Bài giảng Tìm hiểu di truyền tế bào chất

Di truyền tế bào chất 1 Nội dung
Lịch sử phát hiện 2
ðịnh nghĩa 2
ðặc điểm 2
Ví dụ 4
Các kiểu di truyền tế bào chất 8
Phân biệt với di truyền theo nhân 10
Ứng dụng 11
Tài liệu tham khảo 14 _5/2008_ Di truyền tế bào chất 2 1. Lịch sử phát hiện? Karl Erich Correns (1864-1933)
Ngồi các gen nằm trong nhân cư trú trên các nhiễm sắc thể, các nhà di truyền cịn thu được nhiều kết quả thí nghiệm ngồi giới hạn của thuyết nhiễm sắc thể về tính di truyền, cho thấy cịn cĩ các gen ngồi nhân. Các gen nằm ngồi nhân đã tạo nên sự di truyền ngồi nhiễm sắc thể hay di truyền tế bào chất.
Năm 1908 Correns đã nhận thấy các gen trong tế bào chất đầu tiên ở thực vật, nhưng sự phát triển di truyền học nhiễm sắc thể khiến vấn đề này bị mờ nhạt đi. Các gen cịn được tìm thấy trong tế bào chất cĩ chứa DNA của các bào quan ti thể và lục lạp. 2. ðịnh nghĩa
Di truyền tế bào chất là hiện tượng di truyền do các gene nằm trên nhiễm sắc thể ở ngồi nhân quy định. 3. ðặc điểm
Tỷ lệ phân ly khơng tuân theo định luật Mendel.
Ảnh hưởng của dịng mẹ trong truyền thụ các tính trạng. Di truyền tế bào chất 3





Một số tính trạng cĩ biểu hiện đốm do sự phân ly xảy ra ở tế bào soma. Di truyền tế bào chất 4 4. Ví dụ Di truyền của các gene ty thể: Theo Mendel, khi tạp giao những sinh vật lưỡng bội thì cĩ sự phân ly tính trạng theo đúng định luật của Mendel vì những gene ở trong nhân đều nằm trên nhiễm sắc thể và trong giảm phân được phân chia cho các giao tử cùng với nhiễm sắc thể. ðối với những tính trạng ở trong tế bào chất khơng cĩ một hệ thống phân chia nào đảm nhận nên khơng cĩ sự phân ly theo một quy luật nhất định. Ở nấm men cĩ một thể đột biến cĩ thể hình thành những khuẩn lạc petite kích thước nhỏ hơn bình thường, đường kính chỉ bắng 1/2 - 1/2 khuẩn lạc bình thường. Các tế bào tạo nên khuẩn lạc petite cĩ kích thước giống kích thước tế bào bình thường. Nguyên nhân tạo nên khuẩn lạc kích thước nhỏ là do các tế bào đột biến petite bị hỏng hệ thống hơ hấp, tức là những enzyme oxy hĩa trong ti thể là các cytochrom b, c, a, a3 và cytochrom oxydase bị phá hủy. ðây là những enzyme của màng trong ty thể. Khác với kiểu dại, các đột biến petite khơng thực hiện được phản ứng phosphoryl hĩa để sản ra năng lượng, vì vậy tốc độ sinh trưởng và phân bào của chúng thấp hơn. Ở ty thể của nấm men (Saccharomyces cerevisiae) cĩ 3 kiểu đột biến chủ yếu: petite, antR và mit-. Một ví dụ về ty thể là đột biến thiểu năng hơ hấp ở nấm men. Vào những năm 1940, Boris Ephrussi và cs. đã mơ tả các đột biến đặc biệt ở nấm men.Các đột biến này được gọi là petite, cĩ khuẩn lạc nhỏ hơn nhiều so với khuẩn lạc hoang dại. Theo phương thức di truyền, các đột biến petite chia làm 3 loại khác nhau: - Petite phân ly (Segregation petites): khi lai với dạng hoang dại khuẩn lạc bình thường thì tỷ lệ phân ly trong các nang bào tử (ascospore) là 1 khuẩn lạc to: 1 petite. - Petite trung tính (Neutral petites): khi lai với khuẩn lạc to thì sự phân ly trong nang bào tử chỉ cĩ dạng khuẩn lạc to bình thường, thể hiện sự di truyền theo một cha mẹ (Uniparental) - Petite ức chế (Suppressive petites): khi lai tạo các nang bào tử, một số mọc thành khuẩn lạc to bình thường, một số khác tạo khuẩn lạc petite. Tỷ lệ giữa khuẩn lạc to và nhỏ dao động nhưng cĩ tính đặc hiệu của chủng, một số petite ức chế chỉ tạo thế hệ con khuẩn lạc petite. Qua các petite ức chế cho thấy cĩ sự di truyền ngồi nhân tế bào và một số cĩ sự di truyền theo một cha mẹ. Di truyền tế bào chất 5 Khi lai nấm men 2 tế bào cha mẹ, hai tế bào cha mẹ kết hợp với nhau và gĩp tế bào chất như nhau vào tế bào con lưỡng bội. Sự di truyền của các petite trung tính và ức chế độc lập với kiểu bắt cặp thể hiện rõ sự di truyền ngồi nhân nên được gọi là petite tế bào chất. Qua nghiên cứu chúng cĩ các đặc điểm kiểu hình như sau: - Chuỗi chuyền điện tử của ty thể bị sai hỏng ở các petite tế bào chất. Do sai hỏng này, chúng lên men để tạo ATP kém nên mọc chậm. - Khơng cĩ sinh tổng hợp protein ở các petite tế bào chất. Các ty thể cĩ hệ thống sinh tổng hợp riêng gồm tRNA, các ribosome khác với tế bào chất. - mtDNA ở các đột biến petite cĩ biến đổi lớn. Ty thể của tất cả các Eukaryote cĩ mtDNA riêng tuy số lượng nhỏ, nhưng khác với DNA của nhân tế bào. Ở các petite trung tính, mtDNA bị mất hồn tồn, cịn ở các petite ức chế cĩ sự thay đổi đáng kể tỷ lệ base so với mtDNA của dạng khuẩn lạc to bình thường. Nhĩm các đột biến thứ hai của nấm men là antR (antR mutants), cĩ kiểu hình đề kháng với các kháng sinh khác nhau. Ví dụ: capR (chloramphenicol resistance) kháng chloramphenicol, eryR kháng erythromycine, spiR kháng spiromycine, parR kháng paranomycine và oliR kháng oligomycine. Các đột biến này khi lai (ví dụ eryR x eryS) cho tỷ lệ phân ly khơng theo quy luật Mendel, giống như các petite ức chế nhưng sự di truyền cĩ khác. Khi các tế bào cha mẹ kết hợp, sản phẩm lưỡng bội là hợp tử hai cha mẹ cytohet (cytoplasmically heterozygote). Các diploid này cĩ thể sinh sản vơ tính bằng mọc chồi.Trong nguyên phân, quá trình phân ly tế bào chất và tái tổ hợp xảy ra và các tế bào con trở thành eryS hay eryR. Nhĩm đột biến quan trọng thứ ba là mit- (mit- mutants) được phát hiện sau cùng nhờ kỹ thuật chọn lọc đặc biệt. Các đột biến này, tương tự các đột biến petite ở chỗ cĩ khuẩn lạc nhỏ và các chức năng bất thường của chuỗi chuyền điện tử, nhưng điểm khác căn bản là sinh tổng hợp protein bình thường và cĩ khả năng hồi biến. Như vậy, các kiểu đột biến mit- là đột biến điểm. Sự di truyền cuả kiểu đột biến mit- giống với kiểu antR, cĩ sự phân ly tế bào chất và sự di truyền theo một cha mẹ trong giảm phân. Trong thế hệ con của những tế bào thuộc khuẩn lạc bình thường, cĩ khoảng vài phần trăm tế bào hình thành những khuẩn lạc petite. Những tế bào khuẩn lạc petite luơn luơn phát triển thành những khuẩn lạc petite. ðiều đĩ chứng tỏ cĩ sự thay đổi về cấu Di truyền tế bào chất 6 trúc di truyền. Ngồi đột biến xảy ra ở kiểu bào gene nĩi trên dẫn đến sinh ra những khuẩn lạc petite, cịn cĩ những khuẩn lạc petite do những gene ở trong nhân quy định. Thí nghiệm: Sự di truyền các gen của ty thể trong hình thành khuẩn lạc petite Tạp giao của một nịi nấm men kích thước khuẩn lạc bình thường với một nịi cĩ kích thước khuẩn lạc petite, thế hệ con hình thành khuẩn lạc bình thường. Cịn đối với những gene trong nhân (gene ade), thì sự phân ly ở thế hệ con về những gene này cho tỷ lệ 1:1, do chúng nằm trên NST và được chia đều cho các tế bào con. Ở đây, nguyên liệu di truyền trong tế bào sẽ được trộn lẫn nhau trong hợp tử và khi tạo thành bào tử thì mỗi bào tử đều nhận được các gene ở trong ti thể như nhau, nên chúng đều cĩ chức năng hơ hấp bình thường. Di truyền tế bào chất 7 Thí nghiệm cho thấy sự di truyền khuẩn lạc khơng theo quy luật Mendel. Di truyền tế bào chất 8 5. Các kiểu di truyền tế bào chất a. Di truyền ty thể Bộ gene ty thể (mtDNA) Bào quan ti thể cĩ ở tất cả các tế bào của Eukaryote. Bộ gene của ti thể được ký hiệu là mtDNA (Mitochodrial DNA). mtDNA mã hĩa cho sự tổng hợp nhiều thành phần của ti thể như hệ thống 2 loại rRNA, 22-25 loại tRNA và nhiều loại protein cĩ trong thành phần màng bên trong ti thể. Trong khi đĩ, phần lớn protein của ribosom của ti thể thì do các gene ở trong nhân xác định. Bộ gene của ti thể cĩ hai chức năng chủ yếu: - Mã hĩa cho một số protein tham gia chuỗi chuyền điện tử - Mã hĩa cho hệ thống sinh tổng hợp protein gồm một số protein, tất cả các tRNA và cả 2 loại rRNA. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp, những cấu phần cịn lại của hệ thống được mã hĩa do các gene nhân và được dịch mã ở bào tương (cytosol) rồi chuyển vào ti thể. Như vậy, việc nghiên cứu các gene của ti thể cho thấy tế bào Eukaryote khơng lục lạp cĩ ít nhất 2 hệ thống sinh tổng hợp protein độc lập tương đối nhưng luơn hợp tác chặt chẽ với nhau. b. Di truyền lạp thể Bộ gene lạp thể (cpDNA) Là bào quan cĩ khả năng tự tái sinh ở tế bào thực vật. Sự phân chia của các bào quan này về về các tế bào con trong phân bào là khơng đều như sự phân chia của nhiễm sắc thể trong nguyên phân và giảm phân. Chúng cĩ số lượng lớn và phân chia ngẫu nhiên về các tế bào con nên mỗi tế bào cĩ thể chứa nhiều hoặc ít lục lạp. DNA của lục lạp được ký hiệu là cpDNA (Chloroplast DNA). Bộ gene này ở dạng DNA vịng trịn, thường dài hơn DNA của ty thể 8-9 lần. Trong lục lạp cịn tìm thấy bộ máy sinh tổng hợp protein khác rất nhiều với hệ thống trong tế bào chất của Eukaryota nhưng giống với bộ máy sinh tổng hợp protein của Prokaryota. Mặc dù sự di truyền của lục lạp được phát hiện rất sớm, nhưng trong một thời gian dài sự hiểu biết chi tiết về các gene của lục lạp khơng cĩ bước tiến đáng kể. Các nghiên Di truyền tế bào chất 9 cứu phân tử đa gĩp phần chủ yếu cho sự phân tích chi tiết các gene ở các bào quan. Ngồi các nghiên cứu ở Mirabilis jalapa và Chlamydomonas, bản đồ chi tiết cpDNA của thực vật Marchantia polymorpha đa được xây dựng. CpADN điển hình dài khoảng 120-200 kb tùy lồi thực vật. Ở Marchantia, kích thước phân tử là 121 kb. Trên cpDNA của Marchantia cĩ tất cả 136 gene gồm 4 loại mã hĩa tổng hợp rRNA, 31 loại mã hĩa tổng hợp tRNA và khoảng 90 gene tổng hợp protein. Trong số 90 gene mã hĩa tổng hợp protein, cĩ 20 gene mã hĩa tổng hợp enzyme cho quang hợp và chuỗi chuyền điện tử. Các gene mã hĩa cho các chức năng dịch mã chiếm khoảng một nữa bộ gene của lục lạp và bao gồm các protein và các RNA cần thiết cho dịch mã bên trong lục lạp. Thực tế DNA của lục lạp, ty thể và nhân tế bào cĩ sự phối hợp chặt chẽ trong việc tạo ra các tiểu phần của những protein được sử dụng bên trong lục lạp. Ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/ oxygenase là enzyme dồi dào nhất của lục lạp. Nĩ xúc tác 2 phản ứng cạnh tranh nhau, cố định CO2 và bước đầu tiên của quang hơ hấp photorespiration) với sự tạo ra glycolate. Enzyme gồm 8 tiểu phần lớn LS (large unit) giống nhau và 8 tiểu phần nhỏ giống nhau được mã hĩa tương ứng bởi các gene của lục lạp và nhân tế bào. Tiểu phần lớn LS mang trung tâm xúc tác, cịn vai trị của các tiểu phần nhỏ chưa rõ. Gene LS nằm trên cpDNA của một số thực vật như bắp, Chlamydomonas reinhardii, thuốc lá, Euglena... Trong tất cả các trường hợp, gene LS hiện diện 1 bản sao cho 1 DNA của lục lạp. Ngược lại, các gene của tiểu phần nhỏ được tìm thấy ở các trình tự DNA của nhân tế bào với số bản sao ít. c. Bất thụ đực ở thực vật Cĩ nhiều dạng bất thụ, nhưng các nhà chọn giống chú ý nhiều hơn đến hiện tượng đực bất thụ. ðực bất thụ là hiện tượng cơ quan sinh sản đực khơng hình thành phấn hoa hoặc cĩ hình thành nhưng khơng cĩ khả năng thụ phấn thụ tinh. ðực bất thụ được biểu hiện ra bên ngồi trong các trường hợp sau: - Trên hoa các nhị hồn tồn khơng phát triển (như ở cây thuốc lá) - Yếu tố đực của cây mặc dầu cĩ hình thành song khơng phân hố một cách hồn tồn (như ở ngơ). Cụ thể cờ ngơ khơng cĩ phấn hoặc phấn khơng cĩ sức sống. Các bao phấn nhỏ bé bị thối hố trong dé hoa, hoặc cũng cĩ khi nhơ khỏi dé hoa nhưng khơng tung phấn, hạt phấn lép, mất khả năng thụ phấn thụ tinh. Di truyền tế bào chất 10 - Yếu tố đực của hoa cĩ tạo ra các bao phấn bình thường nhưng chúng khơng mở (như ở cà chua). d. Di truyền do virus và các phần tử ngồi nhân Sự xâm nhập của virus hay một số phần tử khác vào tế bào cĩ thể gây hiệu quả di truyền tế bào chất. Ví dụ: cĩ thể gây nhiễm tính trạng với CO2 cho các dịng ruồi bình thường bằng cách cấy cơ quan từ các ruồi nhạy cảm. Sự nhạy cảm với CO2 liên quan đến virus σ. Sự gây nhiễm loại virus này cho ruồi giấm làm cho nĩ trở nên nhạy cảm với CO2. 6. Phân biệt với di truyền nhân Di truyền tế bào chất Di truyền nhân
Do gen nằm trên NST ngồi nhân quy định.
Tỷ lệ phân ly khơng tuân theo định luật Mendel.
Cĩ sự ảnh hưởng của dịng mẹ trong truyền thụ các tính trạng.
DNA của ty thể, lạp thể, Plasmid cĩ hình vịng.
Tính trạng do gen tế bào chất qui định sẽ tồn tại khi thay thế nhân tế bào bằng một nhân cĩ cấu trúc di truyền khác. Gen tế bào chất ít chịu ảnh hưởng của tác nhân gây đột biến.
Di truyền tế bào chất cĩ vai trị nhất định (quyết định 1% tính trạng).
Do gen nằm trên NST trong nhân quy định.
Tỷ lệ phân ly tuân theo định luật Mendel.
Khơng cĩ di truyền theo dịng mẹ.
DNA trong nhân mạch thẳng.
Tính trạng do gen nhân sẽ thay đổi khi thay thế nhân tế bào bằng một nhân cĩ cấu trúc di truyền khác.
Di truyền nhân đĩng vai trị chính. Di truyền tế bào chất 11 7. Ứng dụng
Sản xuất hạt lai
Giám định hài cốt liệt sĩ
Xác định nguồn gốc các lồi động vật đã bị tuyệt chủng. Sản xuất hạt lai Việc sử dụng hiện tựơng tính đực bất dục vào trong sản xuất hạt lai với mục đích đỡ cơng khử đực ở các dịng dùng làm mẹ. Khoa học đã xác định được rằng trong tế bào chất của cây bị đực bất dục cĩ nhân tố plasmogen S (sterility) quyết định tính đực bất dục; Trong tế bào chất của cây ngơ bình thường cĩ nhân tố plasmogen N (noronal) quyết định tính đực bình thường; Trong nhân tế bào nếu cĩ gen trội Rf thì cĩ tác dụng khống chế được tính đực bất dục của nhân tố S; Trong nhân tế bào nếu cĩ gen ẩn rf thì khơng khống chế được tính đực bất dục của nhân tố S. Khi vật chất di truyền trong tế bào chất và nhân tế bào tương tác với nhau sẽ cho các kiểu gen như sau: Kiểu gen Srfrf cho tính đực bất dục Kiểu gen Nrfrf cho tính đực bình thường Kiểu gen SRfRf cho tính đực bình thường Kiểu gen NRfRf cho tính đực bình thường Kiểu gen SRfrf cho tính đực bình thường Kiểu gen NRfrf cho tính đực bình thường Hạt lai kép tạo ra theo sơ đồ này hồn tồn bất dục phấn. Di truyền tế bào chất 12 Vì thế khi dùng trong sản xuất cần trộn lẫn hạt lai của các sơ đồ lai khác. Giám định hài cốt liệt sĩ - Ở Việt Nam, cĩ ba phương pháp giám định tìm tên cho liệt sĩ: giám định hình thái xương (địi hỏi hộp sọ phải cịn nguyên vẹn) do Viện Pháp y Quân đội thực hiện, giám định qua di vật do Viện Bảo tàng Quân khu IV tiến hành và gần đây là phương pháp giám định hài cốt liệt sĩ bằng kỹ thuật phân tích gien của Viện CNSH. Ưu điểm của phương pháp giám định gien là mang lại hiệu quả và độ chính xác cao. Tồn bộ quy trình giám định gien được hồn tất trong khoảng 1 tháng. - Ban đầu, cần phải lấy mẫu giám định một cách chuẩn xác, khoa học. ðĩ là một mẩu xương nhỏ khơng được quá mủn hoặc tốt nhất là một chiếc răng của liệt sĩ. Khi đã được làm sạch, răng hoặc xương được nghiền thành bột trong nitơ lỏng rồi được ngâm vào các hố chất tinh khiết, chất lượng cao. Mọi cơng đoạn đều được thực hiện trong mơi trường vơ trùng tuyệt đối. Khâu tiếp theo là tách chiết ADN từ mẫu bằng các thiết bị chuyên dụng, chẳng hạn máy li tâm lạnh siêu tốc 1.500 vịng/phút. - Sau đĩ, một đoạn gien đặc hiệu được nhân bản bằng máy PCR để tạo ra hàng tỷ bản sao, phục vụ cho khâu tách dịng gien và xác định trình tự gien bằng máy tự động hiện đại nhất của Mỹ. ðoạn gien được nhân bản thuộc hệ gien ty thể bởi hệ gien này cĩ mạch vịng, bền vững hơn và hệ gen ty thể di truyền theo dịng mẹ. Trong khi đĩ, hệ gien nhân cĩ mạch thẳng nên dễ bị phá huỷ trong điều kiện hài cốt được mai táng sơ sài và lâu năm. Di truyền tế bào chất 13 - Cuối cùng, phần mềm chuyên dụng trên máy tính so sánh trình tự gien của hài cốt với trình tự gien trong mẫu đối chứng của thân nhân. Mẫu đối chứng thuận lợi nhất là máu, chừng 0,5-1cc. Phải lấy mẫu máu của người thân liên quan tới dịng mẹ (mẹ đẻ, anh chị em cùng mẹ, con của chị em gái...) bởi hệ gien ty thể chỉ di truyền theo dịng mẹ. Khi thụ tinh, hệ gien ty thể của người cha nằm ở đuơi tinh trùng nên khơng tham gia vào quá trình tạo phơi. Do vậy, gien ty thể của người cha khơng được truyền cho con. Xác định nguồn gốc các lồi động vật đã bị tuyệt chủng. Nghiên cứu cho thấy voi mamút cĩ họ hàng gần gũi nhất với voi châu Á, hơn là với lồi bà con ở Phi châu. 3 nhĩm này phân tách ra từ một tổ tiên chung khoảng 6 triệu năm trước, và chỉ đến khoảng nửa triệu năm sau đĩ, voi châu Á và voi mamút mới chịu "chia tay" nhau. "Cuối cùng chúng tơi đã làm sáng tỏ được sự phát sinh lồi voi mamút vốn gây tranh cãi suốt gần 10 năm qua", trưởng nhĩm nghiên cứu Michael Hofreiter từ Viện Max Planck về Nhân chủng học tiến hố ở Leipzig, ðức, cho biết. Voi mamút sống ở châu Phi, châu Âu, châu Á và Bắc Mỹ vào khoảng 1,6 triệu năm trước và tuyệt chủng khoảng 10.000 năm trước đây (ở đầu Kỷ thứ Tư). Lồi voi mamút cĩ lơng, Mammuthus primigenius, với bộ lơng rậm rạp che kín tồn thân đã thích nghi được với điều kiện cực lạnh của thời kỳ băng hà. Trước kia, ADN của một vài lồi thú bị tuyệt chủng trong thời kỳ đĩ (bảo tồn ở tầng đất đĩng băng vĩnh cửu) cũng đã được phân tích, song khơng chi tiết như ở nghiên cứu voi mamút. "ðây là đoạn AND dài nhất được giải mã tới nay từ các mẫu vật ở đầu Kỷ thứ Tư", giáo sư Hofreiter nĩi. Khoảng 46 đoạn trình tự ADN đã được lắp ghép và xắp xếp theo thứ tự, tạo ra một bản đồ hồn chỉnh về ADN ty thể của voi mamút - loại vật liệu gene dạng vịng tìm thấy ở ngồi nhân tế bào. Loại gene này chỉ di truyền theo dịng mẹ, với những thay đổi nhỏ nhưng thường xuyên. Nhờ nĩ, các nhà khoa học cĩ thể nhìn về quá khứ, và tìm hiểu mối quan hệ tiến hố giữa các lồi khác nhau. Trước voi mamút, đã cĩ chim moa - một lồi chim khơng biết bay, tuyệt chủng khoảng 500 trước - cũng được giải mã hồn chỉnh ADN ty thể. Di truyền tế bào chất 14 Tài liệu tham khảo
Phạm Thành Hổ – Di truyền học – tr 436.
ðỗ Lê Thăng – Chú giải di truyền học.
Lê Ngọc Thơng-Huỳnh Tiến Dũng – Sinh học đại cương – tr 155.
www.google.com.vn

www.thanhnien.com.vn