Nhiễm sắc thể là cách tế bào giải một bài toán không gian tưởng như bất khả: nhét gần hai mét DNA vào một cái nhân chỉ vài micromet, mà vẫn phải đọc được, sao chép được và chia đều được cho hai tế bào con. Toàn bộ bài này là hệ quả của cách gói đó — và của những gì xảy ra khi cách gói ấy hỏng.
Ở sinh vật nhân thực, nhiễm sắc thể được cấu tạo từ chất nhiễm sắc gồm DNA và protein histone. Đơn vị lặp lại của nó là nucleosome: một đoạn DNA mạch kép dài khoảng 146 cặp nucleotide quấn quanh khối cầu tám phân tử histone. Các nucleosome nối tiếp nhau tạo sợi cơ bản đường kính 11 nm, sợi này xoắn tiếp thành sợi nhiễm sắc 30 nm, rồi cuộn thành vùng xếp cuộn 300 nm và cuối cùng là chromatid 700 nm.
Nhiễm sắc thể co xoắn cực đại và dễ quan sát nhất ở kì giữa của nguyên phân. Lúc này mỗi nhiễm sắc thể gồm hai chromatid chị em dính nhau ở tâm động. Vị trí tâm động chia nhiễm sắc thể thành hai cánh và quy định hình thái của nó (tâm giữa, tâm lệch, tâm mút). Hai đầu mút mang các trình tự telomere có vai trò bảo vệ và ngăn các nhiễm sắc thể dính vào nhau.
Tế bào sinh dưỡng mang bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội 2n, trong đó các nhiễm sắc thể tồn tại thành từng cặp tương đồng: một chiếc có nguồn gốc từ bố, một chiếc từ mẹ. Giao tử mang bộ đơn bội n, tức mỗi cặp chỉ còn một chiếc. Người có 2n = 46, ruồi giấm 2n = 8, đậu Hà Lan 2n = 14. Số lượng nhiễm sắc thể không nói lên mức độ tiến hoá của loài — đây là chỗ học sinh hay suy diễn nhầm.
Đột biến cấu trúc là những biến đổi trong cách sắp xếp các gene trên một nhiễm sắc thể, phát sinh do nhiễm sắc thể bị đứt gãy rồi nối lại sai, hoặc do trao đổi chéo không cân giữa hai chromatid.
| Dạng | Biến đổi | Hậu quả và ứng dụng |
|---|---|---|
| Mất đoạn | Nhiễm sắc thể mất một đoạn, số lượng gene giảm | Thường gây hại nặng, có thể gây chết. Mất đoạn nhỏ được dùng để xác định vị trí gene và loại bỏ gene xấu. Ở người, mất đoạn nhiễm sắc thể số 5 gây hội chứng tiếng mèo kêu |
| Lặp đoạn | Một đoạn được lặp lại một hay nhiều lần, số bản sao của gene tăng | Làm tăng hoặc giảm mức biểu hiện của tính trạng. Lặp đoạn ở đại mạch làm tăng hoạt tính amylase, có lợi cho sản xuất bia. Là nguồn nguyên liệu để hình thành gene mới |
| Đảo đoạn | Một đoạn đứt ra, quay 180 độ rồi nối lại; số lượng gene không đổi, trình tự thay đổi | Thường ít ảnh hưởng tới sức sống. Cơ thể dị hợp đảo đoạn giảm khả năng sinh sản. Nếu đoạn đảo chứa tâm động thì hình thái nhiễm sắc thể đổi theo |
| Chuyển đoạn | Đoạn nhiễm sắc thể chuyển sang vị trí khác trên chính nó hoặc sang nhiễm sắc thể không tương đồng | Làm thay đổi nhóm gene liên kết. Chuyển đoạn lớn thường gây chết hoặc mất khả năng sinh sản; chuyển đoạn nhỏ được dùng trong chuyển gene giữa các loài |
Vì sao đảo đoạn lại làm giảm khả năng sinh sản. Cơ thể dị hợp đảo đoạn mang một chiếc bình thường và một chiếc đã đảo. Ở kì đầu giảm phân I, hai chiếc muốn bắt đôi khớp gene với nhau thì phải uốn thành một vòng; nếu có trao đổi chéo trong vòng đó thì giao tử tạo ra vừa thừa gene này vừa thiếu gene kia, tức mất cân bằng và không có sức sống. Số lượng gene trên NST không đổi mà cá thể vẫn giảm khả năng sinh sản là vì lý do cơ học đó, không phải vì mất gene.
Đảo đoạn có chứa tâm động hay không cũng khác nhau. Nếu đoạn đảo không chứa tâm động thì chiều dài hai cánh giữ nguyên, hình thái NST trên tiêu bản không đổi — dạng khó phát hiện nhất. Nếu đoạn đảo chứa tâm động thì vị trí tâm động dịch đi, tỉ lệ hai cánh đổi và có thể nhận ra bằng kính hiển vi.
Lệch bội là biến đổi số lượng ở một hoặc một số cặp nhiễm sắc thể. Các dạng thường gặp: thể một (2n − 1), thể ba (2n + 1), thể không (2n − 2), thể bốn (2n + 2), thể ba kép (2n + 1 + 1). Cơ chế: một hoặc vài cặp nhiễm sắc thể không phân li trong giảm phân, tạo giao tử thừa hoặc thiếu một chiếc; giao tử này thụ tinh với giao tử bình thường sinh ra hợp tử lệch bội. Ở người, thể ba cặp số 21 gây hội chứng Down.
Đa bội là hiện tượng bộ nhiễm sắc thể tăng lên theo bội số của n và lớn hơn 2n. Có hai kiểu cần phân biệt thật rõ:
| Tiêu chí | Thể tự đa bội | Thể dị đa bội |
|---|---|---|
| Nguồn gốc bộ nhiễm sắc thể | Chỉ của một loài, được nhân lên | Của hai loài khác nhau cùng tồn tại trong một tế bào |
| Cơ chế phát sinh | Giao tử 2n kết hợp giao tử n cho 3n; giao tử 2n kết hợp giao tử 2n cho 4n; hoặc tất cả nhiễm sắc thể không phân li trong nguyên phân đầu tiên của hợp tử cho 4n | Lai xa giữa hai loài tạo con lai bất thụ, sau đó đa bội hoá con lai để mỗi nhiễm sắc thể đều có chiếc tương đồng |
| Khả năng sinh sản | Đa bội chẵn (4n) thường hữu thụ; đa bội lẻ (3n) bất thụ nên cho quả không hạt | Hữu thụ, được gọi là thể song nhị bội |
Điểm chung của các thể đa bội thực vật là tế bào có hàm lượng DNA tăng, kích thước tế bào lớn, cơ quan sinh dưỡng to, sinh trưởng khoẻ và chống chịu tốt. Đây là lí do đa bội hoá được dùng nhiều trong chọn giống cây trồng nhưng gần như không dùng được ở động vật bậc cao, nơi cơ chế xác định giới tính rất nhạy với số lượng nhiễm sắc thể.
Đề rất hay hỏi “rối loạn xảy ra ở giảm phân I hay giảm phân II” và hai trường hợp cho hai bộ giao tử khác nhau. Xét một tế bào sinh tinh có kiểu gene Aa:
Ghi nhớ gọn: rối loạn ở giảm phân I thì cả bốn giao tử đều bất thường; rối loạn ở giảm phân II thì chỉ một nửa bất thường. Đây là chỗ tách điểm giữa câu vận dụng và câu nhận biết.
Đề cho $2n=16$ nên bộ đơn bội $n=8$: loài có 8 cặp NST tương đồng. Mọi công thức phía sau đều tính từ hai con số 16 và 8 này.
Lệch bội chỉ đổi số chiếc ở một vài cặp, viết dưới dạng $2n$ cộng trừ vài đơn vị. Đa bội đổi cả bộ, viết dưới dạng bội số của $n$. Nhầm hai họ này là sai ngay từ dòng đầu.
Thể ba kép và thể bốn ($2n+2$) cùng cho 18 NST nhưng khác hẳn về bản chất: thể ba kép thừa một chiếc ở hai cặp khác nhau, còn thể bốn thừa hai chiếc ở cùng một cặp. Vậy chỉ đếm tổng số NST thì không phân biệt được, phải nhìn vào từng cặp. Đây cũng là cách tự kiểm tra: nếu hai dạng khác nhau mà ra cùng một số thì phải đọc lại đề xem đề hỏi số lượng hay hỏi tên dạng.
Thể một 15; thể ba 17; thể ba kép 18; thể tam bội 24; thể tứ bội 32 nhiễm sắc thể.
Thấy chữ “ba” trong thể ba rồi cộng 3 vào $2n$ được 19 — sai gấp ba lần. Chữ số trong tên gọi chỉ số chiếc trong cặp bị lệch chứ không phải số chiếc thêm vào: thể ba là cặp đó có 3 chiếc, tức thừa 1.
Trình tự bình thường là M N O P Q — tâm động — R S T. Mọi kết luận đều là kết quả của việc so từng chữ cái với dòng này: chữ nào biến mất, chữ nào xuất hiện thêm lần nữa, đoạn nào bị lật ngược.
Gene P biến mất, các gene khác giữ nguyên thứ tự. Đây là mất đoạn. Hậu quả: số lượng gene giảm nên thường gây hại nặng, mất đoạn lớn có thể gây chết (ở người, mất đoạn NST số 5 gây hội chứng tiếng mèo kêu). Bù lại, mất đoạn nhỏ được dùng để xác định vị trí gene và loại bỏ gene xấu khỏi giống.
Gene Q xuất hiện hai lần, không gene nào mất đi. Đây là lặp đoạn. Hậu quả: số bản sao của gene tăng nên có thể làm tăng hoặc giảm mức biểu hiện của tính trạng; lặp đoạn ở đại mạch làm tăng hoạt tính amylase, có lợi cho sản xuất bia. Quan trọng hơn, bản sao thừa được phép đột biến tự do mà không hại cơ thể, nên lặp đoạn là nguyên liệu để hình thành gene mới.
Đủ tám gene, không mất không thêm, nhưng đoạn N O P đã bị lật ngược thành P O N. Đây là đảo đoạn. Hậu quả: ít ảnh hưởng tới sức sống vì số lượng gene không đổi, nhưng cơ thể dị hợp đảo đoạn giảm khả năng sinh sản do trao đổi chéo trong vùng đảo tạo giao tử mất cân bằng gene.
Thể một ngắn đi một gene, thể hai dài thêm một gene, nên chiều dài cánh mang chúng thay đổi và nhìn tiêu bản là thấy. Thể ba giữ nguyên cả chiều dài lẫn tỉ lệ hai cánh, vì đoạn đảo N O P nằm gọn trong một cánh và không chứa tâm động. Vậy thể ba khó phát hiện nhất; muốn thấy phải so trật tự gene chứ không nhìn hình thái. Kiểm tra lại bằng cách đếm: thể một có 7 gene, thể hai có 9 gene, thể ba có 8 gene đúng bằng bản gốc — con số này xác nhận cách gọi tên ở ba bước trên.
Thể một: mất đoạn. Thể hai: lặp đoạn. Thể ba: đảo đoạn. Thể ba khó phát hiện nhất trên tiêu bản vì hình thái NST không đổi.
Cho rằng đảo đoạn cũng làm thay đổi số lượng gene vì “thấy đảo là thấy hỏng”. Đảo đoạn và chuyển đoạn chỉ đổi vị trí; chỉ mất đoạn mới làm giảm và lặp đoạn mới làm tăng số bản sao gene. Đếm chữ cái trước khi kết luận là cách chống bẫy này.
F1 nhận $n=9$ NST từ cải củ và $n=9$ NST từ cải bắp, tổng cộng 18 chiếc. Con số 18 trùng với $2n$ của bố mẹ nhưng bản chất khác hẳn: đây không phải 9 cặp tương đồng mà là 18 chiếc đơn lẻ thuộc hai bộ gene của hai loài.
Ở kì đầu giảm phân I, mỗi NST phải bắt đôi với chiếc tương đồng của mình mới xếp hàng và phân li đều được. Trong tế bào F1 không chiếc nào có chiếc tương đồng, nên bắt đôi thất bại, giảm phân rối loạn, giao tử tạo ra thừa hoặc thiếu NST và không có sức sống. Chú ý: F1 vẫn sinh trưởng bình thường vì nguyên phân không đòi hỏi bắt đôi — chỉ giảm phân mới hỏng.
Colchicine cản trở hình thành thoi phân bào, làm toàn bộ NST đã nhân đôi không phân li về hai cực. Kết quả mỗi chiếc đều có thêm một bản sao giống hệt mình:
Cây mới mang bộ lưỡng bội của hai loài khác nhau nên thuộc thể dị đa bội, còn gọi là thể song nhị bội. Phân biệt rõ với thể tự đa bội: tự đa bội chỉ nhân bộ NST của một loài lên, không có loài thứ hai tham gia.
Phép kiểm nhanh: đếm xem mọi NST đã có chiếc tương đồng chưa. Ở cây 36 NST, mỗi chiếc của cải củ có một bản sao của cải củ, mỗi chiếc của cải bắp có một bản sao của cải bắp — đủ cặp, nên giảm phân bình thường và cây hữu thụ. Đúng như đề mô tả. Nếu tính ra một số NST lẻ, chẳng hạn 27, thì chắc chắn đã nhầm ở đâu đó vì bộ lưỡng bội luôn chẵn.
F1 bất thụ vì không NST nào có chiếc tương đồng để bắt đôi trong giảm phân. Sau xử lí colchicine, cây có 36 NST gồm 9 cặp của cải củ và 9 cặp của cải bắp nên hữu thụ. Cây mới là thể dị đa bội (thể song nhị bội).
Thấy 36 bằng $4\times 9$ rồi gọi là thể tứ bội. Con số không quyết định tên gọi — nguồn gốc bộ NST mới quyết định. Bộ 36 này gồm hai bộ lưỡng bội của hai loài khác nhau nên là dị đa bội, không phải tự tứ bội.
Dù giảm phân bình thường hay rối loạn thì một tế bào sinh tinh vẫn cho đúng 4 tinh trùng. Vì vậy mọi câu trả lời phải liệt kê đủ 4 chiếc — thiếu hay thừa là dấu hiệu làm sai.
Cả hai chiếc NST của cặp cùng đi về một cực. Tế bào con thứ nhất mang cả A lẫn a; tế bào con thứ hai không mang chiếc nào của cặp đó. Sang giảm phân II, mỗi tế bào con chỉ tách chromatid nên:
Giảm phân I bình thường cho hai tế bào con, một mang A, một mang a. Giả sử tế bào mang A bị rối loạn ở giảm phân II thì hai chromatid chị em của nó cùng đi về một cực:
Hai dấu hiệu, chỉ cần một cái là kết luận được. Thứ nhất, giao tử thừa mang hai allele khác nhau (Aa) thì rối loạn ở giảm phân I; mang hai allele giống nhau (AA hoặc aa) thì rối loạn ở giảm phân II. Thứ hai, rối loạn ở giảm phân I làm cả bốn giao tử bất thường, còn rối loạn ở giảm phân II vẫn để lại hai giao tử bình thường.
Cộng số allele trong bốn giao tử: trường hợp một là $2+2+0+0=4$; trường hợp hai là $2+0+1+1=4$. Cả hai đều bằng đúng số allele có trong tế bào sau khi nhân đôi (A, A, a, a). Tổng không bằng 4 nghĩa là đã liệt kê sót hoặc thừa một giao tử.
Rối loạn ở giảm phân I: 2 tinh trùng Aa và 2 tinh trùng không mang allele nào. Rối loạn ở giảm phân II: 1 tinh trùng AA, 1 tinh trùng không mang allele nào và 2 tinh trùng a bình thường.
Cho rằng rối loạn ở giảm phân I chỉ làm hỏng một nửa số giao tử. Cặp NST không phân li ở giảm phân I thì mọi tế bào con đều đã lệch trước khi vào giảm phân II, nên cả 4 tinh trùng đều bất thường — trả lời “2 bình thường, 2 bất thường” là rơi vào phương án nhiễu quen thuộc nhất của dạng này.