®o¸n, vµ çc tØ lÖ phÇn tr¨m ®−îc nªu cã thÓ sÏ thay ®æi ®«i chót khi çc nghiªn cøu ph©n tÝch hÖ gen vÉn ®ang tiÕp diÔn. Nh÷ng gen m· hãa çc miARN míi ®−îc t×m thÊy gÇn ®©y thuéc çc vïng ADN kh«ng m· hãa ®¬n nhÊt (tøc lµ kh«ng lÆp l¹i) vµ trong çc intron; nghÜa lµ, chóng thuéc hai vïng cña ®å thÞ táa trßn trªn ®©y. Çc exon (çc vïng gen m· hãa cho protein hoÆc ®−îc phiªn m· thµnh rARN vµ tARN) (1,5%) Intron vµ çc tr×nh tù ®iÒu hßa liªn quan ®Õn çc gen (24%) Çc tr×nh tù ADN kh«ng m· hãa ®¬n nhÊt (15%) ADN lÆp l¹i kh«ng liªn quan ®Õn çc yÕu tè vËn ®éng (15%) ADN lÆp l¹i bao gåm çc yÕu tè vËn ®éng vµ çc tr×nh tù liªn quan ®Õn chóng (44%) Çc ®o¹n lÆp kÝch th−íc lín (5 - 6%) ADN tr×nh tù ®¬n gi¶n (3%) Çc yÕu tè Alu (3%) Çc tr×nh tù L1 (17%)

10. Ch−¬ng 21 Çc hÖ gen vµ sù tiÕn hãa cña chóng 435 Çc yÕu tè di truyÒn vËn ®éng vµ çc tr×nh tù cã liªn quan ®Õn chóng C¶ sinh vËt nh©n s¬ còng nh− sinh vËt nh©n thËt ®Òu cã trong hÖ gen nh÷ng ®o¹n tr×nh tù ADN cã thÓ di chuyÓn tõ vÞ trÝ nµy sang vÞ trÝ kh¸c trong hÖ gen. Nh÷ng ®o¹n tr×nh tù ADN nh− vËy ®−îc gäi lµ çc yÕu tè di truyÒn vËn ®éng, hay ®−îc gäi t¾t lµ çc yÕu tè vËn ®éng. Trong qu¸ tr×nh ®−îc gäi lµ vËn ®éng, mét yÕu tè vËn ®éng sÏ di chuyÓn tõ mét vÞ trÝ trªn ADN trong tÕ bµo tíi mét vÞ trÝ ®Ých kh¸c nhê mét qu¸ tr×nh t¸i tæ hîp. §«i khi çc yÕu tè vËn ®éng ®−îc gäi lµ çc “gen nh¶y”, nh−ng thuËt ng÷ nµy thùc tÕ dÔ g©y hiÓu nhÇm bëi trong thùc tÕ nh÷ng ®o¹n tr×nh tù ADN vËn ®éng kh«ng bao giê rêi khái ADN cña tÕ bµo. (Çc vÞ trÝ gèc vµ vÞ trÝ ®Ých míi cña çc yÕu tè vËn ®éng ®−îc ®−a ®Õn gÇn nhau bëi c¬ chÕ “bÎ cong” ADN.) B»ng chøng ®Çu tiªn vÒ çc ph©n ®o¹n ADN cã thÓ di chuyÓn ®−îc ph¸t hiÖn tõ çc thÝ nghiÖm lai gièng ë c©y ng« ®−îc nhµ n÷ di truyÒn häc ng−êi Mü lµ Barbara McClintock tiÕn hµnh vµo nh÷ng n¨m 1940 vµ 1950 (H×nh 21.8). Khi theo dâi çc c©y ng« qua nhiÒu thÕ hÖ, McClintock x¸c ®Þnh ®−îc sù thay ®æi mµu néi nhò cña çc h¹t ng« chØ cã thÓ gi¶i thÝch ®−îc nÕu nh− cã sù tån t¹i cña çc yÕu tè di truyÒn cã thÓ vËn ®éng tõ nh÷ng vÞ trÝ kh¸c trong hÖ gen vµo trong çc gen qui ®Þnh tÝnh tr¹ng mµu néi nhò, lµm “ph¸ vì” nh÷ng gen nµy vµ dÉn ®Õn hiÖn t−îng mµu néi nhò thay ®æi. Ph¸t hiÖn cña McClintock ban ®Çu ®−îc ®ãn nhËn b»ng nhiÒu “hoµi nghi” vµ thËm chÝ bÞ ph¶n ®èi. Ph¶i mÊt nhiÒu n¨m sau ®ã, c«ng tr×nh nghiªn cøu kú c«ng cïng nh÷ng ý t−ëng s©u s¾c cña McClintock vÒ çc yÕu tè vËn ®éng míi ®−îc x¸c nhËn bëi çc nhµ di truyÒn häc vi khuÈn vµ vi sinh vËt khi hä t×m ra c¬ së ph©n tö cña qu¸ tr×nh vËn ®éng cña nh÷ng yÕu tè nµy. Sù vËn ®éng cña çc transposon vµ retrotransposon Çc sinh vËt nh©n thËt cã hai lo¹i yÕu tè vËn ®éng. Lo¹i thø nhÊt ®−îc gäi lµ çc transposon; lo¹i yÕu tè nµy vËn ®éng trong hÖ gen th«ng qua mét ADN trung gian. Çc transposon cã thÓ vËn ®éng hoÆc bëi c¬ chÕ “c¾t - d¸n” vµ chóng ®−îc chuyÓn dêi khái vÞ trÝ gèc, hoÆc bëi c¬ chÕ “sao chÐp - d¸n” vµ chóng ®Ó l¹i mét b¶n sao t¹i vÞ trÝ gèc (H×nh 21.9a). PhÇn lín çc yÕu tè vËn ®éng trong hÖ gen sinh vËt nh©n thËt thuéc lo¹i thø hai, ®−îc gäi lµ çc retrotransposon; lo¹i yÕu tè nµy vËn ®éng trong hÖ gen th«ng qua mét ARN trung gian; ®©y lµ b¶n phiªn m· cña chÝnh ADN retrostransposon. Çc retrotransposon lu«n ®Ó l¹i mét b¶n sao t¹i vÞ trÝ ®Ých trong qu¸ tr×nh vËn ®éng, do chóng ®−îc phiªn m· thµnh ARN trung gian (H×nh 21.9b). Tr−íc khi cµi vµo vÞ trÝ ®Ých, ph©n tö ARN trung gian ®−îc phiªn m· ng−îc trë l¹i thµnh ADN bëi enzym phiªn m· ng−îc - reverse transcriptase - do chÝnh retrotransposon m· hãa. §iÒu nµy cã nghÜa lµ enzym phiªn m· ng−îc cã thÓ cã mÆt trong çc tÕ bµo mµ chóng kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i bÞ l©y nhiÔm bëi retrovirut. (Trong thùc tÕ, çc retrovirut, nh− ®· ®−îc ®Ò cËp ë Ch−¬ng 19, cã thÓ ®· tiÕn hãa b¾t nguån tõ chÝnh çc retrotransposon.) Ho¹t ®éng cµi tr×nh tù ADN ®−îc phiªn m· ng−îc vµo vÞ trÝ míi ®−îc xóc t¸c bëi enzym trong tÕ bµo. H×nh 21.8 ¶nh h−ëng cña çc yÕu tè vËn ®éng ®Õn mµu h¹t ng«. Barbara McClintock lµ ng−êi ®Çu tiªn ®−a ra ý t−ëng vÒ nh÷ng yÕu tè di truyÒn cã kh¶ n¨ng vËn ®éng khi quan s¸t hiÖn t−îng cã nhiÒu ®èm mµu kh¸c nhau trong nh©n cña çc h¹t ng«. Tuy ban ®Çu ý t−ëng cña bµ vµo nh÷ng n¨m 1940 ®−îc ®ãn nhËn bëi nh÷ng mèi hoµi nghi, nh−ng sau nµy ®· ®−îc kiÓm chøng lµ hoµn toµn x¸c thùc. Bµ ®−îc nhËn gi¶i Nobel n¨m 1983 khi ë tuæi 81 nhê c«ng tr×nh mang tÝnh tiªn phong cña m×nh. H×nh 21.9 Sù di chuyÓn cña çc yÕu tè vËn ®éng ë sinh vËt nh©n thËt. (a) Sù di chuyÓn cña çc transposon hoÆc theo c¬ chÕ “c¾t - d¸n” hoÆc theo c¬ chÕ “sao chÐp - d¸n” (®−îc minh häa ë ®©y) liªn quan ®Õn mét ph©n tö ADN sîi kÐp trung gian sau ®ã ®−îc cµi vµo hÖ gen. (b) Sù di chuyÓn cña çc retrotransposon b¾t ®Çu b»ng sù h×nh thµnh mét ph©n tö ARN m¹ch ®¬n trung gian. Çc b−íc cßn l¹i vÒ b¶n chÊt gièng víi mét phÇn chu kú sinh s¶n cña retrovirut (xem H×nh 19.8). Trong kiÓu di chuyÓn cña çc transposon theo kiÓu “sao chÐp - d¸n” vµ kiÓu di chuyÓn cña retrotransposon, tr×nh tù ADN võa ®−îc duy tr× ë vÞ trÝ gèc võa xuÊt hiÖn ë vÞ trÝ míi. PhÇn (a) ë trªn sÏ kh¸c nh− thÕ nµo nÕu c¬ chÕ ®−îc minh häa ë ®©y lµ c¬ chÕ di chuyÓn kiÓu “c¾t - d¸n” ? Transposon ADN hÖ gen Transposon ®−îc sao chÐp Transposon vËn ®éng Cµi vµo hÖ gen B¶n sao míi cña transposon (a) Sù di chuyÓn cña transposon (c¬ chÕ kiÓu “sao chÐp - d¸n”) Retrotransposon ARN Reverse transcriptase Cµi vµo hÖ gen B¶n sao míi cña retrotransposon (b) Sù di chuyÓn cña retrotransposon

11. 436 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc Çc tr×nh tù liªn quan ®Õn çc yÕu tè vËn ®éng ë sinh vËt nh©n thËt, nhiÒu b¶n sao cña çc yÕu tè vËn ®éng vµ çc tr×nh tù liªn quan ®Õn chóng n»m r¶i r¸c kh¾p hÖ gen. Mçi ®¬n vÞ riªng lÎ cña yÕu tè vËn ®éng th−êng dµi tõ vµi tr¨m ®Õn vµi ngh×n cÆp baz¬, vµ çc b¶n sao n»m ph©n t¸n th−êng gièng nhau, nh−ng kh«ng gièng hÖt nhau. Mét sè yÕu tè vËn ®éng nh− vËy cã kh¶ n¨ng vËn ®éng; çc enzym cÇn thiÕt cho sù vËn ®éng cña nã cã thÓ ®−îc m· hãa bëi mét yÕu tè vËn ®éng bÊt kú, bao gåm c¶ chÝnh yÕu tè vËn ®éng ®ang ho¹t ®éng. Nh÷ng tr×nh tù kh¸c lµ nh÷ng tr×nh tù cã liªn quan nh−ng ®· mÊt hoµn toµn kh¶ n¨ng vËn ®éng. Çc yÕu tè vËn ®éng vµ çc tr×nh tù cã liªn quan chiÕm kho¶ng 25% - 50% hÖ gen ë phÇn lín ®éng vËt cã vó (xem H×nh 21.7); tØ lÖ nµy thËm chÝ cßn cao h¬n ë çc loµi l−ìng c− vµ nhiÒu loµi thùc vËt. ë ng−êi vµ nhiÒu loµi linh tr−ëng kh¸c, mét tØ lÖ lín çc tr×nh tù ADN liªn quan ®Õn çc yÕu tè vËn ®éng bao gåm mét hä çc tr×nh tù gièng nhau ®−îc gäi lµ çc yÕu tè Alu. Riªng nh÷ng tr×nh tù nµy ®· chiÕm kho¶ng 10% hÖ gen ng−êi. Çc yÕu tè Alu cã chiÒu dµi kho¶ng 300 nucleotit, tøc lµ ng¾n h¬n nhiÒu so víi phÇn lín çc yÕu tè vËn ®éng cßn ho¹t ®éng kh¸c, vµ chóng kh«ng m· hãa cho bÊt cø protein nµo. Tuy vËy, nhiÒu yÕu tè Alu ®−îc phiªn m· thµnh ARN; chøc n¨ng trong tÕ bµo cña chóng (nÕu cã) ®Õn nay ch−a râ. Mét tØ lÖ lín h¬n (17%) cña hÖ gen ng−êi lµ mét lo¹i retrotransposon kh¸c, ®−îc gäi lµ çc yÕu tè LINE-1 hay L1. Nh÷ng yÕu tè nµy dµi h¬n nhiÒu so víi çc yÕu tè Alu (kho¶ng 6500 bp) vµ cã tØ lÖ vËn ®éng thÊp. T¹i sao tØ lÖ vËn ®éng cña çc yÕu tè lo¹i nµy l¹i thÊp? Çc nghiªn cøu gÇn ®©y ph¸t hiÖn ra r»ng trong çc yÕu tè L1 cã çc tr×nh tù ng¨n c¶n ho¹t ®éng cña ARN polymerase vèn cÇn thiÕt cho sù vËn ®éng. Mét nghiªn cøu bæ sung t×m thÊy çc tr×nh tù L1 cã trong intron cña kho¶ng 80% sè gen ng−êi ®−îc ®em ph©n tÝch, ®iÒu nµy cho thÊy cã kh¶ n¨ng L1 gióp ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen. Mét sè nhµ nghiªn cøu kh¸c cho r»ng: çc retrotransposon L1 cã thÓ cã hiÖu qu¶ biÖt hãa qua ®iÒu hßa biÓu hiÖn gen dÉn ®Õn sù ph¸t triÓn çc lo¹i n¬ron, gãp phÇn t¹o nªn sù ®a d¹ng cña çc lo¹i tÕ bµo n¬ron (xem Ch−¬ng 48). MÆc dï cã nhiÒu yÕu tè vËn ®éng m· hãa cho çc protein, nh−ng nh÷ng protein nµy kh«ng thùc hiÖn nh÷ng chøc n¨ng tÕ bµo b×nh th−êng. Do vËy, çc yÕu tè vËn ®éng th−êng ®−îc qui vµo nhãm ADN “kh«ng m· hãa”, cïng víi çc tr×nh tù lÆp l¹i dµi kh¸c cã trong hÖ gen. Çc tr×nh tù ADN lÆp l¹i kh¸c, bao gåm c¶ çc ADN tr×nh tù ®¬n gi¶n Çc tr×nh tù ADN lÆp l¹i vèn kh«ng liªn quan ®Õn çc yÕu tè vËn ®éng cã vÎ xuÊt hiÖn do çc sai sãt trong çc qu¸ tr×nh sao chÐp hoÆc t¸i tæ hîp cña ADN. Nh÷ng tr×nh tù ADN nh− vËy chiÕm kho¶ng 15% hÖ gen ng−êi (xem H×nh 21.7). Kho¶ng mét phÇn ba trong sè nµy (tøc lµ kho¶ng 5 - 6% hÖ gen ng−êi) lµ nh÷ng ®o¹n ADN dµi lÆp l¹i hai lÇn víi mçi ®¬n vÞ lÆp l¹i dµi tõ 10.000 ®Õn 30.000 cÆp baz¬. Çc ®o¹n ADN dµi nh− vËy d−êng nh− ®· ®−îc sao chÐp tõ vÞ trÝ nµy sang vÞ trÝ kh¸c thuéc cïng mét nhiÔm s¾c thÓ hoÆc thuéc hai nhiÔm s¾c thÓ kh¸c nhau. Kh«ng gièng nh− çc b¶n sao cña çc tr×nh tù ADN dµi ph©n t¸n kh¾p hÖ gen, çc ADN tr×nh tù ®¬n gi¶n th−êng gåm nhiÒu b¶n sao cña çc ®o¹n tr×nh tù ng¾n lÆp l¹i liªn tiÕp nh− vÝ dô ®−îc minh häa d−íi ®©y (ë ®©y, chØ minh häa mét m¹ch): …GTTACGTTACGTTACGTTACGTTACGTTAC… Trong tr−êng hîp nµy, ®¬n vÞ lÆp l¹i (GTTAC) gåm 5 nucleotit. Trong thùc tÕ, çc ®¬n vÞ lÆp l¹i nh− vËy cã thÓ dµi ®Õn 500 nucleotit, nh−ng th−êng th× ng¾n h¬n 15 nucleotit nh− vÝ dô trªn ®©y. Khi ®¬n vÞ lÆp l¹i chØ chøa tõ 2 ®Õn 5 nucleotit, th× ®o¹n tr×nh tù lÆp l¹i liªn tiÕp nh− vËy ®−îc gäi lµ tr×nh tù ng¾n lÆp l¹i liªn tiÕp, hay cßn gäi lµ STR (short tandem repeats). Chóng ta ®· nãi vÒ viÖc sö dông chØ thÞ STR trong x©y dùng tµng th− di truyÒn ë Ch−¬ng 20. Sè b¶n sao cña cïng mét ®¬n vÞ lÆp l¹i cã thÓ kh¸c nhau ë nh÷ng vÞ trÝ kh¸c nhau trong hÖ gen. Ch¼ng h¹n nh−, ®¬n vÞ lÆp l¹i GTTAC cã thÓ xuÊt hiÖn liªn tiÕp hµng tr¨m ngh×n lÇn t¹i mét vÞ trÝ trong hÖ gen; nh−ng ë mét vÞ trÝ kh¸c, sè lÇn lÆp l¹i cña ®¬n vÞ nµy chØ b»ng mét nöa. Sè lÇn lÆp l¹i còng rÊt kh¸c nhau gi÷a ng−êi nµy víi ng−êi kh¸c, t¹o nªn sù kh¸c biÖt trong tµng th− di truyÒn cña mçi ç nh©n trªn c¬ së ph©n tÝch çc tr×nh tù STR. TÝnh tæng céng, çc ADN tr×nh tù ®¬n gi¶n chiÕm kho¶ng 3% hÖ gen ng−êi. Thµnh phÇn nucleotit cña çc ®o¹n ADN tr×nh tù ®¬n gi¶n kh¸c biÖt víi thµnh phÇn cña çc ®o¹n tr×nh tù ADN kh¸c trong hÖ gen ®Õn møc chóng t¹o nªn sù kh¸c biÖt vÒ tØ träng. NÕu ADN hÖ gen ®−îc c¾t thµnh çc ph©n ®o¹n nhá, råi ®−îc ly t©m ë tèc ®é cao, th× çc ph©n ®o¹n ADN cã tØ träng kh¸c nhau sÏ “®Þnh vÞ” ë nh÷ng vÞ trÝ kh¸c nhau trong èng ly t©m. Çc ®o¹n ADN lÆp l¹i vèn ban ®Çu ®−îc ph©n lËp theo çch nµy ®−îc gäi lµ çc tr×nh tù ADN vÖ tinh bëi v× çc b¨ng ly t©m cña chóng t¸ch biÖt khái phÇn b¨ng ly t©m chung gåm çc tr×nh tù ADN cßn l¹i cña hÖ gen gièng nh− mét “vÖ tinh”. ThuËt ng÷ “ADN vÖ tinh” vµ ADN tr×nh tù ®¬n gi¶n hiÖn nay th−êng ®−îc dïng thay thÕ cho nhau. Mét l−îng lín ADN tr×nh tù ®¬n gi¶n cña hÖ gen tËp trung ë çc ®Çu mót vµ t©m ®éng cña nhiÔm s¾c thÓ, cho thÊy nh÷ng tr×nh tù ADN nµy gi÷ vai trß cÊu tróc nhiÔm s¾c thÓ. Çc tr×nh tù ADN t¹i t©m ®éng lµ thiÕt yÕu cho ho¹t ®éng ph©n ly cña çc nhiÔm s¾c tö trong qu¸ tr×nh ph©n bµo (xem Ch−¬ng 12). Tr×nh tù ADN t©m ®éng, cïng víi çc ADN tr×nh tù ®¬n gi¶n kh¸c, cã thÓ ®ãng vai trß tæ chøc chÊt nhiÔm s¾c trong nh©n t¹i kú trung gian cña chu tr×nh tÕ bµo. Çc ADN tr×nh tù ®¬n gi¶n t¹i çc ®Çu mót nhiÔm s¾c thÓ gióp b¶o vÖ çc gen kh«ng bÞ mÊt do ADN ng¾n l¹i sau mçi lÇn sao chÐp (xem Ch−¬ng 16). ADN ®Çu mót ®ång thêi liªn kÕt víi çc protein gióp b¶o vÖ ®Çu mót nhiÔm s¾c thÓ khái bÞ biÕn tÝnh, ®ång thêi kh«ng bÞ dÝnh chËp víi çc nhiÔm s¾c thÓ kh¸c. Çc gen vµ çc hä ®a gen Chóng ta kÕt thóc bµn luËn vÒ çc lo¹i tr×nh tù ADN kh¸c nhau trong çc hÖ gen sinh vËt nh©n thËt b»ng viÖc nh×n gÇn çc gen h¬n. Chóng ta nhí l¹i r»ng tæng céng çc tr×nh tù ADN m· hãa hoÆc cho çc protein hoÆc cho çc lo¹i tARN vµ rARN chØ chiÕm cã 1,5% hÖ gen ng−êi (xem H×nh 21.7). NÕu chóng ta tÝnh c¶ çc tr×nh tù intron vµ çc tr×nh tù ®iÒu hßa liªn quan ®Õn gen, th× tæng céng tÊt c¶ çc tr×nh tù ADN cã liªn quan ®Õn gen (bao gåm c¶ nh÷ng ®o¹n m· hãa vµ kh«ng m· hãa) chiÕm

12. Ch−¬ng 21 Çc hÖ gen vµ sù tiÕn hãa cña chóng 437 kho¶ng 25% hÖ gen ng−êi. Nãi çch kh¸c, trung b×nh chØ cã kho¶ng 6% (tøc lµ 1,5% cña 25%) tr×nh tù ®Çy ®ñ cña mét gen cã mÆt trong s¶n phÈm cuèi cïng cña gen. Gièng víi çc gen cña vi khuÈn, nhiÒu gen ë sinh vËt nh©n thËt lµ nh÷ng tr×nh tù ®¬n nhÊt vµ chØ cã mét b¶n sao duy nhÊt trong mçi bé nhiÔm s¾c thÓ ®¬n béi. Tuy vËy, trong hÖ gen ng−êi vµ hÖ gen cña nhiÒu ®éng vËt vµ thùc vËt kh¸c, nh÷ng gen “®¬n ®éc” nh− vËy chiÕm Ýt h¬n mét nöa tæng sè tr×nh tù ADN ®−îc phiªn m·. Çc gen cßn l¹i xuÊt hiÖn thµnh çc hä ®a gen, tøc lµ tËp hîp cña hai hay nhiÒu gen gièng hÖt hoÆc rÊt gièng nhau. Trong çc hä ®a gen gåm çc tr×nh tù ADN gièng hÖt nhau, çc tr×nh tù ADN lÆp l¹i liÒn kÒ nhau, vµ ngo¹i trõ çc gen m· hãa protein histone, chóng m· hãa cho s¶n phÈm cuèi cïng lµ ARN. Mét vÝ dô vÒ hä çc tr×nh tù ADN gièng hÖt nhau lµ côm çc gen m· hãa cho ba lo¹i ph©n tö rARN lín nhÊt (H×nh 21.10a). Nh÷ng ph©n tö rARN nµy ®−îc phiªn m· thµnh çc b¶n phiªn m· duy nhÊt gåm hµng tr¨m thËm chÝ hµng ngh×n lÇn lÆp l¹i kÕ tiÕp nhau vµ tËp hîp thµnh mét hoÆc mét sè côm trong hÖ gen sinh vËt nh©n thËt. Víi nhiÒu b¶n sao cïng cã mÆt trong mét ®¬n vÞ phiªn m· nh− vËy, tÕ bµo cã thÓ nhanh chãng t¹o ra hµng triÖu ribosome cÇn cho qu¸ tr×nh tæng hîp protein. B¶n phiªn m· s¬ cÊp cña çc gen rARN sau ®ã ®−îc c¾t xÐn ®Ó h×nh thµnh nªn ba lo¹i ph©n tö rARN. Nh÷ng ph©n tö rARN nµy sau ®ã ®−îc kÕt hîp víi çc protein vµ mét lo¹i rARN kh¸c (rARN 5S) ®Ó t¹o nªn çc tiÓu phÇn ribosome. Çc vÝ dô kinh ®iÓn vÒ çc hä ®a gen cã tr×nh tù kh«ng gièng hÖt nhau gåm hai hä gen cã quan hÖ víi nhau m· hãa cho globin; ®©y lµ mét nhãm çc protein gåm çc tiÓu phÇn (chuçi polypeptit) α vµ β cña hemoglobin. Cã mét hä gen n»m trªn NST sè 16 ë ng−êi m· hãa cho çc d¹ng kh¸c nhau cña α- globin; mét hä gen cßn l¹i n»m trªn NST sè 11 m· hãa cho çc d¹ng kh¸c nhau cña β-globin (H×nh 21.10b). Çc d¹ng kh¸c nhau cña mçi tiÓu phÇn globin ®−îc biÓu hiÖn vµo çc thêi ®iÓm kh¸c nhau cña qu¸ tr×nh ph¸t triÓn, qua ®ã gióp hemoglobin biÓu hiÖn chøc n¨ng hiÖu qu¶ trong çc ®iÒu kiÖn m«i tr−êng thay ®æi trong qu¸ tr×nh ph¸t triÓn ë ®éng vËt. Ch¼ng h¹n nh−, ë ng−êi, çc d¹ng hemoglobin cã trong ph«i vµ thai cã ¸i lùc víi oxy cao h¬n so víi d¹ng hemoglobin ë ng−êi tr−ëng thµnh; ®iÒu nµy gióp ®¶m b¶o hiÖu qu¶ vËn chuyÓn oxy tõ mÑ sang thai nhi. Trong çc côm hä gen m· hãa globin, ng−êi ta cßn t×m thÊy mét sè gen gi¶. H×nh 21.10 Çc hä gen. Trong phÇn (a) cña trªn h×nh, b»ng çch nµo b¹n cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc chiÒu phiªn m·, nÕu nh− kh«ng cã mòi tªn mµu ®á? Nh©n hem Hä gen α-globin ADN Hä gen β-globin NhiÔm s¾c thÓ sè 16 NhiÔm s¾c thÓ sè 11 Ph«i Thai vµ ng−êi tr−ëng thµnh Ph«i Thai Ng−êi tr−ëng thµnh §o¹n ®Öm kh«ng ®−îc phiªn m· §¬n vÞ phiªn m· Çc b¶n phiªn m· ARN ADN rARN (a) Mét phÇn hä gen m hãa ARN ribosom. Ba trong sè hµng tr¨m b¶n sao cña çc ®¬n vÞ phiªn m· rARN trong hÖ gen cña loµi kú gi«ng ®−îc minh häa ë phÇn trªn (¶nh TEM). Mçi mét “chiÕc l«ng” t−¬ng øng víi mét ®¬n vÞ phiªn m· víi kho¶ng 100 ph©n tö ®ang ®−îc tæng hîp bëi ARN polymerase (®iÓm mµu sÉm däc theo sîi ADN) dÞch chuyÓn tõ tr¸i qua ph¶i. Çc b¶n phiªn m· ARN ®ang ®−îc “më réng” tõ ADN. S¬ ®å bªn d−íi ¶nh TEM m« t¶ mét ®¬n vÞ phiªn m·. Nã bao gåm çc gen (mµu xanh lam) m· hãa ba lo¹i rARN xen gi÷a çc vïng ®−îc phiªn m· nh−ng sau ®ã ®−îc c¾t bá (mµu vµng). Ban ®Çu chØ mét b¶n phiªn m· ARN duy nhÊt ®−îc t¹o ra, nh−ng sau ®ã nã ®−îc c¾t xÐn ®Ó t¹o nªn ba ph©n tö rARN kh¸c nhau (mçi lo¹i mét ph©n tö); chóng lµ çc thµnh phÇn thiÕt yÕu cña ribosom. Mét lo¹i rARN thø t− (5S rARN) còng lµ thµnh phÇn cña ribosom, nh−ng gen m· hãa nã kh«ng thuéc cïng ®¬n vÞ phiªn m· nµy. (b) Çc hä gen α α α α-globin vµ β β β β-globin ë ng−êi. Hemoglobin ®−îc cÊu t¹o tõ hai tiÓu phÇn (chuçi) polypeptide lo¹i α-globin vµ hai tiÓu phÇn lo¹i β-globin. Çc gen (mµu xanh lam) m· hãa cho α-globin vµ β-globin ®−îc t×m thÊy trong hai hä gen cã cÊu tróc tæ chøc nh− minh häa trªn h×nh. Çc tr×nh tù ADN kh«ng m· hãa xen gi÷a çc gen chøc n¨ng trong mçi hä gen gåm çc gen gi¶ (mµu xanh lôc) vµ çc d¹ng biÕn ®æi kh«ng biÓu hiÖn chøc n¨ng cña çc gen chøc n¨ng b×nh th−êng. Tªn gäi çc gen vµ çc gen gi¶ ®−îc kÝ hiÖu vµ ®äc theo tiÕng Hy l¹p.

13. 438 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc Sù s¾p xÕp çc gen thµnh çc hä gen ®· gióp çc nhµ sinh häc cã nh÷ng hiÓu biÕt s©u h¬n vÒ qu¸ tr×nh tiÕn hãa cña çc hÖ gen. Trong môc tiÕp theo, chóng ta sÏ ®Ò cËp ®Õn mét sè qu¸ tr×nh dÉn ®Õn sù ®Þnh h×nh çc hÖ gen cña çc loµi kh¸c nhau qua qu¸ tr×nh tiÕn hãa. C¬ së thay ®æi ë cÊp ®é hÖ gen lµ ®ét biÕn vµ ®ã còng lµ nÒn t¶ng cña tiÕn hãa häc hÖ gen. D−êng nh− nh÷ng d¹ng sèng ®Çu tiªn chØ chøa mét sè tèi thiÓu çc gen, nghÜa lµ chØ cã çc gen thiÕt yÕu cho sù tån t¹i vµ sinh s¶n. NÕu ®iÒu nµy lµ ®óng, th× mét chiÒu h−íng tiÕn hãa h¼n lµ ®· diÔn ra cïng víi sù t¨ng lªn vÒ kÝch th−íc hÖ gen, vµ vËt chÊt di truyÒn bæ sung ®· cung cÊp nguyªn liÖu s¬ cÊp cho tÝnh ®a d¹ng t¨ng lªn cña çc gen. Trong môc nµy, ®Çu tiªn chóng ta sÏ m« t¶ b»ng çch nµo nh÷ng b¶n sao bæ sung cña toµn bé hay mét phÇn cña hÖ gen cã thÓ xuÊt hiÖn, råi sau ®ã ®Ò cËp ®Õn nh÷ng qu¸ tr×nh x¶y ra tiÕp theo dÉn ®Õn sù tiÕn hãa cña çc protein (hoÆc çc s¶n phÈm ARN) cã chøc n¨ng hoµn toµn míi hoÆc thay ®æi chót Ýt. Sù nh©n ®«i çc bé nhiÔm s¾c thÓ Çc sù kiÖn ngÉu nhiªn trong gi¶m ph©n cã thÓ dÉn ®Õn tÕ bµo cã thÓ cã mét hoÆc nhiÒu bé nhiÔm s¾c thÓ bæ sung thªm; hiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ ®a béi thÓ. MÆc dï, trong phÇn lín tr−êng hîp nh÷ng sù kiÖn ngÉu nhiªn ®ã th−êng g©y chÕt, nh−ng trong mét sè hiÕm tr−êng hîp, chóng l¹i thóc ®Èy sù tiÕn hãa cña çc gen. ë mét c¬ thÓ ®a béi, mét bé çc gen cã thÓ cung cÊp ®ñ çc chøc n¨ng thiÕt yÕu cho c¬ thÓ ®ã. Nh÷ng gen ë nh÷ng bé nhiÔm s¾c thÓ bæ sung cã thÓ ph©n ly bëi qu¸ tr×nh tÝch lòy çc ®ét biÕn; nh÷ng biÕn dÞ nµy cã thÓ ®−îc duy tr× nÕu nh− c¬ thÓ mang çc ®ét biÕn sèng sãt vµ sinh s¶n ®−îc. B»ng çch ®ã, çc gen cã thÓ tiÕn hãa víi nh÷ng chøc n¨ng míi. Cïng víi viÖc mét b¶n sao cña gen thiÕt yÕu ®−îc biÓu hiÖn, sù ph©n ly cña mét b¶n sao kh¸c cã thÓ dÉn ®Õn mét lo¹i protein vÉn do gen ®ã m· hãa song ho¹t ®éng theo mét çch míi, qua ®ã lµm thay ®æi kiÓu h×nh cña sinh vËt. KÕt qu¶ cña sù tÝch lòy çc ®ét biÕn nµy cã thÓ dÉn ®Õn sù ph©n nh¸nh tiÕn hãa cña mét loµi míi, gièng nh− biÓu hiÖn th−êng thÊy ë thùc vËt (xem Ch−¬ng 24). Çc ®éng vËt ®a béi còng tån t¹i, song rÊt hiÕm. Sù thay ®æi cÊu tróc nhiÔm s¾c thÓ Tõ l©u çc nhµ khoa häc ®· biÕt r»ng vµo mét thêi ®iÓm nµo ®ã trong vßng 6 triÖu n¨m tr−íc khi çc d¹ng tæ tiªn cña ng−êi hiÖn ®¹i vµ tinh tinh ph©n ly khái nhau vµ h×nh thµnh nªn çc loµi riªng biÖt, mét sù dung hîp hai nhiÔm s¾c thÓ kh¸c nhau vèn cã ë d¹ng tæ tiªn ®· dÉn ®Õn loµi ng−êi cã sè nhiÔm s¾c thÓ ®¬n béi (n = 23) kh¸c víi cña tinh tinh (n = 24). Víi sù bïng næ th«ng tin vÒ tr×nh tù çc hÖ gen, giê ®©y chóng ta cã thÓ so s¸nh cÊu tróc vµ tæ chøc nhiÔm s¾c thÓ gi÷a nhiÒu loµi ë cÊp ®é ph©n tÝch chi tiÕt h¬n. Nh÷ng th«ng tin nµy gióp chóng ta cã thÓ t×m hiÓu s©u h¬n vÒ çc qu¸ tr×nh tiÕn hãa ®· dÉn ®Õn sù h×nh thµnh çc nhiÔm s¾c thÓ còng nh− sù ph¸t sinh çc loµi. VÝ dô nh−, trong mét nghiªn cøu, çc nhµ khoa häc ®· tiÕn hµnh so s¸nh tr×nh tù ADN gi÷a mçi nhiÔm s¾c thÓ cña ng−êi víi tr×nh tù toµn bé hÖ gen cña chuét. H×nh 21.11 cho thÊy kÕt qu¶ so s¸nh víi nhiÔm s¾c thÓ sè 16 cña ng−êi lµ: nh÷ng “khèi” gen lín trªn nhiÔm s¾c thÓ nµy ®−îc t×m thÊy trªn 4 nhiÔm s¾c thÓ kh¸c nhau cña chuét; ®iÒu nµy cho thÊy çc gen trong mçi “khèi” ®· tån t¹i cïng víi nhau trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa cña 21.5 Kh¸i niÖm LÆp ®o¹n, t¸i s¾p xÕp vµ ®ét biÕn trong tr×nh tù ADN ®ãng gãp vµo qu¸ tr×nh tiÕn hãa 21.4 1. H·y nªu çc ®Æc ®iÓm cña hÖ gen ®éng vËt cã vó lµm chóng trë nªn lín h¬n so víi çc hÖ gen sinh vËt nh©n s¬? 2. Çc intron, çc yÕu tè vËn ®éng vµ çc tr×nh tù ADN lÆp l¹i ®¬n gi¶n ph©n bè trong hÖ gen kh¸c nhau nh− thÕ nµo? 3. Nªu sù kh¸c nhau trong cÊu tróc cña çc hä gen m· hãa rARN vµ m· hãa çc protein globin ë ng−êi. Víi mçi hä gen, h·y gi¶i thÝch lîi thÕ cña sù tån t¹i cÊu tróc kiÓu hä gen ®èi víi sinh vËt. 4. Gi¶ sö b¹n t×m thÊy mét tr×nh tù ADN gièng víi tr×nh tù cña mét gen ®· biÕt, nh−ng chóng l¹i kh¸c nhau râ rÖt ë mét vµi nucleotide nhÊt ®Þnh. B»ng çch nµo b¹n cã thÓ x¸c ®Þnh tr×nh tù míi t×m thÊy cã ph¶i lµ mét “gen” biÓu hiÖn chøc n¨ng hay kh«ng?? Xem gîi ý tr¶ lêi ë Phô lôc A. KiÓm tra kh¸i niÖm ®iÒu g× NÕu H×nh 21.11 Çc khèi tr×nh tù gièng nhau trªn çc nhiÔm s¾c thÓ cña ng−êi vµ chuét. Çc tr×nh tù ADN rÊt gièng nhau ®−îc t×m thÊy trong mét khèi tr×nh tù lín thuéc nhiÔm s¾c thÓ sè 16 cña ng−êi ®−îc t×m thÊy trªn çc nhiÔm s¾c thÓ sè 7, 8, 16 vµ 17 cña chuét. §iÒu nµy cho thÊy çc tr×nh tù ADN trong mçi khèi ®· lu«n tån t¹i cïng nhau ë çc dßng tiÕn hãa dÉn ®Õn sù h×nh thµnh ng−êi vµ chuét kÓ tõ thêi ®iÓm chóng ph©n ly khái nhau tõ tæ tiªn chung. NhiÔm s¾c thÓ sè 16 cña ng−êi Çc khèi tr×nh tù ADN Çc khèi tr×nh tù t−¬ng øng ®−îc t×m thÊy trªn 4 nhiÔm s¾c thÓ cña chuét

14. Ch−¬ng 21 Çc hÖ gen vµ sù tiÕn hãa cña chóng 439 chuét còng nh− ë çc nh¸nh tiÕn hãa cña ng−êi. Thùc hiÖn phÐp so s¸nh t−¬ng tù gi÷a nhiÔm s¾c thÓ cña ng−êi víi s¸u loµi ®éng vËt cã vó kh¸c còng ®· gióp çc nhµ nghiªn cøu t¸i thiÕt ®−îc lÞch sö tiÕn hãa tæ chøc nhiÔm s¾c thÓ ë t¸m loµi ®éng vËt cã vó nµy. Qua ®ã, çc nhµ nghiªn cøu ®· t×m ra nhiÒu lÆp ®o¹n vµ ®¶o ®o¹n trªn çc ph©n ®o¹n lín cña NST lµ kÕt qu¶ cña çc lçi t¸i tæ hîp x¶y ra trong gi¶m ph©n dÉn ®Õn sù ®øt g·y vµ nèi l¹i kh«ng chÝnh x¸c cña ADN. TÇn sè suÊt hiÖn nh÷ng sù kiÖn nµy d−êng nh− ®· t¨ng nhanh trong kho¶ng 100 triÖu n¨m tr−íc, tøc lµ kho¶ng thêi gian nh÷ng loµi khñng long kÝch th−íc lín trë nªn tuyÖt chñng vµ sè loµi ®éng vËt cã vó t¨ng lªn nhanh chãng. Sù trïng lÆp ngÉu nhiªn nµy râ rµng lµ rÊt thó vÞ bëi v× sù t¸i s¾p xÕp nhiÔm s¾c thÓ ®−îc cho lµ ®· ®ãng gãp vµo sù h×nh thµnh çc loµi míi. MÆc dï hai ç thÓ mang çc nhiÔm s¾c thÓ ®−îc s¾p xÕp kh¸c nhau vÉn cã thÓ giao phèi víi nhau vµ sinh s¶n, nh−ng çc ç thÓ con sinh ra sÏ cã hai bé nhiÔm s¾c thÓ kh«ng t−¬ng ®ång. V× vËy, sù s¾p xÕp l¹i çc nhiÔm s¾c thÓ cã thÓ dÉn ®Õn sù h×nh thµnh hai quÇn thÓ kh«ng cßn cã kh¶ n¨ng giao phèi víi nhau n÷a, vµ nã trë thµnh mét b−íc trong con ®−êng dÉn ®Õn sù h×nh thµnh hai loµi t¸ch biÖt (chóng ta sÏ ®Ò cËp kü h¬n vÒ vÊn ®Ò nµy ë Ch−¬ng 24). §iÒu g©y ng¹c nhiªn mét chót lµ nh÷ng nghiªn cøu t−¬ng tù ®· ph¸t hiÖn ra nh÷ng mèi liªn quan ®Õn y häc. ViÖc ph©n tÝch çc ®iÓm ®øt g·y nhiÔm s¾c thÓ liªn quan ®Õn sù t¸i s¾p xÕp cña chóng cho thÊy nh÷ng ®iÓm nµy kh«ng hÒ ph©n bè ngÉu nhiªn, mµ chóng lµ nh÷ng ®iÓm ®Æc thï ®−îc dïng ®i dïng l¹i nhiÒu lÇn. NhiÒu “®iÓm nãng” t¸i tæ hîp nh− vËy t−¬ng øng víi vÞ trÝ s¾p xÕp l¹i nhiÔm s¾c thÓ trong hÖ gen ng−êi vèn cã liªn quan ®Õn çc bÖnh bÈm sinh. TÊt nhiªn, çc nhµ nghiªn cøu cßn quan t©m c¶ nh÷ng vÞ trÝ kh¸c cã thÓ liªn quan ®Õn nh÷ng bÖnh cho ®Õn nay ch−a ®−îc x¸c ®Þnh. LÆp ®o¹n vµ sù ph©n ly cña çc vïng ADN cã kÝch th−íc t−¬ng øng víi gen Çc lçi trong gi¶m ph©n còng cã thÓ dÉn ®Õn hiÖn t−îng lÆp çc vïng nhiÔm s¾c thÓ cã kÝch th−íc nhá h¬n nh÷ng vïng lÆp mµ chóng ta ®· ®Ò cËp trªn ®©y, trong ®ã bao gåm çc vïng t−¬ng øng víi chiÒu dµi cña çc gen ®¬n lÎ. Ch¼ng h¹n nh−, trao ®æi chÐo kh«ng c©n trong kú ®Çu gi¶m ph©n I cã thÓ dÉn ®Õn mét nhiÔm s¾c thÓ mÊt ®o¹n, trong khi mét nhiÔm s¾c thÓ kh¸c lÆp ®o¹n. Nh− minh häa trªn H×nh 21.12, çc yÕu tè vËn ®éng trong hÖ gen lµ nh÷ng vÞ trÝ mµ çc nhiÔm s¾c tö kh«ng chÞ em cã thÓ trao ®æi chÐo víi nhau, thËm chÝ ngay c¶ khi chóng kh«ng cã nh÷ng tr×nh t−¬ng ®ång xÕp th¼ng hµng chÝnh x¸c víi nhau. Ngoµi ra, hiÖn t−îng “tr−ît” cã thÓ x¶y ra trong sao chÐp ADN, ch¼ng h¹n nh− m¹ch lµm khu«n xª dÞch so víi m¹ch t−¬ng ®ång míi ®−îc tæng hîp, hoÆc mét phÇn cña m¹ch lµm khu«n bÞ bé m¸y sao chÐp bá qua hay trong tr−êng hîp kh¸c nã ®−îc dïng lµm khu«n hai lÇn. KÕt qu¶ lµ mét ph©n ®o¹n ADN bÞ mÊt ®i hoÆc lÆp l¹i. Cã thÓ dÔ dµng t−ëng t−îng ra çch mµ nh÷ng lçi nh− vËy cã thÓ xuÊt hiÖn trong çc vïng tr×nh tù lÆp l¹i gièng nh− çc tr×nh tù ADN lÆp l¹i ®¬n gi¶n ®· ®−îc m« t¶ ë trªn. Çc tr×nh tù ADN lÆp l¹i ®¬n gi¶n víi sè l−îng biÕn ®éng t¹i mét vÞ trÝ nhÊt ®Þnh, vèn ®−îc dïng cho ph©n tÝch STR, cã thÓ lµ do nh÷ng lçi gièng nh− vËy. Çc b»ng chøng vÒ trao ®æi chÐo kh«ng c©n vµ hiÖn t−îng “tr−ît” cña m¹ch khu«n trong sao chÐp ADN dÉn ®Õn lÆp gen ®−îc t×m thÊy ë nhiÒu hä ®a gen tån t¹i trong çc hÖ gen hiÖn nay. Sù tiÕn hãa çc gen cã chøc n¨ng liªn quan víi nhau: Çc gen globin ë ng−êi Çc sù kiÖn lÆp ®o¹n nhiÔm s¾c thÓ hay lÆp gen cã thÓ dÉn ®Õn sù tiÕn hãa cña çc gen cã chøc n¨ng liªn quan ®Õn nhau, ch¼ng h¹n nh− çc hä gen m· hãa cho α-globin vµ β-globin (xem H×nh 21.10b). ViÖc so s¸nh çc tr×nh tù gen trong mét hä ®a gen cã thÓ chØ ra thø tù çc gen xuÊt hiÖn. Çch tiÕp cËn ®Ó “t¸i t¹o” l¹i lÞch sö tiÕn hãa cña çc gen m· hãa globin ®· chØ ra r»ng tÊt c¶ nh÷ng gen nµy ®Òu cã nguån gèc tõ mét gen globin tæ tiªn chung; gen tæ tiªn nµy ®· tr¶i qua hiÖn t−îng lÆp gen råi ph©n ly thµnh çc gen α-globin vµ β-globin tæ tiªn kho¶ng 450 - 500 triÖu n¨m tr−íc (H×nh 21.13, ë trang sau). Mçi gen tæ tiªn nµy sau ®ã tiÕp tôc ®−îc nh©n ®«i mét vµi lÇn, råi nh÷ng b¶n sao cña chóng ph©n ly khái nhau vÒ tr×nh tù, dÉn ®Õn h×nh thµnh çc gen thµnh viªn thuéc hä gen nh− hiÖn nay. Trong thùc tÕ, gen globin tæ tiªn chung còng cã thÓ lµ nguån gèc cña gen m· hãa protein c¬ liªn kÕt «xy cã tªn gäi lµ myoglobin vµ protein ë thùc vËt lµ leghemoglobin. Hai lo¹i protein nµy hoÆc ®éng ë d¹ng ®¬n ph©n, vµ çc gen cña chóng thuéc “siªu hä globin”. TiÕp theo sau çc sù kiÖn lÆp gen, sù kh¸c biÖt gi÷a çc gen trong çc hä globin râ rµng xuÊt ph¸t tõ çc ®ét biÕn ®−îc tÝch lòy trong çc b¶n sao cña gen qua nhiÒu thÕ hÖ. VÝ dô, mét m« h×nh hiÖn nay cho r»ng chøc n¨ng thiÕt yÕu cña protein α- globin tr−íc ®©y cã thÓ ®−îc ®¸p øng chØ bëi mét gen duy nhÊt, do vËy çc b¶n sao kh¸c cña gen α-globin ®· cã thÓ tÝch lòy çc ®ét biÕn ngÉu nhiªn. RÊt nhiÒu ®ét biÕn cã thÓ ®· g©y h¹i cho H×nh 21.12 LÆp gen do trao ®æi chÐo kh«ng c©n. Mét c¬ chÕ mµ qua ®ã mét gen (hoÆc mét ®o¹n ADN kh¸c) cã thÓ bÞ lÆp l¹i (nh©n ®«i) lµ sù t¸i tæ hîp x¶y ra trong qu¸ tr×nh gi¶m ph©n gi÷a çc b¶n sao kh¸c nhau cña mét yÕu tè vËn ®éng n»m s¸t vïng biªn cña çc gen. Sù t¸i tæ hîp nh− vËy x¶y ra do sù “s¾p hµng lÖch” cña hai nhiÔm s¾c tö kh«ng chÞ em thuéc cÆp nhiÔm s¾c thÓ t−¬ng ®ång dÉn ®Õn sù h×nh thµnh mét nhiÔm s¾c tö mang hai b¶n sao cña gen, trong khi nhiÔm s¾c tö cßn l¹i th× kh«ng cã b¶n sao nµo cña gen ®ã. YÕu tè vËn ®éng Gen Çc nhiÔm s¾c tö kh«ng chÞ em VÞ trÝ trao ®æi chÐo Sù b¾t cÆp kh«ng chÝnh x¸c cña hai nhiÔm s¾c thÓ t−¬ng ®ång trong gi¶m ph©n vµ

15. 440 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc c¬ thÓ sinh vËt, trong khi mét sè ®ét biÕn kh¸c kh«ng g©y hËu qu¶ g×, nh−ng cã mét sè Ýt ®ét biÕn h¼n lµ ®· lµm thay ®æi chøc n¨ng cña s¶n phÈm protein theo çch cã lîi cho c¬ thÓ sinh vËt vµo mét giai ®o¹n sèng nhÊt ®Þnh cña nã ®ång thêi kh«ng lµm thay ®æi chøc n¨ng vËn chuyÓn «xy cña protein. Cã thÓ gi¶ thiÕt r»ng: chän läc tù nhiªn ®· t¸c ®éng lªn nh÷ng gen nµy vµ duy tr× chóng trong quÇn thÓ. Sù gièng nhau vÒ çc tr×nh tù axit amin cña çc chuçi polypeptit α-globin vµ β-globin ñng hé cho m« h×nh lÆp gen vµ tÝch lòy ®ét biÕn (B¶ng 21.2). Ch¼ng h¹n nh−, tr×nh tù axit amin cña çc β-globin gièng nhau h¬n rÊt nhiÒu so víi tr×nh tù cña α-globin. Sù tån t¹i cña mét sè gen gi¶ n»m gi÷a çc gen globin ho¹t ®éng lµ mét b»ng chøng bæ sung kh¸c ñng hé cho m« h×nh nµy (xem H×nh 21.10b). Çc ®ét biÕn ngÉu nhiªn x¶y ra ë nh÷ng “gen” nµy qua thêi gian tiÕn hãa cã thÓ ®· lµm háng sù biÓu hiÖn chøc n¨ng b×nh th−êng cña chóng. TiÕn hãa cña çc gen cã chøc n¨ng míi Trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa cña çc hä gen globin, hiÖn t−îng lÆp gen vµ ph©n ly sau ®ã ®· t¹o nªn çc gen thµnh viªn mµ s¶n phÈm cña chóng ®Òu thùc hiÖn chøc n¨ng gièng nhau (vËn chuyÓn «xy). Theo mét çch kh¸c, mét b¶n sao cña gen ®−îc nh©n ®«i cã thÓ tr¶i qua nh÷ng biÕn ®æi dÉn ®Õn sù xuÊt hiÖn mét chøc n¨ng hoµn toµn míi cña s¶n phÈm protein. Çc gen m· hãa lysozyme vµ α-lactalbumin lµ mét vÝ dô nh− vËy. Lysozyme lµ mét enzym gióp b¶o vÖ c¬ thÓ ®éng vËt khái sù l©y nhiÔm cña vi khuÈn b»ng viÖc xóc t¸c thñy ph©n thµnh tÕ bµo vi khuÈn; α-lactalbumin lµ mét protein kh«ng cã chøc n¨ng enzym, thay vµo ®ã nã gi÷ vai trß trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt s÷a ë ®éng vËt cã vó. Hai protein nµy rÊt gièng nhau vÒ tr×nh tù axit amin vµ cÊu tróc kh«ng gian ba chiÒu. C¶ hai gen ®−îc t×m thÊy ®ång thêi cã mÆt ë çc loµi ®éng vËt cã vó, nh−ng ë chim chØ t×m thÊy gen m· hãa lysozyme. §iÒu nµy chØ ra r»ng vµo mét thêi ®iÓm nhÊt ®Þnh nµo ®ã trong qu¸ khø, sau khi çc nh¸nh dÉn ®Õn h×nh thµnh çc loµi ®éng vËt cã vó vµ chim ph©n ly khái nhau, gen lysozyme ®· tr¶i qua mét sù kiÖn lÆp gen trong nh¸nh tiÕn hãa h×nh thµnh çc ®éng vËt cã x−¬ng sèng, nh−ng kh«ng x¶y ra trong nh¸nh tiÕn hãa cña chim. Cuèi cïng, mét b¶n sao cña gen lysozym ®· ®−îc nh©n ®«i dÉn ®Õn sù tiÕn hãa h×nh thµnh gen m· hãa α- lactanbomin vèn lµ mét protein cã chøc n¨ng kh¸c biÖt ho¹t toµn. Sù s¾p xÕp l¹i çc phÇn cña gen: nh©n ®«i vµ tr¸o exon Sù s¾p xÕp l¹i çc tr×nh tù ADN s½n cã trong çc gen còng ®· gãp phÇn vµo sù tiÕn hãa hÖ gen. Sù cã mÆt cña intron trong phÇn lín çc gen ë sinh vËt nh©n thËt ®a bµo cã thÓ ®· thóc ®Èy sù tiÕn hãa cña çc protein cã tiÒm n¨ng h÷u dông míi b»ng viÖc gia t¨ng hiÖn t−îng lÆp ®o¹n hay s¾p xÕp l¹i vÞ trÝ cña çc exon trong hÖ gen. Chóng ta nhí l¹i tõ Ch−¬ng 17 r»ng mçi exon th−êng m· hãa cho mét miÒn cã cÊu tróc vµ chøc n¨ng ®Æc thï cña protein. Chóng ta còng ®· biÕt trao ®æi chÐo kh«ng c©n trong qu¸ tr×nh gi¶m ph©n cã thÓ dÉn ®Õn hiÖn t−îng lÆp gen trªn mét nhiÔm s¾c thÓ ®ång thêi lµm mÊt gen trªn nhiÔm s¾c thÓ t−¬ng ®ång víi nã (xem H×nh 21.12). B»ng mét qu¸ tr×nh t−¬ng tù, mét exon nhÊt ®Þnh trong gen cã thÓ bÞ nh©n ®«i trªn mét nhiÔm s¾c thÓ, song l¹i bÞ mÊt ®i trªn nhiÔm s¾c thÓ kia. Çc gen mang çc exon lÆp l¹i cã thÓ m· hãa cho mét lo¹i protein chøa hai b¶n sao cña mét miÒn protein. Sù thay ®æi nµy trong cÊu tróc cã thÓ lµm t¨ng c−êng sù biÓu hiÖn chøc n¨ng cña protein nÕu protein ®ã lóc nµy trë nªn æn ®Þnh h¬n, vµ t¨ng kh¶ n¨ng liªn kÕt víi mét chÊt g¾n nhÊt ®Þnh hoÆc lµm thay ®æi mét sè thuéc tÝnh kh¸c. Kh¸ nhiÒu gen m· H×nh 21.13 Mét m« h×nh tiÕn hãa cña çc hä gen α-globin vµ β-globin tõ gen globin “tæ tiªn” duy nhÊt. Çc yÕu tè tr×nh tù mµu xanh lôc lµ çc gen gi¶. H·y gi¶i thÝch b»ng çch nµo chóng cã thÓ xuÊt hiÖn sau khi ®· x¶y ra çc sù kiÖn lÆp gen. B¶ng 21.2 TØ lÖ gièng nhau trong tr×nh tù axit amin gi÷a çc protein globin ë ng−êi Gen globin “tæ tiªn” Gen “tæ tiªn” ®−îc nh©n ®«i (lÆp gen) §ét biÕn tÝch lòy ë c¶ hai b¶n sao VËn ®éng tíi çc nhiÔm s¾c thÓ kh¸c TiÕp tôc lÆp gen vµ tÝch lòy ®ét biÕn Hä gen α-globin trªn nhiÔm s¾c thÓ sè 16 Hä gen α-globin trªn nhiÔm s¾c thÓ sè 11 Thêi gian tiÕn hãa Çc lo¹i α α α α-globin Çc lo¹i β β β β-globin Çc lo¹i α α α α-globin Çc lo¹i β β β β-globin

[hsgs.edu.vn] Campbell_Ch21_HeGen&TienHoa (1).pdf

Esté a ler uma amostra.

Confira estes a seguir

[hsgs.edu.vn] Campbell_Ch21_HeGen&TienHoa (1).pdf

Mais Conteúdo rRelacionado

Semelhante a [hsgs.edu.vn] Campbell_Ch21_HeGen&TienHoa (1).pdf (20)

Mais recentes (6)