Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Các dạng đột biến gene và hậu quả
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em phân biệt được ba hậu quả của đột biến thay thế một cặp nucleotide — câm, nhầm nghĩa, vô nghĩa — bằng cách tra bảng mã di truyền, giải thích được vì sao đột biến mất hoặc thêm một cặp nucleotide gây dịch khung đọc, và so sánh được mức độ ảnh hưởng của hai kiểu đột biến này trên cùng một gene.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở Khoa học tự nhiên lớp 9, em đã biết gene là một đoạn DNA mang thông tin quy định một tính trạng, và DNA được cấu tạo từ bốn loại nucleotide A, T, G, C (prior-grade review). Bài đó dừng lại ở mức khái niệm. Sang lớp 12, các bài đầu khoá về mã di truyền và tái bản DNA đã cho em công cụ để đọc chính xác một gene: mã di truyền đọc liên tục theo từng bộ ba (codon) không gối nhau, và mỗi bộ ba mRNA ứng với một amino acid hoặc một tín hiệu kết thúc (same-grade bridge). Bài này dùng đúng công cụ đó để trả lời câu hỏi: khi một gene bị biến đổi, hậu quả lên protein cụ thể là gì.
Khởi động
Hai đột biến điểm cùng chỉ đổi đúng một nucleotide trong gene. Đột biến thứ nhất khiến protein mất chức năng hoàn toàn; đột biến thứ hai không làm protein thay đổi một chút nào. Cùng đổi một nucleotide, vì sao hậu quả lại khác xa nhau đến vậy?
Kiến thức trọng tâm
Đột biến gene là những biến đổi trong cấu trúc của gene, thường chỉ liên quan đến một cặp nucleotide — khi đó gọi là đột biến điểm — hoặc một số cặp nucleotide. Ba dạng cơ bản là: thay thế một cặp nucleotide bằng một cặp khác, mất hẳn một cặp nucleotide, và thêm một cặp nucleotide mới vào gene. Ba dạng nghe giống nhau ở mức mô tả, nhưng gây hậu quả rất khác nhau lên chuỗi polypeptide, vì mã di truyền đọc theo từng bộ ba ba nucleotide một, không có dấu ngăn cách giữa các bộ ba.
Đột biến thay thế chỉ đổi đúng một bộ ba tại vị trí xảy ra đột biến, các bộ ba còn lại giữ nguyên. Do mã di truyền có tính thoái hoá — nhiều bộ ba khác nhau cùng mã hoá một loại amino acid — nên bộ ba mới sau khi thay thế có đúng ba khả năng. Nếu bộ ba mới vẫn mã hoá cùng loại amino acid như bộ ba cũ, chuỗi polypeptide không đổi một chút nào: gọi là đột biến câm, hay đột biến đồng nghĩa. Nếu bộ ba mới mã hoá một amino acid khác, chuỗi polypeptide đổi đúng một amino acid tại vị trí đó — đột biến nhầm nghĩa; mức ảnh hưởng của nó phụ thuộc amino acid mới có tính chất gần giống hay khác hẳn amino acid cũ, và vị trí đó có quan trọng với chức năng protein hay không. Nếu bộ ba mới trở thành một trong ba bộ ba kết thúc, chuỗi polypeptide bị cắt ngắn ngay tại đó — đột biến vô nghĩa, thường làm mất chức năng vì phần protein còn lại thiếu hẳn phía sau.
Đột biến mất hoặc thêm một cặp nucleotide đi theo một cơ chế khác hẳn, gọi là dịch khung đọc. Vì ribosome đọc liên tục từng cụm ba nucleotide kể từ điểm bắt đầu, một khi bớt đi hoặc dư ra đúng một nucleotide, toàn bộ cách chia cụm ba từ vị trí đột biến trở về sau đều lệch đi, kéo theo gần như toàn bộ trình tự amino acid phía sau bị đọc sai — kể cả bộ ba kết thúc gốc cũng thường bị xoá mất hoặc dịch chuyển. Đây là lý do đột biến mất hoặc thêm, xét trên nguyên tắc, thường gây hậu quả nặng hơn đột biến thay thế: một đột biến thay thế chỉ hỏng đúng một bộ ba, còn một đột biến dịch khung làm hỏng cả một đoạn dài phía sau nó.
Đột biến gene không xuất hiện tức thời — nó cần qua thêm một lần tái bản nữa để cặp nucleotide sai được cố định trên cả hai mạch.
Ví dụ
Tra bảng mã di truyền để xác định dạng đột biến thay thế
1
Một gene có mạch mã hoá (mạch bổ sung với mạch khuôn, giống mRNA trừ T thay bằng U): 5'-ATG AAA TTC GGT TAA-3'. Đột biến thay thế base thứ 6 (base cuối của bộ ba thứ hai) từ A thành G. Xác định dạng đột biến.
2
mRNA gốc: AUG-AAA-UUC-GGU-UAA. Tra bảng mã di truyền: AUG mã hoá Met (mở đầu), AAA mã hoá Lys, UUC mã hoá Phe, GGU mã hoá Gly, UAA là bộ ba kết thúc. Chuỗi polypeptide gốc gồm 4 amino acid: Met - Lys - Phe - Gly.
3
Base thứ 6 trên mạch mã hoá đổi A → G, nên base thứ 6 trên mRNA cũng đổi A → G. Bộ ba thứ hai AAA trở thành AAG.
4
Tra bảng mã di truyền: AAG cũng mã hoá Lys, giống hệt AAA — đây chính là tính thoái hoá của mã di truyền, nhiều bộ ba cùng mã hoá một amino acid. Chuỗi polypeptide mới vẫn là Met - Lys - Phe - Gly, không đổi.
5
Vậy đây là đột biến câm (đồng nghĩa): bộ ba thay đổi nhưng amino acid do nó mã hoá không đổi, nên chuỗi polypeptide giữ nguyên.
Xếp đúng một hệ quả vào dạng đột biến của nó là kỹ năng đề thi thường kiểm tra nhất ở bài này.
Ví dụ
So sánh đột biến thay thế và đột biến mất một cặp nucleotide tại cùng một vị trí (dạng đề thi)
1
Xét gene có mạch mã hoá 5'-ATG AAA TTC GGT TAA-3'. Tại vị trí nucleotide thứ 4 (base đầu tiên của bộ ba thứ hai), người ta tạo hai đột biến độc lập trên hai gene khác nhau: (a) thay thế base này bằng T; (b) làm mất hẳn base này. Xác định chuỗi polypeptide trong mỗi trường hợp và so sánh mức độ ảnh hưởng.
2
mRNA gốc: AUG-AAA-UUC-GGU-UAA, dịch thành Met - Lys - Phe - Gly, kết thúc đúng vị trí sau bộ ba thứ tư.
3
Base thứ 4 trên mạch mã hoá đổi A → T, nên base thứ 4 trên mRNA đổi A → U. Bộ ba thứ hai AAA trở thành UAA. Tra bảng: UAA là bộ ba kết thúc. Chuỗi polypeptide chỉ còn Met rồi dừng ngay — mất 3 amino acid Lys, Phe, Gly so với bản gốc. Đây là đột biến vô nghĩa.
4
Xoá base thứ 4 (A) khỏi mRNA, các base phía sau dồn lên một vị trí: mRNA mới là AUG-AAU-UCG-GUU-AA. Đọc lại theo bộ ba: AUG (Met, không đổi vì đứng trước điểm đột biến), AAU (Asn), UCG (Ser), GUU (Val), còn dư đúng hai base AA không đủ tạo một bộ ba — nghĩa là bộ ba kết thúc UAA gốc đã bị xoá mất hoàn toàn khỏi khung đọc mới. Ribosome sẽ đọc tiếp sang các nucleotide nằm ngoài đoạn gene đã cho, cho tới khi tình cờ gặp một bộ ba kết thúc mới ở một vị trí không xác định trước.
5
Cả hai đột biến đều chỉ biến đổi đúng một nucleotide tại cùng một vị trí. Đột biến thay thế (a) chỉ làm hỏng đúng bộ ba tại vị trí đó — ở đây hỏng nặng vì vô tình tạo ra bộ ba kết thúc sớm, nhưng về nguyên tắc nó không ảnh hưởng gì đến các bộ ba phía sau nếu chúng còn tồn tại. Đột biến mất một cặp nucleotide (b) luôn làm dịch khung toàn bộ phần gene phía sau, xoá mất cả bộ ba kết thúc gốc, nên hậu quả thường khó lường và nghiêm trọng hơn một cách hệ thống. Vậy: đột biến mất hoặc thêm cặp nucleotide gây dịch khung nên ảnh hưởng lan rộng ra toàn bộ phần gene phía sau vị trí đột biến, trong khi đột biến thay thế chỉ khoanh vùng đúng một bộ ba.
Bẫy thường gặp
Nhiều học sinh mặc định đột biến thay thế luôn nhẹ hơn đột biến mất hoặc thêm. Không đúng: nếu đột biến thay thế vô tình tạo ra ngay một bộ ba kết thúc ở gần đầu gene, hậu quả có thể còn nặng hơn một đột biến mất một cặp nucleotide ở gần cuối gene. Phải xét cụ thể bộ ba mới tạo ra là gì, không suy luận theo khuôn mẫu 'thay thế luôn nhẹ hơn dịch khung'.
Tóm lại, muốn dự đoán hậu quả của một đột biến gene, em cần xác định đúng hai điều: đột biến thuộc dạng nào trong ba dạng thay thế, mất, thêm; và nếu là thay thế, bộ ba mới mã hoá amino acid gì so với bộ ba cũ. Bài tiếp theo dùng chính logic này ở một góc nhìn khác: thay vì tra bảng mã di truyền, em sẽ suy luận dạng đột biến từ những con số — số nucleotide và số liên kết hydrogen của gene trước và sau đột biến.
Ở Khoa học tự nhiên lớp 9, em đã biết gene là một đoạn DNA mang thông tin quy định một tính trạng, và DNA được cấu tạo từ bốn loại nucleotide A, T, G, C (prior-grade review). Bài đó dừng lại ở mức khái niệm. Sang lớp 12, các bài đầu khoá về mã di truyền và tái bản DNA đã cho em công cụ để đọc chính xác một gene: mã di truyền đọc liên tục theo từng bộ ba (codon) không gối nhau, và mỗi bộ ba mRNA ứng với một amino acid hoặc một tín hiệu kết thúc (same-grade bridge). Bài này dùng đúng công cụ đó để trả lời câu hỏi: khi một gene bị biến đổi, hậu quả lên protein cụ thể là gì.
Đột biến gene là những biến đổi trong cấu trúc của gene, thường chỉ liên quan đến một cặp nucleotide — khi đó gọi là đột biến điểm — hoặc một số cặp nucleotide. Ba dạng cơ bản là: thay thế một cặp nucleotide bằng một cặp khác, mất hẳn một cặp nucleotide, và thêm một cặp nucleotide mới vào gene. Ba dạng nghe giống nhau ở mức mô tả, nhưng gây hậu quả rất khác nhau lên chuỗi polypeptide, vì mã di truyền đọc theo từng bộ ba ba nucleotide một, không có dấu ngăn cách giữa các bộ ba.
Đột biến thay thế chỉ đổi đúng một bộ ba tại vị trí xảy ra đột biến, các bộ ba còn lại giữ nguyên. Do mã di truyền có tính thoái hoá — nhiều bộ ba khác nhau cùng mã hoá một loại amino acid — nên bộ ba mới sau khi thay thế có đúng ba khả năng. Nếu bộ ba mới vẫn mã hoá cùng loại amino acid như bộ ba cũ, chuỗi polypeptide không đổi một chút nào: gọi là đột biến câm, hay đột biến đồng nghĩa. Nếu bộ ba mới mã hoá một amino acid khác, chuỗi polypeptide đổi đúng một amino acid tại vị trí đó — đột biến nhầm nghĩa; mức ảnh hưởng của nó phụ thuộc amino acid mới có tính chất gần giống hay khác hẳn amino acid cũ, và vị trí đó có quan trọng với chức năng protein hay không. Nếu bộ ba mới trở thành một trong ba bộ ba kết thúc, chuỗi polypeptide bị cắt ngắn ngay tại đó — đột biến vô nghĩa, thường làm mất chức năng vì phần protein còn lại thiếu hẳn phía sau.
Đột biến mất hoặc thêm một cặp nucleotide đi theo một cơ chế khác hẳn, gọi là dịch khung đọc. Vì ribosome đọc liên tục từng cụm ba nucleotide kể từ điểm bắt đầu, một khi bớt đi hoặc dư ra đúng một nucleotide, toàn bộ cách chia cụm ba từ vị trí đột biến trở về sau đều lệch đi, kéo theo gần như toàn bộ trình tự amino acid phía sau bị đọc sai — kể cả bộ ba kết thúc gốc cũng thường bị xoá mất hoặc dịch chuyển. Đây là lý do đột biến mất hoặc thêm, xét trên nguyên tắc, thường gây hậu quả nặng hơn đột biến thay thế: một đột biến thay thế chỉ hỏng đúng một bộ ba, còn một đột biến dịch khung làm hỏng cả một đoạn dài phía sau nó.
Xoá base thứ 4 (A) khỏi mRNA, các base phía sau dồn lên một vị trí: mRNA mới là AUG-AAU-UCG-GUU-AA. Đọc lại theo bộ ba: AUG (Met, không đổi vì đứng trước điểm đột biến), AAU (Asn), UCG (Ser), GUU (Val), còn dư đúng hai base AA không đủ tạo một bộ ba — nghĩa là bộ ba kết thúc UAA gốc đã bị xoá mất hoàn toàn khỏi khung đọc mới. Ribosome sẽ đọc tiếp sang các nucleotide nằm ngoài đoạn gene đã cho, cho tới khi tình cờ gặp một bộ ba kết thúc mới ở một vị trí không xác định trước.
Cả hai đột biến đều chỉ biến đổi đúng một nucleotide tại cùng một vị trí. Đột biến thay thế (a) chỉ làm hỏng đúng bộ ba tại vị trí đó — ở đây hỏng nặng vì vô tình tạo ra bộ ba kết thúc sớm, nhưng về nguyên tắc nó không ảnh hưởng gì đến các bộ ba phía sau nếu chúng còn tồn tại. Đột biến mất một cặp nucleotide (b) luôn làm dịch khung toàn bộ phần gene phía sau, xoá mất cả bộ ba kết thúc gốc, nên hậu quả thường khó lường và nghiêm trọng hơn một cách hệ thống. Vậy: đột biến mất hoặc thêm cặp nucleotide gây dịch khung nên ảnh hưởng lan rộng ra toàn bộ phần gene phía sau vị trí đột biến, trong khi đột biến thay thế chỉ khoanh vùng đúng một bộ ba.
Nhiều học sinh mặc định đột biến thay thế luôn nhẹ hơn đột biến mất hoặc thêm. Không đúng: nếu đột biến thay thế vô tình tạo ra ngay một bộ ba kết thúc ở gần đầu gene, hậu quả có thể còn nặng hơn một đột biến mất một cặp nucleotide ở gần cuối gene. Phải xét cụ thể bộ ba mới tạo ra là gì, không suy luận theo khuôn mẫu 'thay thế luôn nhẹ hơn dịch khung'.
Tóm lại, muốn dự đoán hậu quả của một đột biến gene, em cần xác định đúng hai điều: đột biến thuộc dạng nào trong ba dạng thay thế, mất, thêm; và nếu là thay thế, bộ ba mới mã hoá amino acid gì so với bộ ba cũ. Bài tiếp theo dùng chính logic này ở một góc nhìn khác: thay vì tra bảng mã di truyền, em sẽ suy luận dạng đột biến từ những con số — số nucleotide và số liên kết hydrogen của gene trước và sau đột biến.