Hoán vị gen

Hoán vị gen là hiện tượng các gen tương đồng (alleles) nằm trên cặp nhiễm sắc thể tương đồng trao đổi chỗ cho nhau trong quá trình trao đổi chéo.

• Hình 1 là sơ đồ tóm tắt sự hoán vị (đổi chỗ) giữa gen B hoặc V với gen b hoặc v. Trong sơ đồ này:

- Các nhiễm sắc thể trong tế bào nhân thực thường tồn tại thành cặp giống nhau về hình dạng, kích thước và trình tự gen, tạo thành các cặp nhiễm sắc thể tương đồng (homologous chromosomes). Mỗi cặp gồm một chiếc từ bố và một chiếc từ mẹ (hình 1.1).
- Trong quá trình giảm phân, các nhiễm sắc thể tương đồng kết đôi, tiếp hợp và bắt chéo tại những điểm nhất định (hình 1.2).
- Sau đó, có thể xảy ra sự trao đổi chéo: đoạn từ 'bố' chuyển sang đoạn tương ứng của 'mẹ' và ngược lại (hình 1.3). Kết quả là B và b đổi chỗ với nhau, cũng như V và v. Hiện tượng này gọi là hoán vị gen, nhưng lô-cut của mỗi allele không thay đổi.

Diễn biến nghiên cứu

Hiện tượng hoán vị gen đã được biểu hiện trong các thí nghiệm của Ba-tê-sơn (William Bateson), Păn-nit (Reginald Punnett) và Sau-đơ (Edith Rebecca Saunders) trên cây đậu thơm (hương đậu), liên quan đến di truyền liên kết không hoàn toàn (xem chi tiết ở trang Gen liên kết). Tuy nhiên, Thomas Hunt Morgan mới là người công bố và giải thích hiện tượng này một cách đầy đủ.

1. Thí nghiệm của Morgan

• Morgan đã nghiên cứu trên ruồi giấm (Drosophila melanogaster) và phát hiện:

- Allele B (trội) quy định thân màu xám, còn allele b (lặn) quy định thân màu đen;
- Allele V (trội) quy định cánh dài, còn allele v (lặn) quy định cánh cụt.

Sau khi lai tạo ruồi đực với kiểu gen dị hợp thân xám, cánh dài (BV//bv), ông tiến hành lai phân tích với ruồi cái thân đen, cánh cụt (bv//bv), kết quả thu được chỉ có hai kiểu hình con:

P: ♂ BV//bv × ♀ bv//bv → F1: xám, dài + đen, cụt. Đây là phép lai thuận (ruồi đực có kiểu gen dị hợp).
Vì ruồi cái chỉ tạo ra một loại trứng duy nhất là bv, ông xác định rằng ruồi đực chỉ sản xuất hai loại tinh trùng là BV và bv, không có Bv và bV, tức là các lôcut B/b và V/v nằm trên cùng một nhiễm sắc thể (xem gen liên kết).

• Ngược lại, khi thực hiện phép lai nghịch (ruồi cái có kiểu gen dị hợp), kết quả xuất hiện hai kiểu hình “mới” là ruồi con xám, cánh cụt và ruồi con đen, cánh dài:

P: ♀ BV//bv × ♂ bv//bv → F1: xám, dài + đen, cụt + xám, cụt + đen, dài.
Ông đặt tên cho những kiểu hình mới xuất hiện này là kiểu hình tái tổ hợp (recombination).

2. Giải thích của Morgan

• Vì ruồi đực chỉ tạo ra một loại tinh trùng duy nhất là bv, nên ông kết luận rằng ruồi cái dị hợp (BV//bv) đã sản sinh bốn loại trứng, trong đó có hai loại “cũ” là BV và bv, và hai loại “mới” là Bv và bV. Thống kê của ông cho thấy các trứng “mới” này chiếm 17%, vì tỷ lệ ruồi con với kiểu hình tái tổ hợp là: (206 + 185) / (965 + 944 + 206 + 185) = 0,17.
• Vì Morgan đã chứng minh rằng các lôcut B/b và V/v nằm trên cùng một nhiễm sắc thể (trong nghiên cứu về gen liên kết), ông kết luận rằng 17% số trứng (giao tử cái) này là kết quả của sự hoán vị các allele B/b và V/v. Sự hoán vị này xảy ra do trao đổi chéo trong quá trình giảm phân để tạo ra trứng. Giả thuyết của ông, công bố vào năm 1911, vẫn được công nhận cho đến ngày nay (xem hình 2).

Cơ sở di truyền học phân tử

Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, cơ chế trao đổi chéo gây hoán vị gen đã được hiểu rõ hơn. Mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng bao gồm một chiếc từ bố và một chiếc từ mẹ. Trong quá trình giảm phân để tạo giao tử (trứng và tinh trùng), mỗi nhiễm sắc thể tự nhân đôi thành hai nhiễm sắc thể chị em (sister chromosomes), mỗi chiếc chứa phân tử DNA giống nhau (bản sao của nhau). Hoán vị gen chỉ xảy ra khi các đoạn DNA tương ứng của hai nhiễm sắc thể không chị em (non-sister chromatids) trao đổi vị trí với nhau. Sự trao đổi chéo này có thể chỉ xảy ra ở giới cái, giới đực, hoặc cả hai tùy thuộc vào loài.

Những nơi thường xảy ra trao đổi chéo được gọi là 'điểm nóng tái tổ hợp' (recombination hotspots). Cơ chế hoạt động tại các 'điểm nóng tái tổ hợp' đã được nghiên cứu ở cấp độ phân tử bởi nhiều nhà khoa học, ví dụ như hai mô hình sau đây.

1) Mô hình Holliday

Vào năm 1964, Robin Holliday (1932-2014) chính thức công bố giả thuyết của mình, gọi là mô hình tái tổ hợp tương đồng (Holliday model for homologous recombination). Ông cho rằng tại điểm bắt chéo của hai nhiễm sắc thể hình thành một 'ngã tư' gồm bốn chuỗi DNA ('ngã tư Holliday' hay 'giao điểm Holliday', hình 3). Tại điểm này, xảy ra sự đứt đoạn DNA và các allele trao đổi vị trí với nhau (hình 4).

2) Mô hình DSBR

DSBR, viết tắt của 'Double Strand Break Repair' (mô hình sửa chữa đứt gãy sợi kép), được Jack William Szostak (sinh năm 1952, giải Nobel 2009) và cộng sự công bố vào năm 1983. Theo mô hình này, khi các nhiễm sắc thể tương đồng tiếp hợp, các sợi cô-hê-xin (cohesin) sẽ hình thành, và các nhiễm sắc tử không chị em bắt chéo với nhau. Tại điểm bắt chéo, DNA bị đứt gãy và sau đó được sửa chữa, dẫn đến sự hoán vị các allele (xem chi tiết trong mô hình DSBR).

Ngoài ra, di truyền học phân tử hiện nay còn đưa ra nhiều mô hình khác (xem trang Tái tổ hợp tương đồng).

Tần số hoán vị và bản đồ di truyền

• Ngay từ những giai đoạn đầu, ông và nhóm nghiên cứu đã nhận thấy rằng các gen nằm gần nhau trên nhiễm sắc thể có sự liên kết chặt chẽ hơn, trong khi các gen xa nhau dễ dàng xảy ra hoán vị trong quá trình trao đổi chéo. Do đó, tần số hoán vị gen trong một phép lai phân tích phản ánh khoảng cách tương đối giữa các gen, không phải khoảng cách vật lý thực tế.
• Ví dụ, trong phép lai AB//ab × ab//ab sinh ra x con lai, với y cá thể có kiểu hình tái tổ hợp (Ab//ab và aB//ab), tỷ lệ tái tổ hợp được tính bằng y/x × 100%. Đây chính là khoảng cách giữa hai lô-cut trên nhiễm sắc thể. Trong thí nghiệm của Morgan, tỷ lệ ruồi con tái tổ hợp là (206 + 185) / (965 + 944 + 206 + 185) × 100% = 17%, cho thấy khoảng cách giữa B/b và V/v là 17 đơn vị bản đồ (m.u) hay 17 centiMorgan (cM).

* * *

Tóm lại, hoán vị gen là hiện tượng các allele trao đổi chỗ cho nhau trên cặp nhiễm sắc thể tương đồng không chị em thông qua trao đổi chéo. Quá trình này dẫn đến tái tổ hợp di truyền (genetic recombination), tạo ra nhiều tổ hợp tính trạng mới và nhóm gen liên kết mới, góp phần vào quá trình tiến hóa của sinh vật. Từ kết quả tần số tái tổ hợp (hoán vị gen), người ta có thể xác lập bản đồ gen.

Nguồn tham khảo