Biến dị ở sinh vật
Biến dị ở vi sinh vật cũng tuân theo quy luật di truyền chung Có nhiều phương pháp chứng minh biến dị ở vi sinh vật cũng do các đột biến. Ở đây chỉ nêu 2 phương pháp chủ yếu: thử nghiệm dao động (fluctuation test) và ...
Biến dị ở vi sinh vật cũng tuân theo quy luật di truyền chung
Có nhiều phương pháp chứng minh biến dị ở vi sinh vật cũng do các đột biến. Ở đây chỉ nêu 2 phương pháp chủ yếu: thử nghiệm dao động (fluctuation test) và đặc biệt là phương pháp in hay đóng dấu của E. Lederberg (1952).
a. Nguyên lý của thử nghiệm dao động (fluctuation test)
Năm 1943, Luria và Delbrűck tiến hành thí nghiệm như sau. Lấy 20 ống nghiệm cho vào mỗi ống một ít môi trường nuôi (1ml) lỏng với một ít tế bào vi khuẩn nhạy cảm với bacteriophage và ủ cho chúng sinh sản đạt 108 tế bào/ml. Lấy dịch nuôi 20 ống nuôi riêng lẻ và 20 ống với số dịch nuôi tương tự từ bình lớn nuôi chung và dịch từng ống cấy lên các hộp Petri môi trường đặc chứa bacteriophage. Nếu đột biến là sự kiện ngẫu nhiên thì số lượng thể đột biến (mutants) ít (2 ở hình bên trái) hay nhiều (8 – hình bên phải) do xuất hiện muộn hay sớm như mô tả trên hình dưới đây.
Đột biến là sự kiện ngẫu nhiên: số lượng thể đột biến phụ thuộc thời điểm xuất hiện.
Số lượng thể đột biến (các tế bào tô đậm) ít (2 ở hình bên trái) hay nhiều (8 – hình bên phải) do xuất hiện muộn hay sớm trong dòng tế bào.
Kết quả cho thấy có sự dao động (fluctuation) về số lượng khuẩn lạc kháng phage mọc lên từ dịch nuôi của 20 ống nuôi riêng lẻ. Cụ thể: 11 ống không có khuẩn lạc đề kháng, số còn lại có 1, 1, 3, 5, 5, 6, 35, 64 và 107 khuẩn lạc/hộp Petri. Trong khi đó, dịch nuôi 20 ống từ bình lớn nuôi chung ít có sự dao động từ hộp Petri này sang hộp khác và trong koảng 14 – 26 khuẩn lạc/hộp Petrihay thuốc kháng sinh.
b. Phương pháp in hay đóng dấu
Các vi khuẩn được cấy để mọc rời từng khuẩn lạc trên môi trường có dinh dưỡng. Dùng miếng nhung (có nhiều lông mịn) ấn nhẹ lên bề mặt môi trường thường để ghi dấu các khuẩn lạc nhờ các lông mịn, sau in đúng các vị trí khuẩn lạc trên môi trường có phage hay thuốc kháng sinh. Các khuẩn lạc đột biến kháng phage hay kháng sinh mọc lên được. Căn cứ vị trí khuẩn lạc không mọc ở bản sao tách các đột biến tương ứng (hình 20.2).
Phương pháp in dùng phát hiện các đột biến
Như vậy, phương pháp in cho biết phát hiện các đột biến đề kháng các nhân tố bất lợi nào đấy của môi trường trong quần thể vi khuẩn từ trước khi các tế bào của chúng tiếp xúc với tác nhân này. Điều đó có nghĩa rằng, ví dụ, streptomycin không phải là nguyên nhân gây biến dị kháng thuốc, mà chỉ là tác nhân chọn lọc giữ lại các đột biến đã xuất hiện trước khi tiếp xúc với thuốc. Các đột biến này có kiểu hình giúp cho vi khuẩn thích nghi với biến đổi của môi trường và nhờ sinh sản nhanh sau một thời gian ngắn quần thể có kiểu hình mới.
Các kết quả nghiên cứu này khẳng định các vi sinh vậtcũngtuân theo các quy luật di truyềnnhư các động vật và thực vật. Điều này có ý nghĩa rất lớn cho sự phát triển của di truyền học và sinh học phân tử. Do vậy, giải Nobel Y học năm 1969 được trao P.Luria và M.Delbruck về đóng góp này.
Quá trình đột biến tự nhiên
Đột biến theo nghĩa rộng chỉ các biến đổi di truyền xảy ra đột ngột. Từ xa xưa, con người đã nhận thấy nhiều đột biến tự nhiên. Nhiều giống cây trồng và vật nuôi bắt nguồn từ các đột biến.
Đột biến gen là đột biến được hiểu theo nghĩa hẹp, là chỉ những biến đổi xảy ra bên trong cấu trúc gen. Mỗi đột biến gen dẫn đến sự thay đổi trình tự nucleotit tạo ra các alen khác nhau. Đột biến có thể xảy ra do biến đổi nhiều nucleotit, có thể do 1 nucleotit. Đột biến gen không phát hiện được khi quan sát tế bào học.
| Sinh vật | Đột biến | Tần số | Căn cứ đánh giá |
| Phage T2 | Kìm hãm tan r → r+ | 1.10-8 | đột biến/1 sao chép |
| E.coli | Lên men lactoz | các tế bào đột biến / | |
| lac → lac+ | 2.10-7 | 1 lần phân bào | |
| leu-→ leu+ | đột biến /1 tế bào | ||
| arg+→ arg- | 7.10-10 | đột biến /1 tế bào | |
| trp+→ trp- | đột biến /1 tế bào | ||
| ara+ → ara- | 4.10-9 | đột biến /1 tế bào | |
| Kháng Streptomycin | 6.10-8 | đột biến /1 tế bào | |
| StrS → StrR | 2.10-64.10-10 | ||
| Neurospora crassa | adenin ade- → ade+ | 4.10-8 | đột biến/ 1 bào tử vô tính |
Trong tự nhiên, dù giữ trong điều kiện nào, tất cả các gen đều có đột biến, được gọi là đột biến tự nhiên hay ngẫu nhiên (spontanous mutation). Các đột biến tự nhiên thường xuất hiện rất ít. Khái niệm tần số đột biến được dùng để đánh giá mức độ xuất hiện nhiều hay ít đột biến ở một gen. Có người phân biệt tần số (frequency) với tốc độ (rat) đột biến.
Các gen khác nhau của cùng 1 sinh vật có thể có tần số đột biến khác nhau. Nhưng tần số đột biến tự nhiên đối với mỗi gen là một số ổn định.
Tần số đột biến được đánh giá theo các căn cứ khác nhau như: trên 1 lần sao chép, 1 lần phân bào hay trên 1 giao tử và trên 1 tế bào / 1 thế hệ (bảng 20.2).
Để dễ hiểu các số trên có thể tính đảo ngược lại. Ví dụ: Ở E.coli đột biến từ nhạy cảm với streptomycin sang kháng tức StrS→ StrR với tần số 4.10-10 đột biến tính trên 1 tế bào/1 thế hệ. Để dễ hiểu ta có thể tính ngược lại tức trong 10 tỉ tế bào của một thế hệ có 4 đột biến StrR (resistance) kháng streptomycin xuất hiện ngẫu nhiên.
Tuy tần số đột biến của từng gen là rất thấp, nhưng tổng các đột biến của nhiều gen là một số đáng kể, có ý nghĩa quan trọng cho tiến hóa.
Đột biến ảnh hưởng đến mọi tính trạng khác nhau của sinh vật và tác động theo mọi hướng.
Vi sinh vật cũng có các loại đột biến như ở sinh vật bậc cao. Ở đây chỉ nêu các đột biến thường gặp ở vi sinh vật và có ý nghĩa quan trọng đối với di truyền phân tử.
Đột biến gen hay đột biến điểm
Biến đổi rất nhỏ trên một đoạn ADN, thường liên quan đến 1 nucleotit hay 1 cặp nucleotit.
a)Đột biến đồng nghĩa (Samesense) còn gọi là trung tính (neutral) hay im lặng (silent), khi codon mã hóa cho một axit amin bị biến đổi, thường ở bazơ thứ ba nên vẫn mã hóa cho axit amin đó (do tính suy thoái của mã di truyền.
b) Đột biến vô nghĩa (Non-sense)khi codon mã hóa cho một axit amin biến thành một trong ba codon UAA, UAG và UGA là các codon kết thúc không mã hóa cho axit amin nào.
c) Đột biến sai nghĩa (Mis-sense): Khi codon của axit amin này biến thành codon mã hóa cho axit amin khác, làm thay đổi axit amin tương ứng trên phân tử protein.
d) Đột biến lệch khung:Sự thêm 1 bazơ hay làm mất 1 bazơ dẫn đến các codon sai nghĩa hay vô nghĩa so với codon tương ứng ban đầu từ điểm biến đổi về sau, sự dịch mã bị lệch khung có tính dây chuyền từ bộ ba bị sai.
Đột biến nhiễm sắc thể
Các đột biến nhiễm sắc thể hay còn gọi là sai hình nhiễm sắc thể xuất hiện ở sinh vật nhân thực.
– Biến đổi trên 1 nhiễm sắc thể: mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn.
– Biến đổi giữa các nhiễm sắc thể: chuyển đoạn.
– Đột biến bộ gen (genome mutation)
Đa bội thể (Polyploidy) hiểu theo nghĩa rộng là sự thay đổi số lượng nhiễm sắc thể gồm:Đa bội thể nguyên (Polyploidy hay Euploidy) (2n –> 3n, 4n, …), đa bội thể laicòn gọidị bội thể(Alloploidy)(2n A + 2n B) và đa bội lệch (Aneuploidy), hayđa nhiễm:(ví dụ: 2n + 1 hoặc 2n – 1).
Các biến đổi vi cấu trúc
Các thay đổi thành phần nucleotit của gen.
a) Đột biến thay thế: Thay một nucleotit này bằng nucleotit khác.
– Đồng chuyển (Transition) khi pyrimidin được thay thế bởi pyrimidin hay purin bởi purin. Ví dụ: T thay cho C hoặc ngược lại.
– Đảo chuyển (Transversion) khi pyrimidin được thay thế bởi purin hay purin bởi pyrimidin.Ví dụ: T hay C thay cho A hoặc G và ngược lại.
b)Mất nucleotit (Deletion): Mất một phần nucleotit của gen.
c)Đột biến xen nucleotit (Insertion mutant): Thêm 1 hay nhiều nucleotit vào gen.
Các đột biến kiểu hình
a)Các đột biến hình thái: Các biến đổi ảnh hưởng đến hình dạng, màu sắc và kích thước. Ví dụ: một dạng đột biến khuẩn lạc màu đỏ ở Serratia marcescen.
Đột biến khuẩn lạc màu đỏ ở Serratia marcescens
b) Đột biến sinh hóa:
– Các đột biến khuyết dưỡng (Auxotrophe mutation) làm mất khả năng tổng hợp các chất.
– Các đột biến có điều kiện: Các đột biến có thể không có biểu hiện trong những điều kiện giới hạn nhất định (restrictive condition) và có biểu hiện trong các điều kiện cho phép (permissive condition). Ví dụ, các đột biến nhạy cảm với nhiệt độ cao có biểu hiện ở nhiệt độ tương ứng.
– Đột biến đề kháng: Các biến đổi sinh hóa giúp kháng lại được các tác nhân bất lợi.
Đột biến và hồi biến
a) Đột biến thuận hay trực tiếp(Direct mutation): Biến đổi từ kiểu hình hoang dại sang khác thường.
b) Hồi biến (Reversion): Đột biến từ kiểu hình đột biến quay về kiểu hình hoang dại.
– Hồi biến thật hayđột biến nghịch. Biến đi trở lại y như ban đầu.
– Đột biến ức chế hay kìm hãm(Supressor): Đột biến ở một điểm khác. Cả hai cùng tạo kiểu hình gần như hoang dại.
- Đột biến kìm hãm ngoài gen: Xảy ra ở gen khác với gen bị đột biến.
- Đột biến kìm hãm trong gen: Xảy ra ở nucleotit khác trong gen đưa gen trở về trạng thái tạo kiểu hình hoang dại.
Nói chung, các đột biến là các biến đổi rất đa dạng của vật chất di truyền và có nhiều tác động khác nhau.
Để nghiên cứu chi tiết về các đột biến, cần có các phương pháp phát hiện chúng một cách tương đối đầy đủ và chính xác. Đây là công việc khó khăn vì đa số đột biến ở dạng lặn và nhiều dạng khó phát hiện.
Sự hoàn thiện các phương pháp phát hiện đột biến đã góp phần đáng kể cho sự phát triển của di truyền học và sinh học.
Các hệ thống chọn lọc đột biến ở vi sinh vật
Muốn phát hiện các đột biến có hiệu quả cần có hệ thống chọn lọc để tìm thấy các đột biến hiếm hoi trong khối rất lớn các dạng không đột biến. Các hệ thống chọn lọc đột biến có nhiều và phụ thuộc vào các đột biến khác nhau. Bảng 20.3 nêu các cách phát hiện 3 dạng đột biến.
| Kiểu gen | ||||||
| Đột biến có điều kiện (nhạy cảm nhiệt độ) | Đột biến khuyết dưỡng | Đột biến đề kháng | ||||
| Nhiệt độ thường | Nhiệt độ cao | Không bổ sung | Có bổ sung | Không tác nhân | Có tác nhân | |
| Kiểu hoang dại | Bình thường | Bình thường | Tăng trưởng | Tăng trưởng | Tăng trưởng | Không |
| Đột biến | Bình thường | Đột biến | Không | Tăng trưởng | Tăng trưởng | Tăng trưởng |
Khái niệm lực phân giải (resolving power) được dùng để chỉ khả năng phát hiện các đột biến rất hiếm. Lực phân giải càng lớn khi phát hiện được các đột biến càng hiếm. Ví dụ, các đột biến đề kháng có độ phân giải cao vì khi cấy số lượng rất lớn tế bào lên môi trường chọn lọc có chứa tác nhân thì phần lớn tế bào chết, chỉ số rất ít tế bào có đột biến đề kháng mọc thành khuẩn lạc.
Phương pháp đề kháng
Ở vi khuẩn, các tác nhân chọn lọc thường là thuốc và phage. Các đột biến dễ dàng được phát hiện trên môi trường agar có thuốc hay phage ở dạng các khuẩn lạc được mọc lên như trên hình 20.3.
Phương pháp làm giàu chậm: (Default enrichment method)
Việc phát hiện các đột biến khuyết dưỡng khó khăn hơn. Dung dịch vi khuẩn pha loãng được cấy lên bề mặt môi trường agar tối thiểu để mọc rời thành khuẩn lạc. Một lớp môi trường tương tự được đổ lên trên, phủ lớp mỏng. Hộp Petri được ủ để các khuẩn lạc bình thường mọc lên. Sau đó, đổ phủ lên thêm một lớp môi trường dinh dưỡng có bổ sung và ủ tiếp cho chất bổ sung khuếch tán. Các đột biến khuyết dưỡng sẽ mọc sau, khi có chất bổ sung, nên khuẩn lạc nhỏ hơn do mọc chậm.
Phương pháp làm giàu hạn chế (Limited enrichment method)
Đây là dạng đơn giản hơn của phương pháp làm giàu chậm. Các vi khuẩn được cấy trên môi trường tối thiểu có một ít bổ sung. Trong điều kiện đó, các đột biến khuyết dưỡng mọc đến khi hết chất dinh dưỡng bổ sung thì dừng, nên tạo khuẩn lạc nhỏ. Các vi khuẩn bình thường tiếp tục mọc tạo khuẩn lạc to.
Phương pháp làm giàu nhờ penixilin
Phương pháp được áp dụng cho các vi khuẩn. Penixilin có tác động diệt các vi khuẩn bình thường khi phân chia. Các vi khuẩn được cho vào môi trường tối thiểu có penixilin. Các vi khuẩn đang tăng trưởng bị diệt, chỉ các tế bào đột biến không tăng trưởng còn sống sót. Sau đó, hỗn hợp được cấy lên môi trường không có penixilin thì các đột biến khuyết dưỡng mọc lên với tỉ lệ tương đối cao hơn (hình 20.4).
Phương pháp penicillin chọn lọc âm tính (ví dụ chọn leu-)
Các tế bào E. coli được nuôi trên môi trường đủ và gây đột biến. Rửa sạch tế bào khỏi MT đủ và chuyển sang MT có penicillin thiếu leuxin (– leuxin). Sau đó cấy tế bào lên hộp Petri chứa MT có leuxin (MT + leuxin ), các tấ bào mọc lên thành khuẩn lạc. In các khuẩn lạc sang hộp Petri chứa MT tối thiểu không có leuxin. So sánh 2 hộp Petri xác định được dòng tế bào đột biến: mọc trên MT đủ (+ leuxin ) và không mọc trên MT thiếu leuxin (– leuxin )
Phương pháp lọc
Phương pháp được sử dụng để chọn lựa các đột biến khuyết dưỡng ở nấm sợi.
Dung dịch các bào tử được nuôi trong môi trường dinh dưỡng thiếu chất bổ sung. Các đột biến thiếu chất bổ sung không mọc được, các dạng bình thường mọc ra nhiều sợi. Khi lọc qua màng lọc sợi thủy tinh, các dạng bình thường nhiều sợi bị giữ lại, các dạng đột biến đi qua màng lọc. Dung dịch có nhiều dạng đột biến được cấy lên môi trường có chất bổ sung và kiểm tra tìm các dạng đột biến.
Phương pháp in
Các vi khuẩn được cấy để mọc rời từng khuẩn lạc trên môi trường có dinh dưỡng. Dùng miếng nhung (có nhiều lông mịn) in đúng các vị trí khuẩn lạc trên môi trường tối thiểu. Các khuẩn lạc đột biến không mọc lên được. Căn cứ vị trí khuẩn lạc không mọc ở bản sao tách các đột biến khuyết dưỡng (hình 20.4 phía trên).
Ngoài các phương pháp nêu trên còn có các phương pháp chuyên biệt để phát hiện nhiều loại đột biến khác.
Phương pháp in
- Khúc gỗ bọc miếng nhung vô trùng. b) Đĩa gốc trên môi trường đầy đủ. c) Miếng nhung đã in dính tế bào tương ứng các khuẩn lạc. d) Môi trường đủ hoặc có bổ sung chất cần thiết. e) Môi trường tối thiểu không có có bổ sung
Các biến đổi trên ADN
Tất cả các đột biến đều do những thay đổi trình tự nucleotit trên ADN. Các đột biến có thể xảy ngẫu nhiên (spontaneously) hay gây tạo (cảm ứng - induced) bởi các tác nhân gây đột biến (mutagens). Các đột biến có thể do thay đổi từng cặp bazơ hay những trình tự dài hơn.
Đột biến điểm (Point mutation) là biến đổi trình tự của một cặp bazơ. Đột biến điểm có thể do chuyển đổi hoá học bazơ này thành bazơ khác hoặc do bắt cặp sai trong sao chép. Sự biến đổi gồm nhiều kiểu:
– Sự đồng chuyển: thay cặp G·C bằng A·T và ngược lại.
– Sự đảo chuyển: thay A·T bằng T·A và ngược lại.
– Sự bắt cặp sai (Bazơ mispairing)làsự bắt cặp không theo đúng nguyên tắc của mô hình Watson-Crick, mà là adenin với cytosin, thymine với guanin.
– Xen đoạn (Insertion)là sự thêm vào một đoạn cặp bazơ vào ADN. Tăng đôi đoạn (Duplication) là một dạng đặc biệt của xen đoạn.
– Mất đoạn (deletion)là sự mất đi một trình tự ADN, mà trình tự hai bên nối lại với nhau trừ trường hợp mất đầu mút nhiễm sắc thể.
Transposonhay phần tử di động (transposable element)là trình tự ADN có khả năng tự xen vào (hay bản sao chính nó) ở vị trí mới trên bộ gen (genome), mà không cần có quan hệ gì với locus mục tiêu. Xen đoạn là kiểu đột biến phổ biến nhất và do sự di chuyển của các phần tử di động (ch. VI).
Phần lớn đột biến ngẫu nhiên do sự hiện diện của các bazơ bất thường trên ADN. Ngoài ra, một số bazơ bị biến đổi (modified bazơs) như thường gặp hơn cả là 5-metylcytosin, được tạo ra do enzym metylaz thêm nhóm metyl vào một số cytosin ở những điểm đặc biệt trên ADN.
Các sai hỏng trong sao chép ADN
Các đột biến có thể xảy ra do sai lầm khi sao chép ADN.
Mỗi bazơ tồn tại ở 2 dạng cấu trúc được gọi là tautomer. Ví dụ, adenin bình thường mang nhóm NH2cung cấp nguyên tử hydro cho sự bắt cặp bổ sung với dạng keto (C = O - keto form) của thymine. Khi có biến đổi tautomer, adenin chuyển sang cấu trúc hiếm là dạng imino NH sẽ bắt cặp bổ sung với cytosin. Thymine có thể chuyển sang dạng enol (COH) không có trong ADN bình thường và bắt cặp với guanin. Khả năng bắt cặp sai của bazơ với tautomer không đúng đã được Watson và Crick nêu lên.
Sự bắt cặp sai này có thể là các đột biến đồng chuyển, trong đó purin thay bằng purin khác và pyrimidin thay bằng pyrimidin khác.
Các biến đổi trên, ngoài việc thay thế các nucleotit trên mạch ADN còn có thể làm tăng thêm hay khuyết các nucleotit gây nên các kiểu đột biến ảnh hưởng đến sinh tổng hợp protein.
Ảnh hưởng của đột biến gen đến sinh tổng hợp protein
Sau khi tìm hiểu về dịch mã và mã di truyền, cần lưu ý đến biến đổi ảnh hưởng đến nghĩa codon và vị trí biến đổi ở đầu hay cuối mạch polypeptit.
a) Đột biến lệch khung
Hai kiểu đột biến có hiệu quả nặng là thêm bazơ (addition) và mất bazơ (delection). Các biến đổi này thường làm enzym mất hoạt tính. Sự thêm 1 bazơ hay làm mất 1 bazơ dẫn đến sự dịch mã lệch khung. Từ điểm biến đổi về sau, từ bộ ba bị sai cái sai sẽ kéo dài liên tục đến cuối mạch polypeptit. Ví dụ:
– Bình thường:
mARN: CCG G G A AGC AAU
Polypeptit: Pro Gly Ser Asn
– Đột biến lệch khung xen đoạn (Frameshift - insertion)
mARN: CCG A GG AAG CAA
Polypeptit: Pro Arg Lys Gln
– Đột biến lệch khung mất đoạn (Frameshift - deletion)
mARN: CCG GAA GCA AUG
Polypeptit: Pro Glu Asp Met
Sự tổng hợp mạch polypeptit có thể bị kết thúc sớm nếu sự lệch khung dẫn đến codon kết thúc.
b) Đột biến thay thế (Bazơ substitution)
Đột biến thay thế bazơ nếu là đột biến sai nghĩa (mis-sense) sẽ có hiệu quả thay đổi từ axit amin này thành axit amin khác trong mạch polypeptit, còn nếu là đột biến vô nghĩa (non-sense) hay đột biến trung tính (hay im lặng) sẽ không ảnh hưởng đến mạch polypeptit Ví dụ:
– Bình thường:
mARN: CCG G G A AGC AAU
Polypeptit: Pro Gly Ser Asn
– Sai nghĩa (Missense):
mARN: CCG G C A AGC AAU
Poly peptit: Pro Val Ser Asn
– Vô nghĩa (Nonsense)
mARN: CCG UG A AGC AAU
Polypeptit: Pro STOP
Sai hỏng ngẫu nhiên
Ngoài các sai hỏng trong sao chép, phân tử ADN còn chịu các sai hỏng ngẫu nhiên có thể dẫn đến đột biến. Hai kiểu sai hỏng ngẫu nhiên thường gặp là mất purin (depurination) và mất amin (desamination). Mất purin là kiểu sai hỏng thường hơn, xảy ra khi liên kết glycosidic giữa C1 của pentoz với bazơ bị đứt và làm mất A hoặc G.
Sự mất amin của cytosin tạo ra uracil. Các gốc U không được sửa sai sẽ bắt cặp bổ sung với A trong sao chép, gây ra đồng chuyển G-C→A-T. Trong các enzym sửa sai, uracil ADN-glycosylaz nhận biết đặc hiệu uracil trên ADN và cắt rời tạo lỗ hỏng, sau đó được tổng hợp lại đúng theo mạch bổ sung.
Trên phân tử ADN, một số cytosin được metyl hóa thành 5-metyl cytosin, chất này mất nhóm amin biến thành thymine. Sai hỏng này không bị uracil-ADN-glycolaz phát hiện nên không được sửa lại. Sự chuyển C → T do mất amin thường xảy ra ở các điểm có 5-metyl cytosin. Kiểu biến đổi này có ở cả vi khuẩn và tế bào sinh vật bậc cao.
Các tác nhân làm tăng tần số đột biến cao hơn mức tự nhiên được gọi là các tác nhân gây đột biến (mutagen). Các tác nhân vật lí như phóng xạ, tia X, tia tử ngoại gây đột biến. Nhiều hóa chất là tác nhân gây đột biến như các đồng đẳng của các bazơ nitric, HNO2 (nitrous axit), các chất alxyl hóa mạch...Các đột biến loại này được gọi là đột biến nhân tạo hay đột biến cảm ứng (induced mutation).
Đối với các vi sinh vật, các tác nhân gây đột biến chủ yếu là tia tử ngoại và một số hóa chất.
Tác động của tia tử ngoại
Tia tử ngoại có bước sóng dài (10-5 - 10-6 cm) nên khó tạo ion, có lẽ chỉ tác động đến những chất hấp thu nó trực tiếp. Trong tế bào, các chất hữu cơ có mạch vòng chủ yếu như purin và pyrimidin hấp thu trực tiếp tia tử ngoại. Mối liên quan chặt chẽ giữa tia tử ngoại và các cấu phần của ADN đã được chứng minh. ADN hấp thu tia tử ngoại mạnh nhất ở bước sóng 2537Ǻ, đây chính là bước sóng làm tăng tần số đột biến.
Tác động của tia tử ngoại tạo các dimer thymine
Dưới tác động của tia tử ngoại, cytosin gắn thêm phân tử nước vào liên kết C = C của mạch vòng (hình 3.6) và thymine bị đứt liên kết C = C mạch vòng nối 2 phân tử thành thymine dimer.
Ston và các cộng sự đã nhận thấy tần số đột biến tăng lên ở Staphylococcus aureus khi môi trường nuôi chúng được chiếu tia UV trong thời gian ngắn trước khi cấy vào. Đây là tác động gián tiếp của tia tử ngoại.
Có thể khi hiện diện oxy, tia tử ngoại tạo ra nhiều hơn các gốc peroxit: H* + O2 → HO*2
HO*2 + H* → H2O2
2HO*2 + H* → H2O2 + O2
Các peroxit là những phân tử có phản ứng mạnh, chúng dễ tạo các đột biến.
Hiện tượng quang phục hồi (photoreactivation) là một đặc điểm trong tác động của tia UV. Sau khi chiếu tia tử ngoại lên tế bào, nếu để ngoài ánh sáng, thì các sai hỏng phần lớn được phục hồi. Ánh sáng có tác động hoạt hóa enzym sửa sai, cắt đứt các thymine dimer.
Các tác nhân gây đột biến hóa chất
Ngay từ đầu những năm 1930, Xakharov và Lobashov (Liên Xô) đã tiến hành thử nghiệm gây đột biến bằng hóa chất, nhưng hiệu quả chưa rõ. Vào những năm 40, trong thế chiến thứ hai ở Anh, Auerbach và Robson đã chứng minh hơi ngạt nitơ và sulfua có khả năng gây đột biến ở Drosophila (thời này Đức bắn hơi ngạt sang nước Anh, nên họ phải nghiên cứu tác động sinh học của các chất độc này). Về sau, nhiều nhóm hóa chất gây đột biến đã được tìm ra.
Có nhiều hóa chất gây biến dị di truyền, đến nay tìm ra những hóa chất cho hiệu quả đột biến cao hơn cả phóng xạ.
Các hóa chất gây đột biến có đặc điểm là có thể chỉ gây hiệu quả đột biến đối với một số lượng ít đối tượng.
Ví dụ: Streptomycin chỉ gây đột biến ở tảo đơn bào và một số vi sinh vật, không gây đột biến trên nhiều đối tượng khác.
Các tác nhân gây đột biến hóa học có thể chia thành các nhóm sau:
– Nhóm 1: Các chất ức chế tổng hợp nitơous bazơ trong cấu trúc ADN như coffein, etyl uretan...
Thymine và 5-Bromuracil (dạng keto)
Adenin bắt cặp với 5-Bromuracil và Guanin với 5-Bromuracil
etyl metansulfonat (EMS)
– Nhóm 2: Các chất đồng đẳng với nitơous bazơ như coffein, 5-bromuracil (hình 20.7 và 20.8), các chất gần giống với nitơous bazơ, nên nó làm ADN gắn nhầm khi tổng hợp.
– Nhóm 3: Các chất alkyl hóa làm đứt mạch ADN như etyl metansulfonat (EMS) (hình 20.9), metyl metansulfonat (MMS), etylen imine (EI), nitrosoguanidin (NG),...
– Nhóm 4:Các chất khác như nhóm oxy hóa, khử.
Ngược với sai hỏng sao chép, các tác nhân gây đột biến như nitrous axit và khí ngạt nitơ (nitơ mustard) có thể gây biến đổi trực tiếp trên ADN.
- Nhóm 5: các chất chêm vào ADN
Nhóm các chất gồm proflavin, màu acridin và các chất được gọi là ICR (ICR compound) là những chất có phân tử mặt phẳng tương tự cặp bazơ. Chúng có thể chêm vào phân tử ADN làm thêm hoặc mất bazơ. Chúng thường gây đột biến lệch khung do thêm hay mất bazơ.
Tất cả các tác nhân gây đột biến đều là tác nhân gây ung thư (carcinogen), nhưng các tác nhân gây ung thư không phải đều gây đột biến. Hiện nay nhiều tác nhân gây đột biến được sử dụng trong chọn giống nhằm tăng nguồn biến dị. Bên cạnh đó với nạn ô nhiễm trên thế giới người ta phát hiện nhiều tác nhân đột biến hóa học mới xuất hiện trong môi trường.
Quá trình đột biến, nói chung, có tính thuận nghịch, nghĩa là nếu một gen A đột biến thành a (A –> a) thì, ngược lại alen a cũng có thể đột biến quay lại thành A (a –>A). Thông thường một dạng được gọi là đột biến khi nó mang kiểu hình khác với dạng hoang dại. Ví dụ, ruồi giấm hoang dại được bắt từ thiên nhiên vào phòng thí nghiệm có mắt đỏ. Trong quá trình nuôi xuất hiện dạng đột biến mắt trắng. Đột biến từ mắt đỏ hoang dại sang mắt trắng gọi là thuậnvì từ hoang dại thành đột biến. Hồi biến là trường hợp từ trạng thái đột biến do biến dị di truyền quay trở về kiểu hình hoang dại như đột biến từ mắt trắng trở lại thành mắt đỏ. Hồi biến do đột biến nghịch (back mutation) hoặc do đột biến ức chế hay kìm hãm (supression).
Các đột biến nghịch
Đột biến nghịch có được khi gen đột biến có sự biến đổi quay trở lại có y cấu trúc như gen hoang dại ban đầu. Trường hợp này khó xảy ra và khi lai trở lại với dòng hoang dại thì thế hệ con tất cả đều có kiểu hình hoang dại. Ví dụ:
– Đột biến nghịch: m– –> m+, khi lai với dạng hoang dại cho thế hệ con đều hoang dại
– Đột biến ức chế: m–su+ –> m–su–, khi lai với dạng hoang dại trong thế hệ con sẽ có một ít kiểu hình đột biến.
Đột biến ức chế
Đột biến ức chế (Suppressor mutation) là đột biến có tác động ngược lại hay kìm hãm của một đột biến khác. Các đột biến ức chế có những tính chất sau:
- Đột biến ức chế xảy ra ở điểm khác với đột biến bị ức chế. Khi lai thể hồi biến (revertant) với dạng hoang dại sẽ xuất hiện dạng đột biến bị ức chế do tái tổ hợp làm tách rời không bị kìm hãm bởi đột biến ức chế (hình 20.10).
- Đột biến ức chế có thể xảy ra trong cùng một gen, ngoài gen hoặc ở gen khác.
- Các đột biến ức chế có thể thực hiện tác động bằng nhiều cách khác nhau. Ví dụ, các đột biến ức chế có thể tác động lên sự phiên mã, dịch mã hay những biểu hiện sinh lí khác của tế bào.
Đột biến kìm hãm thường gặp hơn, nó có được do 1 đột biến thứ hai làm cho biểu hiện kiểu hình của đột biến không biểu hiện ra được nên có kiểu hình hoang dại. Đột biến kìm hãm có thể xảy ra ngay trên cấu trúc gen. Ví dụ: đột biến thuận mất một nucleotit, đột biến kìm hãm xảy ra gần chỗ đó thêm vào một nucleotit. Đột biến kìm hãm có thể do sự bổ sung trong chu trình trao đổi chất. Sai hỏng do đột biến thứ hai tạo sản phẩm bù trừ được đột biến thứ nhất.
Vào năm 1962, S.Benzer và Chemp mô tả đột biến được gọi là đột biến amber ở locus rII của phage T4. Chúng có thể trở về kiểu hình hoang dại do đột biến khác (đột biến ức chế) ở bộ gen của tế bào chủ. Các đột biến ức chế được phát hiện ở nhiều gen khác của phage T4 và E.coli. Các nghiên cứu sử dụng hệ thống gen- enzym cho thấy, các đột biến amber dẫn đến sự kết thúc sớm hơn bình thường sự mọc dài của mạch polypeptit và ở trong các tế bào chỉ các đoạn có đầu NH2 của các polypeptit tương ứng được tổng hợp. Nhờ đột biến ức chế, tổng hợp mạch polypeptit được hồi phục.
A.Haren, khi nghiên cứu sự kiểm soát di truyền đối với tổng hợp enzym photphataz kiềm ở E.coli, đã so sánh thành phần các gốc axit amin trên phân tử enzym của dạng hoang dại và ở các thể hồi biến trong gen mã hóa cho enzym. Kết quả trên hình 20.10 cho thấy các ức chế đối với amber liên quan đến một thay thế nucleotit trong codon.
Trên cơ sở các số liệu này đã xác định được codon - amber là UAG. Sau đó, 2 codon chấm dứt khác được tìm ra là ochreUAA và opalUGA.
Các biến dị ức chế được dùng để nghiên cứu sâu hơn về cơ chế dịch mã. Ví dụ, các đột biến ảnh hưởng tới anticodon của tARN, làm thay đổi tính đặc hiệu mã hóa của nó, có thể tạo khả năng ức chế đột biến khác ở mức phiên mã. Các đột biến ức chế đối với codon vô nghĩa (nonsens-suppressor) thường xảy ra trên các tARN, mà anticodon của nó có thể bị biến thành anticodon bổ sung với codon kết thúc do sự thay thế một nucleotit. Các nonsens - suppressor như vậy thường là trội.
Có thể xảy ra các đột biến ức chế đối với các đột biến nhầm nghĩa. Ví dụ, tARNgly của axit amin glycine có anticodon CCC thường bắt cặp với GGG (gly) trên mARN. Sự biến đổi đột biến của anticodon thành CUC dẫn đến chỗ tARNgly đột biến bắt cặp với GAG (glutamic axit). Như vậy, nếu như đột biến thuận ở một gen cấu trúc nào đó biến codon GGG (glycine) thành GAG (glutamic axit) của đột biến nhầm nghĩa (missens mutation), thì sự ức chế đối với đột biến này có thể do đột biến của tARNgly với anticodon CUC sẽ gắn glycine vào chỗ bị đột biến (ở đột biến nhầm nghĩa là glutamic axit).
Các đột biến xảy ra trên tARN có thể là đột biến ức chế đối với các đột biến lệch khung.
Sự ức chế ở mức phiên mã có thể xảy ra do các đột biến trên các gen mã hóa một số protein của riboxom.
