Gene và mã di truyền

Mendel (Mitchell, 1999) “nhân tố di truyền” là một đơn vị di truyền tách biệt ảnh hưởng một tính trạng.

Khái niệm “gene” được Wilhelm Johannsen đề ra lần đầu tiên vào năm 1909 nhưng ông chỉ mới quan niệm một cách sơ lược rằng đây là những “mầm mống đặc biệt, di truyền tách biệt nhiều tính trạng của cơ thể”.

Morgan (Mitchell, 1999): “gene” (locus) là đơn vị di truyền không thể chia nhỏ nằm trên nhiễm sắc thể. Khái niệm này bao hàm:

Gene là đơn vị chức năng: Các phần của gene nếu như tồn tại thì không thể hoạt động chức năng. Đột biến của một gen sẽ ảnh hưởng đến một chức năng di truyền.

Gene là đơn vị tái tổ hợp: Sự trao đổi chéo chỉ có thể diễn ra giữa các gene, không thể xảy ra ở trong gene.

Gene là đơn vị đột biến: Gene sẽ bị biến đổi như một tổng thể hoàn chỉnh trước các tác nhân đột biến đủ liều lượng.

Benzer (Hoàng, 1995) nghiên cứu phage T4 kí sinh trên E.coli thấy rằng trao đổi chéo và đột biến có thể xảy ra ngay trong một gen và trên gen có thể có hơn một vị trí trao đổi chéo và đột biến xảy ra. Như vậy mỗi gen có nhiều đơn vị tái tổ hợp (recon-từ recombination) và đột biến (muton- có gốc từ mutant). Một đoạn phân tử DNA xác định cấu trúc của một chuỗi polypeptide được gọi là gen cấu trúc hay citron (gốc từ cis- trans), trung bình có từ 500-1000 cặp nucleotide, trong chứa các muton và recon.

Thập niên 1940, thuyết “một gen - một enzyme” của George Beadle và Edward Tatum chứng minh: gen kiểm tra các phản ứng sinh hóa. Học thuyết trên đã chứng tỏ rằng gen chi phối cấu trúc protein. Sau đó, người ta biết rằng có những protein gồm nhiều chuỗi polypeptide do nhiều gen quy định (ví dụ như hemoglobin) nên thuyết này được chỉnh lại là “1 gen – 1 polypeptide”.

Thập niên 1950, mô hình cấu trúc ADN do James Watson và Francis Crick đề xuất và “Học thuyết trung tâm” ra đời. Gen được hiểu là một đoạn ADN trên nhiễm sắc thể mã hóa cho một polypeptide hay một ARN.

Cuối những năm 1970, người ta phát hiện thấy ở eukaryote có những đoạn ADN không mã hóa cho các acid amin trên phân tử protein. Trong khi toàn bộ DNA prokaryote đều mang thông tin mã hóa cho các protein, thì ở eukaryote, phân tử DNA bao gồm các trình tự mã hóa gọi là các exon xen kẽ với các trình tự không mã hóa gọi là intron. Một phân tử mRNA vừa mới được phiên mã từ một gen cấu trúc thì chưa có hoạt tính; phân tử này phải trải qua một quá trình ghép nối, loại bỏ các intron để trở thành phân tử mRNA trưởng thành có khả năng tham gia dịch mã. Khái niệm gen được chỉnh lý như sau: “Gen là một đoạn ADN đảm bảo cho việc tạo ra một polypeptide, nó bao gồm cả vùng trước, vùng sau và vùng mã hóa cho protein, cả những đoạn mã hóa (exon) lẫn những đoạn không mã hóa (intron) của eukaryote”.

(a)

(b)

Cấu trúc của một gene mã hóa cho một polypeptide

Như vậy hiện nay, có thể định nghĩa tổng quát về gen như sau:

“Gen là đơn vị chức năng cơ sở của bộ máy di truyền, chiếm một locus nhất định trên nhiễm sắc thể. Gen là những đoạn vật chất di truyền mã hóa cho một đại phân tử sinh học như ARN hoặc polypeptide”.

Như đã biết, có mối liên hệ giữa DNA, RNA và protein. DNA và RNA cấu tạo từ 4 loại nucleotide trong khi protein được hình thành từ 20 loại amino acid. Như vậy, sự tổ hợp của 4 loại nucleotide sẽ mã hóa cho 20 loại amino acid. Nếu tế bào sử dụng 2 nucleotide mã hóa cho 1 amino acid thì 4 loại nucleotide chỉ tạo được 4² = 16 amino acid không đủ cho nhu cầu thực tế. Như vậy, đơn vị mã hóa cho một amino acid hay còn gọi là codon phải từ 3 nucleotide trở lên.

Những nghiên cứu trong thập 60 đã chứng minh được rằng tổ hợp 3 nucleotide có thể mã hóa cho một amino acid và xác định các codon mã hóa cho từng loại amino acid. Như vậy 4 loại nucleotide hình thành 4³ = 64 codon trong đó có 3 codon không mã hóa cho bất kỳ amino acid nào, đó là các codon kết thúc UAA, UGA, UAG và một codon mở đầu AUG mã hóa cho methionin.

Bảng mã di truyền (mRNA)

Mã di truyền là mã bộ ba (triplet), không gối lên nhau (non-overlapping) và được đọc một cách liên tục, không ngắt quãng (comma-less).

Mã di truyền có tính thoái hóa (degenerate) nghĩa là nhiều codon cùng xác định một acid amin, trừ hai ngoại lệ: AUG mã hóa cho Met và UGG mã hóa cho Trp.

Mã di truyền có tính phổ biến (universal), nghĩa là thống nhất cho hầu như toàn bộ sinh giới. Tuy nhiên, từ năm 1980 người ta phát hiện thấy ty thể của một số loài eukaryote và một số sinh vật đơn bào có sự biến đổi ý nghĩa của một số mã di truyền.