Acid Nucleic là vật chất di truyền ở cấp độ phân tử

Mang thông tin di truyền đặc trưng cho loài

Vật chất di truyền phải mang thông tin đặc trưng cho loài. Đây không chỉ đơn giản là những thông tin về thành phần cấu trúc cơ thể mà còn là những thông tin về đặc điểm phát triển cơ thể qua các giai đoạn khác nhau trong chu trình sống của cá thể. Khái niệm này bao hàm hai ý:

Vật chất di truyền phải có khả năng mã hóa mọi thông tin di truyền của thế hệ trước chuyển giao cho thế hệ sau. Phương thức mã hóa dựa trên nguyên tắc: số lượng, thành phần, trình tự sắp xếp của các nucleotide trên gen cấu trúc sẽ quy định số lượng, thành phần, trình tự sắp xếp của các acid amin trên chuỗi polypeptide tương ứng.

Sự biệt hóa tế bào và quá trình phát triển cá thể cho thấy mỗi loại tế bào, tùy vào giai đoạn phát triển mà có những yêu cầu và biểu hiện khác nhau. Điều này chứng tỏ các gen trong hệ gen của chúng không hoạt động đồng loạt và liên tục: có gen hoạt động ở giai đoạn này nhưng lại bị kỳm hãm ở giai đoạn khác. Đó chính là cơ chế điều hòa biểu hiện gen. Cơ chế này do một hệ thống các gen chuyên trách ngoài gen cấu trúc đảm nhiệm.

Có khả năng tái bản

Vật chất di truyền phải có khả năng hình thành các bản sao, trong chứa đầy đủ các thông tin di truyền của loài và của cá thể để truyền lại cho thế hệ sau.

Ở prokaryote, thông qua hình thức phân bào trực tiếp (trực phân), mỗi tế bào con sẽ nhận được một bản sao vật chất nhân giống hệt tế bào mẹ.

Ở eukaryote, hoạt động phân bào gián tiếp (gián phân) có hai hình thức: phân chia nguyên nhiễm (nguyên phân) và phân chia giảm nhiễm (giảm phân). Trong đó, qua nguyên phân, mỗi tế bào con nhận được một bản sao chứa toàn bộ thông tin di truyền trong nhân. Qua giảm phân, mỗi tế bào đơn bội chỉ nhận được bản sao của một nửa vật chất di truyền trong nhân.

Đối với akaryote, phương thức sinh sản là nhân lên hàng loạt trong tế bào ký chủ. Trong 5 giai đoạn của một chu trình gây độc (hấp phụ, xâm nhập, tổng hợp, lắp ráp, phóng thích), giai đoạn thứ 3 bao hàm sự tái bản vật chất di truyền cho thế hệ sau.

Có khả năng biến đổi

Cơ chế tái bản của vật chất di truyền dù rất chính xác vẫn không thể tránh khỏi những sai sót với tần suất thấp. Những sai sót này đã tạo nên các đột biến, làm thành nguồn nguyên liệu chủ yếu cho quá trình tiến hóa của sinh giới.

Ngoài đột biến, hiện tượng tái tổ hợp và các yếu tố di truyền vận động (transposable genetic element) cũng góp phần làm biến đổi vật chất di truyền của các sinh vật.

Sự khám phá ra hiện tượng Biến nạp (transformation)

Năm 1928, Frederick Griffith quan sát thấy một hiện tượng bí ẩn khi tiến hành các thí nghiệm trên Streptococcus pneumoniae. Vi khuẩn này vốn gây bệnh viêm phổi ở người nhưng lại có khả năng gây chết ở chuột. Tuy vậy, những chủng khác nhau của loài này có độc lực khác nhau.

Trong thí nghiệm, Griffith sử dụng hai chủng vi khuẩn khác biệt nhau bởi hình dạng khuẩn lạc và độc tính. Chủng độc gây chết chuột, ký hiệu là S (smooth) cho khuẩn lạc nhẵn, láng vì tế bào được bọc bởi một vỏ nhày bằng polysaccharide. Chủng không độc được ký hiệu là R (rough), không có vỏ nhày, cho khuẩn lạc sần.

Nếu dùng chủng R sống hoặc chủng S đã bị đun sôi, tiêm một cách riêng rẽ cho chuột thì chuột đều không chết. Nhưng nếu bị tiêm đồng thời chủng R sống và chủng S đã đun sôi thì chuột sẽ chết vì viêm phổi. Hơn thế nữa, từ xác chuột chết có thể phân lập được những vi khuẩn sống. Những vi khuẩn này sẽ hình thành khuẩn lạc trơn láng và biểu hiện độc tính nếu cho lây nhiễm lần sau. Như vậy, bằng một cách nào đó, những mảnh vỡ tế bào từ chủng S bị đun sôi đã biến đổi các vi khuẩn R sống trở thành các vi khuẩn S sống. Hiện tượng này được gọi là Biến nạp.

Tiếp nối nghiên cứu trên, năm 1944, Oswald Avery, C. M. MacLeod và M. McCarty đã xác định được bản chất của hiện tượng biến nạp. Các tác giả đã phân tách các phân tử thu được từ các mảnh vỡ tế bào S thành từng nhóm chất và kiểm tra khả năng biến nạp của chúng.

Đầu tiên, họ thấy rằng bản thân các polysaccharide không gây biến nạp tế bào R. Vì vậy, dù chắc chắn có liên quan đến tính gây bệnh, vỏ nhày polysaccharide chỉ là một biểu hiện kiểu hình của độc tính. Quan sát các nhóm chất khác, các tác giả nhận thấy duy nhất chỉ có nhóm phân tử DNA gây ra sự biến nạp tế bào R. Họ suy luận rằng DNA chính là yếu tố xác định đặc tính vỏ polysaccharide và từ đó xác định đặc tính gây bệnh. Việc cung cấp DNA của tế bào S cho các tế bào R sống cũng ngang bằng với việc cung cấp gen S (gen quy định vỏ nhày) cho chúng.

Thí nghiệm của Hershey – Chase

Mặc dù các thí nghiệm của Avery và cộng sự đã có câu trả lời cuối cùng, nhưng các nhà khoa học thời bấy giờ vẫn miễn cưỡng chấp nhận DNA (hơn là protein) là vật chất di truyền. Năm 1952, thí nghiệm của Alfred Hershey và Martha Chase trên phage T2 đã chấm dứt tranh luận đó. Họ suy đoán rằng sự nhiễm phage phải bao hàm việc đưa vào vi khuẩn một thông tin chuyên biệt giúp tái sản xuất virus.

Phosphor không tìm thấy trong protein nhưng lại có trong cấu trúc DNA; ngược lại, lưu huỳnh chỉ hiện diện trong protein mà không có mặt trong DNA. Hershey và Chase đã dùng ³²P để đánh dấu DNA của một nhóm phage T2 và dùng ³⁵S để đánh dấu protein của một nhóm phage T2 khác. Kế đó, dùng hai nhóm phage này cho nhiễm riêng rẽ vào E.coli với số lượng lớn virus. Sau thời gian gây nhiễm thích hợp, họ dùng lực khuấy để tách vỏ virus còn bám bên ngoài ra khỏi tế bào vi khuẩn. Sử dụng phương pháp ly tâm để tách riêng vỏ virus với tế bào vi khuẩn rồi phân tích phóng xạ. Với nhóm phage đánh dấu bằng ³²P, trong tế bào vi khuẩn có chứa chất phóng xạ chứng tỏ DNA của phage đã vào trong vi khuẩn. Với nhóm phage đánh dấu bằng ³⁵S, chất phóng xạ nằm trong phần vỏ virus bỏ lại.

Kết quả thí nghiệm trên cho thấy protein vỏ của phage không xâm nhập tế bào vi khuẩn mà chỉ có DNA của phage được nạp vào. Phân tử DNA này giúp sản sinh ra thế hệ phage mới. Như vậy, DNA chính là vật liệu di truyền của phage.

RNA cũng là vật chất di truyền

Phần lớn virus ký sinh thực vật có cấu tạo chính gồm phần vỏ bằng protein và phần lõi là RNA, điển hình như virus gây bệnh khảm thuốc lá TMV (Tobacco Mosaic Virus) và HRV (Holmes ribgrass virus). Cả hai loại virus này khi xâm nhập vào tế bào lá sẽ làm biến đổi sự trao đổi chất của tế bào khiến cho diệp lục tố bị phân hủy, gây ra những đốm màu trên nền lá xanh. Tuy nhiên, chúng khác biệt nhau bởi cách gây bệnh, màu sắc và kích thước các đốm khảm.

Người ta có thể phân lập riêng rẽ protein vỏ và RNA dưới dạng tinh, sau đó tổng hợp trở lại thành hạt virus. Cũng có thể dùng protein và RNA của hai loài hoặc hai chủng virus khác nhau để tổng hợp nên một dạng virus ghép.

Năm 1957, Fraenkel – Conrat và cộng sự đã tổng hợp nên một loại virus ghép từ RNA của HRV và protein vỏ của TMV. Cho nhiễm loại virus ghép này vào cây thuốc lá lành thì thấy cây bị nhiễm bệnh với triệu chứng bệnh của HRV. Người ta cũng phân lập được HRV từ lá cây bị bệnh. Như vậy trong trường hợp này, RNA chính là cơ sở vật chất của sự di truyền còn protein chỉ đóng vai trò vỏ bọc hỗ trợ.