Nghiên cứu về di truyền liên kết giới tính

Di truyền liên kết giới tính là quá trình di truyền tính trạng biểu hiện cùng với giới tính (tính đực hoặc tính cái). Quá trình này biểu hiện ở hiện tượng: tính trạng không thuộc giới tính (gọi là tính trạng thường) hay xuất hiện ở giới này (cái hoặc đực) mà ít hoặc không xuất hiện ở giới kia (đực hoặc cái).

Thuật ngữ này trong tiếng Anh là sex linkage, được sử dụng để mô tả cách thừa hưởng gen ở vùng không tương đồng của nhiễm sắc thể giới tính qua các thế hệ. Phương thức thừa hưởng gen như vậy được gọi là phương thức di truyền liên kết giới tính (patterns of sex linkage inheritance).

Ví dụ cụ thể:

• Ở con người: bệnh mù màu thường phổ biến hơn ở nam giới (XY) so với nữ giới (XX).
• Ở ruồi giấm (Drosophila melanogaster): mắt màu trắng thường chỉ xuất hiện ở ruồi đực (XY), hiếm khi thấy ở ruồi cái (XX).
• Ở một dòng gia cầm: lông trơn (không vạch) thường thấy ở gà mái (ZW), ít thấy ở gà trống (ZZ). Điều này đã dẫn đến việc tạo ra các dòng gà có di truyền liên kết giới tính.

Lịch sử phát hiện

Một số tác giả cho rằng: báo cáo khoa học đầu tiên về di truyền liên kết giới tính được thực hiện bởi Doncaster và Raynor vào năm 1906, khi họ nghiên cứu di truyền màu lông của loài bướm đêm Abraxas grossulariata. Tuy nhiên, nhà di truyền học người Mỹ Thomas Hunt Morgan được công nhận là người không chỉ phát hiện ra mà còn giải thích chính xác về loại di truyền này khi ông nghiên cứu trên ruồi giấm (Drosophila melanogaster) khoảng năm 1908 - 1910.

Những năm đầu của thập niên 1900, Thomas Hunt Morgan tình cờ phát hiện ra trong một quần thể ruồi giấm nuôi trong phòng thí nghiệm của mình có cá thể đực có mắt trắng, khác hoàn toàn với tất cả các ruồi đã biết chỉ có mắt đỏ. Ông tiến hành thí nghiệm lai giữa ruồi đực mắt trắng mới phát hiện này với ruồi cái mắt đỏ thuần chủng (P), và thu được toàn bộ ruồi F₁ đều có mắt đỏ. Khi cho F₁ giao phối với nhau, ông thu được F₂ với tỉ lệ 75% ruồi mắt đỏ và 25% ruồi mắt trắng, theo tỉ lệ 3 trội: 1 lặn như Mendel đã dự đoán; tuy nhiên, điều đặc biệt là tất cả ruồi đực có mắt trắng. Thí nghiệm lai ngược của Morgan cũng đã được tiến hành, nghĩa là ông đã thực hiện các thí nghiệm lai ngược trên đậu Hà Lan trên cùng một nhóm đối tượng nhưng theo phương pháp lai ngược. Kết quả của thí nghiệm lai ngược (reciprocal cross) cho thấy: F₂ có tỉ lệ 25% ruồi cái mắt đỏ, 25% ruồi cái mắt trắng, 25% ruồi đực mắt đỏ và 25% ruồi đực mắt trắng, khác biệt hoàn toàn so với lai thuận.

Vì vậy, ông cho rằng màu mắt của ruồi được hạn chế di truyền bởi giới tính (sex limited inheritance). Để kiểm tra điều này, ông đã lai ruồi đực mắt trắng với ruồi cái F₁ (mắt đỏ dị hợp), và thu được F₂ bao gồm: 29 ruồi cái mắt đỏ, 132 ruồi đực mắt đỏ, 88 ruồi cái mắt trắng và 86 ruồi đực mắt trắng, khác biệt hoàn toàn so với định luật Mendel. Dựa trên lập luận về di truyền nhiễm sắc thể được công bố vào năm 1903 bởi Theodor Boveri và Walter Sutton, ông giả thuyết rằng đặc tính màu mắt được di truyền gắn liền với nhiễm sắc thể X của ruồi.

Ngày nay, chúng ta đã biết rằng: ở ruồi giấm, alen quy định màu mắt đỏ là trội (Morgan xem đây là alen hoang dã tự nhiên và ông ký hiệu là dấu “+”) nằm trên nhiễm sắc thể X, trong khi alen quy định màu mắt trắng là đột biến lặn (ông ký hiệu là w, lấy chữ cái đầu của từ 'white' có nghĩa là màu trắng). Nhiễm sắc thể Y của ruồi giấm không có đoạn gen này, vì vậy kết quả của thí nghiệm lai thuận 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 trong phép lai thuận lại phân li 3 trội: 1 lặn như trong định luật Mendel, nhưng cá thể nào có màu mắt trắng thì phải là con đực vì con đực chỉ cần 1 alen để màu mắt hiện diện. Trường hợp này được gọi là di truyền gen lặn liên kết với X.

Cơ sở di truyền học

Bất cứ tính trạng nào có liên kết với giới tính đều được quy định bởi các alen nằm trên vùng không tương đồng của nhiễm sắc thể giới tính (X và Y hoặc Z và W). Thường xảy ra các trường hợp sau đây.

Alen trội trên X

Khi có alen trội ở vùng không tương đồng của nhiễm sắc thể giới tính X, điều này dẫn đến hiện tượng di truyền gen trội liên kết với X. Nếu một trong hai phụ huynh mang alen trội này, thì 50% số con sẽ thể hiện tính trạng này. Trên sơ đồ sau, alen này được kí hiệu là A (trội), và a là alen lặn.

P: ♂ XY × ♀ XX → F_1: ♀XX + ♂ XY. Hoặc:

P: ♂ XY × ♀ XX → F_1: ♀XX + ♀XX + ♂XY + ♂XY.

Trong con người, có nhiều rối loạn di truyền do alen trội trên nhiễm sắc thể X đã được phát hiện, như:

• Bệnh sắc tố Incontinentia.
• Hội chứng Alport.
• Hội chứng Rett.
• Hội chứng Fragile X.
• Hội chứng suy tuyến cận giáp.
• Hội chứng Coffin–Lowry.

Alen lặn trên X

Khi có alen lặn ở vùng không tương đồng của nhiễm sắc thể giới tính X (hoặc W), các cá thể có kiểu gen giống nhau (XX hoặc WW) cần hai alen lặn để biểu hiện tính trạng, trong khi các cá thể giống khác nhau (XY hoặc WZ) chỉ cần một alen để biểu hiện tính trạng. Do đó, các cá thể giống nhau không biểu hiện tính trạng có thể có kiểu gen đồng hợp tử trội (AA) hoặc dị hợp tử (Aa). Ngoài ra, ở nhiều loài sinh vật còn có cơ chế bất hoạt X (X-inactivation hay còn gọi là cơ chế lyonization), có thể ảnh hưởng đến biểu hiện tính trạng trên toàn cơ thể.

Trong sơ đồ minh hoạ dưới đây, alen này được ký hiệu là a (lặn - có thể biểu hiện tính trạng), trong khi A là trội (không biểu hiện).

P: ♂ XY × ♀ XX → F_1: ♀XX + ♀XX + ♂XY + ♂XY (chỉ biểu hiện ở giới đực).

P: ♂ XY × ♀ XX → F_1: ♀XX + ♀XX + ♂XY + ♂XY (biểu hiện ở cả hai giới)

Trong con người, đã phát hiện nhiều rối loạn di truyền do alen lặn liên kết với nhiễm sắc thể X, như:

• Bệnh mù màu (rối loại sắc giác).
• Bệnh máu khó đông (Haemophilia).
• Bệnh Menker (hội chứng tóc rối).
• Hội chứng Wiskott–Aldrich.
• Hội chứng Aarskog–Scott.

Mô phỏng chung