Di truyền học Mendel mở rộng ( phần 1 ) Tương tác cộng gộp và tính trạng số lượng 1. Tương tác cộng gộp (additive) Tương tác cộng gộp hay còn gọi là sự di truyền đa gene (polygenic) là hiện tượng di truyền đặc trưng của các tính trạng số lượng (quantitative trait), trong đó các gene không allele tác động cùng hướng lên sự biểu hiện của một tính trạng. Mỗi allele (thường là trội) của các gene đa phân như thế thường đóng góp một phần ngang nhau trong sự biểu hiện ra kiểu hình ở một mức độ nhất định. Như vậy, liều lượng các allele tăng dần trong các kiểu gene sẽ tạo ra một dãy biến dị kiểu hình liên tục trong quần thể. Ví dụ: Các thí nghiệm nổi tiếng năm 1909 của nhà di truyền học Thụy Điển (Sweden) Herman Nilsson-Ehle về sự di truyền màu sắc hạt (màu sắc phôi nhũ) lúa mỳ. Khi lai giữa các giống lúa mỳ thuần chủng hạt đỏ với hạt trắng, ở F 1 ông thu được toàn dạng trung gian có màu hồng; và tùy theo dạng hạt đỏ được sử dụng trong các thí nghiệm mà ở F 2 sẽ có các tỷ lệ phân ly giữa hạt có màu với hạt không màu (trắng) là 3:1, 15:1 hay 63:1. Kết quả phân tích cho thấy chúng do 2-3 gene đa phân chi phối. Sau đây ta hãy xét trường hợp F 2 với tỷ lệ 15 có màu :1 không màu, hay cụ thể là 1 đỏ: 4 đỏ nhạt: 6 hồng: 4 hồng nhạt:1 trắng. Giải thích: Màu thẫm hay nhạt của hạt phụ thuộc vào hàm lượng sắc tố cao hay thấp. Do F 2 có 16 kiểu tổ hợp với tỷ lệ tương đương trong khi F 1 đồng nhất kiểu gene, chứng tỏ F 1 cho 4 loại giao tử với tỷ lệ ngang nhau nghĩa là dị hợp tử về hai cặp gene phân ly độc lập. Ở đây, F 1 biểu hiện kiểu hình trung gian của hai bố mẹ và F 2 xuất hiện một dãy biến dị liên tục cùng hướng. Điều đó chứng tỏ tính trạng này tuân theo quy luật tác động cộng gộp hay đa phân tích lũy. Quy ước: Vì allele cho màu đỏ là trội hơn allele cho màu trắng và mức độ biểu hiện của các hạt có màu ở F 2 tùy thuộc vào liều lượng các allele kiểm soát sự hình thành sắc tố đỏ trong kiểu gene, nên người ta thường ký hiệu các gene không allele bằng các chỉ số 1, 2 kèm theo các chữ cái in hoa (A) cho allele trội và chữ cái in thường (a) cho allele lặn, như sau: A 1 , A 2 - đỏ; a 1 , a 2 - trắng. Từ đây ta có thể dễ dàng xác định kiểu gene của F 1 hồng (A 1 a 1 A 2 a 2 ), của bố mẹ (P): đỏ (A 1 A 1 A 2 A 2 ) và trắng (a 1 a 1 a 2 a 2 ), và thiết lập sơ đồ lai như sau: P tc A 1 A 1 A 2 A 2 (đỏ) × a 1 a 1 a 2 a 2 (trắng) F 1 A 1 a 1 A 2 a 2 (hồng) F 2 Allele trội 4 3 2 1 0 Kiểu gene 1A 1 A 1 A 2 A 2 2A 1 A 1 A 2 a 2 4A 1 a 1 A 2 a 2 2A 1 a 1 a 2 a 2 1a 1 a 1 a 2 a 2 2A 1 a 1 A 2 A 2 1A 1 A 1 a 2 a 2 2a 1 a 1 A 2 a 2 1a 1 a 1 A 2 A 2 Kiểu hình đỏ đỏ nhạt hồng hồng nhạt trắng Tỷ lệ 1/16 4/16 6/16 4/16 1/16 Một phép lai của lúa mỳ đỏ và trắng do ba gene chi phối, cho thấy mối tương quan giữa tỷ lệ của 7 kiểu hình ở F 2 và số allele trội trong mỗi kiểu gene. Một ví dụ độc đáo khác là trường hợp di truyền số dãy hạt trên bắp ngô (xem trong Di truyền học đại cương - Dubinin 1981, tr.135-145). Nhận xét: (1) Bằng cách vẽ một đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa số allele trội có mặt trong kiểu gene (trên trục hoành) và các tần số kiểu hình (trên trục tung) ở F 2 , ta sẽ thu được một đường cong phân bố chuẩn có dạng hình chuông, gọi là phân phối Gauss. Trong đó kiểu hình trung gian hay các kiểu gene chứa hai allele trội (tương ứng với trị số trung bình) chiếm tỷ lệ cao nhất, còn các kiểu hình hoặc kiểu gene ở hai đầu mút tương ứng với các ngưỡng "cực đoan" bao giờ cũng chiếm tần số thấp nhất. Đó cũng là quy luật chung cho các tính trạng số lượng. (2) Đối với các tính trạng di truyền theo kiểu đa phân cộng gộp, các hệ số của tỷ lệ kiểu hình có thể xác định bằng cách dựa vào tam giác Pascal. 2. Tính trạng số lượng (quantitative trait) Thông thường, các tính trạng có liên quan đến kích thước, khối lượng (thường hay gọi là trọng lượng) được xác định dựa trên thang định lượng (quantitative scale), được gọi là các tính trạng số lượng. Nói chung, các tính trạng số lượng có các đặc điểm sau: Do nhiều gene quy định; chịu ảnh hưởng lớn của các điều kiện môi trường; và có sự phân bố kiểu hình liên tục trong một quần thể, nhưng chúng cũng có thể xảy ra dưới dạng các lớp kiểu hình khác nhau, chẳng hạn như trong các ví dụ về dãy màu sắc hạt ở lúa mỳ hoặc số dãy hạt trên bắp ngô nói trên. Vì vậy, đối với các tính trạng này, không có một mối quan hệ chính xác giữa trị số kiểu hình và một kiểu gene cụ thể. Chẳng hạn, ở người, đó là các tính trạng về chiều cao, trọng lượng, hay chỉ số thông minh (intelligence quotient - IQ); ở cây lúa, lúa mỳ đó là số hạt trên mỗi bông, số bông trên mỗi khóm Tuy nhiên, trong những năm gần đây nhờ sử dụng các chỉ thị hay dấu chuẩn phân tử (molecular marker), người ta đã tiến hành lập bản đồ các gene có hiệu quả lớn lên các tính trạng đặc biệt (như các bệnh phức tạp ở người, năng suất cây trồng ) gọi là các locus tính trạng số lượng (quantitative trait loci = QTL). Nhưng phức tạp trong biểu hiện kiểu gen 1. Gen biến đổi (Modifier gene) : Các gen xác định có tính trạng hay không có tính trạng được gọi là các gen căn bản hay gen nền. Gen biến đổi là gen không có biểu hiện kiểu hình riêng nhưng ảnh hưởng đến sự biểu hiện kiểu hình của các gen căn bản. Ví dụ : Ở bò, lông đều do gen trội S, có đốm do gen lặn ss. Bò có đốm hay lông đều không đốm là do các gen căn bản xác định. Nhưng ở bò có đốm, đốm ít hay nhiều là tác động của các gen biến đổi. Số đốm ở lông chó cũng có sự biểu hiện tương tự : đốm nhiều hay ít do tác động của gen biến đổi. 1. Các tính trạng bị giới hạn bởi giới tính : Có những tính trạng mà gen của chúng chỉ biểu hiện ở một giới tính được gọi là gen bị giới hạn bởi giới tính. Ở đai gia súc có sừng có số lượng sữa và lượng mỡ trong sữa được biểu hiện ở giống cái. Các con bò đực mang các gen xác định lượng sữa và độ mỡ trong sữa mà không có biểu hiện, nhưng các gen này được truyền cho bò cái con. Do đó trong chọn giống bò sữa phải tuyển các bò đực mang các gen tạo sữa tốt để đem lai. Ở gà trống cũng vậy, chúng mang các gen đẻ trứng nhiều hay ít, lớn hay nhỏ, nhưng không có biểu hiện. 1. Các tính trạng có sự biểu hiện phụ thuộc giới tính : Mặt khác, có những tính trạng mà sự biểu hiện trội hay lặn phụ thuộc vào giới tính. Ví dụ : ở đại gia súc có sừng, gen có sừng H, gen không sừng h. Kiểu gen HH sẽ tạo sừng ở cả con đực lẫn con cái, kiểu gen hh không có sừng ở cả hai giới tính. Tuy nhiên kiểu gen dị hợp tử Hh nếu ở con đực sẽ có sừng tức alen H trội, nhưng ở con cái Hh lại không sừng tức H là lặn. Ở dê, tính trạng có râu xồm hay không cũng thuộc loại có biểu hiện phụ thuộc giới tính, con đực dị hợp tử có râu xồm, nhưng con cái dị hợp tử không có râu xồm Ở người, hói đầu do gen B xác định. Kiểu gen dị hợp tử Bb có biểu hiện trội ở đàn ông, nhưng ở nữ có biểu hiện lặn. Điều này giải thích vì sao ít có phụ nữ hói đầu. 1. Độ thấm : Độ thấm hay độ thâm nhập được nêu ra để chỉ mức độ tham gia của alen vào kiểu hình. Ví dụ: người có kiểu gen I A I O có nhóm máu A thì I A có độ thâm nhập 100% còn I O thì 0% vì không “thâm nhập” vào kiểu hình. Trường hợp người có nhóm máu AB thì cả I A và I B đều có độ thấm 100%. 1. Độ biểu hiện : Độ biểu hiện hay độ biểu hiện được dùng để chỉ mức độ nhiều ít của tính trạng khi đã thấm hoàn toàn. Ví dụ : sự cảm nhận vị đắng của chất phenylthiocarbamide (PTC) hay không cảm nhận ở người do một gen xác định. Tuy nhiên, những người cảm nhận vị đắng có độ hiện khác nhau thể hiện ở chỗ : có người cảm nhận vị đắng ở nồng độ 1300mg/l hoặc cao hơn, trong khi đó cá biệt có người cảm nhận vị đắng ở nồng độ rất thấp là 0,16 mg/l, nhiều người khác cảm nhận ở nồng độ trung gian. Sự di truyền các gene trội lặn trên nhiễm sắc thể giới tính 1. Sự di truyền gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X Một số các tính trạng và bệnh nổi tiếng là do các gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X gây ra. Các kiểu di truyền do gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X chắc chắn là khác với gene trên NST thường. Bởi vì nữ được di truyền hai bản sao nhiễm sắc thể X. Ở nữ, tính trạng do gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X rất giống với trường hợp tính trạng do gene lặn trên nhiễm sắc thể thường quy định. Tuy nhiên, chỉ có một nhiễm sắc thể X là bất hoạt trong tế bào, như vậy một nửa số tế bào của nữ dị hợp tử sẽ biểu hiện allele bệnh và nửa còn lại sẽ biểu hiện allele bình thường. Trong lúc đó ở nam được di truyền một allele bệnh lặn liên kết với nhiễm sắc thể X thì sẽ biểu hiện bệnh vì nhiễm sắc thể Y không mang allele tương ứng. Một bệnh do gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X với tần số q thì tất cả nam có đột biến sẽ biểu hiện bệnh. Nữ phải cần hai bản sao của allele đột biến để biểu hiện bệnh do đó tần số biểu hiện sẽ là q 2 như trường hợp bệnh do gene lặn trên nhiễm sắc thể thường quy định. Kết quả này cho thấy rằng nam bị tác động một cách thường xuyên và nhiều hơn so với nữ đối với bệnh do gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X. Một số đặc điểm để phân biệt tính trạng hoặc bệnh do gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X với tính trạng hoặc bệnh do gene lặn trên nhiễm sắc thể thường: - Các gene liên kết với nhiễm sắc thể X không được truyền trực tiếp từ bố cho con trai. - Gene liên kết với nhiễm sắc thể X có thể được truyền từ bố cho tất cả con gái, những con gái này không có biểu hiện bệnh nhưng có mang gene bệnh. Các con gái mang gene bệnh này sẽ truyền lại cho một nửa số con trai của họ, các con trai này bị bệnh. Kiểu di truyền này gây ra sự xuất hiện các thế hệ " ngắt quãng" (skipped generations). Kiểu ghép đôi phổ biến đối với các gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể giới tính X là sự kết hợp của mẹ mang gene bệnh với bố bình thường. Mẹ sẽ truyền gene bệnh cho một nửa số con trai và một nửa số con gái. Một kiểu ghép đôi phổ biến khác là giữa bố bị bệnh với mẹ bình thường. Tất cả con trai của họ bình thường. Bởi vì tất cả con gái phải nhận nhiễm sắc thể X của bố do đó chúng sẽ trở thành thể mang gene bệnh dị hợp tử. Như vậy không có một đứa con nào biểu hiện bệnh. Kiểu ghép đôi ít phổ biến hơn là giữa bố bị bệnh với mẹ là thể mang gene bệnh. Một nửa số con gái của họ sẽ trở thành thể mang gene bệnh dị hợp tử, một nửa sẽ đồng hợp tử gene bệnh và sẽ biểu hiện bệnh. Một nửa số con trai bình thường và một nửa số con trai bị bệnh. Thỉnh thoảng có trường hợp nữ chỉ nhận một bản sao đơn của gene lặn gây bệnh liên kết với nhiễm sắc thể giới tính mà có thể bị bệnh. Các cơ thể nữ này được gọi là thể dị hợp biểu hiện (manifesting heterozygotes). Bởi vì các cơ thể nữ này thường duy trì ít nhất một phần nhỏ của nhiễm sắc thể X hoạt động bình thường và có khuynh hướng biểu hiện bệnh tương đối nhẹ. Ví dụ, gần 5% nữ dị hợp tử đối với bệnh ưa chảy máu A (hemophilia A) có mức yếu tố đông máu VIII đủ thấp để được xếp vào loại bệnh ưa chảy máu nhẹ. Ít phổ biến hơn là nữ chỉ có một nhiễm sắc thể X (hội chứng Turner) đã biểu hiện các bệnh do gene lặn liên kết với nhiễm sắc thể X, như bệnh ưa chảy máu A. Nữ còn có thể bị các bệnh do gene lặn liên kết nhiễm sắc thể X là kết quả của sự chuyển đoạn hoặc mất đoạn nhiễm sắc thể X. Các trường hợp này là hiếm. 2. Sự di truyền các gene trội liên kết với nhiễm sắc thể X Sự di truyền do gene trội liên kết với nhiễm sắc thể giới tính X giống như sự di truyền do gene trội trên nhiễm sắc thể thường. Một cá thể chỉ cần thừa hưởng một bản sao đơn của gene trội liên kết với nhiễm sắc thể X là có thể biểu hiện tính trạng hoặc bệnh. Bởi vì nữ có hai nhiễm sắc thể X, mà mỗi nhiễm sắc thể X đều có thể có khả năng mang gene bệnh nên nữ bị bệnh gần gấp đôi so với nam (trừ trường hợp rối lọan gây chết ở nam). Bố bị bệnh không thể truyền tính trạng này cho con trai. Tất cả con gái đều di truyền gene bệnh này vì thế đều bị bệnh. Bố bị bệnh thường là dị hợp tử vì vậy sẽ có 50% cơ hội truyền allele bệnh cho con gái và con trai. 3. Sự di truyền liên kết với nhiễm sắc thể Y Số tính trạng hoặc bệnh đã biết do gene trên nhiễm sắc thể Y qui định là rất ít, chỉ gặp ở nam giới và được truyền trực tiếp từ bố cho con trai mang tính chất "dòng họ nội". Tất cả các con trai đều bị bệnh (di truyền thẳng) và con gái không mang bệnh. Các bệnh liên kết với nhiễm sắc thể Y như tật nhiều lông mọc ở vành tai, dày sừng lòng bàn tay, tật dính ngón số 2 và 3 . Di truyền học Mendel mở rộng ( phần 1 ) Tương tác cộng gộp và tính trạng số lượng 1. Tương tác cộng gộp (additive) Tương tác cộng gộp hay còn gọi là sự di truyền đa gene (polygenic) là. 4 3 2 1 0 Kiểu gene 1A 1 A 1 A 2 A 2 2A 1 A 1 A 2 a 2 4A 1 a 1 A 2 a 2 2A 1 a 1 a 2 a 2 1a 1 a 1 a 2 a 2 2A 1 a 1 A 2 A 2 1A 1 A 1 a 2 a 2 2a 1 a 1 A 2 a 2 1a 1 a 1 A 2 A 2 . (P): đỏ (A 1 A 1 A 2 A 2 ) và trắng (a 1 a 1 a 2 a 2 ), và thiết lập sơ đồ lai như sau: P tc A 1 A 1 A 2 A 2 ( ) × a 1 a 1 a 2 a 2 (trắng) F 1 A 1 a 1 A 2 a 2 (hồng) F 2 Allele