Bài học

Luyện bài tập đột biến và hệ quả

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được các dạng đột biến gene và đột biến nhiễm sắc thể, so sánh hệ quả của từng dạng lên protein và tính trạng, và giải thích được nguyên nhân phát sinh đột biến.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này gom lại Khóa 5 (các dạng đột biến gene và nhiễm sắc thể) và một phần Khóa 4 (protein quyết định tính trạng như thế nào) — same-grade bridge — để luyện việc GIẢI THÍCH hệ quả, không chỉ gọi tên dạng đột biến. Đề thi hiếm khi hỏi "đây là đột biến gì" một cách trần trụi; đề thường mô tả một tình huống rồi bắt em suy ra dạng đột biến VÀ hậu quả của nó.

Khởi động

Thay một chữ cái trong một câu đôi khi không đổi nghĩa câu, nhưng thêm hoặc bớt một chữ cái làm cả câu phía sau đọc sai be bét, dù mỗi chữ cái vẫn còn nguyên. Đột biến gene hoạt động theo đúng nguyên lí đó — vì sao hai kiểu thay đổi lại gây hậu quả khác nhau đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Đột biến gene gồm ba dạng: mất một cặp nucleotide, thêm một cặp nucleotide, và thay thế một cặp nucleotide. Mất hoặc thêm một cặp làm dịch khung đọc (frameshift) kể từ vị trí đó trở đi — toàn bộ các bộ ba phía sau bị nhóm lại sai, nên hậu quả thường rất nghiêm trọng. Thay thế một cặp chỉ làm sai đúng MỘT bộ ba tại vị trí đó, các bộ ba còn lại giữ nguyên — hậu quả nhẹ hơn hẳn, có thể không đổi chức năng protein, có thể đổi một amino acid, tùy vị trí và tính chất amino acid bị thay.

Vì sao một thay đổi nhỏ ở gene lại ảnh hưởng đến cả cơ thể? Vì protein quyết định tính trạng — làm enzyme xúc tác phản ứng, làm thành phần cấu trúc, làm sắc tố, làm thụ thể nhận tín hiệu. Sai một amino acid có thể làm protein gấp sai hình dạng không gian, mất đúng chức năng đang giữ, và hậu quả đó biểu hiện ra thành một tính trạng bất thường ở kiểu hình.

Đột biến nhiễm sắc thể chia hai nhóm. Đột biến cấu trúc thay đổi hình dạng một nhiễm sắc thể: mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn, chuyển đoạn — đều làm thay đổi số lượng hoặc vị trí gene trên nhiễm sắc thể đó. Đột biến số lượng thay đổi SỐ nhiễm sắc thể: thể dị bội (thừa hoặc thiếu một vài nhiễm sắc thể, thường do một cặp không phân li trong giảm phân, ví dụ hội chứng Down thừa một nhiễm sắc thể số 21) và thể đa bội (thừa nguyên cả bộ nhiễm sắc thể, gây chết ở hầu hết động vật nhưng lại có giá trị trong chọn giống cây trồng vì thường cho quả to hơn).

Về nguyên nhân: đột biến phát sinh tự phát trong quá trình nhân đôi DNA, hoặc do tác nhân từ bên ngoài như tia phóng xạ, một số hoá chất, và một số virus. Phần lớn đột biến có hại hoặc trung tính cho cá thể mang nó, nhưng đột biến vẫn là nguồn nguyên liệu SƠ CẤP duy nhất tạo ra allele mới cho toàn bộ sinh giới — không có đột biến, sẽ không có biến dị di truyền mới để tiến hoá tác động lên.

Ba nhóm khác nhau về QUY MÔ thay đổi: một vài nucleotide, một đoạn nhiễm sắc thể, hay cả bộ nhiễm sắc thể.

Ví dụ

So sánh hậu quả của đột biến thay thế và đột biến mất một cặp nucleotide

1
Một đoạn gene X gồm 30 cặp nucleotide, tương ứng 10 bộ ba liên tiếp, đánh số bộ ba 1 đến 10 (bộ ba 1 ứng với nucleotide vị trí 1–3, bộ ba 2 ứng với vị trí 4–6, và cứ thế). So sánh số bộ ba bị thay đổi thành phần nếu đột biến THAY THẾ xảy ra tại nucleotide vị trí 15, với trường hợp đột biến MẤT nucleotide cũng tại vị trí 15.
2
Nucleotide vị trí 15 thuộc bộ ba số 5 (vị trí 13–15, vì $13 = 3\times4+1$ và $15=3\times 5$ ). (1)
Nucleotide vị trí 15 thuộc bộ ba số 5 (vị trí 13–15, vì $13 = 3\times4+1$ và $15=3\times 5$). (1)
3
Từ (1), đột biến thay thế chỉ đổi thành phần của đúng bộ ba số 5 — chín bộ ba còn lại (1 đến 4 và 6 đến 10) hoàn toàn không đổi, vì thay thế không làm lệch vị trí các nucleotide phía sau.
4
Từ (1), khi mất nucleotide vị trí 15, mọi nucleotide từ vị trí 16 trở đi đều dịch lên một vị trí để lấp chỗ trống. Bộ ba số 5 đổi thành phần ngay tại chỗ mất, và từ bộ ba số 6 trở đi, mỗi bộ ba đều gồm những nucleotide bị dịch chuyển — tức bộ ba 5 đến 10, tổng cộng sáu bộ ba, đều bị đọc sai.
5
Vậy đột biến thay thế chỉ làm sai 1 trong 10 bộ ba, trong khi đột biến mất một nucleotide tại CÙNG vị trí làm sai tới 6 trong 10 bộ ba — đúng lí do đột biến dịch khung thường gây hậu quả nghiêm trọng hơn hẳn đột biến thay thế.

Ví dụ

Vì sao chỉ đổi một amino acid có thể gây bệnh nghiêm trọng (dạng đề thi)

1
Ở người, bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm là hậu quả của đột biến thay thế MỘT cặp nucleotide trong gene quy định chuỗi β-hemoglobin, làm thay đổi đúng MỘT amino acid trong chuỗi protein này (glutamic acid đổi thành valine, ở vị trí thứ 6 trong chuỗi hàng trăm amino acid). Giải thích vì sao chỉ đổi một amino acid trong cả chuỗi dài lại có thể gây bệnh nghiêm trọng, trong khi có những đột biến thay thế khác lại không hề biểu hiện ra kiểu hình.
Ở người, bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm là hậu quả của đột biến thay thế MỘT cặp nucleotide trong gene quy định chuỗi β-hemoglobin, làm thay đổi đúng MỘT amino acid trong chuỗi protein này (glutamic acid đổi thành valine, ở vị trí thứ 6 trong chuỗi hàng trăm amino acid). Giải thích vì sao chỉ đổi một amino acid trong cả chuỗi dài lại có thể gây bệnh nghiêm trọng, trong khi có những đột biến thay thế khác lại không hề biểu hiện ra kiểu hình.
2
Cả hai trường hợp đều là đột biến thay thế một cặp nucleotide, nên đều chỉ đổi đúng một bộ ba, tức nhiều nhất một amino acid trong chuỗi protein — về mặt SỐ LƯỢNG thay đổi, hai trường hợp giống hệt nhau. (1)
3
Từ (1), nếu vị trí amino acid bị thay đổi không nằm ở vùng quyết định hình dạng không gian hay hoạt động của protein, protein vẫn gấp đúng cấu trúc và giữ nguyên chức năng — đột biến khi đó không biểu hiện ra kiểu hình khác biệt.
4
Ngược lại, vị trí thứ 6 của chuỗi β-hemoglobin nằm ở bề mặt phân tử; đổi từ glutamic acid (ưa nước) sang valine (kị nước) tại đúng vị trí này làm các phân tử hemoglobin có xu hướng dính kết thành chuỗi dài trong điều kiện thiếu oxygen, khiến hồng cầu biến dạng thành hình liềm thay vì hình đĩa lõm hai mặt bình thường.
5
Vậy hậu quả của một đột biến thay thế phụ thuộc vào VỊ TRÍ và TÍNH CHẤT của amino acid bị thay, không chỉ vào việc có xảy ra thay đổi amino acid hay không — đây là điểm mấu chốt phân biệt đột biến câm với đột biến gây bệnh nghiêm trọng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất là cho rằng MỌI đột biến gene đều làm đổi amino acid và gây hại — thực ra một đột biến thay thế có thể không đổi kiểu hình chút nào, tùy vị trí. Sai lầm khác là nhầm lẫn quy mô đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể (một đoạn) với đột biến số lượng (cả một hay nhiều nhiễm sắc thể) — hai nhóm này khác nhau về đơn vị thay đổi, không phải mức độ nặng nhẹ của cùng một hiện tượng.

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ghi nhớ trục so sánh: mất/thêm một cặp nucleotide dịch khung, thường nghiêm trọng; thay thế chỉ đổi đúng một bộ ba, hậu quả tùy vị trí. Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể đổi hình dạng MỘT nhiễm sắc thể (mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn, chuyển đoạn); đột biến số lượng đổi SỐ nhiễm sắc thể (dị bội, đa bội). Dù phần lớn có hại, đột biến vẫn là nguồn biến dị duy nhất cho tiến hoá.

Bài tiếp theo chuyển sang một ứng dụng cụ thể của di truyền học ở người: đọc phả hệ, tính nguy cơ mắc bệnh di truyền, và các ứng dụng chọn giống dựa trên chính những cơ chế di truyền và biến dị em vừa ôn.