Gen

 Sự phát triển của khái niệm gene

1. Các quan niệm của Mendel và Morgan về gene

Mendel là người đầu tiên đưa ra khái niệm “nhân tố di truyền” năm 1865. Gene  là thuật ngữ được Johansen đưa ra năm 1909. Theo đó, gene là đơn vị di truyền tồn tại ở dạng hạt riêng biệt, xác định một tính trạng cụ thể trong cặp tính trạng tương phản. Đây mới chỉ là sự suy luận thuần tuý, không có cơ sở vật chất đặc thù.

Quan niệm chính xác hơn về cơ sở vật chất và chức năng của gene nảy sinh từ nhiều nghiên cứu độc lập nhau trong suốt 50 năm đầu của thế kỷ XX. Trường phái Morgan sau khi xác định các gene nằm trên nhiễm sắc thể và đề xuất phương pháp lập bản đồ gene bằng tái tổ hợp đã khẳng định rằng các gene là những đơn vị cơ sở và không chia nhỏ của vật chất di truyền về cả cấu trúc lẫn chức năng, chúng liên kết với nhau theo kiểu thẳng hàng trên nhiễm sắc thể.

2. Giả thuyết một gene - một enzyme của Beadle và Tatum

Năm 1902, Archibald Garrod gợi ý rằng rối loạn chuyển hoá alkapton niệu (alcaptonuria) bắt nguồn từ một sai hỏng của một enzyme đặc thù và được di truyền theo kiểu lặn nhiễm sắc thể thường, mà ông gọi là sai sót chuyển hoá bẩm sinh. Đến năm 1941, Beadle và Tatum mới làm sáng tỏ ý tưởng trên bằng các thí nghiệm gây đột biến bằng tia X ở Neurosporora. Để giải thích các tổn thương sinh hoá đặc thù do đột biến, họ đã đề xuất “giả thuyết một gene - một enzyme” nổi tiếng; nó được xem như là mô hình về chức năng của gene, mở đường cho sự ra đời của di truyền sinh hoá. Về sau, quan niệm “một gene - một enzyme” được mở rộng thành “một gene - một protein”, và tiếp tục chính xác hoá bằng mệnh đề “một gene - một polypeptide”.

3. Quan niệm của Benzer về các đơn vị cấu trúc và chức năng di truyền

Các công trình nghiên cứu của Seymour Benzer (từ 1957 - 1961) về tái tổ hợp ở phage T4 đã cho thấy rằng, gene theo quan niệm của Morgan có thể chia nhỏ thành các đơn vị nhỏ hơn. Ông đã đưa ra thuật ngữ muton, recon và cistron để định nghĩa các đơn vị không chia nhỏ tương ứng là đột biến, tái tổ hợp và chức năng. Bằng cách lai các thể đột biến của cùng một gene có nguồn gốc độc lập nhau trong khi cho lây nhiễm phage, đã làm xuất hiện phage kiểu dại. Điều này chỉ có thể xảy ra bởi sự tái tổ hợp bên trong gene (intragenic recombination), nếu như các phần nhỏ riêng biệt của gene đều bị đột biến. Điều này chứng tỏ rằng gene bị phân chia thành các đơn vị nhỏ hơn thông qua tái tổ hợp và đột biến. Tuy nhiên, vì kích thước của muton và recon được coi là tương đương với một cặp nucleotide, cho nên ngày nay tự thân hai đơn vị này không còn giá trị sử dụng nữa.

Thuật ngữ criston của Benzer có nghĩa là đơn vị chức năng di truyền không chia nhỏ. Điều này có thể xác định bằng sự phân tích bổ sung (complementation analysis), trong đó gene mà cụ thể là sản phẩm của nó được trắc nghiệm về khả năng bù đắp cho một đột biến tại một gene tương đồng trong cùng tế bào. Sự bổ sung liên tiếp làm phục hồi kiểu hình dại (hình 15)

Cơ sở của phân tích bổ sung là trắc nghiệm cis-trans (cis-trans test), mà từ đây nảy sinh ra thuật ngữ cistron, trong đó các cặp đột biến bắt nguồn độc lập được xét ở các cấu hình cis (đều) và trans (lệch). Trắc nghiệm cis được dùng làm đối chúng, vì nếu như cả hai đột biến đều có mặt trong một bộ gene thì bộ gene kia phải là kiểu dại ở cả hai locus và sinh ra các sản phẩm gene bình thường, do đó cho ra kiểu hình dại (hình 16^b). Trắc nghiệm trans là phép thử bổ sung và xác định giới hạn của đơn vị chức năng. Nếu như các đột biến nằm trong các gene khác nhau, khi chúng có mặt ở cấu hình trans, mỗi một bộ gene có thể bổ sung sản phẩm mà gene kia không tạo ra được. Khi có đủ tất cả các sản phẩm gene cần thiết thì tế bào là kiểu dại (hình 16^c), nghĩa là có sự bổ sung dương tính (positive complementation). Nếu như cả hai đột biến thuộc cùng một gene, khi chúng có mặt ở cấu hình trans, thì mỗi một bộ gene có thể mang một bản sao đột biến của gene đó và không có sản phẩm hoạt động chức năng được tạo ra trong tế bào, nghĩa là không có sự bổ sung (hình 16^d).

Sự phân tích bổ sung ở vi khuẩn và nấm men bia cũng chỉ ra rằng gene là một cistron, nghĩa là gene được định nghĩa như một đơn vị chức năng. Phương pháp này tỏ ra hữu ích cho việc khẳng định chức năng của gene, xác định số lượng cũng như trật tự hoạt động của các gene trong một con đường chuyển hoá nào đó.

Cistron là một đoạn xác định của DNA (hay bộ gene nói chung) mang thông tin cấu trúc của một polypeptide cụ thể mà giới hạn của nó được xác định bằng trắc nghiệm cis-trans. Kích thước trung bình của một cistron là 1.200 cặp base. Như vậy, cistron chính là gene cấu trúc theo nghĩa hẹp hay gene mã hoá protein.

Một cách tương đối, theo nghĩa rộng, có thể định nghĩa gene là một đoạn xác định của bộ gene mã hoá thông tin của một polypeptide hoặc một phân tử RNA chức năng (như tRNA, rRNA,...). Tuy vậy, định nghĩa này không thể bao gồm đầy đủ chức năng và cấu trúc của gene trong toàn bộ sinh giới, bởi vì sự biểu hiện gene và tổ chức bộ gene ở các Prokaryote và eukaryote là rất khác nhau.

4. Mối quan hệ gene - cistron ở các prokaryote và eukaryote

4.1. Sự tương đương gene - cistron ở các bộ gene đơn giản

Ở các prokaryote và eukaryote bậc thấp thường có một mối quan hệ đơn giản giữa gene và sản phẩm của nó. Trong hầu hết trường hợp có một sự tương ứng một gene - một sản phẩm, sự đồng tuyến tính giữa gene và chuỗi polypeptide của nó đã được Ch.Yanofsky xác nhận năm 1961. Vì vậy, ở các sinh vật này gene và cistron là tương đương: gene là đơn vị  mang thông tin di truyền được biểu hiện trọn vẹn (hình 16).

(a) Ở vi khuẩn, các gene thường được sắp xếp trong một operon và được phiên mã thành một phân tử mRNA đa cistron. (b) Ở eukaryote, các gene tồn tại riêng biệt dưới dạng đơn cistron.

Ở vi khuẩn, các gene đồng nghĩa với vùng mã hoá hay khung đọc mở (open reading frame – ORF), ở các eukaryote nó đồng nghĩa với đơn vị phiên mã (transcription unit). Đó là do các gene vi khuẩn thường được sắp xếp trong một operon, vì thế có nhiều sản phẩm được dịch mã từ một mRNA đa cistron (polycis-tronic mRNA; hình 17a). Trái lại, ở các eukaryote, hầu hết các gene được phiên mã dưới dạng mRNA đơn cistron (monocistronic mRNA; hình 17b).

4.2. Sự không tương đương gene - cistron ở các bộ gene phức tạp

Hình 17. Ảnh hiển vi điện tử và mô phỏng việc sử dụng vật dò mRNA tế bào chất có đánh dấu để phát hiệngene phân đoạn (a và b); mô tả sự tổng hợp pre-mRNA và cắt bỏ các intron để tạo ra mRNA trưởng thành từ một gene phân đoạn có 2 intron

Ở các bộ gene eukaryote bậc cao, thương thường có một mối quan hệ phức tạp giữa gene và sản phẩm của nó (hình 24). Hầu hết các gene của eukaryote bậc cao đều có chứa các intron (intervening sequếnc), tức các đoạn không mã hoá protein, nằm xen giữa các exon (expressed sequences), các đoạn mã hoá protein. Các gene như vậy được gọi là gene phân đoạn (split gene) hay gene đứt quãng (interrupted gene); nó được phát hiện lần đầu tiên bởi Phillip Sharp và năm 1977. Các khám phá về sau này còn cho thấy những sự kiện rắc rối nảy sinh trong các gene phân đoạn này, ở chỗ: thông tin trong gene được sử dụng một cách chọn lọc để sinh ra nhiều sản phẩm khác nhau, gọi là cắt-nối có chọn lọc (alternative splicing) v.v. Các sản phẩm có quan hệ về cấu trúc (ví dụ, calcitonin/CGRP) thường có các chức năng khác nhau. Vì lẽ đó cistron đôi khi được xem là tương đương với exon của gene eukaryote, và gene phân đoạn được xem như là một chuỗi các cistron gối nhau (Twyman 1988). Ngoài ra, có vài trường hợp trong đó cần tới hai gene để sinh ra một sản phẩm mRNA đơn thông qua kiểu cắt - nối chéo (trans-splicing) hoặc biên tập RNA (RNA editing). Chẳng hạn, khám phá mới nhất cho thấy glucose 6-phosphate dehydrogenase là một enzyme có mặt trong các tế bào hồng cầu người; nó bao gồm hai dạng nhỏ/ thứ yếu và lớn/chính yếu (minor and major form); dạng đầu có trình tự các amino acid thuộc gene trên nhiễm sắc thể X; và dạng sau gồm hai peptide được mã hoá từ thông tin của hai nhiễm sắc thể, các amino acid trong giai đoạn 1- 53 được mã hoá trên nhiễm sắc thể số 6 và các amino acid ở giai đoạn tiếp theo 54 - 479 được mã hoá trên nhiễm sắc thể X (theo McClean 1998). Tuy nhiên, nhìn toàn cục thì một khái niệm thống nhất nổi bật là, tất cả các sinh vật từ vi khuẩn E.coli cho đến con người đều có chung hệ thống mật mã di truyền và có chung phương thức “chuyển tải” thông tin trong gene tổng hợp thành protein.

4.3. Các thành phần cấu trúc hay là tổ chức của một gene

            Tổ chức của một gene có thể bao gồm các vùng riêng biệt với các chức năng đặc thù (Bảng 3.1; theo Twyman 1988, có sửa đổi).

Ở bất kỳ locus nào, một vùng DNA được phiên mã có thể gọi là một đơn vị phiên mã (transcription unit). Như đã đề cập, ở prokaryote, một đơn vị phiên mã có thể gồm nhiều gene; trong khi đó ở eukaryote, các đơn vị phiên mã hầu như bao giờ cũng tương đương với một gene đơn.

Bảng 3.1. Các thuật ngữ được dùng để chỉ các phần chức năng của các gene

Thuật ngữ	Định nghĩa
Allel	Một biến thể về trình tự của một gene (hoặc marker di truyền khác, ví dụ: trình tự RFLP, VNTR).
Cistron	Một đơn vị chức năng di truyền, một vùng của DNA mã hoá một sản phẩm đặc thù.
Vùng mã hoá, khung đọc mở (ORF)	Một vùng của DNA được dịch mã thành protein. Ở vi khuẩn, đó là mộ gene. Ở eukaryote, vùng mã hoá có thể bị gián đoạn bởi các intron
Gene phân đoạn	Một gene mã hoá protein gồm các đoạn không mã hoá (intron) nằm xen kẽ giữa các đoạn mã hoá (exon).
Gene	Ở vi khuẩn, một đơn vị chức năng di truyền mã hoá hợac là 1 polypeptide riêng hoặc phân tử RNA. Ở eukaryote, 1 đơn vị phiên mã có thể mã hoá 1 hay nhiều sản phẩm hoặc đóng góp vào 1 sản phẩm.
Locus gene	Vị trí của một gene trên một nhiễm sắc thể, kể cả các yếu tố điều hoà kề bên. Thuật ngữ locus được dùng theo cách riêng để chỉ vị trí của gene-marker bất kỳ, yếu tố điều hoà, khởi điểm tái bản,...
Đơn vị phiên mã, vùng được phiên mã	Một vùng của DNA được phiên mã thành RNA. Ở các eukaryote, đó là một gene. Ở vi khuẩn, nó có thể bao quát nhiều gene.
Vùng không được dịch mã (UTR)	Bất kỳ phần nào của đơn vị phiên mã không được dịch thành protein. Các UTR kề bên một vùng mã hoá hay operon được gọi là các UTR 5’ và 3’
Gene bị phân chia (divided gene)	Một gene được phân đoạn với các exon ở các locus riêng biệt được phiên mã riêng rẽ và khâu nối lại bởi sự cắt nối chéo. Thực ra đó là cách gọi sai vì mỗi locus đúng ra phải được coi như là 1 gene riêng.

Đối với các gene mã hoá protein, rõ ràng là có một sự tách biệt giữa vùng được dịch mã thành chuỗi polypeptide và vùng không được dịch mã. Ở vi khuẩn, vùng được dịch mã là khung đọc mở (ORF), trong đó các gene phân cách nhau bằng đoạn đệm (spacer) được gọi là cá vùng không mã hoá bên trong (internal noncoding region). Các gene nằm ở hai đầu của một operon cũng được kèm bởi một vùng không mã hoá có tên là vùng không dịch mã 5’ (5’ untranslated region = 5’ UTR) hay đoạn dẫn đầu (leader sequences).

Hình 18. Cấu trúc điển hình của một gene của Eukaryote

Về bản chất, chúng là các đoạn điều hoá; chẳng hạn, vùng 5’ UTR kiểm soát sự bám vào của ribosome, còn vùng 3’ UTR thường đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định mRNA. Ở các gene eukaryote, vùng mã hoá cũng được kèm bởi các vùng UTR điều hoà, và cả hai vùng UTR 5’ và 3’ cũng như khung đọc mở có thể bị gián đoạn bởi các đoạn không mã hoá (tức các intron) mà chúng sẽ được cắt bỏ trước khi xuất mRNA trưởng thành ra khỏi nhân. Như thế, bất kỳ đoạn nào mà rốt cuộc bị loại bỏ khỏi pre-RNA thì được gọi là các đoạn đệm được phiên mã (transcribed spacer). Cấu trúc điển hình của các gene mã hoá protein ở prokaryote và eukaryote được chỉ ra tương ứng ở hình 19.