Đột biến gene là chỗ gặp nhau của hai mảng kiến thức: cấu trúc phân tử DNA ở phía trước và tiến hoá ở phía sau. Bài này vừa phải nhớ đúng tên bốn kiểu hậu quả, vừa phải tính nhanh được số liên kết hydrogen thay đổi bao nhiêu sau đột biến.
Đột biến gene là những biến đổi trong cấu trúc của gene, liên quan tới một hoặc một số cặp nucleotide. Dạng phổ biến nhất là đột biến điểm — chỉ liên quan tới đúng một cặp nucleotide, gồm ba kiểu: thay thế, thêm và mất một cặp nucleotide.
Cần phân biệt hai khái niệm hay bị dùng lẫn. Thể đột biến là cá thể mang đột biến đã biểu hiện ra kiểu hình; còn một cơ thể mang gene đột biến lặn ở trạng thái dị hợp thì có đột biến nhưng chưa phải thể đột biến.
Điểm chung của mọi cơ chế: sai sót chỉ trở thành đột biến khi nó đi qua ít nhất một lần tái bản và được cố định vào cả hai mạch. Đây là lý do tần số đột biến tự nhiên của một gene rất thấp, thường vào khoảng một phần triệu đến một phần mười nghìn.
| Dạng đột biến | Tên gọi theo hậu quả | Ảnh hưởng tới chuỗi polypeptide | Mức độ |
|---|---|---|---|
| Thay thế một cặp nucleotide, bộ ba mới vẫn mã hoá amino acid cũ | Đột biến đồng nghĩa (im lặng) | Chuỗi polypeptide không đổi | Thường vô hại |
| Thay thế một cặp nucleotide, bộ ba mới mã hoá amino acid khác | Đột biến sai nghĩa (nhầm nghĩa) | Thay đúng một amino acid tại vị trí đó | Từ nhẹ tới nặng, tuỳ vị trí |
| Thay thế một cặp nucleotide, bộ ba mới thành bộ ba kết thúc | Đột biến vô nghĩa | Chuỗi bị kết thúc sớm, thường mất chức năng | Nặng |
| Thêm hoặc mất một cặp nucleotide | Đột biến dịch khung | Lệch khung đọc, đổi toàn bộ các bộ ba từ điểm đột biến trở về sau | Nặng nhất, nhất là khi xảy ra ở đầu gene |
Đột biến đồng nghĩa tồn tại được là nhờ tính thoái hoá của mã di truyền: 64 bộ ba mà chỉ mã hoá 20 loại amino acid, nên nhiều bộ ba cùng chỉ về một amino acid, đặc biệt là các bộ ba chỉ khác nhau ở nucleotide thứ ba.
Cũng vì mã di truyền được đọc liên tục từng bộ ba, không gối lên nhau, nên thêm hay mất một cặp nucleotide làm mọi bộ ba phía sau bị đọc lệch đi một nucleotide. Càng xảy ra gần đầu vùng mã hoá thì càng nhiều bộ ba bị đọc sai, hậu quả càng nghiêm trọng.
Đào sâu — vì sao dịch khung nặng đến thế. Đột biến thay thế chỉ đụng tới đúng một bộ ba, nên nhiều nhất cũng chỉ đổi một amino acid. Đột biến thêm hay mất một cặp nucleotide thì mọi bộ ba từ điểm đột biến trở về sau đều bị đọc lệch: nếu gene mã hoá 300 amino acid và đột biến rơi vào bộ ba thứ 10 thì khoảng 290 amino acid còn lại bị thay đổi, lại rất dễ xuất hiện một bộ ba kết thúc sớm ở giữa chừng. Đó là lý do đột biến càng gần đầu vùng mã hoá thì càng nặng.
Ngoại lệ phải nhớ: thêm hoặc mất ba cặp nucleotide liền nhau thì khung đọc KHÔNG bị lệch — chuỗi polypeptide chỉ thừa hoặc thiếu đúng một amino acid, phần còn lại giữ nguyên. Nói cách khác, dịch khung xảy ra khi số cặp nucleotide thêm hoặc mất không chia hết cho 3. Tương tự, đột biến thay thế rơi vào vùng điều hoà không đổi một amino acid nào nhưng có thể làm gene không được phiên mã, tức hậu quả nặng theo một kiểu khác hẳn.
Gene mạch kép có A bằng T, G bằng C, tổng số nucleotide N bằng 2A cộng 2G và số liên kết hydrogen $H=2A+3G$. Mọi bài tập đột biến điểm đều chỉ là cộng trừ vài đơn vị vào công thức đó, vì cặp A–T góp 2 liên kết còn cặp G–C góp 3 liên kết.
| Dạng đột biến điểm | Thay đổi số nucleotide N | Thay đổi chiều dài | Thay đổi số liên kết hydrogen H |
|---|---|---|---|
| Mất một cặp A–T | Giảm 2 | Giảm 3,4 angstrom | Giảm 2 |
| Mất một cặp G–C | Giảm 2 | Giảm 3,4 angstrom | Giảm 3 |
| Thêm một cặp A–T | Tăng 2 | Tăng 3,4 angstrom | Tăng 2 |
| Thêm một cặp G–C | Tăng 2 | Tăng 3,4 angstrom | Tăng 3 |
| Thay một cặp A–T bằng một cặp G–C | Không đổi | Không đổi | Tăng 1 |
| Thay một cặp G–C bằng một cặp A–T | Không đổi | Không đổi | Giảm 1 |
Cách đọc ngược bảng này chính là dạng câu hỏi hay ra nhất: đề cho số liên kết hydrogen trước và sau đột biến rồi bắt gọi tên dạng đột biến. Quy trình ba bước: xem chiều dài có đổi không (đổi thì là thêm hoặc mất, không đổi thì là thay thế), xem H tăng hay giảm, rồi xem lệch mấy đơn vị. Lệch 1 luôn là thay thế; lệch 2 hoặc 3 là mất hoặc thêm.
Một mẹo tính nhanh khi đề chỉ cho N và H mà không cho số nucleotide từng loại: trừ hai công thức cho nhau được $G=H-N$, rồi $A=\dfrac{N-2G}{2}$. Ví dụ N bằng 3000 và H bằng 3900 thì G bằng 900 và A bằng 600, không phải giải hệ.
Phần lớn đột biến gene là trung tính hoặc có hại, nhưng phần lớn không có nghĩa là toàn bộ. Một allele đang có hại trong môi trường này có thể trở nên có lợi khi môi trường đổi khác, và giá trị thích nghi của nó còn phụ thuộc tổ hợp gene mà nó nằm trong đó.
Tần số đột biến trên một gene rất nhỏ, nhưng mỗi loài có hàng chục nghìn gene và quần thể có hàng triệu cá thể, nên tính trên toàn bộ vốn gene thì số allele mới xuất hiện mỗi thế hệ là đáng kể. Đó là lý do một hiện tượng hiếm vẫn đủ sức làm nguyên liệu cho tiến hoá.
Gene mạch kép nên $A=T=450$. Tổng số nucleotide thoả $N=2A+2G$:
$$2100=2\times 450+2G \Rightarrow 2G=1200 \Rightarrow G=C=600.$$Kiểm lại: $450+450+600+600=2100$, khớp đề.
Hệ số 2 gắn với cặp $A-T$ (hai liên kết hydrogen), hệ số 3 gắn với cặp $G-C$ (ba liên kết):
$$H=2A+3G=2\times 450+3\times 600=900+1800=2700.$$Mất một cặp $G-C$ là mất đi ba liên kết hydrogen mà cặp đó đóng góp — ba liên kết ấy là của chung một cặp, không phải mỗi bên ba cái:
$$H'=2700-3=2697.$$Gene mất một cặp nên mỗi mạch ngắn đi một nucleotide, tổng còn $N'=2098$:
$$L'=\dfrac{2098}{2}\times 3{,}4=1049\times 3{,}4=3566{,}6\ \text{angstrom},$$tức giảm đúng $3{,}4$ angstrom so với trước.
Tính thẳng trên gene sau đột biến: $A=T=450$ giữ nguyên, $G=C=599$. Khi đó
$$H'=2\times 450+3\times 599=900+1797=2697,$$trùng kết quả bước 3. Đây là cách kiểm chéo đáng làm ở mọi bài đột biến điểm: một lần cộng trừ nhanh, một lần tính lại từ đầu.
Trước đột biến $H=2700$; sau đột biến $H'=2697$; chiều dài giảm $3{,}4$ angstrom, còn $3566{,}6$ angstrom.
Trừ 6 liên kết vì nghĩ mất cặp $G-C$ là mất cả G lẫn C nên phải trừ hai lần ba — kết quả ra $2694$, lệch đúng 3 đơn vị so với đáp án đúng. Bẫy thứ hai là giảm chiều dài $6{,}8$ angstrom vì trừ cho cả hai mạch; chiều dài đo dọc trục nên chỉ trừ một lần $3{,}4$.
AUG mở đầu mã hoá methionine, AAG mã hoá lysine, UUU mã hoá phenylalanine, GGC mã hoá glycine, UAA là bộ ba kết thúc nên không mã hoá amino acid. Chuỗi lúc mới tổng hợp có 4 amino acid; chuỗi hoàn chỉnh còn 3 sau khi cắt methionine mở đầu. Mọi so sánh phía sau đều quy về chuỗi gốc này.
Cả AAG và AAA đều mã hoá lysine, vì mã di truyền có tính thoái hoá và các bộ ba chỉ khác nhau ở nucleotide thứ ba thường cùng chỉ về một amino acid. Chuỗi polypeptide không đổi một chữ nào. Đây là đột biến đồng nghĩa (đột biến im lặng), thường vô hại.
Bộ ba mới mã hoá methionine thay cho lysine, nên chuỗi bị thay đúng một amino acid ở vị trí thứ hai, các vị trí khác giữ nguyên. Đây là đột biến sai nghĩa. Mức độ ảnh hưởng tuỳ vị trí: nếu amino acid bị thay nằm ở vùng hoạt động của protein thì protein hỏng, nằm ngoài vùng đó thì có khi không ảnh hưởng gì.
UAG là một trong ba bộ ba kết thúc (UAA, UAG, UGA) nên ribosome dừng dịch mã ngay tại đó. Chuỗi chỉ còn methionine mở đầu rồi kết thúc, gần như chắc chắn mất chức năng. Đây là đột biến vô nghĩa — nặng nhất trong ba trường hợp thay thế.
Đếm số amino acid của chuỗi hoàn chỉnh trong ba trường hợp: đồng nghĩa vẫn 3, sai nghĩa vẫn 3 (chỉ đổi loại), vô nghĩa còn 0 vì methionine mở đầu cũng bị cắt. Số amino acid không đổi mà loại amino acid đổi thì đó là sai nghĩa; số amino acid tụt hẳn thì đó là vô nghĩa. Cách đếm này phân biệt ba dạng nhanh hơn học thuộc tên.
AAG → AAA: đột biến đồng nghĩa, chuỗi không đổi. AAG → AUG: đột biến sai nghĩa, đổi một amino acid. AAG → UAG: đột biến vô nghĩa, chuỗi kết thúc sớm.
Thấy “thay thế một cặp nucleotide” là kết luận ngay “đổi một amino acid” — sai với trường hợp đồng nghĩa (không đổi gì) và sai với trường hợp vô nghĩa (mất cả một đoạn chuỗi). Phải tra bộ ba mới rồi mới gọi tên dạng đột biến.
Ta có $N=2A+2G$ và $H=2A+3G$. Trừ vế theo vế:
$$G=H-N=3900-3000=900 \Rightarrow 2A=3000-1800=1200 \Rightarrow A=T=600.$$Vậy gene ban đầu có $A=T=600$ và $G=C=900$ — không cần giải hệ.
Chiều dài gene không đổi nghĩa là tổng số nucleotide không đổi, nên đột biến không thể là thêm hay mất cặp nucleotide. Chỉ còn khả năng thay thế. Bỏ qua bước này là để mở hai khả năng thừa rồi loay hoay.
$H$ tăng từ 3900 lên 3901, tức tăng đúng 1. Cặp $A-T$ góp 2 liên kết, cặp $G-C$ góp 3 liên kết, nên đổi một cặp $A-T$ thành một cặp $G-C$ làm $H$ tăng 1; đổi theo chiều ngược lại làm $H$ giảm 1. Vì $H$ tăng nên đây là thay một cặp A–T bằng một cặp G–C.
Gene mất một cặp $A-T$ và nhận thêm một cặp $G-C$:
$$A=T=600-1=599,\qquad G=C=900+1=901.$$Tổng số nucleotide: $2\times 599+2\times 901=1198+1802=3000$, đúng là không đổi. Số liên kết hydrogen: $2\times 599+3\times 901=1198+2703=3901$, khớp đề. Hai dữ kiện đều thoả thì kết luận chắc chắn.
Đột biến thay thế một cặp A–T bằng một cặp G–C. Sau đột biến: $A=T=599$; $G=C=901$.
Kết luận “thêm một cặp G–C” vì thấy $H$ tăng mà quên dữ kiện chiều dài — thêm một cặp $G-C$ làm $H$ tăng 3 chứ không phải 1, và chiều dài phải tăng $3{,}4$ angstrom. Luôn đọc chiều dài trước, liên kết hydrogen sau.
Đoạn mRNA gốc là AUG | AAG | UUU | GGC | UAA. Nucleotide A đứng ngay sau bộ ba mở đầu là chữ A đầu tiên của bộ ba thứ hai. Bỏ nó đi, phần còn lại từ đó về sau dồn lên một chỗ, chứ không phải chỉ bộ ba thứ hai bị hỏng.
Chuỗi sau đột biến là AUGAGUUUGGCUAA. Chia lại từng ba nucleotide kể từ mã mở đầu:
Bộ ba mở đầu AUG giữ nguyên, sau đó AGU mã hoá serine, UUG mã hoá leucine, GCU mã hoá alanine, còn lại hai nucleotide AA không đủ một bộ ba.
Chuỗi gốc là Met–Lys–Phe–Gly rồi kết thúc; chuỗi mới là Met–Ser–Leu–Ala rồi tiếp tục đọc lấn sang phần sau. Toàn bộ amino acid từ vị trí thứ hai trở đi đều đổi, và bộ ba kết thúc UAA cũ không còn là bộ ba nữa nên ribosome chạy quá điểm dừng cũ. Đây là đột biến dịch khung — dạng gây hậu quả nặng nhất.
Mất 3 cặp thì số nucleotide bị bớt chia hết cho 3, khung đọc không lệch. Chuỗi mới là AUG UUU GGC UAA, tức Met–Phe–Gly rồi kết thúc: chuỗi chỉ thiếu đúng một amino acid (lysine), mọi amino acid còn lại giữ nguyên. So sánh hai trường hợp cho thấy điều cốt lõi: hậu quả không phụ thuộc “mất nhiều hay ít” mà phụ thuộc số nucleotide mất đi có chia hết cho 3 hay không.
Đếm nucleotide: chuỗi gốc 15, mất 1 còn 14 — không chia hết cho 3, dư 2, đúng là còn thừa hai nucleotide lẻ ở cuối như đã viết. Mất 3 còn 12, chia hết cho 3, đúng là 4 bộ ba tròn trịa. Phép chia hết này là cách kiểm nhanh xem mình có chia bộ ba nhầm hay không.
Sau khi mất một nucleotide: mRNA 5'–AUG AGU UUG GCU AA–3', chuỗi Met–Ser–Leu–Ala, đột biến dịch khung. Nếu mất ba cặp liền nhau: chuỗi chỉ mất một amino acid, không dịch khung.
Chỉ sửa bộ ba thứ hai rồi giữ nguyên các bộ ba phía sau — ra chuỗi Met–?–Phe–Gly, một chuỗi không tồn tại. Mã di truyền đọc liên tục, không gối lên nhau, nên mất một nucleotide là phải chia lại bộ ba từ đầu chứ không vá tại chỗ.