Trao đổi chéo và lập bản đồ di truyền

 1. Tần số tái tổ hợp

Sự trao đổi chéo là một quá trình trao đổi giữa các nhiễm sắc thể trong giảm phân (kết hợp với sự hình thành giao tử một cách bình thường) cho ra các tổ hợp mang tính trạng mới, gọi là các biến dị tổ hợp. Tần số tái tổ hợp (frequency of recombination or rate of recombination), còn được gọi là trị số trao đổi chéo (cross over value), ký hiệu là r, được tính bằng tỷ lệ phần trăm của các thể tái tổ hợp sinh ra trong một phép lai phân tích, theo công thức sau:

Trong đó: n - số lượng các cá thể tái tổ hợp được sinh ra, và m - tổng số cá thể của đời con của phép lai phân tích; và r - tần số tái tổ hợp (thường gọi là hoán vị gene), là một số hữu tỷ thỏa mãn miền giới hạn [0; 0,5], có thể biểu diễn bằng số thập phân hoặc phần trăm.

Ở các sinh vật mà chỉ số trao đổi chéo đã được nghiên cứu rộng rãi, chẳng hạn như ngô và ruồi giấm, tỷ lệ của các cá thể tái tổ hợp sinh ra trong một phép lai cụ thể khá ổn định. Tuy nhiên, các tỷ lệ này là khác nhau đối với các gene khác nhau trên cùng một nhiễm sắc thể. Điều này được giải thích dựa trên cơ sở rằng mỗi một gene có một vị trí cố định (locus) trên một nhiễm sắc thể cụ thể, và rằng sự trao đổi chéo có thể xảy ra giữa các gene nằm xa nhau. Với ví dụ và hai gene b và v ở ruồi giấm nói trên, ta có thể nói rằng các locus này nằm khá gần nhau, bởi vì có rất ít các thể tái tổ hợp được tạo ra. Áp dụng công thức tính tần số tái tổ hợp ở trên ta tính được: . Từ đây suy ra tỷ lệ kỳ vọng của các loại giao tử tái tổ hợp và không tái tổ hợp (dạng bố mẹ):

Giao tử kiểu tái tổ hợp Bvg = bVg =17%: 2 = 8,5%

Giao tử kiểu bố mẹ      BVg = bvg = (100% - 17%): 2 = 41,5%

Một cách tổng quát, dựa theo tần số tái tổ hợp (r), ta có thể biểu diễn tỷ lệ của các loại giao tử tái tổ hợp và không tái tổ hợp đối với hai kiểu gene dị hợp tử đều (AB/ab) và dị hợp tử chéo (Ab/aB) ở bảng 3.5.

Bảng 3.2. Tỷ lệ của các loại giao tử

Giao tử	Kiểu gene bố mẹ
	AB/ab	Ab/aB
AB	1/2 (1-r)	1/2 r
ab	1/2 (1-r)	1/2 r
Ab	½ r	1/2 (1-r)
aB	½ r	1/2 (1-r)
Tổng	1	1

Mối quan hệ giữa hai gene không allele trong quá trình giảm phân tạo giao tử, có thể kiểm tra bằng phương pháp kinh điển được áp dụng trong nghiên cứu di truyền học là lai phân tích. Ngoài ra, cũng có thể sử dụng các phương pháp khác (tự thụ phấn hoặc tạp giao) nhưng ít sử dụng.

Đối với hai gene ở trạng thái dị hợp tử kép quy định hai cặp tính trạng tương phản khác nhau, trong một phép lai phân tích:

- Nếu như hai gene nằm trên hai nhiễm sắc thể khác nhau, sẽ có bốn kiểu giao tử (hay kiểu hình) được tạo thành với tỷ lệ ngang nhau.

-  Nếu như hai gene liên kết hoàn toàn trên một nhiễm sắc thể, chỉ có thể tạo ra hai loại giao tử (hay kiểu hình) với tỷ lệ ngang nhau (r = 0);

-  Nếu như hai gene liên kết không hoàn toàn trên một nhiễm sắc thể, có thể tạo ra bốn loại giao tử (hay kiểu hình) thuộc hai nhóm, trong đó các kiểu giao tử tái tổ hợp mỗi kiểu chiếm tỷ lệ bằng r/2, và các kiểu giao tử bố mẹ mỗi kiểu chiếm tỷ lệ bằng (1 - r)/2;

-  Tần số tái tổ hợp (r) biến thiên trong khoảng 0 → 0,5 thông thường r thấp hơn 50%, phụ thuộc vào khoảng cách vật lý giữa hai gene trên nhiễm sắc thể. Trong các trường hợp cực đoan, trị số r có thể bằng zero (r = 0), nếu như hai gene liên kết hoàn toàn r = 0,5 (50%), khi đó tất cả các tế bào sinh giao tử trải qua giảm phân đều xảy ra trao đổi chéo giữa hai gene được xét đến. Khi đó tỷ lệ các giao tử (hay tỷ lệ phân ly kiểu hình) trùng với trường hợp các gene phân ly độc lập. (ít bắt gặp)

2. Bản đồ di truyền

Việc thiết lập bản đồ gene của các nhiễm sắc thể lần đầu tiên được áp dụng ở ruồi giấm Drosophila, được đề xuất vào năm 1913 bởi Alfred Sturtevant. Theo ông, có thể dựa vào các tần số tái tổ hợp của các gene thu được trong các phép lai phân tích để mô tả mối quan hệ vật lý của các gene trên một nhiễm sắc thể theo trật tự tuyến tính, gọi là bản đồ liên kết hay bản đồ di truyền (genetic map), Khoảng cách bản đồ (map distance) giữa hai gene, ví dụ b và vg là 17%, được coi là cách nhau 17 đơn vị bản đồ (map unit); viết tắt là: m.u); hay nói cách khác, một đơn vị bản đồ là 1% tái tổ hợp. Các nghiên cứu về sau cho thấy rằng khoảng cách di truyền được đo bằng phương pháp thống kê (tức tỷ lệ phần trăm tái tổ hợp, do Morgan và Sturtevant đề xuất) nói chung là giống với các khoảng cách trên nhiễm sắc thể đo được về mặt tế bào học hay hóa sinh học.

Nguyên tắc chung của việc xây dựng bản đồ nhiễm sắc thể ở một loài nào đó, theo Morgan và các đồng sự của ông, có thể tóm tắt:

(1) Xác lập số nhóm liên kết (số nhiễm sắc thể đơn bội) của loài. Điều này có thể tiến hành bằng cách thực hiện hàng loạt các phép lai có thể được để xác định các mối quan hệ (độc lập và liên kết) trong số hàng loạt gene, kết hợp với các nghiên cứu tế bào học (đếm số lượng nhiễm sắc thể).

(2) Xác định thành phần gene của mỗi một nhóm liên kết (dựa vào các kết quả lai khác nhau).

(3) Xác định vị trí, trật tự và khoảng cách giữa các gene trên mỗi nhóm liên kết. Nguyên tắc chung là, giữa các gene liên kết có tần số tái tổ hợp càng thấp chừng nào chứng tỏ chúng nằm càng gần nhau chừng ấy; theo chuỗi suy luận đó ta có thể biết được vị trí của một gene khởi đầu và các gene kế tiếp theo chiều dọc trên một nhiễm sắc thể, và đặt gene khởi đầu nằm ở đầu mút của vai ngắn ứng với vị trí 0; sau đó dùng phương pháp cộng dồn để biểu diễn vị trí và khoảng cách trên bản đồ của các gene kế tiếp so với gene đầu mút này. Khi đó ta có được bản đồ của một nhóm liên kết. Ta có thể hình dung nó như một đoạn thẳng nằm ngang có nhiều vạch chỉ ra trật tự thẳng hàng của các gene, mỗi vạch ứng với một locus-gene cụ thể (phía trên vạch là ký hiệu và có thể cả tên đầy đủ của thể đột biến gene đó và phía dưới vạch là vị trí trên bản đồ của gene so với gene khởi đầu, được ghi bằng một con số cụ thể). Nếu ta dựng đứng bản đồ lên, theo nguyên tắc, ký hiệu các gene sẽ nằm về phía bên phải và khoảng cách bản đồ của các gene nằm phía bên trái.

Ở đây, có một số điểm cần lưu ý:

- Độ chính xác của bất kỳ bản đồ liên kết nào được thiết lập trước đây đều có thể thay đổi và ngày càng chính xác hơn; đó là do các phát hiện bổ sung những gene mới nằm trung gian giữa các gene đã được định vị cùng với các tần số tái tổ hợp của chúng;

-  Riêng ruồi giấm, nhiễm sắc thể X được Morgan gán cho số I, kế đến là các số II, III và IV tương ứng với sự nhỏ dần về kích thước. Ngày nay, mặc dù hệ thống đánh số nhiễm sắc thể có thay đổi, song đối với ruồi giấm vẫn giữ nguyên để ghi ơn đối với Morgan - người sáng lập thuyết di truyền nhiễm sắc thể.

- Morgan đã cải tiến cách lập bản đồ vốn cồng kềnh phức tạp nói trên bằng phương pháp lai phân tích ba điểm như sẽ thảo luận dưới đây).

Bảng 3.3. Tần số tái tổ hợp của năm cặp gene liên kết - X

Các gen	Tần số tái tổ hợp
Thân vàng (y) - mắt trắng (w)	214/21.736 = 0,010
Thân vàng (y) - mắt đỏ tươi (v)	1.464/4.551 = 0,322
mắt trắng (w) - mắt đỏ tươi (v)	471/1.584 = 0,297
mắt đỏ tươi (v) - cánh bé (m)	17/573 = 0,030
mắt trắng (w) - cánh bé (m)	2.062/6.116 = 0,337
mắt trắng (w) - cánh không phát triển (r)	406/898 = 0,452
mắt đỏ tươi (v) - cánh không phát triển (r)	109/405 = 0,269

 

Chẳng hạn, bằng cách sử dụng số liệu ở bảng 3.3, Sturtevant đã xác định các mối quan hệ vật lý của năm gene này và gợi ý rằng chúng sắp xếp theo một đường thẳng. Cách làm như sau: (1) Hai gene y và w có tần số nhỏ nhất (r_y-w = 1) nên nằm gần nhau. (2) vì r_w-v = 29,7% < r_y-v = 32,2% Þ trật tự ba gene này phải là y-w-v. (3) Gene gần nhất với v là m (r_v-m = 3%), mà r_w-m » r_w-v + r_v-m Þ m phải nằm bên phải v. (4) r_v-r = 26,9% < r_w-r = 45,2% Þ r phải nằm bên phải v và m. Vậy, trật tự của năm gene liên kết 0,0 về phía bên trái và sử dụng các tần số tái tổ hợp giữa các gene kề nhau để biểu thị vị trí của chúng trên bản đồ tương ứng với từng con số cụ thể. Theo đó, w ở vị trí là 1,0, v ở vị trí 30,7 (= 1,0 + 29,7), m ở vị trí 33,7 (= 30,7 + 3,0), và r ở vị trí 57,6 (= 30,7 + 26,9). So với bản đồ hiện nay, vị trí năm gene trên bản đồ của Sturvant có hơi khác một chút bởi vì có nhiều gene trung gian được phát hiện bổ sung.

Dưới đây cho thấy bản đồ của nhiễm sắc thể số 2 ở ruồi giấm và nhiễm sắc thể số 9 ở ngô với những gene chính yếu. Chẳng hạn NST của ruồi giấm, nhiễm sắc thể số 2 của ruồi giấm chỉ ra vị trí của sau gene; phía trên là các kiểu hình đột biến, và phía dưới là các kiểu hình bình thường. Từ trái sang: Vị trí 0 - gene al (aristaless antenna) chỉ đột biến râu ngắn đối với râu dài bình thường; vị trí 13 - gene dp (dumpy wings) chỉ đột biến cánh xén với cánh dài; vị trí 31 - gene d (dachs) chỉ đột biến chân ngắn với chân dài), vị trí 54,5 - gene pr (purple eyes) chỉ đột biến mắt đỏ tía với mắt đỏ), vị trí 67,0 - gene vg (vestigial) chỉ đột biến cánh ngắn với cánh dài), vị trí 104 - gene bw (brown eyes) chỉ đột biến mắt nâu với mắt đỏ).

Cần lưu ý rằng, ngày nay, sau khi định vị bản đồ gene xác định bảy tính trạng mà Mendel đã nghiên cứu ở đậu Hà Lan, người ta không khỏi ngạc nhiên tại sao Mendel lại không quan sát hiện tượng liên kết trong các phép lai hai tính của mình. Mặc dù Mendel chọn ra bảy tính trạng và có bảy nhiễm sắc thể ở đậu Hà Lan (2n = 24), hai trong số các tính trạng ông nghiên cứu được xác định bởi các gene trên nhiễm sắc thể số 4 (bảng 3.4)

 

Bảng 3.4 Các vị trí nhiễm sắc thể đối với bảy tính trạng ở đậu Hà Lan

Tính trạng	Kiểu hình	Allele	Nhiễm sắc thể
Dạng hạt	tròn-nhăn	R-r	7
Màu sắc hạt	vàng-xanh	I-i	1
Màu sắc quả	xanh-vàng	Gp-gp	5
Kết cấu quả	trơn-nhăn	V-v	4
Màu sắc hoa	tím-trắng	A-a	1
Vị trí hoa	trục-đỉnh	Fa-fa	4
Chiều cao cây	cao-thấp	Le-le	4

Thực ra, Mendel chỉ chọn nghiên cứu một vài tính trạng.