Di truyền liên kết giới tính, liên kết gene và hoán vị gene SVIP

I. Bối cảnh ra đời thí nghiệm của Morgan

Morgan là nhà di truyền học và nhà động vật học người Mỹ. Ông là người xây dựng nên thuyết di truyền nhiễm sắc thể, trong đó chỉ ra rằng, các gene được liên kết thành một chuỗi trên nhiễm sắc thể và chi phối các tính trạng di truyền liên kết. Trước nghiên cứu của Morgan, cho đến thập niên 1910, di truyền học Mendel (1865) và sự phát hiện, quan sát nhiễm sắc thể của W. Flemming (1878) là cơ sở cho việc giải thích hiện tượng di truyền các tính trạng ở sinh vật. Mặc dù khẳng định các nhiễm sắc thể liên quan đến tính di truyền, nhưng Morgan cho rằng mỗi nhiễm sắc thể không chi phối một tính trạng ở sinh vật. Từ nghiên cứu năm 1909 của nhà nghiên cứu tế bào học Frans Janssens khi quan sát cấu trúc bắt chéo của nhiễm sắc thể dưới kính hiển vi, Morgan đã dự đoán, sự trao đổi các vùng tương đồng trên các nhiễm sắc thể tương đồng xảy ra khi hình thành giao tử. Vào năm 1908, khi nghiên cứu ruồi giấm, Morgan đã phát hiện các đột biến về màu mắt và nhiều tính trạng khác. Từ các thí nghiệm lai giữa các dòng ruồi giấm, Morgan và cộng sự đã phát hiện sự di truyền của nhiễm sắc thể giới tính, di truyền liên kết giới tính và hiện tượng liên kết gene. 

II. Di truyền giới tính và di truyền liên kết giới tính

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

1. Nhiễm sắc thể giới tính

Nhiễm sắc thể giới tính là một loại nhiễm sắc thể chứa các gene quy định giới tính của một sinh vật. Tùy theo từng loài, nhiễm sắc thể giới tính có thể tồn tại thành từng cặp tương đồng (giới đồng giao tử) hoặc không tương đồng (giới dị giao tử).

2. Sự di truyền giới tính

Sự di truyền giới tính là sự di truyền các nhiễm sắc thể giới tính và quyết định giới tính của sinh vật qua các thế hệ nhờ giảm phân và thụ tinh. Nếu giới tính được xem là một tính trạng di truyền thì phép lai XX x XY luôn có tỉ lệ đực : cái xấp xỉ 1 : 1 ở đời con.

Ngoài các kiểu di truyền giới tính nêu trên, ở một số loài ong và kiến, giới tính được xác định bằng mức bội thể của cơ thể. Ví dụ: Con cái là 2n, con đực là n.

Một số loài như rùa và cá sấu, điều kiện nhiệt độ của môi trường trong quá trình phát triển phôi lại là yếu tố quyết định giới tính.

Cùng một kiểu di truyền giới tính thì cơ chế xác định giới tính cũng khác nhau. Cơ chế xác định giới tính gồm nhiều gene tương tác với nhau rất phức tạp.

3. Sự di truyền liên kết giới tính

Thí nghiệm phát hiện di truyền liên kết giới tính

Năm 1910, Morgan phát hiện thấy một con ruồi đực duy nhất có mắt màu trắng, trong khi tất cả các con ruồi khác đều có mắt đỏ. Ông đã lai con ruồi đực mắt trắng này với ruồi cái mắt đỏ (phép lai thuận) và sau đó tiến hành thêm phép lai ruồi đực mắt đỏ với ruồi cái mắt trắng (phép lai nghịch).

Kết quả cho thấy có sự khác biệt kiểu hình giữa hai giới → Tính trạng màu mắt liên quan với giới tính của ruồi giấm.

Nhận định của Morgan

Từ dữ liệu thu được, Morgan nhận định rằng, tính trạng màu mắt được quy định bởi gene nằm trên nhiễm sắc thể giới tính. Gene quy định màu mắt nằm trên nhiễm sắc thể X và không có gene tương ứng trên nhiễm sắc thể Y. Cá thể đực có cặp XY được nhận X từ ruồi mẹ, Y từ ruồi bố và chỉ mang một allele trên X, không mang allele tương ứng trên Y. Ruồi cái có cặp XX nên vẫn có cặp allele của gene này.

Khái niệm di truyền liên kết giới tính

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

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

Một số đặc điểm của sự di truyền liên kết X:

• Tính trạng do gene lặn liên kết X thường gặp ở cá thể có cặp XY hơn so với ở cá thể có cặp XX. Gene lặn trên X được truyền từ cá thể có cặp XY đến đời con có cặp XX, sau đó truyền cho đời cháu có cặp XY (di truyền chéo).
• Với kiểu hình do gene trội liên kết X, cá thể có cặp XY biểu hiện kiểu hình trội luôn sinh con có cặp XX biểu hiện kiểu hình đó.

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

• Tính trạng do gene trên Y chỉ biểu hiện ở cá thể có Y.
• Di truyền từ cá thể có cặp XY đến cá thể có cặp XY đời con (di truyền thẳng).

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

Cơ chế di truyền giới tính tạo nên sự cân bằng giới tính ở sinh vật. Tỉ lệ đực : cái xấp xỉ 1 : 1 giúp cân bằng số lượng cá thể đực, cái; làm giảm áp lực cạnh tranh sinh sản và đảm bảo sự ổn định bền vững kích thước quần thể của loài sinh sản hữu tính. Hiểu biết về di truyền giới tính được ứng dụng trong điều chỉnh tỉ lệ giới tính ở đàn vật nuôi nhằm tăng năng suất và đáp ứng yêu cầu của nhà sản xuất. Ví dụ: Để lấy trứng, sữa, số lượng cá thể cái trong đàn vật nuôi cần nhiều hơn số lượng cá thể đực. Muốn lấy thịt, tơ tằm, lông (để sản xuất len),... số lượng cá thể đực phải nhiều hơn số lượng cá thể cái. Đối với con người, khi biết giới tính cá thể và gene gây bệnh liên kết giới tính, có thể xác định được nguy cơ mắc bệnh. Tuy nhiên, việc xác định giới tính nhằm lựa chọn giới tính thai nhi có thể gây ra những hệ lụy về mặt xã hội, đạo đức và để lại hậu quả lâu dài cho quần thể loài người. Việc lựa chọn giới tính thai nhi là hành vi bị nghiêm cấm theo quy định của pháp luật Việt Nam.

Sự di truyền liên kết giới tính là cơ sở giải thích sự biểu hiện các tính trạng liên kết giới tính ở sinh vật, từ đó ứng dụng trong dự đoán và sàng lọc bệnh ở người như: Bệnh máu khó đông, bệnh mù màu đỏ – lục, loạn dưỡng cơ Duchenne,... Một số tính trạng phức tạp ở vật nuôi như sản lượng sữa, thành phần dinh dưỡng trong sữa, khả năng kháng bệnh viêm vú, tầm vóc cơ thể ở bò sữa được xác định là di truyền liên kết nhiễm sắc thể X,... Dựa trên cơ sở di truyền liên kết giới tính của các tính trạng này, các nhà chọn giống có thể lựa chọn các tổ hợp lai phù hợp nhằm cải thiện chất lượng giống bò sữa.

III. Di truyền liên kết

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

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

1.1. Thí nghiệm phát hiện hiện tượng liên kết gene

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

Quan điểm của Morgan về di truyền liên kết

Kết quả thí nghiệm đã được Morgan giải thích dựa trên cơ sở di truyền nhiễm sắc thể và gene trên nhiễm sắc thể. Tỉ lệ 1 : 1 ở đời lai phân tích cho thấy, trong quá trình giảm phân ở ruồi giấm đực, gene quy định màu thân và gene quy định độ dài cánh cùng phân li về một giao tử. Do đó, ruồi giấm đực F₁ chỉ tạo ra hai loại giao tử có tỉ lệ bằng nhau. Gene quy định màu thân và gene quy định độ dài cánh cùng nằm trên một nhiễm sắc thể, được gọi là các gene liên kết.

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

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

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

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

1.2 Thí nghiệm phát hiện hiện tượng hoán vị gene

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

Kết quả phép lai phân tích, đời con F_a có: 586 thân xám, cánh dài : 465 thân đen, cánh ngắn : 111 thân xám, cánh ngắn : 106 thân đen, cánh dài.

Quan điểm của Morgan về quy luật di truyền

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

\(\left(\dfrac{111+106}{586+465+111+106}\right)\times100\%=17\%\)

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

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

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

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

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

Di truyền liên kết duy trì các tổ hợp kiểu gene giúp sinh vật thích nghi với môi trường và tạo nên tính ổn định, đặc trưng ở các loài sinh vật. Liên kết gene giải thích được hiện tượng di truyền cùng nhau của nhiều tính trạng ở các cá thể. Việc thiết lập nhóm liên kết của các gene quy định tính trạng có lợi hoặc phá vỡ nhóm liên kết của gene quy định tính trạng không mong muốn là định hướng trong chọn, tạo giống vật nuôi, cây trồng. Từ đó, giống được tạo ra mang tổ hợp nhiều tính trạng ưu việt. Ví dụ: Ở lúa mì, gene quy định tính kháng bệnh rỉ sét do vi khuẩn liên kết với gene quy định các tính trạng làm giảm năng suất, vì vậy, đây là tổ hợp gene liên kết cần được phá vỡ khi tạo giống lúa mì.

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

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

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

Dựa vào bản đồ di truyền, người ta biết được khoảng cách giữa các gene trên một nhiễm sắc thể, từ đó có thể dự đoán được tỉ lệ kiểu hình của đời lai. Ví dụ: Trong phép lai phân tích, cá thể có kiểu gene dị hợp tử về hai gene, nếu hai gene càng nằm xa nhau trên nhiễm sắc thể thì đời lai có tần số kiểu hình tái tổ hợp càng cao và ngược lại; nếu hai gene nằm sát nhau (khoảng cách giữa hai gene trên bản đồ di truyền là 0), đời lai chỉ có kiểu hình giống bố và giống mẹ.

Thông qua phân tích liên kết gene và lập bản đồ di truyền, có thể xác định được mối quan hệ tiến hoá giữa các loài và suy luận cơ chế tiến hoá loài. Ví dụ: Khi so sánh tiêu bản bộ nhiễm sắc thể của người và các loài khác thuộc bộ Linh trưởng, các nhà khoa học đã phát hiện sự sắp xếp lại của các nhóm gene liên kết, nhờ đó đã dự đoán được cơ chế tiến hoá đóng góp vào sự hình thành người từ tổ tiên chung với các loài này.

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

1. Nhiễm sắc thể giới tính có vai trò xác định giới tính của cá thể. Cặp nhiễm sắc thể giới tính là cặp nhiễm sắc thể khác nhau giữa các cá thể đực và cái của mỗi loài.

2. Sự di truyền giới tính là sự di truyền các nhiễm sắc thể giới tính, từ đó xác định giới tính của sinh vật. Thông qua cơ chế giảm phân và thụ tinh, tỉ lệ đực : cái trong tự nhiên xấp xỉ 1 : 1.

3. Di truyền liên kết giới tính là sự di truyền của các tính trạng bị chi phối bởi các gene nằm trên nhiễm sắc thể giới tính.

4. Di truyền giới tính và di truyền liên kết giới tính được ứng dụng trong thực tiễn và nghiên cứu thuộc các lĩnh vực như nông nghiệp, sinh y học,…

5. Các thí nghiệm lai trên ruồi giấm của Morgan giúp phát hiện và giải thích hiện tượng liên kết gene và hoán vị gene.

6. Liên kết gene là hiện tượng các gene gần nhau nằm trên cùng một nhiễm sắc thể có xu hướng di truyền cùng nhau (các gene liên kết). Sự phân li cùng nhau của các gene trên một nhiễm sắc thể về mỗi giao tử trong giảm phân là cơ sở của sự liên kết gene.

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

8. Bản đồ di truyền được xây dựng dựa vào tần số hoán vị gene, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Nghiên cứu cấu trúc và chức năng gene, chẩn đoán bệnh ở người, chọn giống,…