Bài giảng Di truyeàn hoïc

DI TRUYỀN HỌC CHƯƠNG I. DẪN NHẬP : DI TRUYỀN HỌC - TRUNG TÂM CỦA SINH HỌC. CHƯƠNG II. DI TRUYỀN HỌC MENDEL CHƯƠNG III. SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC GEN VỚI NHAU VÀ VỚI MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG IV. DI TRUYỀN HỌC NHIỄM SẮC THỂ PHẦN II DI TRUYỀN PHÂN TỬ Chương V. DNA LÀ VẬT CHẤT DI TRUYỀN Chương VI. SINH TỔNG HỢP PROTEIN CHƯƠNG VII. ĐIỀU HÒA SỰ BIỂU HIỆN GEN PHẦN III BIẾN DỊ CHƯƠNG VIII. ĐỘT BIẾN GEN CHƯƠNG IX. ĐỘT BIẾN CẤU TRÚC VÀ SỐ LƯỢNG NHIỄM SẮC THỂ. PHẦN IV. DI TRUYỀN HỌC VI SINH VẬT CHƯƠNG XI. DI TRUYỀN HỌC VIRUS CHƯƠNG XII.DI TRUYỀN HỌC VI KHUẨN CHƯƠNG XIII. DI TRUYỀN HỌC VI NẤM VÀ VI TẢO CHƯƠNG XIV. KỸ THUẬT DI TRUYỀN TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Thành Hổ. 2005. Di truyền học. NXB Giáo dục. TPHCM. 2. Phạm Thành Hổ. 2005. Nhập môn Công nghệ sinh học. NXB Giáo dục. TPHCM.(Chương 3 & 4) 3. Hồ Huỳnh Thùy Dương. 2002. Sinh học phân tử. NXB Giáo dục. TPHCM. 4. B. Lewin. 2004. Genes VIII. Pearson – Prentice Hall. Chương I. DẪN NHẬP : DI TRUYỀN HỌC - TRUNG TÂM CỦA SINH HỌC. Trước khi tìm hiểu chi tiết cần có tầm nhìn tổng quan về ngành học, biết khái quát về những vấn đề, phạm vi và mức độ nghiên cứu của môn học. Ngoài ra, cần nắm vững các phương pháp và sơ lược lịch sử để hướng tư duy theo đúng những đặc điểm của môn học. Cuối cùng, kiến thức về mối quan hệ với các ngành học khác và thực tiễn giúp hiểu rõ thêm tầm quan trọng của môn học. CÁC TRỌNG TÂM : .Sự tinh vi, độ chính xác và ổn định cao của tính di truyền. .Thông tin di truyền là cơ sở của sự phát triển, chi phối mọi biểu hiện sống. .Di truyền và biến dị là 2 trong ba nhân tố tiến hóa. ."Di truyền học là trái tim của sinh học". .9 nguyên tắc chung trong nghiên cứu sinh học. .Gen và tế bào. .Gen và cơ thể. .Các phương pháp nghiên cứu di truyền học. .Sơ lược các giai đoạn phát triển của di truyền học. .Mối quan hệ với các ngành và thực tiễn. Vì sao cần nghiên cứu DTH ? Những tiến bộ của tri thức loài người đã dẫn đến sự hình thành và phát triển của nhiều ngành khoa học nhằm hiểu biết bản chất của các hiện tượng tự nhiên và xã hội, từ đó tìm ra các ứng dụng phục vụ lợi ích con người. Di truyền học là một bộ môn Sinh học, ngành khoa học tự nhiên nghiên cứu thế giới sinh vật, có vị trí và vai trò đặc biệt đối với con người. Thứ nhất, tính di truyền rất gần gũi nhưng đầy bí ẩn đối với con người. Thứ hai, các cơ chế di truyền liên quan và phục vụ trực tiếp cho con người. Thứ ba, nó liên quan đến nhiều cơ chế căn bản của sự sống. Thứ tư, di truyền phát triển với tốc độ rất nhanh, có vai trò cách mạng hóa đối với sinh học nên luôn mới mẻ và hứa hẹn có tiền đồ rộng lớn trong tương lai. Nếu thế kỉ 21 là thế kỉ của sinh học, thì DTH sẽ là một trọng tâm của sự phát triển đó. Sự hiểu biết về DTH không những cần thiết cho các nhà sinh học, mà cả những nhà nghiên cứu giáo dục học,triết học, luật học và nhiều lĩnh vực khác. I. THẾ NÀO LÀ DI TRUYỀN HỌC ? Di truyền học nghiên cứu hai đặc tính cơ bản của sự sống là tính di truyền và biến dị, mà thiếu chúng sự sống không thể tồn tại và phát triển đến ngày nay. 1. Sự giống nhau. - Sự tinh vi và độ chính xác cao là vấn đề khó hiểu nhất. Ví dụ, con mắt phân biệt 7 triệu loại màu sắc khác nhau ? - Sự ổn định rất lớn trãi qua nhiều thế hệ. 2. Thông tin di truyền và sự phát triển. Chứa và truyền đạt thông tin là tính chất tuyệt diệu nhất của thế giới sinh vật, không có ở các chất vô sinh nếu thiếu sự chế tạo do con người. Thông tin liên quan đến các quá trình sống chủ yếu như sinh sản, phát triển, tiến hóa và các phản ứng thích nghi. Trong các tế bào sống thông tin có hai dạng chủ yếu: thông tin di truyền và thông tin thích nghi. Ở người, hợp tử là cầu nối giữa hai thế hệ. Hợp tử không trực tiếp mang các đặc tính của cha mẹ mà chứa mầm móng tức chương trình phát triển cá thể ở dạng bộ gen, được gọi là thông tin di truyền. Thông tin di truyền được mã hóa ở dạng trình tự thẳng của 4 loại nucleotid của acid nucleic (DNA và RNA). Đơn vị của thông tin di truyền là các gen. Mọi tính trạng của sinh vật đều chịu sự chi phối của các gen tương ứng. Trong khối đa dạng của nhiều tính trạng, có thể tách riêng từng đơn vị lẻ để nghiên cứu, đó là gen-tính trạng. Bộ gen chi phối mọi biểu hiện sống: tái tạo các cấu trúc tinh vi, điều hòa việc thực hiện hàng loạt chuỗi phản ứng hóa học phức tạp giúp cơ thể phản ứng và thích nghi với môi trường. Do vậy, truyền đạt các tính trạng giống nhau qua nhiều thế hệ chỉ một mặt của tính di truyền, mặt quan trọng hơn, nó là cơ sở cho mọi biểu hiện sống đặc trưng ở mỗi sinh vật. Thông tin di truyền được ghi lại rất tinh vi trên DNA. Hợp tử của người chứa 6.10–12 g DNA. Thật khó hình dung một khối vật chất nhỏ như vậy lại chứa nổi một lượng thông tin cực lớn. 3. Sự liên tục của chất sống. Thông tin di truyền tinh vi được truyền đạt cho nhiều thế hệ nối tiếp với sự ổn định cao nhờ các cơ chế sao chép chính xác và phân chia đều cho các tế bào con. Cá thể sinh vật đến lúc nào đó sẽ chết, nhưng thông tin không chết, lại được truyền cho thế hệ sau và có thể biến đổi tiến hóa. Nhờ đó sinh giới không bất tử mà hoàn thiện không ngừng, dẫn đến con người trí tuệ để chuyển sang tiến hóa xã hội. Sự sống là một dòng liên tục và tất cả các sinh vật có họ hàng từ một tổ tiên chung 4. Biến dị. Biến dị biểu hiện ở sự sai khác so với cha mẹ và cả với các cá thể cùng loài. Một mặt, sự biến đổi của bộ máy di truyền dẫn đến các biến dị, mặt khác cũng chính các cơ chế di truyền tạo sự đa dạng đến mức xét về chi tiết thì không có 2 sinh vật hoàn toàn giống nhau. Tuy nhiên, biến dị tuy có số lượng rất lớn và hết sức đa dạng nhưng xảy ra trong một khuôn khổ nhất định nên mới có thể xếp các sinh vật vào những đơn vị phân loại như loài, giống, họ, bộ,... Di truyền và biến dị là hai trong ba nhân tố tiến hóa theo quan điểm của Darwin. Biến dị tạo sự đa dạng cung cấp nguyên liệu cho tiến hóa, di truyền duy trì các đặc tính; còn chọn lọc tự nhiên là nhân tố định hướng hoàn thiện các dạng sinh vật và dẫn đến sự đa dạng như ngày nay. Thông tin thích nghi lúc đầu xuất hiện ở đời sống cá thể tạo ưu thế trong cuộc đấu tranh sinh tồn nên được chọn lọc tự nhiên giữ lại và ghi thêm vào thông tin di truyền của sinh vật. Do vậy, thông tin thích nghi cũng chịu sự chi phối của bộ gen và được lưu truyền. Trong tiến hóa có sự thừa kế. 5. “ Trái tim “ của Sinh học. Di truyền học đi sâu vào các vấn đề cơ bản của sự tồn tại và lưu truyền sự sống nên nó giữ một vị trí quan trọng đặc biệt, có người ví "di truyền học là trái tim của sinh học", vì không ít thì nhiều nó liên quan và chi phối bất kỳ lĩnh vực nào của sinh học từ các cơ chế phân tử của sự sống cho đến sự tiến hóa của toàn bộ thế giới sinh vật trên hành tinh của chúng ta.  Tóm lại, để hiểu rõ hai đặc tính di truyền và biến dị, di truyền học đi sâu giải quyết hàng loạt vấn đề như : sự truyền đạt các dấu hiệu di truyền, cơ sở nhiễm sắc thẻâ và phân tử, sự sao chép của bộ gen, tổ chức và hoạt động của bộ gen, sinh tổng hợp protein, điều hòa sự biểu hiện của gen và sự phát triển cá thể. Nội dung của di truyền học không chỉ ở các biểu hiện sống của tế bào và cơ thể, mà cả sự tiến hóa vĩ mô của sinh giới. Trong các môn sinh học, di truyền học khó hiểu nhất, đồng thời hấp dẫn nhất và cũng “đáng sơ”ï nhất. II. CÁC NGUYÊN TẮC NGHIÊN CỨU SINH HỌC .Nguyên tắc thứ nhất: các kiến thức sinh học phải nằm trong hệ thống tiến hóa . .Nguyên tắc thứ hai: tế bào là đơn vị nghiên cứu của sinh học. .Nguyên tắc thứ ba: sự tương quan thống nhất giữa cấu trúc và chức năng biểu hiện ở tất cả các mức tổ chức khác nhau. .Nguyên tắc thứ tư: tuân theo các quy luật vật lý và hóa học. .Nguyên tắc thứ năm: Các sinh vật phải thu nhận năng lượng và vật liệu để duy trì cấu trúc đặc thù, rồi thải phế phẩm ra ngoài. .Nguyên tắc thứ sáu: Trong nghiên cứu sinh học, bộ gen chứa thông tin di truyền cho sự sinh sản và phát triển. .Nguyên tắc thứ bảy: nghiên cứu sinh học phải đặt trong tiến trình của sự phát triển cá thể. .Nguyên tắc thứ tám: Sự phổ biến của các cơ chế phản hồi. - Nguyên tắc thứ chín: sự thừa kế của các quá trình sinh học. III. GEN VÀ TẾ BÀO. 1. Tế bào là đơn vị cơ sở của sinh giới. “ tất cả các sinh vật đều cấu tạo nên từ tế bào và các sản phẩm của tế bào, những tế bào mới được tạo nên từ sự phân chia của những tế bào trước nó, có sự giống nhau căn bản về thành phần hóa học và các hoạt tính trao đổi chất giữa tất cả các loại tế bào và hoạt động của cơ thể là sự tích hợp hoạt tính của các đơn vị tế bào độc lập”. III. CẤU TRÚC TẾ BÀO EUKARYOTAE Tế bào thực vật điển hình Ty thể LỤC LẠP (CHLOROPLAST) Tế bào là cấu trúc nhỏ nhất có biểu hiện đầy đủ các tính chất của sự sống, nên việc nghiên cứu nó giúp hiểu ngay tận gốc các cơ nguyên sống. Tế bào như phân tử hóa học. Các sinh vật có cấu trúc hóa học rất phức tạp,được tổ chức trong các phức hệ phân tử của nhiều bào quan với những chức năng chuyên biệt khác nhau để hình thành tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống. Sự sống chỉ biểu hiện thống nhất, đồng bộ, hài hòa, đầy đủ ở mức tế bào và cao hơn. Việc hiểu rõ cấu trúc của tế bào là cơ sở để nắm vững các cơ nguyên căn bản của sự sống. 3. Các đại phân tử thông tin Thông tin di truyền được mã hóa ở dạng trình tự thẳng của 4 loại nucleotid của acid nucleic (DNA và RNA) rồi hiện thực hóa ra dạng cấu trúc không gian ba chiều của các phân tử protein và các cấu trúc tế bào. Điều đáng lưu ý là các cơ chế này giống nhau cho tất cả các sinh vật. Như vậy, tính di truyền liên quan cụ thể đến các đại phân tử thông tin, mà bản chất hóa học, sự sao chép chúng và tổng hợp protein có ý nghĩa đặc biệt cho sự sống của tế bào. 4. Các cấu trúc có khả năng tự tái sinh. Chức năng nổi bật của nhân tế bào là chứa thông tin di truyền. Sự phân chia đều của nhiễm sắc thể về các tế bào con đảm bảo sự chia đều thông tin di truyền cho thế hệ sau. Có định nghĩa rằng: “Sự sống - đó là sự duy trì và tái tạo tích cực cấu trúc đặc thù kèm theo tiêu tốn năng lượng“. Có người coi điều này là một “tiền đề thứ nhất của sự sống”. IV. GEN VÀ CƠ THỂ. Mỗi sinh vật có hoạt động sống trong môi trường ở dạng cơ thể. Các sinh vật đơn bào có cơ thể là một tế bào. Cơ thể sinh vật đa bào gồm nhiều tế bào có sự biệt hóa chức năng, nhưng toàn bộ chúng phối hợp với nhau hài hòa thành một thể thống nhất trong mối quan hệ bên trong và với môi trường bên ngoài. Hoạt động của gen trong cơ thể thống nhất là vấn đề phức tạp cần tính đến. 1. Kiểu gen và kiểu hình. Kiểu gen là tập hợp các nhân tố di truyền của cơ thể. Kiểu hình là biểu hiện của kiểu gen qua tương tác với môi trường. Kiểu hình thể hiện ở tập hợp nhiều tính trạng hình thái sinh lí, tập tính và quan hệ sinh môi. Kiểu gen có tiềm năng lớn hơn những cái biểu hiện trong sự phát triển. Mỗi sinh vật có một kiểu gen và một kiểu hình. Điều này chung cho cả sinh giới và được coi như một “tiền đề thứ hai của sự sống”. 2. Phạm vi phản ứng. 3. Chuỗi sự kiện phức tạp từ các biến đổi di truyền. V. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Phương pháp lai. Đây là phương pháp đặc thù của di truyền học. Phương pháp lai giữa các cá thể và theo dõi sự phân li qua nhiều thế hệ nối tiếp nhau do Gr,Mendel nêu ra. Phương pháp này thường kết hợp với thu nhận các dạng đột biến khác nhau. Phương pháp lai về sau này được sử dụng cả ở vi khuẩn và virus. Theo dõi phả hệ là một biến dạng của phương pháp lai. SỰ PHÁT TRIỂN VƯỢC BẬC CỦA SH Năm 1865, Gregor Mendel và các quy luật Mendel. Năm 1868, Frederic Miesher phát minh DNA. Năm 1910-1920, T.H.Morgan với thuyết DI TRUYỀN NHIỄM SẮC THỂ. Năm 1953, J.Watson, Fr.Crick với chuỗi xoắn kép DNA. Năm 1973,KỸ THUẬT DI TRUYỀN RA ĐỜI DI TRUYỀN HỌC MENDEL Năm 1865, Gregor Mendel nêu ra các quy luật di truyền và khái niệm nhân tố di truyền, mà sau này gọi là gen. Năm 1900 được coi là năm ra đời của Di truyền học với phát minh lại các quy luật Mendel. Đầu thế kỷ 20, khái niệm gen được xác lập, nhưng ở dạng trừu tượng : nhân tố di truyền xác định một tính trạng. PHÁT MINH DNA Năm 1868, Johann Friedrich Miesher, một nhà sinh hóa học người Thụy Sĩ, ở tuổi 25, đã tìm ra một chất acid từ nhân (nucleus) tế bào bạch huyết của mủ và đặt tên là nuclein, mà sau này gọi là nucleic acid. THUYẾT DI TRUYỀN NHIỄM SẮC THỂ Năm 1910 – 1920, T.H.Morgan, nêu ra thuyết di truyền nhiễm sắc thể, chứng minh gen là một locus trên nhiễm sắc thể. MÔ HÌNH CẤU TRÚC DNA CỦA WATSON-CRICK – Năm 1953, mô hình cấu trúc phân tử DNA của Watson-Crick đặt nền móng cho sự phát triển của Sinh học phân tử. " Học thuyết trung tâm " của sinh học phân tử : DNA ----------> mRNA ----------> protein sao chép phiên mã dịch mãû Lúc này Watson mới 25 tuổi Sau phát minh DNA, giới khoa học đã tiên đoán thế kỷ 21 là “thế kỷ sinh học” và sự phát triển vượt bậc của Sinh học nữa cuối thế kỷ 20 đã biến dự báo thành hiện thực. Vào những năm 1960, các phát minh Sinh học phân tử liên tiếp ra đời : 64 codon của mã di truyền (1961), điều hòa sự biểu hiện gen (1962),… KỸ THUẬT DI TRUYỀN – Năm 1972 – 1973, kỹ thuật di truyền ra đời làm “bùng nổ” cách mạng CNSH. Con người có khả năng cắt, nối, ghép, chép và chuyển gen trong ống nghiệm (in vitro). Kỹ thuật di truyền dẫn đến tư duy và phương pháp luận mới trong nghiên cứu sinh học và các ứng dụng thực tiễn. – Con người có khả năng vượt giới hạn tiến hóa, thay quyền tạo hóa cải biến sinh giới và cả bản thân cơ thể sinh học của con người.