Di truyền · AP Biology · Atlas of Biology

Chương 5 · Di truyền

giảm phân và Mendel

Cha hoặc mẹ truyền lại một nửa số nhiễm sắc thể của mình. Nửa nào được truyền là do ngẫu nhiên, và chính xác suất đó là điều Mendel đã đếm.

Trong hình, một tế bào có bốn nhiễm sắc thể tạo ra bốn tế bào có hai nhiễm sắc thể. Các nhiễm sắc thể màu đỏ đến từ mẹ của tế bào, các nhiễm sắc thể màu xanh đến từ bố. Mỗi tế bào mới nhận một nhiễm sắc thể từ mỗi cặp, nhưng nhận chiếc nào là ngẫu nhiên.

Chương này theo dõi các nhiễm sắc thể qua giảm phân, cho thấy giảm phân xáo trộn chúng ra sao, và dùng xác suất để dự đoán đời con của một phép lai. Sau đó chương chuyển sang các kiểu di truyền mà tỉ lệ Mendel không mô tả, vai trò của môi trường đối với kiểu hình, và điều xảy ra khi các nhiễm sắc thể bị phân chia sai.

5.1 · Giảm phân

một tế bào lưỡng bội, bốn tế bào đơn bội

Giảm phân tạo ra các giao tử (trứng và tinh trùng) có số nhiễm sắc thể bằng một nửa của cha hoặc mẹ.

Một tế bào lưỡng bội (2n) chứa hai bộ nhiễm sắc thể, mỗi bộ từ một bên bố hoặc mẹ. Hai nhiễm sắc thể của một cặp là nhiễm sắc thể tương đồng: cùng chiều dài, có cùng các gene theo cùng thứ tự, nhưng có thể mang các phiên bản khác nhau (allele) của các gene đó. Tế bào cơ thể người có 2n = 46; giao tử của người là đơn bội, n = 23.

Trước giảm phân, DNA được sao chép, nên mỗi nhiễm sắc thể gồm hai chromatid chị em giống hệt nhau nối với nhau ở tâm động. Sau đó có hai lần phân chia:

Giảm phân I tách các nhiễm sắc thể tương đồng. Các cặp xếp cùng nhau ở giữa tế bào và mỗi cặp có một chiếc đi về mỗi cực. Mỗi tế bào trong hai tế bào lúc này là đơn bội, dù các nhiễm sắc thể của nó vẫn còn hai chromatid.

Giảm phân II tách các chromatid chị em, khá giống nguyên phân. Kết quả: bốn tế bào đơn bội.

trong hình	tế bào	nhiễm sắc thể mỗi tế bào	chromatid mỗi nhiễm sắc thể	DNA mỗi tế bào
trước giảm phân I	1	4	2	4
sau giảm phân I	2	2	2	2
sau giảm phân II	4	2	1	1

DNA mỗi tế bào được tính theo đơn vị là lượng DNA của một giao tử. Nguyên phân giữ nguyên số nhiễm sắc thể và tạo ra các tế bào giống hệt nhau; giảm phân làm giảm một nửa số đó và tạo ra các tế bào khác nhau. Thụ tinh nối hai giao tử đơn bội và khôi phục 2n.

5.2 · Trao đổi chéo

các nhiễm sắc thể tương đồng trao đổi đoạn

Khi các nhiễm sắc thể tương đồng đang bắt cặp ở đầu giảm phân I, các chromatid không phải chị em trao đổi các đoạn tương ứng cho nhau. Đây là trao đổi chéo.

Cặp nhiễm sắc thể tương đồng bắt cặp, gồm bốn chromatid, tạo thành một tứ tử. Một chromatid của nhiễm sắc thể tương đồng màu đỏ và một chromatid của nhiễm sắc thể màu xanh đứt ở cùng một vị trí rồi nối với nhau. Điểm chúng bắt chéo nhau là chiasma.

Trong hình, gene A nằm phía trên điểm trao đổi chéo và gene B nằm phía dưới. Nhiễm sắc thể màu đỏ mang A và B, nhiễm sắc thể màu xanh mang a và b. Sau giảm phân, bốn chromatid mang:

A B	A b	a B	a b
parental	recombinant	recombinant	parental

Các chromatid tái tổ hợp mang những tổ hợp allele mà không nhiễm sắc thể nào của cha hoặc mẹ có. Nhờ trao đổi chéo, mỗi nhiễm sắc thể mà giao tử nhận được là một bản ghép của hai nhiễm sắc thể tương đồng, chứ không phải bản sao của chiếc nào.

Hai gene nằm xa nhau trên một nhiễm sắc thể có khả năng xảy ra trao đổi chéo giữa chúng cao hơn hai gene nằm gần nhau (5.4).

5.2 · Sự phân li độc lập và thụ tinh ngẫu nhiên

nhiều tổ hợp hơn số người

Ở kì giữa I, mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng xếp sao cho nhiễm sắc thể từ mẹ nằm ở bên này hoặc bên kia, độc lập với mọi cặp khác. Đây là sự phân li độc lập.

Trong hình, cặp dài mang gene A và cặp ngắn mang gene B. Một cách xếp đưa A B về một cực và a b về cực kia. Cách xếp đối xứng của nó đưa A b và a B đi. Qua nhiều lần giảm phân, bốn loại giao tử phổ biến như nhau.

Với n cặp có 2ⁿ tổ hợp. Với người, n = 23:

2^{23} = 8{,}388{,}608

Thụ tinh ngẫu nhiên. Bất kì trứng nào trong số này cũng có thể gặp bất kì tinh trùng nào, nên một cặp vợ chồng có thể tạo ra $2^{23} \times 2^{23}$ ≈ 7.0 × 10¹³ hợp tử khác nhau, chưa kể trao đổi chéo còn tạo thêm nhiều loại nữa.

Trao đổi chéo, phân li độc lập và thụ tinh ngẫu nhiên cùng làm cho mỗi cá thể con của sinh sản hữu tính là duy nhất về mặt di truyền (trừ các cặp sinh đôi cùng trứng), và cung cấp biến dị để chọn lọc tự nhiên tác động.

5.3 · Quy luật phân li của Mendel

mỗi bên bố mẹ cho một allele

Mendel lai các cây đậu Hà Lan và đếm đời con. Khi ông lai các cây lai giữa cây hạt trơn và cây hạt nhăn, thế hệ tiếp theo (F₂) có tỉ lệ khoảng 3 hạt trơn : 1 hạt nhăn.

tính trạng	trội	lặn	tỉ lệ
hình dạng hạt	5,474 round	1,850 wrinkled	2.96 : 1
màu hạt	6,022 yellow	2,001 green	3.01 : 1
màu hoa	705 purple	224 white	3.15 : 1

Một gene tồn tại ở nhiều allele: R (hạt trơn) và r (hạt nhăn). Cặp allele của một sinh vật là kiểu gene của nó; tính trạng mà nó biểu hiện là kiểu hình. RR và rr là đồng hợp tử, Rr là dị hợp tử. R là allele trội: hạt Rr có dạng trơn. r là allele lặn: chỉ biểu hiện ở rr.

Quy luật phân li. Hai allele của một gene phân li vào các giao tử khác nhau, mỗi loại chiếm một nửa số giao tử. Đó là giảm phân I: các nhiễm sắc thể tương đồng mang chúng đi về hai cực đối diện.

Bảng Punnett cho mỗi loại trứng kết hợp với mỗi loại tinh trùng: Rr × Rr cho 1 RR : 2 Rr : 1 rr, tức 3 trơn : 1 nhăn.

Một hạt trơn có thể là RR hoặc Rr. Phép lai phân tích với cây rr cho biết kiểu gene nào: RR cho toàn bộ đời con hạt trơn, Rr cho một nửa hạt nhăn.

5.3 · Hai gene và các quy tắc xác suất

9 : 3 : 3 : 1

Các gene nằm trên những nhiễm sắc thể khác nhau di truyền độc lập với nhau: đó là quy luật phân li độc lập của Mendel, kết quả của việc các cặp nhiễm sắc thể xếp hàng độc lập (5.2).

Vì vậy có thể xét từng gene một rồi kết hợp bằng hai quy tắc:

Quy tắc nhân. Với các biến cố độc lập, P(A và B) = P(A) × P(B).
Quy tắc cộng. Với các biến cố xung khắc, P(A hoặc B) = P(A) + P(B).

Ví dụ. RrYy × RrYy, với hạt vàng (Y) trội so với hạt xanh (y). Mỗi gene riêng lẻ cho 3/4 trội, 1/4 lặn:

\begin{aligned}P(\text{round, yellow}) &= \tfrac34\times\tfrac34 = \tfrac{9}{16}\\ P(\text{wrinkled, green}) &= \tfrac14\times\tfrac14 = \tfrac{1}{16}\end{aligned}

kiểu hình	trơn, vàng	trơn, xanh	nhăn, vàng	nhăn, xanh
trên 16	9	3	3	1

Quy tắc cộng giúp tìm thể dị hợp tử: từ Rr × Rr, Rr xuất hiện do trứng R với tinh trùng r hoặc trứng r với tinh trùng R, ¼ + ¼ = ½.

Các quy tắc này dùng được ở những trường hợp bảng Punnett không làm nổi: từ AaBbCc × AaBbCc, P(aabbcc) = (¼)³ = 1/64.

Trong hình, hình dạng của mỗi hạt chính là hình dạng của nó; màu trắng biểu thị hạt vàng và màu xám biểu thị hạt xanh.

5.3 · Kiểm định tỉ lệ: chi bình phương

sự chênh lệch chỉ do ngẫu nhiên?

Số liệu thực tế không bao giờ khớp hoàn toàn với tỉ lệ dự đoán. Kiểm định chi bình phương cho biết sự chênh lệch có đủ nhỏ để coi là do ngẫu nhiên hay không.

\chi^2 = \sum \frac{(o-e)^2}{e}

trong đó o là số đếm quan sát được của mỗi lớp và e là số đếm kì vọng. Giả thuyết không ở đây: hai gene phân li độc lập, nên F₂ có tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1. Mendel đã đếm 556 hạt:

	o	e	(o − e)²/e
trơn, vàng	315	312.75	0.016
trơn, xanh	108	104.25	0.135
nhăn, vàng	101	104.25	0.101
nhăn, xanh	32	34.75	0.218
tổng	556	556	χ² = 0.47

Bậc tự do = số lớp − 1 = 3. Theo bảng công thức, giá trị tới hạn tại p = 0.05 là 7.81. Vì 0.47 < 7.81, ta không bác bỏ giả thuyết không: những độ lệch cỡ này là do ngẫu nhiên.

Nếu χ² lớn hơn giá trị tới hạn thì giả thuyết bị bác bỏ: các gene có thể liên kết (5.4), hoặc một kiểu gene nào đó có thể sống sót kém hơn. Hãy dùng số đếm, không dùng phần trăm; và việc không bác bỏ chỉ ủng hộ một giả thuyết chứ không chứng minh nó.

5.4 · Các gene liên kết và đơn vị bản đồ

các gene di truyền cùng nhau

Các gene nằm gần nhau trên cùng một nhiễm sắc thể là gene liên kết: chúng có xu hướng di truyền cùng nhau và không phân li độc lập.

Chỉ có trao đổi chéo giữa chúng mới tách chúng ra. Trong hình, trao đổi chéo giữa A và B tạo ra các chromatid tái tổ hợp; trao đổi chéo ngoài đoạn đó thì giữ nguyên các tổ hợp như cũ.

Phép lai phân tích. Một con ruồi nhận A B từ một bên bố mẹ và a b từ bên kia được lai với aabb. Nếu các gene phân li độc lập thì bốn lớp sẽ có tỉ lệ 1 : 1 : 1 : 1. Nhưng thực tế không phải vậy:

đời con	số lượng
A B / a b	415	parental
a b / a b	405	parental
A b / a b	92	recombinant
a B / a b	88	recombinant

\text{RF} = \frac{92 + 88}{1000} = 0.18

RF là tần số tái tổ hợp. Một đơn vị bản đồ (centimorgan) ứng với 1% tái tổ hợp, nên A và B cách nhau 18 đơn vị bản đồ. Càng xa nhau, càng có nhiều trao đổi chéo xảy ra giữa chúng: tần số càng cao. Tần số không bao giờ vượt quá 50%, là giá trị của các gene không liên kết.

Lập bản đồ. Nếu A–B là 18, B–C là 7 và A–C là 25, thì 18 + 7 = 25: thứ tự là A–B–C.

5.4 · Các gene liên kết giới tính

con trai nhận X từ mẹ

Ở người và ruồi giấm, con cái là XX và con đực là XY. Các gene trên nhiễm sắc thể X là gene liên kết giới tính (liên kết X); nhiễm sắc thể Y nhỏ mang rất ít gene.

Con đực chỉ có một X, nên allele nào nó mang cũng biểu hiện, dù trội hay lặn. Con cái chỉ biểu hiện tính trạng lặn liên kết X khi cả hai nhiễm sắc thể X đều mang allele đó; nếu chỉ có một bản sao thì nó là người mang gene (thể mang).

Những con ruồi của Morgan. Mắt trắng (r) là allele lặn liên kết X. Một con cái mang gene X^RX^r × một con đực mắt đỏ X^RY:

	con gái	con trai
mắt đỏ	tất cả (một nửa là thể mang)	một nửa
mắt trắng	không có	một nửa

Người bố truyền X của mình cho mọi con gái và truyền Y cho mọi con trai. Vì vậy tính trạng lặn liên kết X phổ biến ở nam hơn nhiều, thường truyền sang nam qua người mẹ mang gene, và không bao giờ truyền từ bố sang con trai.

Ví dụ ở người: mù màu đỏ–lục và bệnh máu khó đông.

5.4 · Vượt ra ngoài trội hoàn toàn

nhiều kiểu di truyền

Tỉ lệ của Mendel giả định một gene, hai allele, một allele trội và một tính trạng. Nhiều tính trạng phá vỡ một trong các giả định đó.

kiểu	điều xảy ra	ví dụ
trội không hoàn toàn	thể dị hợp tử có kiểu hình trung gian	hoa mõm sói đỏ × trắng cho hoa hồng; F₂ 1 đỏ : 2 hồng : 1 trắng
đồng trội	cả hai allele đều biểu hiện đầy đủ	I^AI^B: nhóm máu AB
đa allele	quần thể có nhiều hơn hai allele	ABO: I^A, I^B, i
đa gene	nhiều gene cộng gộp tác động	chiều cao, màu da ở người
đa hiệu	một gene ảnh hưởng đến nhiều tính trạng	allele gây bệnh hồng cầu hình liềm

Đa gene. Trong hình, ba gene, mỗi allele viết hoa thêm một đơn vị của tính trạng. AaBbCc × AaBbCc cho 64 tổ hợp có khả năng như nhau, và số allele viết hoa phân bố theo hình chuông, 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1. Khi có thêm nhiều gene và tác động của môi trường, các bậc này mờ dần thành biến dị liên tục.

Đa hiệu. Allele hồng cầu hình liềm làm thay đổi một amino acid của hemoglobin. Các ảnh hưởng của nó gồm hồng cầu hình liềm, thiếu máu, đau, tổn thương nhiều cơ quan và, ở thể dị hợp tử, khả năng kháng sốt rét.

Những tính trạng như vậy không cho tỉ lệ của Mendel; kiểm định chi bình phương với tỉ lệ 3 : 1 hoặc 9 : 3 : 3 : 1 sẽ bác bỏ chúng.

5.4 · Các gene ngoài nhân

ti thể đi cùng tế bào trứng

Ti thể và lục lạp có DNA riêng. Các gene của chúng không tuân theo các quy luật của Mendel.

Những bào quan này không được chia bởi giảm phân. Chúng được phân chia ngẫu nhiên cho các tế bào con và giao tử, cùng với tế bào chất.

Ở người và các động vật khác, ti thể của hợp tử đến từ trứng. Tinh trùng mang nhân vào; số ít ti thể của nó, ở đoạn giữa, bị phân hủy trong trứng. Vì vậy một tính trạng được mã hóa trong DNA ti thể được di truyền theo dòng mẹ:

bố hoặc mẹ có tính trạng	những người con có thể thừa hưởng
mẹ	con trai và con gái
bố	không có

Ví dụ: bệnh thần kinh thị giác di truyền Leber, một chứng mất thị lực do đột biến ở các gene của ti thể.

Ở thực vật, lục lạp được phân chia ngẫu nhiên cho các tế bào có thể tạo ra những mảng xanh và trắng trên lá (lá đốm).

5.5 · Ảnh hưởng của môi trường lên kiểu hình

một kiểu gene, nhiều hơn một kiểu hình

Kiểu hình được tạo ra bởi gene và môi trường cùng tác động. Một kiểu gene cho các kiểu hình khác nhau trong những môi trường khác nhau được gọi là tính mềm dẻo kiểu hình.

Nhiệt độ và giới tính. Nhiều loài rùa không có nhiễm sắc thể giới tính; nhiệt độ của trứng trong quá trình phát triển quyết định giới tính. Ở loài mô hình trong hình, trứng ở dưới nhiệt độ ngưỡng, 29 °C, nở ra chủ yếu là con đực, còn trên nhiệt độ đó chủ yếu là con cái: ở 27 °C, 2.6% là con cái; ở 31 °C, 97.4%.

môi trường	tác động
pH của đất	hoa cẩm tú cầu nở màu xanh trong đất chua, màu hồng trong đất kiềm
nhiệt độ	thỏ Himalaya mọc lông sẫm màu ở những chỗ da lạnh (tai, mũi, bàn chân)
mùa	cáo Bắc Cực mọc bộ lông trắng vào mùa đông, nâu vào mùa hè
chế độ ăn	chế độ ăn ít phenylalanine ngăn ngừa chứng khuyết tật trí tuệ do PKU
dinh dưỡng	chiều cao của người

Enzyme tạo sắc tố của thỏ nhạy cảm với nhiệt độ: nó chỉ hoạt động ở nơi cơ thể lạnh. Chế độ ăn không làm thay đổi kiểu gene PKU; kiểu hình thì có thay đổi.

5.6 · Nhiễm sắc thể và rối loạn phân li

khi giảm phân phân chia sai

Gene nằm trên nhiễm sắc thể, và sự vận động của nhiễm sắc thể trong giảm phân giải thích các định luật Mendel: đây là thuyết di truyền nhiễm sắc thể. Khi những vận động đó xảy ra sai sót, giao tử sẽ có số lượng nhiễm sắc thể không đúng.

Không phân li là sự không tách nhau ra: các nhiễm sắc thể tương đồng trong giảm phân I, hoặc các chromatid chị em trong giảm phân II.

xảy ra lỗi ở	giao tử
giảm phân I	hai giao tử n + 1, hai giao tử n − 1
giảm phân II (một tế bào)	hai giao tử n, một giao tử n + 1, một giao tử n − 1

Giao tử n + 1 thụ tinh với giao tử bình thường tạo ra thể tam nhiễm (2n + 1); giao tử n − 1 tạo ra thể một nhiễm (2n − 1).

tình trạng	nhiễm sắc thể
hội chứng Down, tam nhiễm 21	47
hội chứng Turner, một X	45, X
hội chứng Klinefelter	47, XXY

Hầu hết các thay đổi khác về số lượng nhiễm sắc thể đều gây chết trước khi sinh. Nguy cơ tam nhiễm 21 tăng theo tuổi của người mẹ.

5.6 · Phả hệ và các bệnh di truyền ở người

đọc sự di truyền từ một gia đình

Phả hệ biểu thị một tính trạng qua các thế hệ trong gia đình: hình vuông là nam, hình tròn là nữ, kí hiệu tô đậm là người mắc bệnh; đường ngang nối cha mẹ, đường dọc dẫn đến các con của họ.

Cách suy luận. II-2 mắc bệnh, nhưng cha mẹ anh không mắc. Vậy tính trạng này là lặn, và anh có kiểu gene aa. Mỗi người cha mẹ đã cho anh một allele a trong khi biểu hiện A: cả hai đều là Aa. Các con của anh không mắc bệnh nhưng nhận một allele a từ anh: Aa.

Chị gái không mắc bệnh của anh, II-1, có kiểu gene AA hoặc Aa. Trong số các con không mắc bệnh của phép lai Aa × Aa, 2 trên 3 có kiểu gene Aa:

P(Aa \mid \text{unaffected}) = \frac{2/4}{3/4} = \frac{2}{3}

kiểu	dấu hiệu	ví dụ
lặn trên nhiễm sắc thể thường	bỏ qua một số thế hệ; con mắc bệnh của cha mẹ không mắc bệnh	bệnh xơ nang, bệnh hồng cầu hình liềm
trội trên nhiễm sắc thể thường	mọi người mắc bệnh đều có cha hoặc mẹ mắc bệnh	bệnh Huntington
lặn liên kết X	chủ yếu là nam, truyền qua người mẹ mang gene bệnh	bệnh máu khó đông
ty thể	từ mẹ truyền cho tất cả các con	LHON

Xét nghiệm di truyền và tư vấn di truyền đặt ra các vấn đề về đạo đức, xã hội và y học: ai nên biết kết quả, và làm gì với kết quả đó.