Mối liên kết gen

Gen liên kết (gen liên kết) là các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể và di truyền cùng nhau qua các thế hệ (xem hình minh họa).

Điều này có nghĩa là:

• Các đặc điểm do các gen liên kết quy định sẽ cùng xuất hiện trên một cơ thể, tạo ra hiện tượng di truyền liên kết;
• Các gen trên các nhiễm sắc thể khác nhau sẽ không cùng di truyền và không cùng biểu hiện, dẫn đến di truyền độc lập.

Vì mỗi gen có một vị trí nhất định trên nhiễm sắc thể gọi là lô-cut (locus), nên các gen liên kết nằm trên cùng một nhiễm sắc thể dẫn đến hiện tượng di truyền liên kết.

Lịch sử nghiên cứu

Thí nghiệm của Bateson, Saunders và Punnett (1905)

Hiện tượng gen liên kết được phát hiện và công bố lần đầu tiên ở Anh vào năm 1905 nhờ vào William Bateson, Edith Rebecca Saunders - người sáng lập di truyền học thực vật Anh, và Reginald Punnett. Họ đã nghiên cứu di truyền của hai gen sau ở cây đậu thơm (Lathyrus odoratus):

• Gen quy định màu hoa có alen trội P cho màu tím, và alen lặn p cho màu đỏ;
• Gen quy định hình dạng hạt phấn có alen trội L cho hạt phấn dài, và alen lặn l cho hạt phấn tròn.

Khi thực hiện thí nghiệm 'lai theo kiểu Mendel' giữa hai dòng đậu thơm, một dòng thuần chủng hoa tím, hạt phấn dài và một dòng thuần chủng hoa đỏ, hạt phấn tròn, kết quả thu được là 100% cây F₁ có hoa tím và hạt phấn dài. Khi F₁ được tự thụ phấn, dự đoán sẽ thu được F₂ với tỷ lệ phân li là 9 tím, dài: 3 tím, tròn: 3 đỏ, dài: 1 đỏ, tròn theo định luật Mendel mới được phát hiện lại vào năm 1900. Tuy nhiên, kết quả thực tế là 284: 21: 21: 55 (xem sơ đồ tóm tắt ở hình 2). Phân tích chỉ số χ² cho thấy các gen này không di truyền độc lập như Mendel đã mô tả. Do đó, các nhà nghiên cứu kết luận rằng các gen này có sự kết nối (coupling) hoặc liên kết (connection) và đưa ra giả thuyết về sự lặp lại (reduplication) của các gen để giải thích.

Thí nghiệm của Morgan (1910)

Sau đó không lâu ở Mỹ, Thomas Hunt Morgan đã phát hiện ngẫu nhiên một cá thể ruồi giấm (Drosophila melanogaster) đực có mắt trắng, khác biệt hoàn toàn so với các cá thể ruồi đã biết với mắt đỏ. Ông thực hiện thí nghiệm 'lai theo kiểu Mendel' với một tính trạng thuần chủng, lai ruồi đực mắt trắng này với ruồi cái mắt đỏ thuần chủng (P), và thu được tất cả ruồi F₁ có mắt đỏ. Khi lai F₁ với nhau, kết quả là F₂ có khoảng 75% ruồi mắt đỏ và 25% ruồi mắt trắng, tỷ lệ 3 trội: 1 lặn đúng như Mendel đã chỉ ra. Tuy nhiên, điều đặc biệt là tất cả ruồi con mắt trắng đều là giống đực (thí nghiệm 1, hình 3).

Do đó, ông cho rằng màu mắt của ruồi bị ảnh hưởng bởi giới tính (di truyền giới tính). Để kiểm chứng, ông lai ruồi đực mắt trắng với ruồi cái F₁ (mắt đỏ dị hợp) và thu được F₂ với kết quả: 29 cái mắt đỏ: 132 đực mắt đỏ: 88 cái mắt trắng: 86 đực mắt trắng (thí nghiệm 2, hình 4), không giống như định luật Mendel. Dựa vào giả thuyết di truyền nhiễm sắc thể của Theodor Boveri và Walter Sutton công bố năm 1903, ông bác bỏ giả thuyết 'reduplication' (gen lặp lại) mà Morgan coi là 'thuần túy cơ học' (simple mechanical). Ông còn đề xuất rằng đặc điểm màu mắt liên quan đến giới tính do gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X và đưa ra lý thuyết về di truyền liên kết (genetic linkage). Theo lý thuyết của ông (công bố năm 1911), nhiều gen (2 trở lên) nằm trên cùng một nhiễm sắc thể sẽ di truyền liên kết với nhau, không di truyền độc lập. Ông khẳng định gen có thực và 'được định vị' trên nhiễm sắc thể tại một lô-cut (locus). Từ đó, ông đã hoàn thiện Học thuyết di truyền nhiễm sắc thể (giải Nobel 1934).

Hiện nay, chúng ta biết rằng: ở ruồi giấm, alen quy định màu mắt đỏ là trội (Morgan coi là alen hoang dã và ký hiệu là dấu '+') nằm trên vùng không tương đồng của nhiễm sắc thể giới tính X, trong khi alen quy định màu mắt trắng là đột biến lặn (ký hiệu là w, lấy chữ cái đầu của từ 'white'). Nhiễm sắc thể giới tính Y của ruồi giấm không có lôcut này, vì vậy sơ đồ thí nghiệm 1 được tóm tắt như sau:

P: ♂ mắt trắng (XY) × ♀ mắt đỏ (XX)

F_1: ♀ XX (đỏ) và ♂ XY (đỏ)

F_2: 1 ♀ XX (đỏ): 1 ♀ XX (đỏ): 1 ♂ XY (đỏ): 1 ♂ XY (trắng).

Điều này giải thích tại sao thế hệ F₂ phân li theo tỷ lệ 3 trội: 1 lặn như theo định luật Mendel, nhưng bất kỳ cá thể nào có mắt trắng đều phải là con đực, vì con đực chỉ cần một alen là đã biểu hiện màu mắt (hình 3).

Những hiện tượng trong thí nghiệm 1 và 2 minh họa rõ ràng hiện tượng di truyền liên kết giới tính (sex linked).

Trong một thí nghiệm khác, Morgan đã chỉ ra rằng ở ruồi giấm, tính trạng thân màu xám là trội (do alen B) so với thân màu đen (do alen b), còn cánh dài là trội (do alen V) so với cánh cụt (do alen v). Sau khi tạo ra ruồi đực dị hợp thân xám, cánh dài (BbVv), ông lai với ruồi cái thân đen, cánh cụt (bbvv) và chỉ thu được 2 kiểu hình: 1 xám, dài và 1 đen, cụt, không có kiểu hình xám, cụt và đen, dài. Vì ruồi cái chỉ sản sinh một loại trứng duy nhất là bv, ông kết luận rằng ruồi đực (BbVv) chỉ sinh ra hai loại tinh trùng là BV và bv, không có tinh trùng Bv và bV. Điều này chứng tỏ các lôcut B/b và V/v nằm trên cùng một nhiễm sắc thể và không thể di truyền độc lập như định luật Mendel. Thí nghiệm này là bằng chứng rõ ràng về gen liên kết tại thời điểm đó.

Sau này, vị trí của các lôcut B/b và V/v đã được xác định là nằm trên nhiễm sắc thể số 2 của ruồi giấm (xem minh họa ở hình 5).

Để phân biệt với các trường hợp gen phân li độc lập, nhiều tài liệu Sinh học toàn cầu và tại Việt Nam thường sử dụng ký hiệu các gen liên kết viết chung trên một vạch (vạch này biểu thị cho nhiễm sắc thể chứa chúng). Chẳng hạn, trong một giao tử (n) chứa gen A và B liên kết với nhau sẽ được ghi là AB. Trong tế bào soma (2n), có cặp nhiễm sắc thể tương đồng, nên nếu tinh trùng (giao tử đực) là AB và trứng (giao tử cái) là ab, kiểu gen của hợp tử (2n) sẽ được ghi là AB//ab, hoặc AB/ab, nhưng cách chuẩn nhất là ký hiệu giống như phân số với hai gạch như hình 6.

Tính chất của gen liên kết

Hiện nay, sau hơn một thế kỷ từ các sự kiện đó và nhờ vào sự tiến bộ trong khoa học và công nghệ, chúng ta đã biết rằng mỗi nhiễm sắc thể chứa một phân tử DNA có nhiều gen. Các gen nằm trên cùng một phân tử DNA tạo thành một nhóm gen liên kết, số lượng nhóm gen liên kết của mỗi loài tương đương với số bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n). Khi nhiễm sắc thể được truyền cho thế hệ sau, các gen cùng nhóm liên kết không phân li độc lập nữa.

Kể từ khi mô hình 'chuỗi xoắn kép' DNA được công bố bởi Cơ-ric (Francis Harry Compton Crick) và Oat-sơn (James Dewey Watson), các nghiên cứu về nhiễm sắc thể đã dần dần mở rộng hiểu biết về siêu cấu trúc của bào quan này. Ví dụ như mô hình của J. Herbert Taylor (1957), Ris và Chandler (1963), Kaufmann, McDonald, Whitehouse và Hastings (1965), mô hình sợi cuộn xoắn (folded fibre model) của Du Praw (1965), phát hiện về nuclêôxôm của A. Olins và C.L.F. Woodcock (1970), v.v. Nhờ đó, chúng ta có thể hình dung siêu cấu trúc của nhiễm sắc thể - bào quan lưu giữ và bảo quản thông tin di truyền như hiện nay: tất cả các gen trên một phân tử DNA được cuộn xoắn phức tạp nhưng có tổ chức và được mê-tyl hóa sẽ cùng nhau truyền cho thế hệ sau (hình 7).

Các kiểu gen liên kết

Như đã đề cập, các tính trạng di truyền liên kết với nhau vì các gen điều khiển các tính trạng đó nằm trên cùng một nhiễm sắc thể. Tuy nhiên, sự liên kết giữa các gen có thể xảy ra theo nhiều cách khác nhau, dẫn đến các kết quả khác biệt như sau:

• Liên kết hoàn toàn (complete linkage) hoặc liên kết không hoàn toàn (incomplete linkage);
• Liên kết với nhiễm sắc thể thường (autosomal linkage) hoặc liên kết với giới tính (sex linkage).
• Các gen được xem là liên kết hoàn toàn khi chúng nằm sát nhau trên một phân tử DNA và không có sự hoán vị gen. Ngược lại, các gen liên kết không hoàn toàn khi chúng nằm xa nhau trên một phân tử DNA và có xảy ra hoán vị gen tạo ra các tổ hợp mới.
• Các gen điều khiển tính trạng không thuộc giới tính (tính trạng không thuộc về giới đực, cái) nhưng nằm trên nhiễm sắc thể giới tính (X hoặc Y) gây ra hiện tượng liên kết giới tính (sex linked). Nếu gen nằm trên nhiễm sắc thể X, gọi là gen liên kết X (X-linked); nếu nằm trên nhiễm sắc thể Y, gọi là gen liên kết Y (Y-linked). Gen liên kết X đã được phát hiện từ lâu, ví dụ như gen gây chứng máu khó đông (hemophilia) hoặc gen gây hội chứng Rêt do Andreas Rett phát hiện. Tuy nhiên, các tính trạng liên kết Y chưa được xác minh rõ ràng về cơ sở di truyền phân tử ở người. Một số tài liệu đã đưa ra ví dụ về tính trạng liên kết Y như chứng hói đầu hoặc 'túm lông tai' (hairy ears), nhưng những nghiên cứu gần đây cho thấy có thể có sự nhầm lẫn.
• Chứng hói đầu từng được cho là do gen ở nhiễm sắc thể Y, liên quan đến sự phát triển tóc và một số hormone. Hiện tại, gen này được gọi là SOX21, còn gọi là SRY-Box21, nằm trên nhiễm sắc thể số 13, không phải trên Y.
• Tính trạng 'túm lông tai' trước đây được coi là liên kết Y. Một số sách giáo khoa di truyền học đã trình bày ví dụ này như một ví dụ điển hình về liên kết Y và gen 'túm lông tai' gọi là gen holandric. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại cho thấy đây có thể là một ngộ nhận, vì các nghiên cứu về nhiễm sắc thể Y chưa xác định được gen này và đặc điểm này chỉ phổ biến ở một số quần thể người ở Ấn Độ.

Tóm lại, gen liên kết là những gen nằm trên cùng một phân tử DNA của một nhiễm sắc thể, và chúng có thể liên kết hoàn toàn hoặc không hoàn toàn, cũng như liên kết giới tính hoặc không.

Nguồn gốc trích dẫn