Biến đổi sinh học

Biến đổi sinh học là những thay đổi bất thường trong vật chất di truyền ở cấp độ phân tử (DNA, gen) hoặc cấp độ tế bào (nhiễm sắc thể), dẫn đến sự thay đổi đột ngột của một hoặc một số đặc điểm, những thay đổi này có tính chất bền vững và có thể di truyền cho các thế hệ sau. Biến đổi là quá trình xảy ra đột ngột, riêng rẽ, ngẫu nhiên, không có định hướng trong cơ thể sống trong điều kiện tự nhiên. Đa số là biến đổi gen là biến đổi lặn và có hại, một số ít có lợi và có ý nghĩa rất lớn đối với quá trình tiến hóa và chọn giống, còn có những biến đổi không có hại cũng không có lợi cho cơ thể mang biến đổi (Biến đổi trung tính). Những cá thể mang biến đổi đã phản ánh trên kiểu dáng của cơ thể được gọi là thể biến đổi.

Nguyên nhân

• Do tác động từ môi trường bên ngoài cơ thể (thường là do ảnh hưởng của con người) như:

Tác nhân vật lý: tia phóng xạ, tia cực tím, sốc nhiệt,...

Tác nhân hóa học: ảnh hưởng của nhiều chất hóa học như nicotine, cosinsin, dioxin (chất độc da cam),...

Tác nhân sinh học: vi rút,...

• Do nguyên nhân từ bên trong cơ thể: Những thay đổi bất thường trong sinh lý, sinh hóa của tế bào (xuất hiện một cách tự nhiên).

Phân loại

Dựa vào tính chất xuất hiện của đột biến, có thể phân loại thành các loại như sau:

• Đột biến gen (là những biến đổi trong cấu trúc của gen bao gồm các loại như mất, thêm, thay thế cặp nucleotide). Nếu đột biến liên quan đến 1 cặp nucleotide thì được gọi là đột biến điểm.
• Đột biến nhiễm sắc thể, bao gồm: đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể (mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn, di chuyển đoạn) và đột biến số lượng nhiễm sắc thể (thể dị bội, đa bội).

Đột biến gen

Đột biến gen là những biến đổi trong cấu trúc của gen xảy ra ở cấp độ phân tử tại một điểm nào đó trên phân tử DNA và liên quan đến sự thay đổi về số lượng, thành phần, trật tự các cặp nucleotide trong gen. Có nhiều loại biến đổi về cấu trúc gen, trong đó những biến đổi liên quan đến 1 cặp nucleotide trong gen được gọi là đột biến điểm. Trong tự nhiên, tất cả các gen đều có thể bị đột biến nhưng với tần suất rất thấp (1/1,000,000-1/10,000). Tuy nhiên tần suất đột biến có thể thay đổi tùy thuộc vào các tác nhân gây đột biến. Tác nhân gây đột biến có thể là các chất hóa học (thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ,...), các tác nhân vật lý như tia phóng xạ (Tia X, Tia α, Tia β...) hoặc các tác nhân sinh học như virus có trong cơ thể hoặc môi trường bên ngoài cơ thể. Đột biến gen có thể xảy ra trong tế bào somatic (tế bào sinh dưỡng) và tế bào sinh sản.

• Các loại đột biến gen tại một điểm thường gặp:

1. Mất một đôi nucleotide.

Cơ chế

Đột biến gen xảy ra do sự không đúng cặp trong quá trình nhân đôi DNA (không tuân theo nguyên tắc bổ sung), hoặc tác nhân xen vào chuỗi mẫu hoặc chuỗi đang được tổng hợp, phải trải qua quá trình tiền đột biến mới xuất hiện. Các nucleotide thường tồn tại dưới 2 dạng cấu trúc: dạng thông thường và dạng hiếm. Dạng hiếm làm thay đổi các liên kết hydro làm cho các nucleotide bắt cặp không đúng trong quá trình nhân đôi DNA, gây ra đột biến gen. Ví dụ: Adenine dạng thông thường biến thành Adenine dạng hiếm (A*) dẫn đến sự bắt cặp nhầm với X gây ra đột biến cặp A-T thành cặp A-X.

Có nguyên nhân từ các tác nhân gây đột biến: Tác nhân sinh học: Một số loại virus có thể gây đột biến gen. Ví dụ: Virus HPV gây ung thư cổ tử cung. Tác nhân vật lý (Tia UV): làm cho 2 base Thymin trên một chuỗi liên kết với nhau dẫn đến sự phát sinh đột biến gen và tác nhân hóa học, như:

• 5BU (5-Bromuraxin) là đồng đẳng của Thymin có khả năng gây đột biến thay thế cặp A-T thành cặp G-X.
• EMS (Etyl Metyl-Sunfomat) là đồng đẳng của Adenine và Guanine gây đột biến thay thế cặp G-X thành cặp A-T.
• Acridine gây ra đột biến mất hoặc thêm cặp nucleotide, nếu được chèn vào chuỗi mẫu có thể gây ra đột biến thêm cặp nucleotide.
• HNO3 gây ra đột biến thay thế cặp nucleotide.

Cơ chế biểu hiện của đột biến gen:

• Đột biến giao tử: Là sự phát sinh đột biến trong quá trình giảm phân hình thành giao tử, xảy ra trong tế bào sinh dục và được truyền vào hợp tử. Nếu là đột biến gen trội, nó sẽ biểu hiện ngay trên cơ thể của cá thể mang đột biến đó. Nếu là đột biến gen lặn, sự biểu hiện sẽ bị ẩn trong genoty và chỉ xuất hiện khi gặp gen đồng hợp lặn.
• Đột biến xôma: Đột biến xảy ra trong quá trình nguyên phân của tế bào xôma, từ một tế bào bị đột biến thông qua sự nhân lên và có thể được truyền dẫn qua các thế hệ. Nếu là đột biến gen trội, nó sẽ được biểu hiện trong một phần của cơ thể, được gọi là 'thể khảm'. Nếu là đột biến gen lặn, sự biểu hiện sẽ biến mất khi cá thể chết.
• Đột biến tiền phôi: Đột biến xảy ra trong các lần nguyên phân đầu tiên của hợp tử, từ giai đoạn 2 đến 8 tế bào. Nó có thể được truyền vào hợp tử và di truyền sang các thế hệ sau qua sinh sản hữu tính, nếu như các tế bào bị đột biến này trở thành tế bào sinh dục.

Chúng phổ biến, thay đổi số lượng và thứ tự các cặp nucleotide trong gen. Đột biến lặn không biểu hiện ra ngoài ở trạng thái dị hợp. Kết quả dẫn đến sự gián đoạn của một số đặc điểm (Gen -> mRNA -> Protein -> đặc điểm). Có ít ảnh hưởng đến sự sống và sinh sản của sinh vật.

Vai trò

Sự biến đổi cấu trúc phân tử của gen có thể dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của loại protein mà nó mã hóa, và cuối cùng dẫn đến sự thay đổi ở dạng hình. Các đột biến gen biểu hiện ra dưới dạng hình thể ở từng cá thể riêng biệt, không tương ứng với điều kiện sống, thường là đột biến lặn và gây hại cho chính cá thể vì đã làm phá vỡ sự thống nhất và hài hòa trong kiểu gen đã được lựa chọn tự nhiên và duy trì lâu dài trong tự nhiên, dẫn đến những rối loạn trong quá trình tổng hợp protein.

Phần lớn các đột biến gen tạo ra các biến đổi hại, một số không có ảnh hưởng, và một số có lợi. Ngoài ra, các đột biến gen cũng có thể gây tử vong. Các biến đổi hại thường chỉ hiện ra khi có hai bản sao gen và trong điều kiện môi trường thích hợp. Thông qua quá trình giao phối, một đột biến ban đầu gây hại có thể biến thành có ích khi gặp phối hợp gen thích hợp. Đột biến gen dẫn đến các thay đổi trong nucleotide, làm thay đổi mRNA và quá trình tổng hợp protein, thường gây ra hậu quả hại cho sinh vật và giảm khả năng sống. Ví dụ, bệnh thalassemia do đột biến thay thế nucleotide thứ sáu của chuỗi polypeptide Beta trong phân tử Hb, thay acid glutamic bằng valin gây ra thiếu máu.

Trong thực tế, con người gặp các đột biến gen tự nhiên và nhân tạo có ích cho sinh vật. Ngoài ra, có những đột biến do tác động tích cực của con người gây ra các tính trạng quý giá. Ví dụ, ở lúa, các đột biến như thân cây thấp, chống đổ, tăng sản lượng bông và hạt giúp tăng sản xuất. Ngoài các đột biến gen xảy ra trên DNA của nhiễm sắc thể, các đột biến trên DNA của các bào tử như plasmid, lục lạp có thể gây ra các biến đổi di truyền theo thế hệ mẹ.

Ý nghĩa

Ý nghĩa và vai trò trong tiến hóa và chọn giống: Trong quá trình tiến hóa, tính chất có hại hoặc có lợi của một đột biến gen là tương đối, với một số trường hợp có thể làm tăng sức sống và kháng bệnh của cơ thể. Ví dụ, con người mang gen thalassemia ở trạng thái di truyền có khả năng kháng sốt rét. Mặc dù tính chất này thường không xác định và đối với một số cá thể, nhưng đột biến gen vẫn được xem là nguồn nguyên liệu chính cho quá trình lựa chọn tự nhiên và có vai trò quan trọng trong tiến hóa.

Trong chọn giống: Một số đột biến có lợi được sử dụng làm cơ sở cho việc tạo giống trong nông nghiệp và chăn nuôi. Gây đột biến gen nhân tạo là một trong những phương pháp hiện đại và hiệu quả trong chọn giống cây trồng, giúp phát triển những tính trạng quý giá. Với con người, các đột biến gen có thể gây hại nên cần được kiểm soát để ngăn chặn sự lan rộng và nguyên nhân gây hại cho cơ thể.

Biến đổi gen nhân sắc thể

Biến đổi gen nhân sắc thể là sự thay đổi về cấu trúc, hình dạng hoặc số lượng gen trong nhiễm sắc thể. Biến đổi có thể xảy ra trên một cặp nhiễm sắc thể cụ thể hoặc trên toàn bộ các cặp nhiễm sắc thể. Loại biến đổi này thường phát sinh do tác động mạnh từ bên ngoài như tia X, hóa chất, hay sự biến đổi đột ngột của nhiệt độ, hoặc do các rối loạn trong quá trình trao đổi chất nội bào, dẫn đến sự không bình thường trong số lượng các cặp nhiễm sắc thể.

Biến đổi số lượng nhiễm sắc thể

Biến đổi số lượng nhiễm sắc thể có thể xảy ra trên một cặp nhiễm sắc thể cụ thể, tạo ra các trường hợp số lượng nhiễm sắc thể không bình thường, hoặc xảy ra trên toàn bộ các cặp nhiễm sắc thể dẫn đến hình thành trạng thể nhiễm sắc thể đa bội.

• Trạng thái số lượng nhiễm sắc thể không bình thường:

Là hiện tượng số lượng nhiễm sắc thể của một hay một vài cặp nhiễm sắc thể tương đồng nào đó bị thay đổi hoặc thêm bớt một vài nhiễm sắc thể và có tên gọi là thể 3 nhiễm, thể đa nhiễm hay thể khuyết nhiễm. Được hình thành trong quá trình phát sinh giao tử, một cặp nhiễm sắc thể nào đó không phân li sẽ tạo giao tử có hai nhiễm sắc thể cùng cặp, qua thụ tinh sẽ hình thành hợp tử có 3 nhiễm sắc thể. Những biến đổi kiểu này thường gây hại cho cơ thể.

• Hội chứng Down ở con người, còn được biết đến với tên gọi Hội chứng Mông Cổ vì người bị mắc bệnh Down có nét mặt giống người Mông Cổ. Người mắc bệnh này thừa một nhiễm sắc thể số 21 (47 XX/XY + 21). Triệu chứng: người bệnh bị tụt IQ, cơ thể phát triển không bình thường, cổ ngắn, lưng rộng và phẳng, mắt xếch, mi mỏng và rậm, lưỡi dài và dày, miệng hở, ngón tay ngắn, vô sinh.
• Hội chứng Turner (ở phụ nữ): thiếu 1 nhiễm sắc thể số 23. Kí hiệu là XO (thiếu 1 nhiễm sắc thể X). Triệu chứng: Bệnh lý thể hiện ở phụ nữ như: Nữ lùn, cổ ngắn, tuyến vú không phát triển, âm đạo hẹp, dạ con hẹp, không kinh nguyệt, hay mất trí, trí tuệ bình thường.
• Hội chứng Klinefelter (ở nam giới): Có thêm 1 nhiễm sắc thể X: XXY. Triệu chứng: Nam giới cao, tay chân dài, mù màu, tụt IQ, tinh hoàn nhỏ, tuyến vú phát triển, mang những biểu hiện giống với phụ nữ.
• Hội chứng siêu nữ: Mang bộ nhiễm sắc thể 47 có thêm 1 nhiễm sắc thể X: XXX. Triệu chứng: Phụ nữ vô sinh, rối loạn kinh nguyệt, buồng trứng và dạ con không phát triển, tụt IQ.
• Hội chứng Edward: Hội chứng Edward hay còn gọi là trisomy 18 (47,XX,+18). Đây là một rối loạn di truyền do thừa một nhiễm sắc thể số 18 trong bộ gen. Thông thường, mỗi em bé sẽ nhận được 23 nhiễm sắc thể từ trứng của mẹ và 23 nhiễm sắc thể từ tinh trùng của cha – tổng cộng 46 nhiễm sắc thể. Trong trường hợp trisomy 18, em bé có ba bản sao nhiễm sắc thể 18. Điều này khiến nhiều cơ quan của thai nhi phát triển không bình thường.

Cơ chế hình thành đột biến dị bội: Do sự rối loạn phân ly của một hay một số nhiễm sắc thể kép trong cặp tương đồng trong quá trình giảm phân 1 hoặc giảm phân 2 dẫn đến các giao tử bất thường về số lượng, bộ nhiễm sắc thể đơn bội bị thừa hay thiếu vài nhiễm sắc thể. Sự kết hợp giữa các giao tử này với các giao tử bình thường sẽ tạo nên thể dị bội (ví dụ: bệnh Down). Nguyên nhân có thể là sự phân ly bất thường của cặp XX (nữ) hay XY (nam). Hoặc sự rối loạn phân ly xảy ra trong quá trình nguyên phân các tế bào dinh dưỡng là thành thể khảm (chỉ một phần cơ thể mang đột biến) xảy ra ở giai đoạn sớm của hợp tử trong các lần phân bào đầu tiên (tác hại như trường hợp đột biến ở tế bào sinh dục).

• Thể đa nhiễm:

Là hiện tượng tăng số lượng toàn bộ nhiễm sắc thể của tế bào lên thành đa bội chẵn (4n, 6n...) hoặc đa bội lẻ (3n, 5n...). Xảy ra trong quá trình nguyên phân khi thoi vô sắc không hình thành, tất cả các cặp nhiễm sắc thể không phân li sẽ tạo thành tế bào 4n. Việc bộ nhiễm sắc thể tăng lên thành bội số của n (nhiều hơn 2n) được gọi là thể đa bội.

Tế bào đa bội có lượng DNA gấp bội, quá trình tổng hợp chất hữu cơ diễn ra mạnh mẽ, vì vậy kích thước tế bào lớn hơn. Cơ thể đa bội thường có cơ quan sinh dưỡng to, phát triển mạnh mẽ và khả năng chịu đựng tốt. Hiện tượng đa bội phổ biến ở thực vật, hiếm gặp ở động vật và đã được áp dụng hiệu quả trong chọn giống cây trồng.

Cơ chế hình thành: Trong quá trình giảm phân, sau khi bộ nhiễm sắc thể đã nhân đôi thành các nhiễm sắc thể kép, nhưng thoi vô sắc không hình thành, dẫn đến việc tạo ra giao tử có 2n. Sự kết hợp giữa giao tử 2n với giao tử n bình thường tạo thành hợp tử 3n (thể tam bội). Đột biến nếu xảy ra trong giai đoạn sớm của hợp tử trong lần nguyên phân đầu tiên sẽ tạo ra hợp tử 4n (thể tứ bội). Nếu hiện tượng này xảy ra ở đỉnh sinh trưởng của một cành cây, sẽ tạo thành cành tứ bội trên cây lưỡng bội.

Đặc điểm của thể đa bội: Tế bào đa bội có lượng DNA tăng gấp bội, do đó trong quá trình tổng hợp chất hữu cơ diễn ra mạnh mẽ, dẫn đến tế bào lớn, cơ quan dinh dưỡng to, phát triển mạnh mẽ và khả năng chịu đựng tốt. Cơ thể đa bội lẻ hầu như không sinh sản bình thường, ví dụ như những cây không có hạt. Giá trị: Đột biến thể đa bội có giá trị kinh tế lớn, cung cấp nguyên liệu cho quá trình chọn lọc và tiến hóa, làm cho sự đa dạng sinh học phong phú. Tạo ra giống cây có năng suất cao như dưa hấu 3n, nho 3n, củ cải đường 3n. Đa bội chẵn khắc phục hiện tượng bất thụ trong lai giao ở thực vật.

Về cấu trúc

Là những biến đổi không bình thường về cấu trúc, hình thái hay số lượng nhiễm sắc thể. Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể có các dạng: mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn, chuyển đoạn. Nguyên nhân chủ yếu là do tác nhân ngoài hoặc trong tế bào. Có thể quan sát được dưới kính hiển vi quang học. Các thể mất đoạn, thêm đoạn thay đổi chất liệu di truyền, thường gây hại cho cơ thể, đặc biệt là con người. Các thể đảo đoạn, chuyển đoạn không thay đổi chất liệu di truyền, thường không ảnh hưởng đến kiểu hình.

• Mất đoạn: là nhiễm sắc thể mất một đoạn (đoạn không chứa tâm động) do đứt, gãy nhiễm sắc thể hoặc trao đổi chéo không đều.
  • Giảm số lượng gen trên nhiễm sắc thể, thường gây chết hoặc giảm sức sống.
  • Xác định vị trí gen trên nhiễm sắc thể, loại bỏ các gen gây hại.

Ví dụ: Ở người, nếu mất đoạn ở nhiễm sắc thể thứ 21 gây ra ung thư máu, mất đoạn vai ngắn ở nhiễm sắc thể số 5 gây hội chứng tiếng mèo kêu. Ở cây ngô (bắp) hay ruồi giấm mất một đoạn nhỏ không làm giảm sức sống kể cả thể đồng hợp. Mặc dù có hại nhưng người ta thường tận dụng hiện tượng mất đoạn để loại bỏ những gen không mong muốn khỏi nhiễm sắc thể.

• Thêm đoạn: (lặp đoạn, nhân đoạn)

Một đoạn nào đó của nhiễm sắc thể được lặp lại một vài lần xen vào nhiễm sắc thể tương đồng, hoặc do sự trao đổi chéo giữa các cromatit không bình thường. Việc làm tăng hoặc giảm số lượng gen trên nhiễm sắc thể dẫn đến tăng hoặc giảm mức độ biểu hiện của tính trạng.

Ví dụ: Ở ruồi giấm, lặp lại đoạn 16A hai lần trên nhiễm sắc thể X dẫn đến hình thành mắt dẹt thay vì mắt hình cầu. Ở lúa mạch, lặp đoạn này làm tăng hoạt tính enzyme amylase, có lợi cho quá trình sản xuất bia, rượu.

• Đảo đoạn:

Một đoạn nhiễm sắc thể bị đứt rồi quay ngược 180 độ và nối lại vào nhiễm sắc thể (có thể chứa tâm động hoặc không), làm thay đổi trật tự phân bố gen. Loại đột biến này ít gây ảnh hưởng đến sức sống của cá thể, đóng góp vào việc tăng sự khác biệt giữa các nhiễm sắc thể tương tự trong cùng một loài, bởi vì vật chất di truyền không bị mất.

Sắp xếp lại trật tự các gen trên nhiễm sắc thể dẫn đến tăng sự đa dạng giữa các thể, các nòi trong cùng một loài, ít ảnh hưởng tới sức sống. Sự sắp lại gen trên nhiễm sắc thể do đảo đoạn góp phần tạo ra sự đa dạng.

Ví dụ: Ở ruồi giấm, có 12 đoạn đảo trên nhiễm sắc thể số 3 tạo ra các nòi thích nghi với nhiệt độ khác nhau của môi trường.

• Chuyển đoạn:

Một đoạn gen di chuyển từ một vị trí trên cùng một nhiễm sắc thể hoặc giữa hai nhiễm sắc thể khác nhau. Cả hai nhiễm sắc thể đều trao đổi gen (chuyển đoạn tương hỗ) hoặc một nhiễm sắc thể cung cấp gen và một nhiễm sắc thể nhận gen (chuyển đoạn không tương hỗ), dẫn đến thay đổi các nhóm gen gắn kết. Đột biến chuyển đoạn thường dẫn đến cái chết, giảm sức sinh sản hoặc mất khả năng sinh sản. Trong tự nhiên, đã có nhiều trường hợp chuyển đoạn gen nhỏ (ví dụ như trong đậu, lúa, chuối) được ứng dụng để chèn gen cố định nitơ từ vi khuẩn vào hệ gen của cây hướng dương, tạo ra dầu hướng dương có hàm lượng nitơ cao. Ở con người, sự chuyển đoạn không cân đối giữa nhiễm sắc thể 22 và nhiễm sắc thể 9 dẫn đến việc hình thành nhiễm sắc thể 22 ngắn hơn bình thường, gây ra bệnh ung thư bạch cầu.