Khám phá các đơn vị di truyền độc lập

Sự tồn tại của các đơn vị độc lập có khả năng di truyền được đề xuất lần đầu tiên bởi nhà thực vật học Gregor Mendel (1822–1884).[11] Từ năm 1854 đến 1863, trong một tu viện ở Brno, ông đã tiến hành trồng (gần 28.000 cây) và nghiên cứu các mẫu thế hệ con cháu của 12.835 cây thực vật đậu Hà Lan, theo dõi các đặc điểm khác biệt truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.[12][13][14] Ông miêu tả các đặc điểm này như là tổ hợp toán học 2n với n là số các đặc điểm khác nhau trong các cây đậu gốc. Mặc dù ông không sử dụng thuật ngữ gen, ông đã giải thích các kết quả theo thuật ngữ các đơn vị rời rạc có khả năng di truyền làm xuất hiện các đặc điểm thực tế quan sát được. Nội dung miêu tả này đã có trước phát hiện phân biệt của Wilhelm Johannsen về giữa kiểu gen (vật liệu di truyền của một sinh vật) và kiểu hình (các đặc điểm trông thấy của sinh vật đó). Mendel cũng lần đầu tiên chứng tỏ quy luật phân ly độc lập, sự khác biệt giữa các tính trạng trội và tính trạng lặn, sự khác biệt giữa dị hợp tử (heterozygote) và đồng hợp tử (homozygote), và hiện tượng di truyền không liên tục.

Trước khi có nghiên cứu của Mendel, ngành sinh học đã có một số tiến bộ như: nhờ phát minh kính hiển vi sơ khai của Antonie van Leeuwenhoek (thế kỷ XVII) đã mở đường cho việc quan sát thế giới vi sinh vật, sự ra đời thuyết tế bào của Matthias Schleiden và Theodor Schwann (1838, 1839). Nhìn chung quan niệm phổ biến về di truyền thời đó vẫn là di truyền các tính trạng tập nhiễm và di truyền hòa hợp (blending inheritance), cho rằng các cá thể thừa kế từ bố mẹ một hỗn hợp pha trộn các tính trạng, ví dụ như lai cây hoa đỏ với hoa trắng sẽ cho ra hoa hồng. Charles Darwin đã phát triển một lý thuyết về di truyền mà ông gọi là pangenesis (thuyết mầm, thuyết pangen), từ tiếng Hy Lạp cổ pan ("mọi, toàn thể") và genesis ("sự sinh") / genos ("nguồn gốc").[15][16] Darwin sử dụng thuật ngữ gemmule (mầm sinh) để miêu tả các hạt giả thuyết mà chúng được trộn với nhau trong quá trình sinh sản.

Tuy nhiên giới khoa học đương thời đã không hiểu và đánh giá được tầm vóc của khám phá Mendel sau khi ông công bố nghiên cứu vào năm 1866. Mãi đến năm 1900 ba nhà sinh học Hugo de Vries, Carl Correns, và Erich von Tschermak độc lập nhau đã thực hiện các thí nghiệm và đi đến các kết luận tương tự trước khi họ biết tới các nghiên cứu của Mendel.[17] Đặc biệt, năm 1889, Hugo de Vries xuất bản cuốn sách của ông Intracellular Pangenesis,[18] trong đó ông dự đoán rằng các tính trạng riêng biệt có từng đơn vị di truyền độc lập và sự kế thừa các tính trạng này trong sinh vật đến từ các hạt mầm. De Vries gọi những đơn vị này là "pangenes" (Pangens trong tiếng Đức), dựa theo lý thuyết pangenesis năm 1868 của Darwin.

Trong các năm 1902-1903, dựa trên các quan sát của nhiều nhà khoa học, trong đó có Walther Flemming về nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào, hai nhà khoa học Walter Sutton và Theodor Boveri đã độc lập với nhau cùng khởi xướng Học thuyết di truyền nhiễm sắc thể. Trong bài báo của ông, Sutton nhấn mạnh vào sự quan trọng khi ông quan sát thấy nhóm NST lưỡng bội chứa hai tập hợp có hình thái (morphology) giống nhau, và trong giảm phân, mỗi giao tử chỉ nhận được một NST từ mỗi cặp NST tương đồng. Sau đó ông sử dụng quan sát này để giải thích các kết quả của Mendel bằng cách giả thiết rằng các gen nằm trên nhiễm sắc thể.[19]

Năm 1905, Wilhelm Johannsen đã giới thiệu các thuật ngữ 'gene', 'genotype' và 'phenotype'[10] và William Bateson đưa ra thuật ngữ 'di truyền học' ('genetic')[20].

Trong thập niên 1910, Thomas Hunt Morgan cùng với cộng sự đã xây dựng thành công thuyết di truyền nhiễm sắc thể (chromosome theory of inheritance) dựa trên đối tượng nghiên cứu là ruồi giấm Drosophila melanogaster. Học thuyết này xác nhận rằng gen là đơn vị cơ sở của tính di truyền nằm trên nhiễm sắc thể (ởtrong nhân); trên đó các gen sắp xếp theo đường thẳng tạo thành nhóm liên kết.[21]

Sự khám phá DNA

Quá trình nghiên cứu gen và di truyền tiếp tục đạt được những tiến bộ trong thế kỷ XX. Trước đó Friedrich Miescher (1869) đã khám phá ra một hỗn hợp trong nhân tế bào gọi là 'nuclein' mà sau đó Albrecht Kossel (1878) đã cô lập được thành phần không phải protein trong nuclein gọi là axit deoxyribonucleic. DNA được chứng tỏ là những phân tử chứa thông tin di truyền qua các thí nghiệm thực hiện trong thập niên 1940 đến thập niên 1950[22][23] (xem thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty, thí nghiệm Hershey–Chase). Nhờ kết quả nghiên cứu cấu trúc DNA bởi Rosalind Franklin và Maurice Wilkins bằng phương pháp tinh thể học tia X, đã giúp James D. Watson và Francis Crick đề xuất ra mô hình đúng về phân tử sợi xoắn kép DNA mà nguyên tắc ghép cặp nucleobase hàm ý giả thiết cho cơ chế sao chép vật liệu di truyền.[24][25]

Những năm đầu thập niên 1950, đa số các nhà sinh học có quan điểm cho rằng các gen trong một nhiễm sắc thể hoạt động giống như những đoạn rời rạc, không thể phân chia được bằng cách tái tổ hợp và sắp xếp như những hạt trên một chuỗi. Thí nghiệm của Seymour Benzer sử dụng các khuyết tật đột biến ở vùng rII của thể thực khuẩn T4 (1955-1959) đã chứng tỏ từng gen có một cấu trúc thẳng đơn giản và dường như là tương đương với một đoạn của sợi DNA.[26][27]

Bằng các thí nghiệm gây đột biến các gen liên quan đến các con đường sinh hóa trên nấm mốc bánh mỳ Neurospora crassa, năm 1941 George Beadle và Edward Tatum xác nhận mỗi gen kiểm soát phản ứng sinh hóa tổng hợp một enzyme đặc thù.[28] Kết quả này đưa hai ông đến giả thuyết một gen - một enzym về sau được chính xác hóa là một gen xác định chỉ một chuỗi polypeptide, cấu trúc bậc 1 của protein, trong đó có các enzyme.[29]

Từ những kết quả nghiên cứu thu nạp dần đã hình thành lên luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử, phát biểu rằng các protein được dịch mã từ RNA, mà đến lượt RNA được phiên mã từ DNA. Tuy vậy, sau này luận thuyết được chỉ ra có những ngoại lệ, ví dụ như phiên mã ngược ở retrovirus. Ngành di truyền hiện đại nghiên cứu ở cấp độ DNA được biết đến là di truyền phân tử.

Năm 1972, Walter Fiers và cộng sự ở Đại học Ghent đã lần đầu tiên xác định được trình tự của một gen: đó là gen mã hóa cho protein vỏ bọc của thể thực khuẩn MS2.[30] Những phát triển sau đó của xác định trình tự DNA bằng kỹ thuật gián đoạn chuỗi bởi Frederick Sanger năm 1977 đã nâng cao hiệu quả giải trình tự và giúp nó trở thành công cụ thường xuyên trong các phòng thí nghiệm.[31] Một kỹ thuật tự động của phương pháp Sanger đã được áp dụng ở giai đoạn đầu của dự án giải mã bộ gen ở người.[32]

Thuyết tổng hợp hiện đại

Một số lý thuyết đã được phát triển đầu thế kỷ XX nhằm kết hợp giữa di truyền Mendel với thuyết tiến hóa Darwin được gọi là thuyết tổng hợp hiện đại, một thuật ngữ do Julian Huxley giới thiệu.[33]

Các nhà sinh tiến hóa sau đó đã chỉnh sửa bổ sung khái niệm này, như quan điểm gen là đối tượng trung tâm của tiến hóa nêu ra bởi George C. Williams. Ông đề xuất một khái niệm gen tiến hóa như là một đơn vị của chọn lọc tự nhiên với định nghĩa: "nó là cái tách biệt và tái kết hợp với tần số phù hợp."[34]:24 Theo quan điểm này, phân tử gen phiên mã như là một đơn vị, và gen tiến hóa kế thừa như là một đơn vị. Các ý tưởng liên quan nhấn mạnh vào vai trò trung tâm của gen trong tiến hóa được Richard Dawkins thảo luận trong các cuốn sách phổ biến khoa học.[35][36]