DNA và nhiễm sắc thể

Cấu trúc phân tử của DNA. Các bazơ ở hai chuỗi ghép cặp với nhau qua liên kết hiđrô.

• Bản chất gen là chuỗi xoắn kép axít deoxyribonucleic (ADN hay DNA), trong đó mỗi mạch đơn cấu thành từ một chuỗi các nucleotide từ bốn loại chính: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và thymine (T). Thông tin di truyền tồn tại dưới dạng trình tự sắp xếp liên tục các nucleotide, theo nguyên tắc bộ ba mã di truyền [50]. Một số loài virus lại có bộ gen bản chất là một mạch ARN (RNA) làm vật liệu di truyền là ngoại lệ.[51]
• DNA bình thường là một phân tử chuỗi kép, cuộn với nhau tạo thành dạng xoắn kép. Mỗi nucleotide ở DNA liên kết một cách chọn lọc với nucleotide đối diện: A chỉ liên kết với T, G chỉ liên kết với C. Nguyên tắc liên kết này gọi là nguyên tắc bổ sung. Nhờ đó, dù có dạng chuỗi kép, nhưng mỗi chuỗi đơn thực tế vẫn chứa tất cả các thông tin cần thiết. Cấu trúc theo nguyên tắc này của DNA chính là cơ sở vật lý và sinh hoá của tính di truyền: quá trình sao chép DNA nhân đôi thông tin di truyền bằng cách chia tách hai chuỗi của DNA, sử dụng mỗi chuỗi như một khuôn để tổng hợp một chuỗi bổ sung mới[52].
• Các gen được sắp xếp theo chiều dọc trên chuỗi dài DNA, nằm trên một bào quan gọi là nhiễm sắc thể. Ở vi khuẩn, mỗi tế bào vi khuẩn chỉ có một nhiễm sắc thể là phân tử DNA kép vòng nằm ở vùng nhân của nó. Còn ở các sinh vật nhân chuẩn lại có nhiều nhiễm sắc thể, mỗi nhiễm sắc thể là một phân tử DNA xoắn kép nhưng khôngh vòng như ở vi khuẩn, mà ở dạng tuyến tính. Chuỗi DNA của nhân thực thường rất dài so với tế bào chứa nó. Chẳng hạn, nhiễm sắc thể lớn nhất của con người có độ dài khoảng 247 triệu cặp bazơ (bp)[53] và nếu tất cả DNA của 1 tế bào người có 23 cặp nhiễm sắc thể mà "nối đuôi" nhau lại, sẽ được chuỗi dài hơn 2 m (hai mét) trong tế bào chứa chúng có đường kính nhỏ hơn nhiều triệu lần (1 micromet).
• Trong nhiễm sắc thể nhân thực, DNA luôn kết hợp với nhiều loại protein, chủ yếu là nhóm histôn, cấu trúc xoắn nhiều bậc tạo thành một loại chất gọi là sợi nhiễm sắc (chromatin). Ở sinh vật nhân thực, chromatin là một chuỗi nucleosome (thể nhân), bao gồm chuỗi DNA quấn quanh 8 phân tử histon làm lõi.[54] Tập hợp toàn bộ vật chất di truyền của một sinh vật (kể cả gen ở tất cả các nhiễm sắc thể lẫn gen ngoài nhiễm sắc thể) gọi chung là bộ gen (genome).

Biểu đồ năm 1882 của Walther Flemming về sự phân chia tế bào nhân chuẩn. Các nhiễm sắc thể được nhân đôi, co xoắn và tổ chức lại. Sau đó, khi tế bào phân chia, các nhiễm sắc thể tương đồng cũng phân cách vào các tế bào con.

• Các vi khuẩn (nhân sơ) thường là đơn bội (mức bội thể bằng 1) chỉ có duy nhất một mỗi nhiễm sắc thể. Còn tuyệt đại các sinh vật khác có bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội (mức bội thể bằng 2), trong đó mỗi nhiễm sắc thể có một nhiễm sắc thể khác giống nó về hình dạng, kích thước và trình tự lô-cut gen giống nó, tạo thành cặp nhiễm sắc thể tương đồng, do đó có hai bản sao cho mỗi gen: 1 nhận từ bố, còn 1 nhận từ mẹ [55]. Các alen (allele) của cùng một gen nằm trên vị trí như nhau gọi là locus.
• Ở các loài có nhiễm sắc thể giới tính, thì cặp nhiễm sắc thể giới tính (kí hiệu là X và Y, hoặc W và Z) giữ vai trò xác định giới tính của mỗi cá thể[56]. Đối với cặp nhiễm sắc thể giới tính này, thì lúc tương đồng (như X với X), lúc không tương đồng (như X với Y), do nhiễm sắc thể Y/Z rất ngắn và có rất ít gen. Sự biến đổi bất thường về số lượng nhiễm sắc thể giới tính luôn dẫn tới những rối loạn về giới tính và về di truyền, gây bệnh khác thường.

Sinh sản

Khi tế bào phân chia, toàn thể bộ gen đều được sao chép và mỗi tế bào con đều nhận được một bản sao bộ gen của tế bào mẹ. Quá trình này gọi là nguyên phân, là dạng đơn giản nhất của sinh sản và là cơ sở của sự sinh sản vô tính. Sinh sản vô tính có thể xuất hiện ở cả các sinh vật đa bào, tạo ra thế hệ con thừa hưởng bộ gen từ chỉ duy nhất một cá thể mẹ. Thế hệ con mà nhìn chung giống hệt như mẹ được gọi là dòng vô tính (clone).

Sinh vật nhân chuẩn thường sinh sản hữu tính để tạo ra con cái có vật liệu di truyền lấy từ hai bộ gen khác nhau của cả hai cá thể bố mẹ. Quá trình sinh sản hữu tính luân phiên nhau giữa hai dạng đơn bội (1n) và lưỡng bội (2n)[56]. Các tế bào đơn bội kết hợp vật chất di truyền của chúng, tạo ra tế bào lưỡng bội với những nhiễm sắc thể ghép cặp. Các sinh vật lưỡng bội tạo ra thể đơn bội bằng cách phân chia, tạo ra tế bào con thừa kế ngẫu nhiên một nhiễm sắc thể trong mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng. Đa phần động vật và nhiều thực vật ở thể lưỡng bội trong hầu hết vòng đời, với thể đơn bội biến đổi thành các giao tử đơn bào. Một quá trình chủ yếu trong sinh sản hữu tính là giảm phân, quá trình phân bào chuyên biệt diễn ra ở tế bào sinh dục, trong đó bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội được nhân đôi, trải qua hai lần phân bào để tạo nên các tế bào con đơn bội có số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa so với tế bào mẹ ban đầu[57].

Dù không sử dụng cơ chế sinh sản hữu tính kiểu lưỡng bội/đơn bội như trên, vi khuẩn vẫn có nhiều cách để thu nhận thông tin di truyền. Một số vi khuẩn có khả năng tiếp hợp, chuyển một vòng nhỏ DNA tới một vi khuẩn khác[58]. Vi khuẩn cũng có thể lấy những đoạn DNA thô từ môi trường và kết hợp chúng vào trong bộ gen của vi khuẩn, hiện tượng này được biết đến là sự biến nạp[59]. Quá trình này có thể dẫn đến sự chuyển gen ngang, truyền những đoạn thông tin di truyền giữa những sinh vật không có mối liên hệ với nhau.

Minh họa năm 1916 của Thomas Hunt Morgan về quá trình trao đổi chéo kép giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng.

Tái tổ hợp và liên kết gen

Trạng thái lưỡng bội tự nhiên của bộ nhiễm sắc thể cho phép gen nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau phân ly độc lập với nhau trong quá trình sinh sản hữu tính, tái tổ hợp tạo tổ hợp gen mới. Gen trên cùng một nhiễm sắc thể về lý thuyết không bao giờ tái tổ hợp[60], tuy nhiên, thực tế vẫn diễn ra do xuất hiện quá trình trao đổi chéo nhiễm sắc thể. Khi trao đổi chéo, hai nhiễm sắc thể trao đổi các đoạn DNA cho nhau, và đổi chỗ các allele giữa hai nhiễm sắc thể[61]. Trao đổi chéo thông thường diễn ra vào kỳ trước I (kỳ đầu của lần phân chia đầu) của quá trình giảm phân.

Xác suất trao đổi chéo giữa hai điểm đã cho trên nhiễm sắc thể có liên quan đến khoảng cách giữa chúng. Ở một khoảng cách dài tùy ý, xác suất trao đổi chéo đủ cao để sự di truyền các gen diễn ra tương đối riêng rẽ. Tuy nhiên, với các gen gần nhau hơn, xác suất trao đổi chéo thấp chứng tỏ các gen có tính liên kết di truyền - allele của hai gen này có khuynh hướng di truyền gắn liền với nhau. Các chỉ số về tính liên kết của chuỗi nhiều gen có thể được kết hợp tạo nên một bản đồ liên kết, giúp xác định gần đúng vị trí sắp xếp các gen trên nhiễm sắc thể[62].