CHUYÊN ĐỀ BDQG TIẾN HÓA PHÂN TỬ - HỆ GEN

Hình 16. Một chương trình cho sự tiến hóa của người hiện đại từ tổ tiên australopithecus.

Có rất nhiều tranh cãi trong lĩnh vực này của nghiên cứu và giả thuyết khác nhau đã được
đề xuất cho các mối quan hệ tiến hóa giữa các hóa thạch khác nhau .

Theo như hiểu biết hiện nay, có khoảng 1,5% trình tự nucleotide giữa người và tinh tinh
là khác nhau (Hacia , 2001). Trong DNA mã hóa sự khác biệt là dưới 1,5 %, với nhiều gen có
trình tự giống nhau trong hai bộ gen, nhưng ngay cả trong những vùng không mã hoá sự không
giống nhau là hiếm khi hơn 3 % . Chỉ có một vài sự khác biệt rõ ràng đã được phát hiện:

* Con người thiếu một phân khúc 92 - bp của gen cho hydroxylase axit N - glycolyl -
neuraminic và do đó không thể tổng hợp dưới dạng hydroxy acid N - glycolyl - neuraminic,
nhưng có trên bề mặt của một số tế bào tinh tinh (Chou et al, năm 1998; Muchmore et al, 1998).
Điều này có thể có ảnh hưởng đến khả năng của các mầm bệnh nhất định xâm nhập vào các tế
bào của con người, và có thể có thể ảnh hưởng đến một số loại tương tác tế bào - tế bào, nhưng
sự khác biệt không được cho là đặc biệt quan trọng .

* Một số nhân đôi của gen gần đây đã xảy ra, kết quả là bản sao của gen có thể chỉ có mặt
trong hệ gen người hoặc tinh tinh, hoặc có mặt trong một hệ gen khác. Tuy nhiên, chức năng liên
quan tới những gen mới là không đáng kể vì chúng chưa có thời gian để tích lũy các đột biến với
mức độ lớn và như vậy, trong thực tế chỉ đơn giản là bản sao thứ hai của gen mà từ đó được tạo
ra.

* Một số thành phần của DNA không mã hóa trong hai bộ gen đã tách ra, minh họa cho
việc DNA lặp đi lặp lại có thể phát triển như thế nào. Ví dụ, trình tự ADN tại tâm động nhiễm sắc
thể của người là khá khác với các trình tự tương đương ở tinh tinh và khỉ đột (Archidiacono et al.,
1995). Bộ gen của con người cũng chứa các phiên bản mới của phần tử Alu (mục 2.4.2;
Zietkiewicz et al., 1994).

* Hệ gen của con người và tinh tinh đã trải qua một vài sự sắp xếp lại, biết được khi so
sánh các mẫu nhiễm sắc thể. Sự khác biệt đáng kể nhất là nhiễm sắc thể số 2 ở người là hai nhiễm
sắc thể riêng biệt ở tinh tinh (Hình 17), do đó tinh tinh, cũng như loài vượn khác, có 24 cặp
nhiễm sắc thể trong khi đó con người chỉ có 23 cặp. Bốn nhiễm sắc thể khác - số nhân 5, 6, 9 và
12 - cũng có sự khác biệt rõ ràng với tinh tinh của, mặc dù 18 nhiễm sắc thể khác xuất hiện là rất
giống nhau (Yunis và Prakash, 1982).

51

Hình 17. Nhiễm sắc thể số 2 ở người là sản phẩm của sự hợp nhất giữa hai nhiễm sắc thể

tinh tinh

Từ những phân tích ở trên cho chúng ta thấy một bức tranh tổng thể về quá trình hình
thành và tiến hoá của hệ gen . Hệ gen có thể đã được hình thành theo phương thức hoá sinh, bắt
đầu từ hệ gen ARN sau đó được chuyển cho AND, từ đó tiến hoá và hình thành các hệ gen đa
dạng và phức tạp như ngày nay. Sự tiến hóa của hệ gen được đặc trưng bởi sự tích luỹ của những
thay đổi. Các phân tích của hệ gen và những thay đổi trình tự hoặc kích thước của chúng theo
thời gian liên quan đến các lĩnh vực khác nhau. Có những cơ chế khác nhau đã góp phần vào hệ
gen tiến hóa và bao gồm các gen và nhân đôi hệ gen, đa bội, các yếu tố di truyền vận động, gen
giả, xáo trộn exon….
4. Các phương pháp nghiên cứu sự tiến hoá của hệ gen

Để nghiên cứu sự tiến hoá của hệ gen, người ta sử dụng một số phương pháp sau:
a. Phương pháp giải trình tự hệ gen

Trong dự án Hệ gen người, ADN được giải trình tự qua 3 giai đoạn: lập bản đồ gen liên
kết, lập bản đồ gen vật lý và giải trình tự ADN. Các nghiên cứu trước đó đã phác thảo được bản
đồ di truyền của tế bào nhờ xác định số lượng nhiễm sắc thể, các phương pháp nhuộm băng,
phương pháp lai huỳnh quang tại chỗ. Khi đã có trong tay bản đồ di truyền tế bào của các nhiễm
sắc thể, giai đoạn đầu tiên là xây dựng bản đồ gen liên kết của vài nghìn dấu chuẩn đi truyền
phân bố khắp các nhiễm sắc thể. Trật tự và khoảng cách giữa chúng được xác định dựa trên tần
số tái tổ hợp. Nó còn có giá trị cốt lõi trong việc lập bản đồ chi tiết hơn tại những vùng nhất định
trong hệ gen. Giai đoạn tiếp theo là việc lập bản đồ gen vật lý, khoảng cách giữa các dấu chuẩn
được biểu diễn bởi đơn vị vật lý, thường là số cặp base nitrogen dọc theo phân tử ADN. Bản đồ
này được thiết lập bằng cách cắt ADN thành các đoạn giới hạn, chúng được nhân dòng nhờ YAC
hoặc BAC và xác định trình tự nhờ các đoạn gối nhau của chúng được đặt đúng trình tự trên
nhiễm sắc thể. Tiến hành giải trình tự của từng đoạn ADN được nhân dòng nhờ phương pháp kết
thúc chuỗi đideoxy. Giai đoạn này được thực hiện tự động hóa. Ngay cả như vậy, việc giải trình
tự của 3200 Mb trong bộ nhiễm sắc thể đơn bội của người vẫn là thách thức lớn. Hiệu quả dần
được cải thiện khi khoa học ngày càng phát triển. Ưu điểm của phương pháp này là có độ chính
xác cao. Tuy nhiên, hạn chế của nó là mất nhiều thời gian, vật chất...

Một phương pháp khác là giải trình tự ngẫu nhiên (phương pháp shotgun). Đối với
phương pháp này, các nhà khoa học đã bỏ qua giai đoạn lập bản đồ gen liên kết và lập bản đồ gen
vật lý, nó bắt đầu ngay bằng việc giải trình tự các đoạn ADN ngẫu nhiên toàn hệ gen. Sau đó, các
chương trình máy tính mạnh sẽ tiến hành sắp xếp lại số lượng lớn các đoạn ADN dựa vào các
trình tự ngắn nằm gối nhau của chúng và khoảng cách đã biết giữa các đầu đoạn ADN, thành một
trình tự liên tục duy nhất. Phương pháp này đang được sử dụng rộng rãi. Ưu điểm của phương
pháp này là giải trình tự nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và vật chất. Tuy nhiên, độ chính xác
của phương pháp này thấp. Nó có thể bỏ qua các trình tự lặp lại trong hệ gen, do vậy không phản
ánh kích thước chính xác của hệ gen.
b. Phương pháp ứng dụng tin sinh học

52

Trong dự án Hệ gen người, lượng thông tin được tích lũy ngày càng nhiều dẫn đến nhu
cầu nảy sinh là phải có cách quản lý và theo dõi tất cả các trình tự đã được phát hiện. Các nhà
khoa học đã thiết lập các ngân hàng dữ liệu và ngày càng hoàn thiện các phần mềm phân tích dữ
liệu. Những cơ sở dữ liệu và những phần mềm này sau đó đươc tập hợp lại và có thể dễ dàng truy
cập và sử dụng trên môi trường internet giúp các nhà khoa học toàn thế giới có thể tiếp cận các
tài nguyên tin sinh học, cũng như thúc đẩy truyền bá và trao đổi thông tin liên quan.

Tập hợp dữ liệu để phân tích hệ gen: các trang Web đươc thiết lập để lưu giữ tài nguyên
tin sinh học phong phú. Tại đây, các đường link dẫn đến các cơ sở dữ liệu, các phần mềm và các
kho chứa các thông tin về các hệ gen và các chủ đề có liên quan khác. Các cơ sở dữ liệu về trình
tự gen gọi là ngân hàng gen, các dữ liệu ở đây liên tục được cập nhật và tăng lên nhanh chóng.
Các thông tin này cho phép so sánh trình tự ADN và tìm ra các trình tự giống nhau giữa các phân
tử ADN, so sánh các trình tự protein dự đoán, tìm kiếm một chuổi miền có chức năng sinh học
đặc biệt hoặc đang được dự đoán từ mọi trình tự protein có sẵn trong ngân hàng gen, biểu diễn
không gian 3 chiều của miền đó, biểu diễn cây tiến hóa trên cơ sở quan hệ giữa các trình tự.

Xác định gen mã hóa protein trong các trình tự ADN: khi biết trình tự ADN có thể nghiên
cứu trực tiếp các gen mà không cần đoán trình tự từ kiểu hình. Tuy nhiên, ta lại cần xác định kiểu
hình trên cơ sở trình tự ADN đã biết, vì vậy cần so sánh các trình với các protein đã biết, dựa vào
tính chất hóa học của các amino acid để dự đoán cấu hình không gian hay dùng phương pháp
Knockdown gen, xác định sự thay đổi kiểu hình để xác định chức năng gen.

Nghiên cứu sinh học hệ thống: nghiên cứu toàn bộ các gen thuộc các bộ nhiễm sắc thể và
sự tương tác của chúng với nhau, so sánh hệ gen từ các loài khác nhau. Hệ gen học là tài nguyên
thông tin phong phú và chuyên sâu, có thể trả lời các câu hỏi về cách tổ chức hệ gen, điều hòa
biểu hiện gen, các quá trình sinh trưởng, phát triển và cả tiến hóa. Một hệ thống tương tự là hệ
protein học, các protein mới trực tiếp thực hiện phần lớn các hoạt động tế bào, vì vậy để hiểu sự
biểu hiện chức năng sinh học của tế bào, cơ thể, ta cần tìm hiểu thời điểm, vị trí tạo ra protein
cũng như sự tương tác giữa chúng. Nghiên cứu này có ứng dụng lớn trong y học (ví dụ: nghiên
cứu sự tương tác giữa các gen gây nên bệnh ung thư từ đó có thể đưa ra các phương pháp điều
trị).
c. Phương pháp so sánh trình tự hệ gen và quá trình phát triển
So sánh trình tự hệ gen :

Khi các gen của hai loài cùng giống nhau về tình tự, thì chúng có quan hệ gần gũi trong
lịch sử tiến hóa. Việc so sánh hệ gen của các loài có quan hệ gần gũi giúp làm sáng tỏ nhiều sự
kiện tiến hóa trong thời gian gần đây. Trong khi đó, việc so sánh hệ gen của các loài có khoảng
cách xa hơn giúp chúng ta hiểu về lịch sử tiến hóa cổ đại. Trong cả hai trường hợp, những hiểu
biết về những đặc điểm được chia sẻ chung và phân ly riêng giữa các nhóm giúp chúng ta có
được bức tranh ngày càng rõ hơn về sự tiến hóa của các quá trình sinh học và các dạng sống .

So sánh giữ loài có quan hệ xa nhau: việc phân tích các gene vẫn còn giống nhau, thường
quen gọi là có tính bảo thủ cao, ở những loài có quan hệ xa nhau giúp làm sáng tỏ mối quan hệ
giữa các loài vốn phân ly khỏi nhau từ một thời điểm rất xa trong quá khứ. Ngoài giá trị sử dụng
trong nghiên cứu tiến hóa, các nghiên cứu gen học so sánh còn giúp khẳng định sự phù hợp trong
việc lựa chọn nghiên cứu ở các sinh vật mô hình từ đó giúp chúng ta hiểu biết càng đầy đủ hơn về
sinh học nói chung và về sinh học người nói riêng. Nhiều gen đã tiến hóa qua một thời gian dài,
song vẫn có thể giống nhau một cách ngạc nhiên ở một số loài khác hẳn nhau. (ví dụ: Một số gen
ở nấm men giống với gen gây bệnh ở người)

So sánh giữa loài có quan hệ gần gũi: hệ gen của hai loài có quan hệ gần gũi nhiều khả
năng có tổ chức giống nhau ởi vì chúng chỉ phân ly khỏi nhau trong thời giân gần đây. Điều này
cho phép hệ gen của một loài đã được giải trình tư hoàn toàn có thể được làm khung lắp ráp trình
tự hệ gen của một loài có quan hệ gần gũi với, qua đó làm tăng tốc độ lập bản đồ hệ gen loài thứ

53

hai. Sự phân ly gần đây của hai loài có quan hệ gần gũi cũng là cơ sở của hiện tượng chỉ có một
số ít sự khác biệt về gen được tìm thấy khi so sánh hệ gen của chúng với nhau. Những khác biệt
di truyền nhất định nhờ vậy có thể đối chiếu những khác biệt hình thái giữa hai loài. Một ứng
dụng lý thú của kiểu phân tích này được phát hiện khi các nhà nghiên cứu so sánh hệ gen người
với hệ gen của tinh tinh, chuột nhắt, chuột đồng và các động cật có vú khác. Việc xác dịnh được
các mối quan hệ giữa hệ gen của các loài vố không là động vật có vú sẽ cung cấp manh mối về
quá trình tiến hóa và phát sinh của lớp động vật này; cũng lúc đó, những gen được “chia sẻ”
chung giữa người và tinh tinh nhưng không có ở chuột đồng có thể cung cấp bằng chứng về quá
trình tiến hóa của các loài linh trưởng.

So sánh hệ gen trong phạm vi một loài: Do lịch sử loài nhười tương đối ngắn - có lẽ chỉ
khoảng 200.000 năm - nên mức độ biến dị di truyền của người là nhỏ khi so sánh với nhiều loài
khác. Phần nhiều sự đa dạng của chúng ta là do các đa hình đơn Nucleotide (SNP), thường được
xuất hiện bằng giải trình tự DNA. Trong hệ gen người, các SNP xuất hiện trung bình với tần số
trong mỗi đoạn từ 100-300 cặp base.

Trong quá trình triển khai hướng nghiên cứu này, họ cũng đã tìm ra nhiều dạng biến dị
khác - gồm đảo đoạn, mất đoạn và lặp đoạn - nhưng không có biểu hiện gây hại rõ rệt với cơ thể
mang chúng. Những dạng biến dị này cũng như các SNP, sẽ là nhưng dấu chuẩn di truyên hiệu
quả trong nghiên cứu ở người, trong việc phát hiện các khác biệt giữa các quần thể người, và tìm
ra con dường di cư của các quần thể người qua lịch sử.
So sánh quá trình phát triển

Nhờ các tiến bộ trong kỹ thuật phân tử và làn sóng thông tin về các hệ gen gần đây, chúng
ta bắt đâu nhận ra rằng ở các loài có quan hệ họ hàng, dù cho chúng có hình dạng khác nhau rõ
rệt, song sự khác biệt trong trình tự các gen cũng như sự điều hòa biểu hiện chúng thường rất
nhỏ. Việc phát hiện ra cơ sở phân tử dẫn đến sự khác biệt này đồng thời giúp chúng ta có được
nhưng hiểu biết về nguồn gốc của vô số các dạng sống đa dạng đang cùng chung sống trên hành
tinh này, qua đó cung cấp thông tin cho các nghiên cứu tiến hóa của chúng ta.
So sánh quá trình phát triển động vật, thực vật:

Tổ tiên chung gần nhất của động vật và thực vật có lẽ là một sinh vật nhân thực đơn bào
sống cách đây hàng trăm triệu năm; do vậy các quá trình phát triển hẳn là đã tiến hóa độc lập với
nhau tạo nên hai nhánh tiến hóa đa bào. Thực vật tiến hóa với sự xuất hiện thành tế bào cứng,
ngăn cản sự vận động các mô và tế bào vốn là đặc điểm quan trọng ở động vật. Thay vào đó, sự
phát sinh hình thái ở thực vật chủ yếu phụ thuộc vào sự hình thành các mặt phẳng phân bào khác
nhau và tính giãn nở chọn lọc của tế bào. Tuy có nhiều khác biệt giữa động vật và thực vật,
nhưng các cơ chế phân tử của quá trình phát triển ở động vật và thực vật có nhiều điểm giống
nhau; có lẽ đó là di sản chung mà nó thừa hưởng của tổ tiên. Ở cả loài động vật và thực vật, quá
trình phát triển phụ thuộc vào một chuỗi (gồm nhiều mắt xích) các yếu tố điều hòa phiên mã có
vai trò bật hoặc tắt các gen khác nhau theo thứ tự được điều khiển tinh vi. Tuy vậy, nhưng gene
điều khiển quá trình này lại khác nhau đáng kể giữa động vật và thực vật. Nếu như khá nhiều các
công tắc điều hòa ở Drosophila là các gen Hox mang các homeobox, thì các gen ở Arabidopsis
thuộc một họ geb hoàn toàn khác, được gọi là các Mads-box. Mặc dù các gen chứa homeobox
cũng được tìm thấy ở thực vật, cũng như các gen Mads-box cũng được tìm thấy ở động vật, song
trong cả hai trường hợp chúng không thực hiện các vai trò giống nhau trong quá trình phát triển
giống như nhóm kia. Như vậy các bằng chứng phân tử ủng hộ cho giả thuyết: chương trình phát
triển đã tiến hóa độc lập với nhau ở động vật và thực vật
II. CÁC DẠNG BÀI TẬP VỀ TIẾN HOÁ CỦA HỆ GEN
Dạng 1. Chiều hướng tiến hoá của hệ gen
1. Ví dụ minh hoạ
Ví dụ 1:

54

Bảng dưới đây cho thấy kích thước hệ gen và số lượng gen (tính trung bình) trên 1 triệu
cặp nucleotit trong hệ gen ở các sinh vật khác nhau. Bảng số liệu này nói lên điều gì? Hãy giải

thích.

Loài sinh vật Kích thước hệ gen Số lượng gen trung bình/
(triệu cặp nucleotit) 1 triệu cặp nucleotit
Vi khuẩn H. influenzae
Nấm men 1,8 950
Ruồi giấm
Người 12 500

180 100

3200 10

(Đề thi chọn đội tuyển Olympic sinh học quốc tế 2005)

Hướng dẫn:
Bảng số liệu cho ta thấy:

a. Kích thước hệ gen tăng dần theo mức độ phức tạp về tổ chức của cơ thể sinh vật.
b. Số lượng gen trung bình trên 1 triệu nucleotit của hệ gen giảm dần từ sinh vật nhân sơ rồi đến sinh
vật nhân thực đơn giản là nấm men. Các loài động vật có cấu tạo càng phức tạp (như con người) càng
có số lượng gen trung bình trên 1 triệu cặp nucleotit càng thấp.
c. Hệ gen của sinh vật có cấu trúc càng phức tạp thì càng có nhiều nucleotit không làm nhiệm vụ

mã hoá cho các protêin.
Sở dĩ có sự khác biệt này là do :

d. Cơ thể càng có cấu tạo phức tạp thì càng cần có nhiều gen mã hoá cho các protêin khác nhau
nên làm tăng kích thước hệ gen. Tuy nhiên, ở sinh vật bậc cao có tồn tại nhiều trình tự nucleotit
lặp lại ở giữa các gen, trong các intron, các gen giả vv...
e. Các loài vi khuẩn (nhân sơ) không có gen phân mảnh và không có hiện tượng lặp gen.
f. Các sinh vật nhân thực càng có cấu tạo cơ thể phức tạp thì gen của chúng càng có nhiều intron. Chỉ
rất ít các gen của nấm men có intron. Gen của người đều có vài tới nhiều intron.
g. Số lượng gen không tăng theo tỉ lệ thuận với kích thước hệ gen vì sinh vật có cấu tạo cơ thể có
gen phân mảnh nên một gen có thể qui định nhiều protein khác nhau do việc cắt nối ARN thông

tin theo các cách khác nhau.
h. Do có gen phân mảnh nên trong quá trình hoạt động các exon có thể được sắp xếp lại theo những
cách khác nhau để tạo ra các protêin khác nhau mà không cần đến quá nhiều gen.

Ví dụ 2:
Các quá trình tiến hóa nào có thể giải thích cho việc các sinh vật nhân sơ có hệ gene nhỏ

hơn so với các sinh vật nhân thực? (21.3 Sinh học Campbell).

Hướng dẫn:
Nhìn chung các sinh vật nhân sơ có kích thước tế bào nhỏ hơn so với sinh vật nhân thực,

và chúng sinh sản bằng hình thức trực phân. Quá trình tiến hóa liên quan đến việc chọn lọc tự
nhiên ưu tiên các tế bào sinh sản nhanh hơn: các tế bào càng tái bản (sao chép) DNA và phân
chia càng nhanh, thì càng có nhiều khả năng chiếm ưu thế trong các quần thể sinh vật nhân sơ.
Lượng DNA cần sao chép càng ít, chúng sinh sản càng nhanh.

2. Bài tập tự giải
1 . Bắt đầu từ 4,6 tỷ năm trước đây , phác họa những giai đoạn quan trọng trong sự tiến hóa gen .
2 . Tóm tắt suy nghĩ hiện tại liên quan đến các quá trình dẫn đến sự tiến hóa của bộ gen đầu tiên.

55

Hãy cẩn thận để phân biệt giữa RNA và DNA để chỉ ra cách chuyển đổi từ các hệ gen này.
3. Theo bạn, AND hay ARN có khả năng xuất hiện trước trong quá trình tiến hoá? Những bằng
chứng nào có thể ủng hộ giả thuyết mà bạn đã đưa ra?
4. Các nhà khoa học nhận thấy chỉ khoảng 1,5% số nuclêôtit trong hệ gen người tham gia vào
việc mã hoá các chuỗi pôlipeptit. Theo em số nuclêôtit còn lại có thể giữ vai trò gì ? (Đề thi chọn
đội tuyển Olympic sinh học quốc tế 2006).
5. Các số liệu rút ra từ việc so sánh giữa các protein của 2 loài giúp giải thích ra sao về mối quan
hệ tiến hoá giữa chúng?
6. Theo các số liệu ước tính hiện nay, hệ gene người chứa khoảng 20.500 gene. Tuy vậy, có bằng
chứng cho thấy các tế bào người có thể sản sinh nhiều hơn 20.500 loại chuỗi polypeptide khác
nhau. Những quúa trình nào có thể giúp giải thích cho sự không nhất quán này?
7. Nêu vai trò của intron trong cấu trúc gen phân mảnh. Những thay đổi nào trong trình tự các
nucleotit ở vùng intron có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho cơ thể sinh vật?
8. Các nhà khoa học cho rằng một số intron có chức năng điều hoà hoạt động gen theo một trong
2 cách sau đây: (1) intron của gen trực tiếp tham gia điều hoà hoạt động gen và (2) intron trong
ARN sơ cấp tham gia điều hoà hoạt động gen. Hãy giải thích cơ chế điều hoà hoạt động gen của
intron trong 2 cách nêu trên.
(Đề thi chọn đội tuyển Olympic sinh học quốc tế 2012)
9. Liệt kê những cách thức mà hệ gen của con người khác với của tinh tinh. Các giải thích di
truyền có khả năng cho sự khác biệt quan trọng giữa các thuộc tính sinh học của con người và
tinh tinh là gì?

Dạng 2. Các cơ chế tiến hoá của hệ gen
1. Ví dụ minh hoạ
Ví dụ 1: Hãy nêu ba ví dụ về các lỗi xảy ra trong các quá trình của tế bào có thể dẫn đến hiện
tượng lặp đoạn DNA?

Hướng dẫn:
Nếu sai sót xảy ra trong giảm phân, hai bản sao của cũng hệ gene được khu trú trong một

tế bào duy nhất. Các lỗi xả ra trong quá trình trao đổi chéo ở giảm phân có thể dẫn đến một đoạn
DNA bị lặp lại trong khi một đoạn khác có thể bị mất đi. Trong quá trình sao chép DNA, hiện
tượng trượt ngược chiều mạch khuôn có thể dấn tới lặp đoạn DNA.

Ví dụ 2: Trình bày tóm tắt ba cách mà các yếu tố vận động được cho là đã góp phần vào sự tiến
hóa của hệ gene?

Hướng dẫn:
Các yếu tố di truyền vận động có trình tự tương đồng phân tán khắp hệ gene tạo điều kiện

cho sự tái tổ hợp có thể xảy ra giữa các nhiễm sắc thể khác nhau (không tương đồng). Sự vận
động của các yếu tố này vào các vùng tình tự điều hòa hay mã hóa của gene có thể làm thay đổi
sự biểu hiện gene. Các yếu tố di truyền vận động có thể mang theo các gene, dẫn đến sự phát tán
mới cảu các gene và trong một số trường hợp dẫn đến kiểu biểu hiện mới của chúng. Nếu các yếu
tố di truyền vận động vận chuyển theo exon và cài nó vào một gene, thì có thể bổ sung thêm một
miền chức năng mới vào phân tử protein gốc ban đầu; đây là một kiểu xáo exon.

2. Bài tập tự giải
1. Mô tả cách thức hình thành của một thể tự đa bội có thể dẫn đến sự gia tăng số lượng gen.
2. Những dấu hiệu nào cho thấy đang có sự trùng lặp mà bộ gen đã được quan trọng trong lịch sử

56

tiến hóa của bộ gen ngày nay?
3. Sử dụng sơ đồ, phân biệt giữa bốn quá trình mà có thể dẫn đến trùng lặp gen.
4. Giải thích làm thế nào các gen họ globin cho thấy tầm quan trọng của việc sao chép gen trong
quá trình tiến hóa hệ gen.
5. Thảo luận về tác động của việc sao chép gen và sự tiến hóa của các gen homeotic của sinh vật
nhân thực.
6. Giải thích bằng cách nào nhiều exon có thể xuất hiện trong các gene EGF tiền thân và

fibronectin?
7. Năm 2005, các nhà khoa học Iceland công bố tìm thấy một đảo đoạn lớn trên nhiẽm sắc thể ở
20% sơ người Bắc Âu, và họ nhấn mạnh rằng những người phụ nữ Iceland mang đảo đoạn này có
nhiều con hơn đáng kể so vỡi những người không mang đảo đoạn này. Tần số của đảo đoạn này
trong quần thể người Iceland ở các thế hệ tương lai được mong đợi sẽ như thế nào?
8. Các nhà khoa học đã đề xuất hai giả thuyết về sự hình thành gen mới trong quá trình tiến hóa
như sau: Theo giả thuyết 1, gen mới được hình thành qua tái tổ hợp các exon của các gen đã có
trước; giả thuyết 2 cho rằng một gen được lặp lại thành 2 hoặc nhiều bản sao, sau đó các bản sao
bị đột biến điểm phân hóa có thể dẫn đến hình thành gen mới. Để tìm hiểu xem hai gen A và B
(có chức năng khác nhau) ở các loài khác nhau có được tiến hóa theo giả thuyết 1 hay giả thuyết
2, người ta đã nghiên cứu sản phẩm protein của chúng ở các loài khác nhau. Hãy cho biết kết quả
nghiên cứu như thế nào thì ủng hộ cho giả thuyết 1 và kết quả nghiên cứu như thế nào thì ủng hộ
cho giả thuyết 2.
(Đề thi chọn đội tuyển Olympic sinh học quốc tế 2011)
9. a) Hoạt động của yếu tố di truyền vận động tác động đến hệ gen của sinh vật nhân thực như thế

nào?
b) Nêu sự khác biệt về hậu quả đột biến đối với cơ thể động vật khi một yếu tố di truyền vận
động chèn vào vùng điều hoà ở đầu một gen cấu trúc qui định một protein được biểu hiện ở giai
đoạn phát triển phôi với trường hợp đột biến do yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng mã hoá
của gen cấu trúc đó.

(Đề thi chọn đội tuyển Olympic sinh học quốc tế 2012)
10. Các nhà khoa học cho rằng một số intron có chức năng điều hoà hoạt động gen theo một
trong 2 cách sau đây: (1) intron của gen trực tiếp tham gia điều hoà hoạt động gen và (2) intron
trong ARN sơ cấp tham gia điều hoà hoạt động gen. Hãy giải thích cơ chế điều hoà hoạt động gen
của intron trong 2 cách nêu trên.
(Đề thi chọn đội tuyển Olympic sinh học quốc tế 2012)
11. Tại sao lặp gen là một cơ chế phổ biến trong quá trình tiến hoá dẫn đến sự hình thành một gen
có chức năng mới ? Từ một vùng không mã hoá của hệ gen, hãy chỉ ra một cách khác cũng có thể
dẫn đến sự hình thành một gen mới.
12. Bảng sau đây cho biết sự giống nhau về trình tự axit amin giữa các prôtêin globin ở người :

Các loại  –  Các loại  – globin Các loại  – globin ε
globin ξ γ 37
 — 58 37
Các loại  – 58 — 42 39 75
globin  80
γ 42 34 34 38 —
ε — 73
39 38 73 —

37 37 75 80

57

Giả sử các gen mã hoá cho  – globin và các gen mã hoá cho  – globin đều được tiến
hoá từ gen globin "tổ tiên" duy nhất, hãy giải thích cơ chế hình thành các gen đó.
(Cho biết các gen mã hoá cho  – globin phân bố trên NST số 16, các gen mã hoá cho  – globin
phân bố trên NST số 11)

Dạng 3. Các phương pháp nghiên cứu tiến hoá hệ gen
1. Ví dụ minh hoạ
Ví dụ 1: Bản đồ gene liên kết và bản đồ vật lý của một nhiễm sắc thể khác nhau cơ bản ở đặc
điểm gì?

Hướng dẫn:
Trên bản đồ liên kết, trật tự của các gene và các dấu chuẩn (matket) khác được ắp xếp

tương đối so với nhau, song chỉ có khảng cách tương đối giữa chúng được xác định . Trên bản đồ
vậ lý, khoảng cách thực sự giữa các dấu chuẩn, biểu diễn bởi số cặp base (bp) được xác định.

Ví dụ 2: Xét tổng thể, phương pháp lập bản đồ hệ gene trong Dự án Hệ gene Người và phương
pháp giải trình tự ngẫu nhiên toàn hệ gene khác nhau như thế nào?

Hướng dẫn:
Phương pháp lập bản đồ ba giai đoạn được sử dụng trong các dự án hệ gene lập bản đồ

vật lý sau đó giải trình tự các đoạn DNA ngắn , gối lên nhau vố đã được xác lập trật tự tương đối
trước đó . Phương pháp giải trình tự ngẫu nhiên toàn hệ gene (whole-geneome shortgun) bỏ qua
các bước lập bản đồ liên kết và lập bản đồ vật lý; thay vào đó người ta tiến hành giải trình tự các
phân đoạn DNA ngắn được tảo ra bới nhiều enzyme giới hạn khác nhau, rồi sử dụng chương
trình máy tính để sắp xếp trật tự các phân đoạn dựa trên các vùng trình tự gối lên nhau của chúng.

2. Bài tập tự giải
1. Giả sử bạn quyết định tiến hành giải trình tự hệ gene của một loài chuột đồng, vốn là một loài
có quan hệ gần gũi với loài chuột thí nghiệm có trình tự hệ gene đã được xác định hoàn toàn. Tại
sao trình tự hệ gene chuột thí nghiệm đã biết đưa bạn đến quyết định chọn phương pháp giải trình
tự ngẫu nhiên toàn hệ gene thay cho phương pháp ba giai đoạn?
2. Hãy giải thích ưu thế của các nghiên cứu theo hướng sinh học hệ thống khi tìm hiểu về ung thư
với phương pháp nghiên cứu độc lập từng gene vào mỗi thời điểm.
3. (Điều gì nếu) Giả sử bạn đang dùng một phương pháp nghiên cứu di truyền kinh điển để tìm
hiểu một tín trạng ở ruồi Drosophila. Cụ thể, bạn đã gây đột biến ở ruồi và chọn lọc ra được các
cá thể có kiểu hình mà bạn quan tâm. Giả thiết bạn cũng có thể dử dụng các công cụ sinh học
phân tử để thu được vùng DNA mang đột biến. Bạn sẽ tiếp tục phaan tích đột biến đó như thế nào
để có thể xác định được cách mà nó liên quan đến kiểu hình bạn quan tâm?
4. So sánh các hệ gen có thể cho chúng ta biết được điều gì?
5. Các trình tự ADN được gọi là homeobox, giúp các gen điều khiển sự phát triển ở động vật có
thể điều phối quá trình phát triển, rất giống nhau ở ruooid và chuột. Hãy giải thích tại sao mặc dù
có sự giống nhau này, nhưng hình thái của các động vật này là rất khác nhau.

PHẦN 6

58

B. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

Câu 1. Bảng dưới đây cho thấy kích thước hệ gen và số lượng gen (tính trung bình) trên 1 triệu
cặp nuclêôtit trong hệ gen ở các sinh vật khác nhau. Bảng số liệu này nói lên điều gì? Giải thích.

Loài sinh vật Kích thước hệ gen Số lượng gen trung bình

Vi khuẩn H. influenzae 1,8 950

Nấm men 12 500

Ruồi giấm 180 100

Người 3200 10

Câu 2. Các quá trình tiến hóa nào có thể giải thích cho việc hệ gen ở sinh vật nhân sơ nhỏ hơn
sinh vật nhân thực?

Câu 3. Đặc điểm của hệ gen ở động vật có vú làm chúng trở nên lớn hơn hệ gen ở sinh vật nhân
sơ?

Câu 4. Theo các số liệu ước tính hiện nay, hệ gen người chứa khoảng 20500 gen. Tuy vậy có
những bằng chứng cho thấy hệ gen người có thể sản sinh nhiều hơn 20500 loại chuỗi polipeptit
khác nhau. Những quá trình nào có thể giúp giải thích sự không nhất quán này?

Câu 5. Quá trình tiến hóa tạo ra gen có chức năng mới có thể được hình thành theo những cách
nào?

Câu 6.

a. Hoạt động của yếu tố di truyền vận động có tác động đến hệ gen của sinh vật nhân thực như
thế nào?

b. Nêu sự khác biệt về hậu quả đột biến đối với cơ thể động vật khi một yếu tố di truyền vận động
chèn vào vùng điều hoà ở đầu một gen cấu trúc qui định một protein được biểu hiện ở giai đoạn
phát triển phôi với trường hợp đột biến do yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng mã hoá của
gen cấu trúc đó.

Câu 7. Gen giả được hình thành bằng những con đường nào? Gen giả có vai trò gì trong tiến hoá
hệ gen?

Câu 8. Tại sao trong quá trình tiến hóa, có những gen bảo thủ, có những gen biến đổi nhanh?

Câu 9.

a. Trong hệ gen của người, bên cạnh các gen cấu trúc bình thường còn có các gen được gọi là gen
giả. Gen giả về cơ bản có trình tự nuclêôtit giống với gen bình thường nhưng lại không bao giờ

59

được phiên mã. Hãy cho biết gen giả được hình thành trong qúa trình tiến hóa từ gen bình thường
bằng cách nào?

b. Tại sao lặp gen là một cơ chế phổ biến trong quá trình tiến hoá dẫn đến sự hình thành một gen
có chức năng mới? Từ một vùng không mã hoá của hệ gen, hãy chỉ ra một cách khác cũng có thể
dẫn đến sự hình thành một gen mới.

Câu 10. Các intron, yếu tố di truyền vận động và sự lặp lại đơn giản phân bố trong hệ gen khác
nhau như thế nào?

Câu 11. Tại sao rARN 16S là công cụ lý tưởng cho xác định mối quan hệ giữa các chủng loại
prokaryot?

Câu 12. Các nhà khoa học đã đề xuất hai giả thuyết về sự hình thành gen mới trong quá trình tiến
hóa như sau: Theo giả thuyết 1, gen mới được hình thành qua tái tổ hợp các exon của các gen đã
có trước; giả thuyết 2 cho rằng một gen được lặp lại thành 2 hoặc nhiều bản sao, sau đó các bản
sao bị đột biến điểm phân hóa có thể dẫn đến hình thành gen mới. Để tìm hiểu xem hai gen A và
B (có chức năng khác nhau) ở các loài khác nhau có được tiến hóa theo giả thuyết 1 hay giả
thuyết 2, người ta đã nghiên cứu sản phẩm protein của chúng ở các loài khác nhau. Hãy cho biết
kết quả nghiên cứu như thế nào thì ủng hộ cho giả thuyết 1 và kết quả nghiên cứu như thế nào thì
ủng hộ cho giả thuyết 2.

Câu 13. Hãy mô tả tóm tắt cơ chế và ý nghĩa của các dạng đột biến có ảnh hưởng đến tiến hóa?

Câu 14. Tốc độ tiến hóa giữa gen trong nhân và gen trong ti thể khác nhau như thế nào?

Câu 15. Sự khác nhau trong cấu trúc họ gen mã hóa cho rARN và mã hóa cho các protein globin
ở người. Với mỗi họ gen giải thích lợi thế của sự tồn tại cấu trúc kiểu họ gen đối với sinh vật?

Câu 16.

a. Trình bày 3 ví dụ về các lỗi xảy ra trong các quá trình của tế bào có thể dẫn đến lặp đoạn
ADN?

b. Ba cách mà yếu tố di động được coi là góp phần vào sự tiến hóa hệ gen?

Câu 17. Các trình tự AND được gọi là các homebox, giúp các gen điều khiển phát triển ở động
vật có thể điều phối quá trình phát triển. Hãy giải thích

a. Tại sao những gen mang vùng homebox có tính bảo thủ cao trong tiến hóa?

b. Tại sao ở những gen này có vùng trình tự homebox giống nhau nhưng hình thái của chúng rất
khác nhau?

Câu 18.

a. Giải thích tại sao các gen có tốc độ tiến hóa khác nhau

b. Giải thích tại sao nói không phải mọi biến đổi intron đều vượt qua hàng rào chọn lọc tự nhiên?

c. Giải thích tại sao các vùng trên gen có tốc độ tiến hóa khác nhau?

Câu 19.

60

a. Có một thể đột biến ở cây ngô do hỏng một gen duy nhất làm cho hạt ngô nảy mầm ngay trên
bắp. Hãy cho biết sản phẩm của gen đó là gì?

b. Loại đột biến nào chỉ ảnh hưởng đến thành phần của 1 bộ ba mã hóa. Đột biến đó xảy ra ở vị
trí nào trong gen cấu trúc có ảnh hưởng nghiêm trọng tới quá trình dịch mã?

Câu 20.

a. Trong quá trình tự nhân đôi ADN, sự lắp ráp nhầm các nu cũng có thể dẫn tới đột biến gen.
Trong quá trình phiên mã cũng vậy, sự lắp ráp nhầm các nu cũng có thể tạo ra mARN đột biến.
Tại sao những sai sót trong quá trình phiên mã như vậy lại ít gây hại cho cơ thể sinh vật?

b. Tỉ lệ (%) nucleotit khác nhau giữa 5 đoạn ADN có độ dài bằng nhau của 5 loài được cho trong
bảng dưới đây

Loài A B C DE

A 0%

B 8% 0%

C 8% 6% 0%

D 4% 10 % 10 % 0%

E 7% 3% 5% 9% 0%

Nguyên tắc xây dựng cây phát sinh chủng loại UPGMA
- Dựa trên nguyên lý các loài/ nhóm càng gần gũi thì chỉ số khác biệt nhỏ.
- Nguyên tắc kết cặp: trong một bảng số liệu, ta kết cặp hai loài/ nhóm có số khác biệt ít nhất vào
thành một nhóm lớn hơn, khi đó xuất hiện một nhóm mới trong bảng và các số liệu phải sửa lại.
- Khi xuất hiện một nhóm mới, ví dụ (A, C) thì khoảng cách giữa D đến (A, C) được tính là trung
bình khoảng cách từ D đến A và từ D đến C.
Dựa trên nguyên tắc này, hãy thiết lập sơ đồ cây phát sinh chủng loại của 5 loài trên và chú thích
khoảng cách tương đối trên sơ đồ.

C. HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

Câu 1. Bảng dưới đây cho thấy kích thước hệ gen và số lượng gen (tính trung bình) trên 1 triệu
cặp nuclêôtit trong hệ gen ở các sinh vật khác nhau. Bảng số liệu này nói lên điều gì? Giải thích.

Loài sinh vật Kích thước hệ gen Số lượng gen trung bình

Vi khuẩn H. influenzae 1,8 950

61

Nấm men 12 500
Ruồi giấm 180 100
Người 3200 10

Hướng dẫn trả lời:

Bảng số liệu cho ta thấy:

- Kích thước hệ gen tăng dần theo mức độ phức tạp về tổ chức của cơ thể sinh vật.

- Số lượng gen trung bình trên 1 triệu nucleôtit của hệ gen giảm dần từ sinh vật nhân sơ đến
sinh vật nhân thực đơn giản (nấm men). Các loài động vật có cấu tạo càng phức tạp (như con
người) càng có số lượng gen trung bình trên 1 triệu nucleotit càng thấp.

- Hệ gen của sinh vật có cấu trúc càng phức tạp thì càng có nhiều nu không làm nhiệm vụ mã
hoá cho các prôtêin. Sở dĩ có sự khác biệt này là do:

+/ Cơ thể càng có cấu tạo phức tạp thì càng cần có nhiều gen mã hoá cho các prôtêin khác nhau
nên làm tăng kích thước hệ gen. Tuy nhiên ở sinh vật bậc cao có tồn tại nhiều trình tự nucleotit
lặp lại ở giữa các gen, trong các intron, các gen giả…

+/ Các loài vi khuẩn không có gen phân mảnh và không có hiện tượng lặp gen.

+/ Các sinh vật nhân thực càng có cấu tạo phức tạp thì gen của chúng càng có nhiều intron. Chỉ
rất ít các gen của nấm men chứa intron. Gen của người đều có từ vài tới nhiều intron.

+/ Số lượng gen không tỷ lệ thuận với kích thước hệ gen vì sinh vật có cấu tạo cơ thể có gen phân
mảnh nên một gen có thể quy định nhiều prôtêin khác nhau do việc cắt nối mARN theo các cách
khác nhau.

+/ Do có gen phân mảnh nên trong quá trình hoạt động, các exon có thể được sắp

Câu 2. Các quá trình tiến hóa nào có thể giải thích cho việc hệ gen ở sinh vật nhân sơ nhỏ hơn
sinh vật nhân thực?

Hướng dẫn trả lời:

Sinh vật nhân sơ có kích thước nhỏ hơn tế bào sinh vật nhân thực và chúng sinh sản bằng hình
thức trực phân. Quá trình tiến hóa liên quan đến CLTN ưu tiên các TB sính sản nhanh hơn, các
TB càng tái bản nhiều thì phân chia càng nhanh thì càng có nhiều ưu thế trong quần thể sinh vật
nhân sơ. Lượng AND cần phải sao chép ngày càng ít, chúng sinh sản càng nhanh.

Câu 3. Đặc điểm của hệ gen ở động vật có vú làm chúng trở nên lớn hơn hệ gen ở sinh vật nhân
sơ?

Hướng dẫn trả lời:

62

Số lượng gen ở ĐVCV cao hơn và tỷ lệ AND không mã hóa lớn hơn. Ngoài ra sự có mặt của các
intron làm cho kích thước hệ gen của ĐVCV dài hơn so với sinh vật nhân sơ.

Câu 4. Theo các số liệu ước tính hiện nay, hệ gen người chứa khoảng 20500 gen. Tuy vậy có
những bằng chứng cho thấy hệ gen người có thể sản sinh nhiều hơn 20500 loại chuỗi polipeptit
khác nhau. Những quá trình nào có thể giúp giải thích sự không nhất quán này?

Hướng dẫn trả lời:

Do quá trình cắt intron và nối các exon hình thành mARN trưởng thành

Câu 5. Quá trình tiến hóa tạo ra gen có chức năng mới có thể được hình thành theo những cách
nào?

Hướng dẫn trả lời: Sự tiến hóa tạo ra gen có chức năng mới có thể được hình thành theo những
cách thức sau:

- Đột biến gen: Mỗi lần đột biến gen làm xuất hiện alen mới với chức năng mới. Theo thời
gian các alen cũ và mới lại tiếp tục phát sinh đột biến tạo nên các alen mới với các chức năng
mới, nhờ đó tạo ra hiện tượng dãy alen. Qua chọn lọc, các alen mới có giá trị phù hợp với hoàn
cảnh sống được chọn lọc bảo tồn trở thành gen có chức năng mới. Một vùng trong hệ gen vốn
không mã hóa tích lũy các đột biến trở thành gen có chức năng với ưu thế chọn lọc nào đó được
chọn lọc tự nhiên bảo tồn.

- Lặp gen kèm theo đột biến gen:

+ Các gen mới được hình thành qua đột biến từ các bản sao của các gen có sẵn do lặp gen tạo
ra. Các gen lặp tích lũy các đột biến, đặc biệt là các đột biến thay thế có lợi được chọn lọc tăng
cường trở thành gen mới.

+ Sự lặp gen có thể được tạo thành do trao đổi chéo không cân của cặp nhiễm sắc thể tương
đồng xảy ra ở kì đầu giảm phân 1 đưa đến lặp đoạn ở nhiễm sắc thể, do đó đưa đến lặp gen. Lặp
gen còn có thể xảy ra do hiện tượng “trượt” trong tái bản ADN do mạch làm khuôn xê dịch so
với mạch tương đồng mới được tổng hợp hoặc một phần của mạch làm khuôn được dùng làm
khuôn 2 lần, vì vậy một đoạn AND bị lặp lại.

- Lặp và xáo trộn êxôn:

+ Giống như quá trình trao đổi chéo không cân ở cặp nhiễm sắc thể tương đồng, một êxôn
nhất định trong gen có thể lặp lại trên một nhiễm sắc thể này, song lại mất đi trên một nhiễm sắc
thể kia. Loại prôtêin do gen mang các êxôn lặp lại mã hóa chứa hai bản sao của một miền prôtêin
làm tăng cường sự biểu hiện chức năng của prôtêin nếu prôtêin này trở nên ổn định hơn

+ Sự kết cặp và đôi khi phối trộn giữa các êxôn khác nhau của cùng một gen hoặc giữa 2 gen
không alen với nhau do các lỗi tái tổ hợp trong quá trình giảm phân, có thể dẫn đến sự hình thành
những prôtêin mới với những chức năng mới.

- Tác động của yếu tố di truyền vận động:

+ Yếu tố di truyền vận động khi di chuyển có thể mang theo một hoặc vài êxôn nằm ở vùng
lân cận đến cài vào intron của gen khác, tạo ra một tổ hợp êxôn mới có thể dẫn đến hình thành
gen mới.

63

+ Yếu tố di truyền vận động có thể tạo ra các trình tự nuclêôtit giống nhau nằm trên cùng cặp
nhiễm sắc thể tương đồng cung cấp các vị trí dễ xảy ra trao đổi chéo dẫn đến tái tổ hợp các êxôn
có thể dẫn đến hình thành các gen mới. Sự trao đổi chéo không cân dẫn đến hiện tượng lặp gen,
sau đó nhờ các đột biến điểm phát sinh và phân hóa các bản sao để tạo ra gen mới.

Câu 6.

a) Hoạt động của yếu tố di truyền vận động có tác động đến hệ gen của sinh vật nhân thực như
thế nào?

b) Nêu sự khác biệt về hậu quả đột biến đối với cơ thể động vật khi một yếu tố di truyền vận
động chèn vào vùng điều hoà ở đầu một gen cấu trúc qui định một protein được biểu hiện ở giai
đoạn phát triển phôi với trường hợp đột biến do yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng mã hoá
của gen cấu trúc đó.

Hướng dẫn trả lời:

a) Hoạt động của yếu tố di động tác động lên hệ gen sinh vật nhân thực:

- Yếu tố di truyền vận động có thể làm tăng số lượng bản sao của chúng nằm rải rác trong hệ gen
cung cấp các vị trí xảy ra tái tổ hợp tương đồng dẫn đến các đột biến tái cấu trúc nhiễm sắc thể,
tái tổ hợp các exon.

- Yếu tố di truyền vận động khi di chuyển (xen vào vùng mã hóa của 1 gen cấu trúc hoặc xen vào
gen điều hòa) có thể gây ra các đột biến gen gây ra các sản phẩm bất thường của gen hoặc gây sai
sót trong biểu hiện của những gen nhất định (gen biểu hiện nhầm thời điểm, nhầm vị trí, hoặc
biểu hiện quá mức khi chèn vào vùng điều hoà của gen).

- Yếu tố di truyền vận động cũng có thể chuyển các gen bình thường hoặc mang theo một vài
exon từ vị trí này sang vị trí khác trong hệ gen ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen. Nếu yếu tố di
động có thể mang theo một exon và cài vào 1 gen nó có thể bổ sung thêm một miền chức năng
mới vào phân tử pr gốc ban đầu.

b) Khác biệt:

- Khi yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng mã hoá của một gen qui định tổng hợp chuỗi
polypeptit thì chỉ gây ra sản phẩm bất thường hoặc không tạo ra sản phẩm và chỉ ảnh hưởng tới
một số ít tính trạng.

- Khi yếu tố di truyền vận động chèn vào giữa vùng điều hoà có thể gây nên hậu quả nghiêm
trọng do nó làm cho gen biểu hiện nhầm thời điểm hoặc nhầm vị trí dẫn đến quái thai hoặc gây
chết. Vì vậy hậu quả gây ra trong trường hợp này sẽ nguy hiểm hơn so với đột biến ở vùng cấu
trúc, đặc biệt là đối với gen điều hoà mà sản phẩm của nó điều hoà hoạt động của hàng loạt gen
khác.

Câu 7. Gen giả được hình thành bằng những con đường nào? Gen giả có vai trò gì trong tiến hoá
hệ gen?

Hướng dẫn trả lời:

64

- Gen giả (pseudogene) là những gen cấu trúc giống như gen thực nhưng không được phiên mã
hay trình tự bazơ của chúng có những sai sót làm cho chúng không có khả năng chứa những
thông tin sinh học hữu ích.

- Cơ chế hình thành gen giả:

+ Do trao đổi chéo không cân dẫn đến lặp đoạn → lặp gen, sau đó là do đột biến gen đặc biệt là
đột biến ở promoter → gen giả.
+ Do quá trình phiên mã ngược từ mARN trong tế bào chất thành gen sau đó gen này xen cài
vào nhiễm sắc thể → gen giả gia công.
+ Do quá trình dịch khung trong tái bản ADN dẫn đến lặp gen, sau đó phát sinh đột biến đặc biệt
là đột biến ở promoter → gen giả.

- Vai trò của gen giả trong tiến hoá hệ gen: Gen giả không chịu áp lực chọn lọc nên dễ dàng tích
luỹ đột biến và khi có cơ hội sẽ trở lại hoạt động và cung cấp nguyên liệu cho tiến hoá.

Câu 8. Tại sao trong quá trình tiến hóa, có những gen bảo thủ, có những gen biến đổi nhanh?

Hướng dẫn trả lời:

Trong quá trình tiến hóa, có những gen bảo thủ, có những gen biến đổi nhanh:

- Gen quan trọng là gen mã hóa cho sản phẩm protein có vai trò quan trọng với cơ thể → tốc độ
biến đổi càng chậm. Gen ít quan trọng → tốc độ biến đổi nhanh. Một số gen biến đổi nhanh còn
do trên gen có nhiều điểm nóng (dễ đột biến)

- Gen giả, vùng intron của gen không mã hóa cho các aa. Khi đột biến xảy ra nó không biểu hiện
ra kiểu hình nên không bị CLTN đào thải. Chúng chỉ bị đào thải bới các yếu tố ngẫu nhiên (phụ
thuộc thời gian và tần số của alen ban đầu). Tỷ lệ này thấp nên tốc độ biến đổi nhanh.

- Vùng exon mã hóa cho các aa. Khi đột biến sẽ biểu hiện ra kiểu hình, chúng sẽ bị CLTN đào
thải nếu có hại. Thông thường đột biến ở exon thường gây hại co bản thân sinh vật, nên chịu tác
động mạnh của chọn lọc tự nhiên → tốc độ biến đổi chậm.

Câu 9.

a. Trong hệ gen của người, bên cạnh các gen cấu trúc bình thường còn có các gen được gọi là gen
giả. Gen giả về cơ bản có trình tự nuclêôtit giống với gen bình thường nhưng lại không bao giờ
được phiên mã. Hãy cho biết gen giả được hình thành trong qúa trình tiến hóa từ gen bình thường
bằng cách nào?

b. Tại sao lặp gen là một cơ chế phổ biến trong quá trình tiến hoá dẫn đến sự hình thành một gen
có chức năng mới? Từ một vùng không mã hoá của hệ gen, hãy chỉ ra một cách khác cũng có thể
dẫn đến sự hình thành một gen mới.

Hướng dẫn trả lời:

a. Đầu tiên trao đổi chéo không cân dẫn đến hiện tượng lặp gen, sau đó đột biến xảy ra làm mất
hoặc hỏng đoạn promoter khiến cho ARN pôlimeraza không thể phiên mã gen này được mặc dù
trình tự mã hoá của gen vẫn bình thường. Cũng có thể trong quá trình trao đổi chéo không cân,
gen được lặp lại bị mất đoạn promoter nên thành gen giả.

65

b. Lặp gen dẫn đến sự có mặt nhiều bản sao của cùng một gen trong hệ gen. Do gen gốc vẫn tồn
tại nên không bị tác động của chọn lọc tự nhiên, nhờ vậy các bản sao của gen có thể tự do tích luỹ
các đột biến. Sự tích luỹ dần các đột biến ở các bản sao của gen có thể dẫn đến sự hình thành các
gen có chức năng mới.

- Một cách khác là sự tích luỹ các đột biến trong vùng không mã hoá của hệ gen có thể chuyển
vùng không mã hoá thành vùng mã hoá, dẫn đến sự hình thành một gen mới.

Câu 10. Các intron, yếu tố di truyền vận động và sự lặp lại đơn giản phân bố trong hệ gen khác
nhau như thế nào?

Hướng dẫn trả lời:

- Intron nằm rải rác trong các trình tự mã hóa của gen

- Nhiều bản sao của yếu tố di truyền vận động phân tán khắp hệ gen

- Các trình tự AND lặp lạu đơn giản phân bố chủ yếu ở tâm động và trình tự đầu mút của NST
hoặc kết cụm ở vị trí khác trong hệ gen.

Câu 11. Tại sao rARN 16S là công cụ lý tưởng cho xác định mối quan hệ giữa các chủng loại
prokaryot?

Hướng dẫn trả lời:

rARN 16S là công cụ lý tưởng cho xác định mối quan hệ giữa các chủng loại prokaryot nhờ các
ưu thế:

- Trình tự nu của rARN này biến đổi rất chậm trong tiến hóa

- rARN này hiện diện trong tất cả các sinh vật trên trái đất

- rARN là một cấu phần của bộ máy sinh tổng hợp protein và được tạo ra từ một gen

Câu 12. Các nhà khoa học đã đề xuất hai giả thuyết về sự hình thành gen mới trong quá trình tiến
hóa như sau: Theo giả thuyết 1, gen mới được hình thành qua tái tổ hợp các exon của các gen đã
có trước; giả thuyết 2 cho rằng một gen được lặp lại thành 2 hoặc nhiều bản sao, sau đó các bản
sao bị đột biến điểm phân hóa có thể dẫn đến hình thành gen mới. Để tìm hiểu xem hai gen A và
B (có chức năng khác nhau) ở các loài khác nhau có được tiến hóa theo giả thuyết 1 hay giả
thuyết 2, người ta đã nghiên cứu sản phẩm protein của chúng ở các loài khác nhau. Hãy cho biết
kết quả nghiên cứu như thế nào thì ủng hộ cho giả thuyết 1 và kết quả nghiên cứu như thế nào thì
ủng hộ cho giả thuyết 2.

Hướng dẫn trả lời:

- Nếu các protein do các gen A và B mã hóa có những đoạn trình tự axit amin nhất định giống
nhau thì chứng tỏ trình tự đó được qui định bởi các exon giống nhau và do vậy ủng hộ giả thuyết
tái tổ hợp lại các exon.

- Nếu trình tự các axit amin trên toàn bộ chuỗi polipeptit về cơ bản là giống nhau và chỉ khác
nhau ở một số vị trí thì ủng hộ cách 2.

Câu 13. Hãy mô tả tóm tắt cơ chế và ý nghĩa của các dạng đột biến có ảnh hưởng đến tiến hóa?

66

Hướng dẫn trả lời:

- Đột biến gen

- Đột biến NST: đột biến lặp đoạn, đảo đoạn, chuyển đoạn, đa bội

- Lặp gen và xáo trộn Exon,

- Tác động của yếu tố di truyền vận động

Ở mỗi dạng thì nêu nguyên nhân, cơ chế, ý nghĩa

Câu 14. Tốc độ tiến hóa giữa gen trong nhân và gen trong ti thể khác nhau như thế nào?

Gen trong ti thể > gen trong nhân. Giải thích?

Hướng dẫn trả lời:

- Hệ gen của ty thể nhân đôi nhiều lần trong một chu kỳ tế bào --> tần số đột biến cao hơn

- Gen TBC ít chịu áp lực của CLTN hơn ADN nhân vì trong tế bào có rất nhiều ti thể, đột biến ở
một vài ti thể cũng không gây ảnh hưởng nghiêm trọng. Mặt khác, gen ti thể chỉ mã hóa các sản
phẩm cho ti thể, còn gen trong nhân tham gia mã hóa các đặc điểm của toàn tế bào, do vậy nếu
đột biến sẽ nghiêm trọng hơn vì vậy, tốc độ tiến hóa gen nhân thấp hơn

- Ti thể là nơi xảy ra quá trình trao đổi chất mạnh --> Sinh ra nhiều gốc tự do chứa nước do vậy
tác động đến hệ gen ti thể gây đột biến

- Gen trong ty thể có nhiều bản sao --> tốc độ tiến hóa cao hơn

- AND tế bào chất dạng vòng, trần, không liên kết với histon, không được bảo vệ bởi màng nhân
và hệ thống E sửa sai --> sai sót nhiều.

Câu 15. Sự khác nhau trong cấu trúc họ gen mã hóa cho rARN và mã hóa cho các protein globin
ở người. Với mỗi họ gen giải thích lợi thế của sự tồn tại cấu trúc kiểu họ gen đối với sinh vật?

Họ gen mã hóa rARN Họ gen mã hóa Globin

+ Các đơn vị phiên mã giống hệt nhau của 3 + Gồm một số số gen không hoàn toàn giống
loại ARN xếp liền kề thành chuỗi dài lặp lại nhau về trình tự nu mã hóa chuỗi Polypeptit
liên tục. Gen mã hóa có hơn 200 bản sao lặp lại (mỗi polipeptit Globin chỉ khác nhau vài aa).
liên tiếp-gọi chung là gen Ribosome

+ Phiên mã xong tạo nhiều rARN khác nhau

-Ưu điểm: Lợi thế: Sự khác nhau giữa các loại Pr Globin
do các gen này mã hóa tạo nhiều loại phân tử
+ Tổng hợp đồng bộ các loại rARN khác nhau Hemoglobin phù hợp cho từng giai đoạn phát
cần thiết để tổng hợp nhiều ribosme cho tế bào, triển khác nhau của cơ thể.
đảm bảo sự sinh tổng hợp protein một cách tích
cực.

+ Cách tổ chức thành một đơn vị phiên mã duy
67

nhất giúp duy trì tỷ lệ tương đối các loại rARN
một cách hợp lý.

Câu 16.

a. Trình bày 3 ví dụ về các lỗi xảy ra trong các quá trình của tế bào có thể dẫn đến lặp đoạn
ADN?

b. Ba cách mà yếu tố di động được coi là góp phần vào sự tiến hóa hệ gen?

Hướng dẫn trả lời:

a. 3 lỗi dẫn đến xuất hiện AND lặp lại

- Sai sót trong giảm phân

- Trao đổi chéo không cân ( 1 AND có đoạn lặp, 1 AND có đoạn bị mất)

- Trong sao chép AND có hiện tượng trượt ngược chiều mạch khuôn.

b. 3 cách mà YTDD góp phần tạo nên sự tiến hóa hệ gen

- Yếu tố di truyền vận động có thể làm tăng số lượng bản sao của chúng nằm rải rác trong hệ gen
cung cấp các vị trí xảy ra tái tổ hợp tương đồng dẫn đến các đột biến tái cấu trúc nhiễm sắc thể,
tái tổ hợp các exon.

- Yếu tố di truyền vận động khi di chuyển (xen vào vùng mã hóa của 1 gen cấu trúc hoặc xen vào
gen điều hòa) có thể gây ra các đột biến gen gây ra các sản phẩm bất thường của gen hoặc gây sai
sót trong biểu hiện của những gen nhất định (gen biểu hiện nhầm thời điểm, nhầm vị trí, hoặc
biểu hiện quá mức khi chèn vào vùng điều hoà của gen).

- Yếu tố di truyền vận động cũng có thể chuyển các gen bình thường hoặc mang theo một vài
exon từ vị trí này sang vị trí khác trong hệ gen ảnh hưởng đến sự biểu hiện của gen. Nếu yếu tố di
động có thể mang theo một exon và cài vào 1 gen nó có thể bổ sung thêm một miền chức năng
mới vào phân tử pr gốc ban đầu.

Câu 17. Các trình tự AND được gọi là các homebox, giúp các gen điều khiển phát triển ở động
vật có thể điều phối quá trình phát triển. Hãy giải thích

a. Tại sao những gen mang vùng homebox có tính bảo thủ cao trong tiến hóa?

b. Tại sao ở những gen này có vùng trình tự homebox giống nhau nhưng hình thái của chúng rất
khác nhau?

Hướng dẫn trả lời

b. Các gen điều khiển phát triển khác nhau giữa các loài ở vùng không thuộc trình tự homebox,
những trình tự này xác định moói tương tác giữa các sản phẩm của gen điều khiển với các yếu tố
phiên mã khác và qua đó xác định gen nào được điều hòa bởi các gen điều khiển phát triển. Vì
các trình tự không thuộc homebox của các loài khác nhau đã xác định hình thái khác nhau giữa

các loài.

Câu 18.

68

a. Giải thích tại sao các gen có tốc độ tiến hóa khác nhau
b. Giải thích tại sao nói không phải mọi biến đổi intron đều vượt qua hàng rào chọn lọc tự nhiên?
c. Giải thích tại sao các vùng trên gen có tốc độ tiến hóa khác nhau?
Hướng dẫn trả lời:
a. Các gen có tốc độ tiến hóa khác nhau:
- Tốc độ phát sinh đột biến phụ thuọc vào:

+ Kích thước (chiều dài) của gen
+ Gen càng nhiều G-X thì tần số đột biến càng cao do X đột biến thành U
+ Gen phân mảnh có tốc độ tiến hóa nhanh hơn gen không phân mảnh
- Khả năng hoạt động: Gen nào càng nhân đôi nhiều lần càng dễ phát sinh đột biến --> tốc độ tiến
hóa nhanh

- Vai trò:
+ Gen ít quan trọng --> tiến hóa nhanh hơn
+ Gen có chức năng quan trọng (gen histon không tiến hóa) do khi đột biến ảnh hưởng đến

chức năng sống --> CLTN đào thải --> tiến hóa chậm
+ Gem tiến hóa nhanh nhất là gen giả.

b. Mọi biến đổi intron không phải đều vượt qua chọn lọc tự nhiên do

- KN intron
- Bình thường các biến đổi trong intron không ảnh hưởng đến …..
- Tuy nhiên, một số biến đổi trong intron
+ ĐB intron --> exon, bộ ba kết thúc
+ ĐB ở hai đầu intron --> sai vị trí cắt
+ Intron có enhancer hay inhancer --> thay đổi điều hòa biểu hiện gen đó hoặc gen khác.
+ Intron ở mARN sơ cấp: sản phẩm quá dư thừa --> intron liên kết với promotor của gen đó làm
đóng gen, ngừng phiên mã.

Câu 19.
a. Có một thể đột biến ở cây ngô do hỏng một gen duy nhất làm cho hạt ngô nảy mầm ngay trên
bắp. Hãy cho biết sản phẩm của gen đó là gì?
b. Loại đột biến nào chỉ ảnh hưởng đến thành phần của 1 bộ ba mã hóa. Đột biến đó xảy ra ở vị
trí nào trong gen cấu trúc có ảnh hưởng nghiêm trọng tới quá trình dịch mã?

Hd:
69

a. Gợi ý: SP của gen có thể là polipeptit qui định enzim hoặc ARN.

- Bình thường: hạt không nảy mầm do AAB/GA cao → AAB cao. Khi bị đột biến làm cho hạt
ngô nảy mầm ngay trên bắp (nó không ngủ) (AAB/GA thấp) hay AAB thấp.

- Gen bình thường qui định tổng hợp AAB, khi đột biến làm cho gen không tổng hợp được AAB
hoặc tổng hợp ít AAB → hạt ngô nảy mầm trên bắp.

b. Loại đột biến nào chỉ ảnh hưởng đến thành phần của 1 bộ ba mã hóa. Đột biến đó xảy ra ở vị
trí nào trong gen cấu trúc có ảnh hưởng nghiêm trọng tới quá trình dịch mã?

Loại đột biến gen chỉ ảnh hưởng đến thành phần của một bộ ba mã hóa là đột biến gen dạng thay
thế. Ví dụ: cặp AT thay bằng GX

Đột biến thay thế xảy ra ở mã mở đầu sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng nhất đến quá trình dịch mã, vì
nếu xảy ra ở quá trình này thì quá trình dịch mã không diễn ra.

Câu 20.

a. Trong quá trình tự nhân đôi ADN, sự lắp ráp nhầm các nu cũng có thể dẫn tới đột biến gen.
Trong quá trình phiên mã cũng vậy, sự lắp ráp nhầm các nu cũng có thể tạo ra mARN đột biến.
Tại sao những sai sót trong quá trình phiên mã như vậy lại ít gây hại cho cơ thể sinh vật?

b. Tỉ lệ (%) nucleotit khác nhau giữa 5 đoạn ADN có độ dài bằng nhau của 5 loài được cho trong
bảng dưới đây

Loài A B C DE

A 0%

B 8% 0%

C 8% 6% 0%

D 4% 10 % 10 % 0%

E 7% 3% 5% 9% 0%

Nguyên tắc xây dựng cây phát sinh chủng loại UPGMA
- Dựa trên nguyên lý các loài/ nhóm càng gần gũi thì chỉ số khác biệt nhỏ.
- Nguyên tắc kết cặp: trong một bảng số liệu, ta kết cặp hai loài/ nhóm có số khác biệt ít nhất vào
thành một nhóm lớn hơn, khi đó xuất hiện một nhóm mới trong bảng và các số liệu phải sửa lại.
- Khi xuất hiện một nhóm mới, ví dụ (A, C) thì khoảng cách giữa D đến (A, C) được tính là trung
bình khoảng cách từ D đến A và từ D đến C.
Dựa trên nguyên tắc này, hãy thiết lập sơ đồ cây phát sinh chủng loại của 5 loài trên và chú thích
khoảng cách tương đối trên sơ đồ.
Hướng dẫn chấm:

70

a. Vì quá trình phiên mã thường tạ ra nhiều phân tử mARN, trong số đó mARN đột biến liên tiếp
là rất ít so với bình thường. Do vậy số chuỗi polipetit bị đột biến là rất ít so với số chuỗi bình
thường nên không ảnh hưởng gì mấy đến chức năng nói chung của protein.

b. Tỷ lệ nucleotit khác nhau giữa B và E=3 nhóm B, E gần gũi nhất

Loài A B, E C D

A0

B,E 7,5 % 0

C 8% 5,5% 0

D 4% 9,5% 10% 0

- A, D gần gũi hơn cả xếp A, D vào nhóm thứ 2. [C, (B,E)] xếp vào nhóm thứ 3

Loài A, D B, E C

A, D 0

B,E 8,5 % 0

C 9% 5,5% 0

- Sơ đồ phát sinh chủng loại

PHẦN 7
Vấn đề 1. Nêu hai khác biệt chính giữa một gen cấu trúc điển hình của sinh vật nhân sơ (vi
khuẩn) với một gen điển hình của sinh vật nhân thực.

71

- Gen của sinh vât nhân sơ là gen không phân mảnh, có vùng mã hoá bao gồm toàn trình tự các
nucleotit mã hoá cho các axit amin. Gen của sinh vật nhân thực là phân mảnh, vùng mã hoá bao
gồm các exon và intron (vùng không mã hoá cho các axit amin). Gen của sinh vật nhân thực
thường dài hơn nhiều so với gen của sinh vật nhân sơ.
Vấn đề 2. Cấu trúc của các loại gen này có ý nghĩa gì cho các sinh vật nhân sơ và nhân thực?
- Gen của sinh vật nhân sơ không có các trình tự nucleotit "thừa" (intron), do vậy tiết kiệm được
vật chất di truyền và năng lượng cần cho nhân đôi ADN và trong quá trình phiên mã -dịch mã.
- Do có sự đan xen của các trình tự không mã hóa (intron) với các trình tự mã hóa (exon) nên
thông qua sự cắt bỏ các intron và nối các exon sau khi phiên mã, từ cùng một gen của sinh vật
nhân thực có thể tạo ra các mARN trưởng thành khác nhau, từ đó dịch mã ra các loại chuỗi
polipeptit khác nhau ở những mô khác nhau của cùng một cơ thể. Điều này rất có ý nghĩa với
sinh vật đa bào vì chúng có thể tiết kiệm được thông tin di truyền nhưng vẫn tạo ra được nhiều
loại protein trong cơ thể.
- Intron cũng cung cấp vị trí để tái tổ hợp các exon (trao đổi exon) tạo ra các gen khác nhau từ
một bộ các exon để tạo nên các gen khác nhau trong quá trình biệt hoá tế bào cũng như trong quá
trình tiến hoá tạo nên các gen mới.
c. Tiến hóa được thể hiện trong cách thức tổ chức của gen

Câu hỏi định hướng:
- Tại sao gen ở sinh vật nhân sơ lại có cấu trúc Operon, trong khi đó gen ở sinh vật nhân thực có
xu hướng cấu trúc độc lập?
- Để tạo ra nhiều loại sản phẩm đồng bộ vào cùng một thời điểm, các gen của tế bào nhân thực
có xu hướng cấu trúc như thế nào?

Phương pháp giải quyết vấn đề:
Vấn đề 1. Tại sao gen ở sinh vật nhân sơ lại có cấu trúc Operon, trong khi đó gen ở sinh vật
nhân thực có xu hướng cấu trúc độc lập?

Sinh vật nhân sơ là những sinh vật đơn bào, có cấu tạo đơn giản. Để thích nghi nhanh với
sự thay đổi của môi trường, vi khuẩn có nhiều cách thích nghi như: sinh sản nhanh, vòng đời
ngắn, đa dạng phương thức trao đổi chất và xuất hiện tổ chức Operon trong hệ gen.

Operon là cụm các gen cấu trúc có chức năng liên quan sử dụng chung một vùng điều
hòa. Việc tồn tại cấu trúc này trong hệ gen sẽ giúp tế bào vi khuẩn có thể “bật” hoặc “tắt” nhiều
gen một cách đồng thời nhằm đáp ứng với sự thay đổi nhanh của môi trường.

Hình 1: Cấu trúc của Operon Lac
Ở sinh vật nhân thực, do cơ thể thường là đa bào nên các gen có cơ chế điều hòa biểu hiện

riêng rẽ để tạo ra các sản phẩm phù hợp với từng tế bào và giai đoạn phát triển của cơ thể.

72

Vấn đề 2. Để tạo ra nhiều loại sản phẩm đồng bộ vào cùng một thời điểm, các gen của tế bào
nhân thực có xu hướng cấu trúc như thế nào?

Để tạo ra nhiều loại sản phẩm đồng bộ vào cùng một thời điểm, các gen trong tế bào nhân
thực tập hợp thành một đơn vị phiên mã. Các đơn vị phiên mã được lặp lại nhiều lần, thậm chí
lên tới vài trăm lần để tạo ra nhiều loại sản phẩm cùng tham gia một hoạt động cấu trúc hoặc
chức năng của tế bào. Ví dụ: họ đa gen rARN để tạo ra nhiều loại rARN khác nhau cấu trúc nên
ribôxom.

Hình 2: Họ gen rARN ở sinh vật nhân thực
d. Chiều hướng tiến hóa của hệ gen của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực

Câu hỏi định hướng:
- Sự gia tăng kích cỡ của hệ gen có phải là một chiều hướng tiến hóa của hệ gen?
- Sự gia tăng số gen trong hệ gen có phải là một chiều hướng tiến hóa của hệ gen?
- Bằng cách nào mà sinh vật nhân thực có thể gia tăng lượng thông tin di truyền mà không cần
tăng kích cỡ hệ gen?
- Việc gia tăng các trình tự ADN không mã hóa có phải là một xu hướng tiến hóa hệ gen ở sinh
vật nhân thực còn sự gia tăng số gen trong hệ gen là xu hướng tiến hóa hệ gen ở sinh vật nhân
sơ?

Phương pháp giải quyết vấn đề:
Vấn đề 1. Sự gia tăng kích cỡ của hệ gen có phải là một chiều hướng tiến hóa của hệ gen ?

Khi so sánh hệ gen giữa ba lãnh giới (vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân thực), chúng
ta nhận thấy một xu hướng khác biệt chung về kích cỡ hệ gen giữa các sinh vật nhân sơ (vi khuẩn
và vi khuẩn cổ) với sinh vật nhân thực. Phần lớn hệ gen vi khuẩn có kích cỡ nhỏ, từ 1 đến 6 triệu
cặp bazơ (bp); chẳng hạn như hệ gen của E. coli là 4,6 triệu bp. Các hệ gen sinh vật nhân thực có
xu hướng lớn hơn. Hệ gen của nấm men đơn bào Saccharomyces cerevisiae là khoảng 13 Mb
(triệu cặp bazơ); trong khi đó, phần lớn các loài động vật và thực vật, tức là các sinh vật đa bào,
có kích cỡ hệ gen ít nhất là 100 Mb. Hệ gen ruồi giấm có kích cỡ là 180 Mb, còn hệ gen người là
3.200 Mb, nghĩa là lớn hơn từ 500 đến 3000 lần so với một hệ gen vi khuẩn điển hình. Tuy nhiên
kích cỡ hệ gen không phản ánh trình độ tiến hóa giữa các nhóm sinh vật. Chẳng hạn như, hệ gen
của loài Fritillaria assyriaca, một loài hoa thuộc họ lily, có kích cỡ là 120 tỉ cặp bazơ (120.000
Mb), tức là lớn hơn khoảng 40 lần so với hệ gen người. Hệ gen một loài amip đơn bào, Amoeba
dubia, có kích cỡ khoảng 670.000 Mb.

73

Hình 3: Một số chỉ số về hệ gen ở các nhóm sinh vật
Vấn đề 2. Sự gia tăng số gen trong hệ gen không phải là một chiều hướng tiến hóa của hệ gen.

Một xu hướng khác biệt tương tự cũng đúng khi xét về số gen: nghĩa là, nhìn chung các vi
khuẩn và vi khuẩn cổ có ít gen hơn so với sinh vật nhân thực. Các vi khuẩn và vi khuẩn cổ sống
tự do có từ 1500 đến 7500 gen, trong khi số gen ở các sinh vật nhân thật dao động từ khoảng
5000 gen ở các nấm đơn bào cho đến ít nhất 40.000 gen ở một số loài sinh vật nhân thực đa bào
(xem bảng 3). Trong phạm vi các loài sinh vật nhân thực, số gen ở mỗi loài thường thấp hơn số
gen được dự đoán đơn thuần trên cơ sở kích cỡ hệ gen của chúng. Nhìn vào bảng 3, có thể thấy
hệ gen giun tròn C. elegans có kích cỡ là 100 Mb và chứa khoảng 20.000 gen. Trong khi đó, hệ
gen Drosophila có kích cỡ gần gấp đôi (180 Mb), song chỉ có số gen bằng khoảng hai phần ba -
tức là, chỉ có 13.700 gen. Hệ gen người chứa 3200 Mb, tức là lớn hơn khoảng trên 10 lần so với
các hệ gen Drosophila và C. Elegans và số gen ước lượng được tin cậy hơn dừng ở con số 20.488
gen. Số lượng gen tương đối thấp này, chỉ gần giống số gen có ở loài giun tròn C. Elegans.
Vấn đề 3. Sinh vật nhân thực có thể gia tăng lượng thông tin di truyền mà kích cỡ và số gen trong
hệ gen không gia tăng nhiều.

Cấu trúc gen phân mảnh đã tạo cho chúng có nhiều cách cắt - nối các bản phiên mã khác
nhau và quá trình này có thể tạo ra nhiều hơn một loại protein biểu hiện chức
năng xuất phát từ một gen duy nhất. Ví dụ: Hầu hết các gen ở người đều chứa nhiều exon và ước
lượng có khoảng 75% số gen gồm nhiều exon này được cắt - nối ít nhất bằng hai cách khác nhau.
Nếu giả thiết mỗi gen khi được cắt nối theo các cách khác nhau trung bình xác định 3 chuỗi
polypeptit khác nhau thì tổng số chuỗi polypeptit khác nhau ở người sẽ đạt con số khoảng 75.000.
Sự đa dạng của các chuỗi polypeptit thực tế còn bổ sung thêm bởi các biến đổi sau dịch mã,
chẳng hạn bởi sự cắt tỉa các axit amin hay gắn thêm các gốc cacbohydrat diễn ra khác nhau ở các
tế bào khác nhau (tạo các thụ thể trên màng giúp nhận biết các tế bào cùng loại) hoặc ở các giai
đoạn khác nhau của quá trình phát triển.
Vấn đề 4. Việc gia tăng các trình tự ADN không mã hóa là một xu hướng tiến hóa hệ gen ở sinh
vật nhân thực còn sự gia tăng số gen trong hệ gen là xu hướng tiến hóa hệ gen ở sinh vật nhân
sơ.

Khi so sánh hệ gen giữa các loài vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân thực, nhận thấy
sinh vật nhân thực thường có hệ gen lớn hơn nhưng lại có số gen ít hơn trên cùng một số nhất

74

định các cặp bazơ. Loài người có kích cỡ hệ gen lớn hơn hàng trăm thậm chí hàng nghìn lần so
với hệ gen của phần lớn các loài vi khuẩn nhưng người chỉ có số gen gấp từ 5 đến 15 lần so với
những loài này; như vậy, mật độ gen ở người là thấp hơn (xem bảng 3). Ngay cả các loài sinh vật
nhân thực đơn bào, như nấm men, cũng có ít gen hơn trong mỗi một triệu cặp bazơ so với các
loài vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Trong số các hệ gen đã được giải trình tự hoàn toàn đến nay, người
và các loài thú có mật độ gen thấp nhất. Trong tất cả các hệ gen vi khuẩn đã được nghiên cứu đến
nay, phần lớn ADN chứa các gen mã hóa cho protein, tARN hoặc rARN; một lượng nhỏ của các
trình tự ADN còn lại gồm chủ yếu là các trình tự điều hòa không được phiên mã, chẳng hạn như
các trình tự khởi đầu phiên mã (promoter). Trình tự các nucleotit dọc theo một gen mã hóa
protein ở vi khuẩn thường không bị ngắt quãng từ vị trí bắt đầu cho đến vị trí kết thúc bởi các
trình tự không mã hóa (intron). Ngược lại, ở các hệ gen sinh vật nhân thực, phần lớn ADN hoặc
không được dùng để mã hóa cho protein hoặc không được phiên mã thành các phân tử ARN biểu
hiện chức năng (như tARN chẳng hạn), đồng thời ADN chứa nhiều trình tự điều hòa phức tạp.
Trong thực tế, hệ gen người chứa ADN không mã hóa nhiều hơn khoảng 10.000 lần so với hệgen
vi khuẩn. Một số trình tự ADN không mã hóa này ở sinh vật nhân thực đa bào xuất hiện trong các
intron của các gen. Thực tiễn cho thấy các intron là nhân tố chính dẫn đến phần lớn các khác biệt
về chiều dài trung bình giữa các gen của người (27.000 bp) so với các gen của vi khuẩn (1000
bp).Bên cạnh các intron, các sinh vật nhân thực đa bào chứa một lượng lớn ADN không mã hóa ở
giữa các gen.

Ví dụ: Khi hệ gen người đã được giải trình tự hoàn toàn, chỉ có 1,5% trình tự nucleotit
trong hệ gen được dùng hoặc để mã hóa cho các protein hoặc được phiên mã thành các phân tử
rARN và tARN. Trình tự ADN không mã hóa chiếm 98,5% hệ gen người. Trong đó, các trình tự
điều hòa liên quan đến các gen và các trình tự intron chiếm 24% hệ gen người; phần còn lại, nằm
giữa các gen biểu hiện chức năng (các trình tự liên gen), gồm các trình tự không mã hóa đơn
nhất, chẳng hạn như các phân đoạn của gen và các gen giả, tức là các gen cũ vốn từng tồn tại
nhưng sau đó do tích lũy các đột biến đã trở nên mất chức năng. Tuy vậy, phần lớn các trình tự
ADN liên gen là những trình tự ADN lặp lại, tức là các trình tự có mặt với nhiều bản sao trong
hệ gen. Điều đáng ngạc nhiên là ba phần tư của các trình tự ADN lặp lại này (tương ứng với 44%
của toàn bộ hệ gen người) tạo nên các đơn vị được gọi là các yếu tố di truyền vận động hoặc các
trình tự có liên quan đến chúng.
e. Yếu tố tạo ra sự khác biệt trong hệ gen của các nhóm sinh vật có quan hệ họ hàng gần

Câu hỏi định hướng:
Tại sao các loài có quan hệ họ hàng gần thì hệ gen của chúng không có sự khác biệt lớn
nhưng những khác biệt nhỏ vẫn đủ để tạo ra được những đặc trưng riêng cho loài?
Phương pháp giải quyết vấn đề:
Vấn đề 1. Tại sao các loài có quan hệ họ hàng gần thì hệ gen của chúng không có sự khác biệt
lớn nhưng những khác biệt nhỏ vẫn đủ để tạo ra được những đặc trưng riêng cho loài?
Người và tinh tinh giống nhau tới 99,5% các gen mã hóa cho prôtein nhưng chỉ 0,5%
phần hệ gen mã hóa cho prôtein cũng đã tạo ra sự khác biệt đáng kể. Như vậy, sự khác biệt đáng
kể giữa các loài đôi khi được quyết định bởi một số lượng gen hạn chế.
Ví dụ: Một gen keratin tham gia tạo lông lại hoạt động mạnh trên thân của tinh tinh và
đười ươi nhưng không hoạt động ở người đã tạo ra sự khác biệt về kiểu hình lông trên thên giữa
các loài thuộc bộ Linh trưởng. Hoặc một gen kéo dài tuổi trưởng thành (trước dậy thì) lại hoạt
động mạnh ở người hơn so với các loài Linh trưởng khác.
e. Cơ chế hình thành gen mới và tái sắp xếp hệ gen
Câu hỏi định hướng:
- Những cơ chế nào đã tạo ra sự khác biệt về hệ gen giữa các loài?
- Những cơ chế nào đã tạo ra gen mới?

75

- Bằng cách nào có thể xác định gen mới được hình thành bằng cơ chế tráo exon hay cơ chế lặp
gen và đột biến gen?

Phương pháp giải quyết vấn đề:
Vấn đề 1. Những cơ chế nào đã tạo ra sự khác biệt về hệ gen giữa các loài?

- Đột biến đảo đoạn trên 1 NST đã tạo ra sự khác biệt về kiểu nhân của các loài có quan
hệ họ hàng gần. Điều này đã được xác định bằng phương pháp nhuộm băng NST.

- Đột biến chuyển đoạn giữa 2 NST (chuyển đoạn Robertson) là cơ chế tạo nên sự khác
biệt về kiểu nhân của các loài có quan hệ họ hàng xa hơn. Ví dụ: nếu 2 NST số 2 ở người đứt gãy
làm đôi sẽ tạo ra 48 NST giống như tinh tinh, Gôrilla, đười ươi. NST X của thú có băng nhộm
NST giống nhau.

Khi nghiên cứu kiểu hình nhuộm băng NST đã cho thấy NST của các loài khác nhau nhưng
có những vùng giống nhau (vùng bảo thủ). Đây là bằng chứng cho cơ chế tạo kiểu nhân ở những
loài có quan hệ họ hàng.
Vấn đề 2. Những cơ chế nào đã tạo ra gen mới?
- Lặp gen và đột biến gen:

Sự có mặt các yếu tố di truyền vận động trên cặp NST tương đồng đã tạo nên những vùng
tương đồng cao, tạo điều kiện cho sự trao đổi chéo không cân dẫn đến lặp gen. Việc lặp gen giúp
cho hệ gen của sinh vật giữ lại một bản sao và một bản sao của gen bị đột biến thay đổi cấu trúc,
từ đó tạo ra một chức năng mới - đây là một cơ chế để tạo nên gen mới.

Hình 4: Cơ chế trao đổi chéo không cân
Bằng chứng của cơ chế này đã được làm sáng tỏ bởi cơ chế hình thành họ gen globin ở

người. Họ gen globin ở người globin; đây là một nhóm các protein gồm các tiểu phần (chuỗi
polypeptit) α và β của hemoglobin. Có một họ gen nằm trên NST số 16 ở người mã hóa cho các
dạng khác nhau của α -globin; một họ gen còn lại nằm trên NST số 11 mã hóa cho các dạng khác
nhau của β -globin (Hình 5). Các dạng khác nhau của mỗi tiểu phần globin được biểu hiện vào
các thời điểm khác nhau của quá trình phát triển, qua đó giúp hemoglobin biểu hiện chức năng
hiệu quả trong các điều kiện môi trường thay đổi trong quá trình phát triển ở động vật. Chẳng hạn
như, ở người, các dạng hemoglobin có trong phôi và thai có ái lực với oxy cao hơn so với dạng
hemoglobin ở người trưởng thành; điều này giúp đảm bảo hiệu quả vận chuyển oxy từ mẹ sang
thai nhi. Trong các cụm họ gen mã hóa globin, người ta còn tìm thấy một số gen giả.

76

Hình 5: Cơ chế hình thành họ gen globin ở người
- Tráo exon là một cơ chế tạo gen mới ở sinh vật nhân thực:

Sự xuất hiện các yếu tố di truyền vận động giống nhau trên các gen khác nhau đã dẫn đến sự
trao đổi chéo giữa các yếu tố di truyền vận động, từ đó dẫn đến sự trao đổi các exon ở các gen
của sinh vật nhân thực góp phần tạo nên gen mới trong quá trình tiến hóa.

Hình 6: Cơ chế hình thành gen TPA
Ví dụ: Sự trao đổi exon có thể gồm sự di chuyển exon từ các dạng tiền thân của gen mã hóa

yếu tố sinh trưởng biểu bì, của fibronectin và của plaminogen (bên trái) vào gen mã hóa yếu tố
hoạt hóa plasminogen mô - TPA (bên phải). Thứ tự xảy ra các sự kiện là chưa rõ. Sự nhân đôi
của exon "kringle" từ gen plasminogen khi nó di chuyển giải thích cho sự xuất hiện hai bản sao
của exon này trong gen TPA. Mỗi loại exon mã hóa cho một miền đặc thù của protein TPA.
Vấn đề 3. Bằng cách nào có thể xác định gen mới được hình thành bằng cơ chế tráo exon hay
lặp gen và đột biến gen?

Các nhà khoa học đã đề xuất hai giả thuyết về sự hình thành gen mới trong quá trình tiến
hóa như sau: Theo giả thuyết 1, gen mới được hình thành qua tái tổ hợp các exon của các gen đã
có trước; giả thuyết 2 cho rằng một gen được lặp lại thành 2 hoặc nhiều bản sao, sau đó các bản
sao bị đột biến điểm phân hóa có thể dẫn đến hình thành gen mới. Để tìm hiểu xem hai gen A và
B (có chức năng khác nhau) ở các loài khác nhau có được tiến hóa theo giả thuyết 1 hay giả
thuyết 2, người ta đã nghiên cứu sản phẩm protein của chúng ở các loài khác nhau:

77

- Nếu các protein do các gen A và B mã hóa có những đoạn trình tự axit amin nhất định giống
nhau thì chứng tỏ trình tự đó được qui định bởi các exon giống nhau và do vậy ủng hộ giả thuyết
tái tổ hợp lại các exon.
- Nếu trình tự các axit amin trên toàn bộ chuỗi polipeptit về cơ bản là giống nhau và chỉ khác
nhau ở một số vị trí thì ủng hộ các thay đổi đó lại tạo nên ưu thế về khả năng sống sót.

PHẦN 8

I. TÓM TẮT CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ SỰ TIẾN HÓA CỦA HỆ GEN
1. Nguồn gốc của gen
1.1 . Sự hình thành những phân tử ARN mang gen đầu tiên.
Các đại dương đầu tiên được cho là đã có một thành phần muối tương tự như của ngày
nay nhưng bầu khí quyển của Trái đất và các chất khí hòa tan trong các đại dương thì rất khác
biệt. Hàm lượng oxy trong không khí vẫn rất thấp cho đến khi quang hợp phát triển, và khi đó
khí dồi dào nhất có lẽ là khí metan và amoni. Các thí nghiệm nhằm tái tạo các điều kiện trong bầu
khí quyển cổ đại đã chỉ ra rằng phóng điện qua hỗn hợp metan-amoniac đã tổng hợp hóa học
được một loạt các axit amin, trong đó có alanine, glycine, valine và một số những khác axit amin
tìm thấy trong protein (Miller, 1953 ). Hydrogen cyanide và formaldehyde cũng được hình thành,
chúng tham gia vào các phản ứng phụ để cung cấp cho các axit amin khác, cũng như các purin,
pyrimidine. Ít nhất một số dạng đại phân tử sinh học có thể đã tích lũy trong giai đoạn tiến hóa
hóa học.
Các hệ thống sinh hóa đầu tiên có trung tâm là ARN. Sự trùng hợp của các đại phân tử
sinh học có thể xảy ra trong các đại dương hoặc có thể đã được thúc đẩy bởi sự ngưng tụ lặp đi
lặp lại và làm khô những giọt nước trong các đám mây (Woese, 1979). Ngoài ra, trùng hợp có thể
đã diễn ra trên bề mặt rắn, có lẽ việc sử dụng các monome cố định trên các hạt đất sét
(Wächtershäuser, 1988), hoặc trong miệng phun thủy nhiệt (Wächtershäuser, 1992).
Thời kì đầu, các quá trình tổng hợp diễn ra chậm chạp và khó khăn do polynucleotit và
polypeptit cần phải có khả năng tái tạo. Điều này là do các protein tham gia xúc tác các phản ứng
sinh hóa, nhưng các protein lại không thể thực việc tự sao chép chính nó. Polynucleotit có thể qui
định sự tổng hợp các protein và tự sao chép, người ta cho rằng chúng có thể tự làm không mà
không cần sự trợ giúp của các protein.
Bước đột phá lớn xảy ra vào giữa những năm 1980 khi người ta phát hiện ra rằng ARN có
hoạt tính xúc tác. Trong ống nghiệm, các phân tử ARN tổng hợp đã thực hiện các phản ứng tổng
hợp các ribonucleotide (Unrau và Bartel, 1998), tổng hợp và sao chép các phân tử ARN (Ekland
và Bartel, 1996; Johnston et al, 2001. ) và chuyển giao một acid amin- ARN vào một axit amin
thứ hai tạo thành một dipeptit, một cách tương tự như vai trò của tARN trong sinh tổng hợp
protein (Lohse và Szostak, 1996). Việc phát hiện ra tính chất xúc tác của ARN làm sáng tỏ mối
liên quan giữa polynucleotit-polypeptit là bằng chứng cho thấy các hệ thống sinh hóa đầu tiên lấy

ARN làm trung tâm (Bartel và Unrau, 1999).
Ý tưởng về giới ARN đã được hình thành trong những năm gần đây (Robertson và

Ellington, 1998). Các phân tử ARN ban đầu tự sao chép một cách chậm chạp và lộn xộn chỉ đơn
giản bằng cách làm mồi cho sự liên kết bổ sung của các nucleotide. Quá trình này thường rất
thiếu chính xác, do đó một loạt các chuỗi ARN có thể đã được tạo ra, cuối cùng dần hình thành
nhiều loại ribozyme mới có hoạt tính khác nhau, bao gồm khả năng tự sao chép. Quá trình chọn
lọc tự nhiên đã đảm boả rằng các hệ thống tái tạo hiệu quả nhất đã bắt đầu chiếm ưu thế, như đã
được minh chứng trong các thử nghiệm sau này. Sự chính xác cao hơn trong sao chép sẽ cho
phép ARN, tăng số lượng các bản sao mà không làm mất trình tự đặc trưng của mình. Khả năng
xúc tác của ARN ngày càng hoàn thiện, nhất là trong các trong các cấu trúc phức tạp đã biết hiện
nay như các spliceosome và RNA ribosome.

78

Sự xuất hiện các phân tử có khả năng tự sao chép là bước khởi đầu quan trọng trong quá
trình phát sinh sự sống nói chung và sự hình thành gen nói riêng. Để gọi các ARN là 'gen'
(protogenes) khi các phân tử đó có khả năng tự sao chép và có thể điều khiển các phản ứng sinh
hóa đơn giản. Các phản ứng có thể đã xảy ra trong một không gian được giới hạn trong màng
lipid, tạo nên một cấu trúc gọi là tế bào sơ khai đầu tiên. Mỗi hệ thống màng có thể đóng gói một
hoặc nhiều protogenoes và cung cấp cho các ARN một môi trường giới hạn mà ở đó các phản
ứng sinh hóa được kiểm soát nhiều hơn. Đây chính là cơ sở cho sự xuất hiện tế bào sơ khai cùng
với hệ ‘gen (protogenomes) của nó.

1.2. Sự chuyển đổi bộ gen ARN sang bộ gen ADN đàu tiên.
Sự thay đổi lớn đầu tiên có lẽ là sự phát triển của các enzyme protein, lúc đầu với vai trò
hỗ trợ, và cuối cùng thay thế hầu hết các hoạt động xúc tác của ribozim (Freeland et al., 1999).
Ban đầu, người ta cho rằng số 20 axit amin trong polypeptit cung cấp protein với biến đổi hóa
học lớn hơn bốn ribonucleotide trong ARN, cho phép enzyme protein xúc tác cho một phạm vi
rộng hơn của các phản ứng sinh hóa. Nhưng gần vấn để ngày càng sáng tỏ, protein xúc tác hiệu
quả hơn vì sự linh hoạt vốn có của polypeptit và ccaus trúc bậc cao của nó lớn hơn rất nhiều so
với cấu trúc của chuỗi ribonucleotit của ARN(Csermely, 1997). Ngoài ra, protogenomes ARN
được bao gói trong các túi màng có thể đã thúc đẩy sự tiến hóa của các protein hơn là ARN, vì
các phân tử RNA là ưa nước mà lại được bao bọc trong một chiếc “áo” không thấm nước là

màng photpholipit.
Việc chuyển đổi sang xúc tác protein đòi hỏi một sự thay đổi triệt để trong các chức năng

của hệ gen ARN. Thay vì phải chịu trách nhiệm trực tiếp cho các phản ứng sinh hóa xảy ra trong
các cấu trúc giống như tế bào sơ khai, protogenomes trở thành các phân tử có chức năng chính là
qui đinh cấu trúc của các protein xúc tác. Từ chỗ các protogenomes ARN có chức năng chủ yếu
là xúc tác, giờ chức năng này bị các protein ưu thế cạnh tranh, chức năng xúc tác của ARN dần bị
loại bỏ, và thay vào đó chức năng chính là mã hóa. Tuy nhiên việc đảm nhận vai trò mã hóa xem
ra ít thích hợp với ARN vì sự bất ổn tương đối của các liên kết phosphodieste ARN , do tác động
gián tiếp của nhóm 2'-OH (nhóm 2'-OH có hoạt tính tự xúc tác làm đứt gãy liên kết
phosphodieste trong chuỗi ribonucleotit của ARN) làm cho phân tử trở nên kém ổn định không
bảo tồn được thông tin di truyền. Do vậy, phân tử axit nucleic nào chứa càng nhiều các
deoxyribonucleotit (chứa nhóm 2'-H thay cho 2'-OH) sẽ chiếm ưu thế hơn do có độ bền cao hơn.
Qua quá trình chọn lọc lâu dài,việc chuyển giao các chức năng mã hóa để ADN ổn định hơn là tất
yếu và sẽ không có được khó khăn để đạt được, giảm ribonucleotit tăng deoxyribonucleotit. Bước
tiến hóa quan trọng tiếp theo chính là quá trình phiên mã ngược, tổng hợp ADN dựa trên khuôn
mẫu protogenomes RNA dưới sự xúc tác của enzim phiên mã ngược transcriptaza. Sự thay thế
của uracil với thymin có thể tạo sự ổn định hơn cho chuỗi polynucleotit ADN. Cuối cùng chọn
lọc đã ưu tiên các ADN sợi đôi như một phân tử mã hóa hoàn hảo bởi chúng không chỉ có ưu thế
trong baỏ quản thông tin mà còn thuận lợi trong tái bản và sửa chữa khi có sai sót.

Theo kịch bản này, các bộ gen DNA đầu tiên có lẽ bao gồm nhiều phân tử riêng biệt, mỗi
phân tử chỉ định một protein duy nhất và do đó mỗi tương đương với một gen duy nhất. Các liên
kết với nhau của những gen này vào các nhiễm sắc thể đầu tiên, có thể đã xảy ra trước hoặc sau
khi chuyển đổi hệ gen ADN, điều này sẽ cải thiện hiệu quả của phân phối gen trong quá trình
phân chia tế bào, vì nó là dễ dàng hơn để tổ chức việc phân phối một cách công bằng của một số
nhiễm sắc thể lớn hơn nhiều gen riêng biệt.

1.3. Nhân bản gen làm gia tăng kích thước hệ gen.
Từ bộ gen sơ khai đầu tiên được hình thành với một số it gen qui định một số lượng ít các
tính trạng của những dạng sống sơ khai. Qua quá trình tiến hóa mức độ tổ chức cơ thể phức tạp
dần và lẽ dĩ nhiên tiến hóa hình thái cần dựa trên hệ quả của quá trình tiến hóa của hệ gen. Không
thể phủ nhận rằng khi chúng ta di chuyển lên cây tiến hóa, chúng ta thấy bộ gen ngày càng phức

79

tạp. Một dấu hiệu cho thấy sự phức tạp này là số lượng gen, mà thay đổi từ ít hơn 1000 ở một số
vi khuẩn đến 30.000 - 40.000 trong vật có xương sống như con người. Tuy nhiên, mức tăng này
trong số gen đã không xảy ra dần dần mà dường như đã có hai thời điểm gia tăng đáng kể về số
lượng gen (Bird, 1995). Lần đầu xảy ra khi tế bào nhân chuẩn xuất hiện khoảng 1,4 tỷ năm trước
đây, và liên quan đến sự gia tăng từ khoảng 5000 gen ở sinh vật nhân sơ điển hình đến khoảng
10.000 gen ở hầu hết các sinh vật nhân chuẩn. Lần gia tăng thứ hai được xảy ra cùng với sự xuất
hiện của động vật có xương sống đầu tiên vào cuối kỷ Cambri, với mỗi loài động vật có xương
sống nguyên thủy cũng có ít nhất 30.000 gen, đây là số lượng tối thiểu cho bất kỳ vật có xương
sống hiện nay.

Có một số cách thức dẫn đến sự lặp gen đó là: Nhân bản toàn bộ hệ gen; nhân bản của
một nhiễm sắc thể đơn lẻ hoặc một phần của một nhiễm sắc thể; nhân bản của một gen hoặc một

nhóm gen.
Việc mở rộng số lượng gen dựa trên sự hiểu biết của chúng ta về những tác động của sự

lặp nhiễm sắc thể ở sinh vật ngày nay. Sự gia tăng số bản sao của nhiễm sắc ở người như trường
hợp chứa ba bản sao của một nhiễm sắc thể và hai bản sao của tất cả các nhiễm sắc thể khác (gọi
là thể tam nhiễm) như hội chứng Down và các hiện tượng tương tự như đã được quan sát thấy
trong các đột biến nhân tạo ở của ruồi giấm. Tăng số lượng bản sao của một hay một số nhiễm
sắc thể dẫn đến sự mất cân bằng của các sản phẩm của nhiều gen trong nhóm liên kết dẫn đến
làm rối loạn quá trình sinh hoá của tế bào (Ohno, 1970). Do vậy lặp gen dựa trên sự gia tăng số
bản sao của một nhiễm sắc thể thường gây chết, làm giảm sức sống và làm mất khả năng sinh sản
của sinh vật. Vì vậy, đây có lẽ là cách thức không thu nhận được thành công đáng kể trong quá
trình tiến hóa gia tăng số lượng gen của bộ gen. Hai cách khác để tạo ra các gen mới - nhân bản
toàn bộ hệ gen và nhân bản một hay một số gen có thể mang lại những kết quả quan trọng hơn
nhiều.

Nhân bản toàn bộ hệ gen có thể dẫn đến sự mở rộng đột ngột về số lượng gen. Cách
nhanh nhất của việc tăng số lượng gen chính là sao chép toàn bộ bộ gen. Điều này có thể xảy ra
nếu một lỗi trong quá trình giảm phân dẫn đến việc sản xuất các giao tử đó là dạng lưỡng bội.
Nếu hai giao tử lưỡng bội hợp nhất với giao tử đơn bội hay lưỡng bội khác trong thụ tinh hình
thành nên các dạng tự đa bội. Hay trong quá trình nguyên phân, sau khi nhiễm sắc thể đã nhân
đôi nhưng thoi phân bào không đựơc hình thành sẽ tạo ra tế bào tứ bội có nhân chứa bốn bản sao
của mỗi nhiễm sắc thể, tế bào này sẽ phát triển thành mô tứ bội có thể được di truyền qua sinh
sản vô tính.

Tự đa bội không phải là không phổ biến trong giới thực vật. Trong tế bào của thể đa bội
số lượng bản sao của mỗi nhiễm sắc thể là như nhau, do vậy hệ gen cân bằng giúp thể đa bội sinh
trưởng và phát triển bình thường trong nhiều trường hợp có ưu thế hơn cả thẻ lưỡng bội. Nhưng
nhìn chung các dạng đa bội thể thường khó khăn trong sinh sản hữu tính và cách li sinh sản với
dạng gốc lưỡng bội. Tự đa bội ít phổ biến ở các loài động vật, đặc biệt là ở những loài có phân
hoá giới tính, có thể là vì những vấn đề phát sinh nếu một nhân sở hữu nhiều hơn một cặp nhiễm
sắc thể giới tính.

Tự đa bội không trực tiếp dẫn để mở rộng gen bởi vì các sản phẩm ban đầu là một sinh
vật đơn giản chỉ có thêm các bản sao của mỗi gen, chứ không phải bất kỳ gene mới. Tuy nhiên nó
cung cấp khả năng mở rộng gen bởi vì các bản sao tăng thêm của gen có thể không cần thiết cho
chức năng của các tế bào và do đó có thể tích luỹ các đột biến mà không làm tổn hại đến khả
năng tồn tại của sinh vật. Với nhiều gen, những thay đổi dẫn đến trình tự nucleotit làm gen không
biểu hiện được hình thành nên gen giả (pseudogene) không hoạt động, nhưng trong nhiều trường
hợp các đột biến sẽ dẫn đến một chức năng của gen mới có ích cho các tế bào.

Nếu như nhân bản cả hệ gen chỉ phổ biến ở thực vật như trường hợp tự đa bội đã nêu ở
trên thì sự lặp gen đơn lẻ và nhóm nhỏ của các gen đã xảy ra thường xuyên trong quá trình tiến

80

hoá ở tất cả các loài. Giả thuyết này được chứng minh khi giải trình tự ADN, đó chính là sự tồn
tại các họ gen trong hệ gen mà điển hình như họ gen globin ở người. Bằng cách so sánh trình tự
của các gen thành viên của một họ gen đã chỉ ra rằng sự trùng lặp gen đơn lẻ có liên quan trong
quá trình tiến hóa của họ gen từ một gen tổ tiên duy nhất tồn tại trong một bộ gen của tổ tiên

(Henikoff et al., 1997).
Có một số cơ chế mà những sự trùng lặp gen có thể xảy ra. Trao đổi chéo không cân giữa

hai cromatit không chị em xảy trong giảm phân hình thanh nhiễm sắc thể lặp đoạn và nhờ đó một
số gen nằm trong đoạn lặp này có thêm bản sao. Hiện tượng này có thể xảy ra một hoặc nhiều lần
nên các gen có thể được lặp lại một hoặc nhiều lần trên nhiễm sắc thể. Một cơ chế khác cũng dẫn
đến sự lặp gen đó là sự trượt mạch trong quá trình tái bản ADN. Khi một đoạn mạch khuôn đã
sao chép nhưng vì một nguyên nhân nào đó mạch mới trượt ra khỏi đoạn mạch khuôn đó nên nó
lại được sao chép thêm một lần nữa hiện tượng này có thể dẫn đến trùng lặp gen nếu gen tương
đối ngắn.

Kết quả ban đầu của nhân bản gen là tạo ra các gen giống hệt nhau về cấu trúc và chức
năng. Về sau, quá trình chọn lọc sẽ đảm bảo rằng một trong các bản sao của gen lặp sẽ giữ trình
tự nucleotide ban đầu của nó để nó có thể tiếp tạo ra các sản phẩm đã được cung cấp bởi một bản
sao gen duy nhất trước khi nhân bản đã diễn ra. Các bản sao còn lại có lẽ không phải chịu những
áp lực chọn lọc giống nhau và do đó có thể tích lũy các đột biến ngẫu nhiên. Bằng chứng cho
thấy rằng phần lớn các gen mới phát sinh bởi sự trùng lặp có được những đột biến có hại làm
chúng bất hoạt trở thành họ gen giả (pseudogenes) (Wagner, 2001). Khi phân tích trình tự của
các pseudogenes trong họ gen α- và β-globin nhận thấy xuất hiện phổ biến là bất hoạt gen do các
đột biến dịch khung và các đột biến vô nghĩa xảy ra trong vùng mã hóa của gen còn do đột biến
của codon khởi đầu và hộp TATA ít gặp hơn.

Đôi khi những đột biến được tích lũy trong một bản sao gen không dẫn đến bất hoạt của
gen, nhưng thay vì đó lại làm xuất hiện một chức năng mới của gen có ích cho cơ thể. Chúng ta
đã thấy rằng lặp gen trong họ gen globin dẫn đến sự tiến hóa của protein globin mới được sử
dụng ở các giai đoạn khác nhau trong sự phát triển của nó. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng tất
cả các gen globin, cả α- và β-loại và các gen có liên quan khác tạo thành một siêu họ gen có
nguồn gốc từ một gen globin tổ tiên duy nhất khoảng 500 triệu năm trước đây.

Một trường hợp tương tự cũng đã được phát hiện khi so sánh trình tự của các gen trypsin
và chymotrypsin cho thấy chúng có liên quan một gen tổ tiên khoảng 1500 triệu năm trước
(Barker và Dayhoff, 1980). Cả hai gen hiện nay mã hoá cho proteaza tham gia vào việc phân giải
protein trong đường tiêu hóa của động vật có xương sống, trypsin cắt các protein tại vị trí có axit
amin arginine và axit amin lysine còn chymotrypsin cắt protein tại vị trí có axit amin
phenylalanine, tryptophan và tyrosine. Do đó tiến hóa gen đã hình thành hai gen qui định cấu trúc
của hai protein có chức năng bổ sung làm tăng hiệu quả chức năng chung.

Nhân bản gen không phải luôn luôn dẫn đến sự phân ly trình tự trong tiến hoá và hình
thành họ gen gồm các gen có chức năng ít nhiều khác biệt nhau. Một số họ gen được tạo thành từ
các gen có trình tự giống nhau hoàn toàn hoặc gần như giống nhau. Một ví dụ điển hình là các
gen rRNA, từ chỗ chỉ có hai bản sao ở Mycoplasma genitalium( một chủng vi khuẩn gây bệnh
đường sinh dục ở người), đến hơn 500 bản sao trong Xenopus laevis (ếch Châu Phi), với tất cả
các bản sao có hầu như hoàn toàn giống nhau. Nhiều bản sao của gen giống hệt nhau có lẽ phản
ánh sự cần thiết để tổng hợp nhanh chóng của các sản phẩm gen ở những giai đoạn nhất định của
chu kỳ tế bào. Với những họ gen phải có một cơ chế nhằm ngăn ngừa các bản sao riêng từ tích
lũy các đột biến và do đó phân hoá các trình tự chức năng. Nếu một bản sao của các họ gen thu
nhận một đột biến có lợi sau đó có thể cho rằng đột biến lan rộng khắp các thành viên của họ cho
đến khi tất cả các thành viên sở hữu nó.

1.4. Sự tiến hóa của hệ gen dựa trên việc sắp xếp lại ADN sẵn có.

81

Sự sắp xếp lại các trình tự ADN sẵn có trong các gen cũng đã góp phần vào sự tiến hóa hê
gen. Điều này là hoàn toàn có thể bởi vì hầu hết các protein được tạo thành từ các miền cấu trúc,
mỗi miền là một phân đoạn của chuỗi polypeptide. Có hai cách trong đó sắp xếp lại các đoạn mã
hóa của gen có thể dẫn đến hình thành các protein với chức năng mới là trùng lặp tên miền và xáo
trộn miền.

Miền cấu trúc là các đơn vị thành viên trong một chuỗi polypeptide được mã hóa bởi một
loạt các bộ ba nucleotit kế tiếp nhau. Trùng lặp tên miền xảy ra khi đoạn gen mã hóa cho một
miền cấu trúc được lặp lại một hoặc nhiều lần do sự trao đổi chéo không cân xảy ra trong giảm
phân hoặc sự trượt mạch khi tái bản ADN như đã đề cập ở trên. Kết quả dẫn tới miền cấu trúc
của protein được lặp đi lặp lại, điều này có thể trở nên có lợi, ví dụ bằng cách làm cho các sản
phẩm protein ổn định hơn. Các miền trùng lặp cũng có thể thay đổi theo thời gian khi trình tự mã
hóa của nó bị đột biến, dẫn đến một cấu trúc sửa đổi có thể cung cấp các protein với một hoạt
tính mới. Lưu ý rằng sự trùng lặp miền làm cho gen trở nên dài hơn. Gene kéo dài dường như là
một hệ quả chung của quá trình tiến hóa của bộ gen, các gen của sinh vật nhân chuẩn bậc cao hơn
thường có chiều dài trung bình lớn hơn so với những sinh vật bậc thấp hơn. Xáo trộn miền xảy ra
khi các đoạn mã hóa cho miền kết cấu từ gen ở vị trí khác nhau được nối với nhau để tạo thành
một chuỗi mã hóa mới tạo ra protein khảm, từ đó có thể tạo nên một sự kết hợp mới lạ của đặc
điểm cấu trúc và có thể cung cấp cho các tế bào một sản phẩm protein có chức năng hoàn toàn
mới.

Trong các mô hình của sự trùng lặp và xáo trộn miền, đòi hỏi các phân đoạn gen phải
được tách ra để chúng có thể được sắp xếp lại và xáo trộn. Điều này đã dẫn đến việc hình thành
các phân đoạn mã hoá độc lập gọi là mà exon và đan xen giữa chúng là các đoạn không mã hoá
intron. Sự có mặt của intron trong phần lớn các gen ở sinh vật nhân thật đa bào có thể đã thúc đẩy
sự tiến hóa của các protein có tiềm năng hữu dụng mới bằng viêc gia tăng hiện tượng lặp đoạn
hay sắp xếp lại vị trí của các exon trong hệ gen. Chúng ta biết rằng mỗi exon thường mã hóa cho
một miền có cấu trúc và chức năng đặc thù của protein. Chúng ta cũng đã biết trao đổi chéo
không cân trong quá trình giảm phân có thể dẫn đến hiên tượng lặp gen trên một nhiễm sắc thể
đồng thời làm mất gen trên nhiễm sắc thể tương đồng với nó. Bằng một quá trình tương tự, một
exon nhất định trong gen có thể bị nhân đôi trên một nhiễm sắc thể, song lại bị mất đi trên nhiễm
sắc thể kia. Các gen mang các exon lặp lại có thể mã hóa cho một loại protein chứa hai bản sao
của một miền protein. Sự thay đổi này trong cấu trúc có thể làm tăng cường sự biểu hiên chức
năng của protein nếu protein đó lúc này trở nên ổn định hơn, và tăng khả năng liên kết với một
chất gắn nhất định hoặc làm thay đổi một số thuộc tính khác. Khá nhiều gen mã hóa protein có
nhiều bản sao của các exon mà có thể giả thiết chúng hình thành sau một quá trình lặp đoạn và
phân ly. Một ví dụ về một gen qui đinh cấu trúc của collagen α2-type I ở động vật có xương
sống, gen này mã hóa cho một trong ba chuỗi polypeptide của collagen. Vùng mã hoá của gen
này được chia thành 52 exon, trong đó có nhiều exon lặp và số lần lặp của mỗi exon cũng không
giống nhau. Số lần lặp lại của exon 5 (5 exon), 6 (23 exon), 11 (5 exon), 12 (8 exon) ... Rõ ràng
gen này có thể đã tiến hóa bằng cách nhân bản các exon dẫn đến sự lặp lại của các miền cấu trúc.

Theo một cách khác, chúng ta cũng có thể tưởng tượng sự lặp lại và đôi khi phối trộn giữa
các exon khác nhau của cùng một gen hoặc giữa hai gen không alen với nhau do các lỗi tái tổ hợp
xảy ra trong quá trình giảm phân. Quá trình này, được gọi là sự tráo exon, có thể dẫn đến sự hình
thành những protein mới với những tổ hợp chức năng mới. Hãy xem ví dụ vê gen mã hóa yếu tố
hoạt hóa plasminogen mô (TPA, tissue plasminogen activator). Protein TPA là một loại protein
ngoại bào giúp điều khiển sự hình thành huyết khối (trong quá trình đông máu). Protein này gồm
có 4 miền chức năng thuộc 3 loại khác nhau; mỗi miền được mã hóa bởi một exon, trong đó có
một exon xuất hiện với hai bản sao. Do mỗi loại exon này cũng được tìm thấy ở những protein

82

khác nữa, nên người ta cho rằng gen mã hóa TPA đã hình thành sau một số sự kiên lặp đoạn và

tráo exon.
1.5. Thu nhận các gen mới từ các loài khác.
Cách thứ hai để một bộ gen có thể có được các gen mới là thu nhận từ các loài khác. So

sánh trình tự bộ gen của vi khuẩn và archaea cho rằng việc chuyển gen bên đã là một sự kiện lớn
trong sự tiến hóa của hệ gen sinh vật nhân sơ. Bộ gen của hầu hết các vi khuẩn và vi khuẩn cổ có
chứa ít nhất một vài trăm kb ADN, trong đó có hàng chục gen dường như đã được thu nhận từ
một sinh vật nhân sơ thứ hai.

Có một số cơ chế mà các gen có thể được chuyển giao giữa các sinh vật nhân sơ. Chẳng
hạn như hiện tượng tiếp hợp đã cho phép plasmid có thể được trao đổi nhờ đó vi khuẩn có thể
nhận được các gen mới từ loài khác. Điều đó đã giải thích nguyên nhân mà các gen kháng các
thuốc kháng sinh chloramphenicol, kanamycin và streptomycin lan truyền giữa các quần thể vi
khuẩn. Các gen chuyển bằng cách tiếp hợp có thể được tích hợp vào hệ gen của vi khuẩn nhận
theo một cách phổ biến nhờ yếu tố di truyền vận động. Sự sự tích hợp gen có thể đảo ngược tức
là chuyển gen từ plasmit vào ADN-nhiễm sắc thể và ngược lại.

Một quá trình thứ hai để chuyển ADN giữa các sinh vật nhân sơ đó là sự biến nạp. Hiện
tượng này nhiều khả năng đã có ảnh hưởng đến quá trình tiến hóa gen. Như đã biết hiện nay có
một số vi khuẩn, đặc biệt là các thành viên của chi Bacillus, Pseudomonas và Streptococcus, có
cơ chế hiệu quả cho sự hấp thu của ADN từ môi trường xung quanh. Quan trọng hơn là thực tế là
dòng chảy gen bằng cách biến nạp có thể xảy ra giữa bất kỳ cặp sinh vật nhân sơ, không chỉ xảy
ra giữa các loài gần nhau(như đối với sự tiếp hợp), và như vậy có thể giải thích cho sự cho và
nhận gen dường như đã xảy ra giữa hệ gen vi khuẩn và archaea.

Ở thực vật, các gen mới có thể được hình thành nhờ sự đa bội hoá.Ở phần trên chúng ta
đã đề cập vai trò của tự đa bội trong nhân bản bộ gen ở thực vật. Dị đa bội là kết quả từ sự giao
phối giữa hai loài khác nhau kèm theo đa bội hoá, cũng là phổ biến ở thực vật như tự đa bội.
Thông thường, hai loài này đã hình thành nên thể dị đa bội là có quan hệ họ hàng gần gũi và có
rất nhiều gen chung, nhưng mỗi loài sẽ có những gen đặc trưng hoặc ít nhất là các alen mới để
góp chung vào hệ gen của thể dị đa bội. Ví dụ, lúa mì, Triticum aestivum, là một lục bội phát sinh
bởi lai xa giữa lúa mỳ trồng T. turgidum và một loài cỏ dại lưỡng bội, Aegilops squarrosa. Nhân
của loài cỏ dại chứa alen mới cho trọng lượng phân tử cao gluten mà khi kết hợp với các alen
gluten đã có trong lúa mì trồng dẫn đến các đặc tính vượt trội cho các loại lúa mì lục bội. Dị đa
bội do đó có thể được xem như là một sự kết hợp của sự chuyển gen và trùng lặp và giữa các loài.

Ở động vật, những rào cản giữa loài là không dễ dàng để vượt qua vì thế rất khó để tìm
thấy bằng chứng rõ ràng cho sự chuyển gen ngang giữa các loài. Một vài gen sinh vật nhân chuẩn
có các tính năng liên quan đến trình tự archaea hoặc vi khuẩn, nhưng thay vì là kết quả của sự
chuyển gen ngang, những điểm tương đồng được cho là kết quả từ việc bảo tồn trong hàng triệu
năm tiến hóa song hành. Hầu hết các phát hiện cho chuyển gen giữa các loài động vật hiện biết là
do retrovirus và yếu tố chuyển vị.

1.6. ADN không mã hóa góp phần vào quá trình tiến hoá của hệ gen.
Chúng ta đã tập trung tìm hiểu về sự tiến hóa của các thành phần mã hóa của hệ gen.
Nhưng ADN mã hóa chỉ chiếm một phần nhỏ trong hệ gen(1,5% của bộ gen người). Do đó khi
nghiên cứu về quá trình tiến hóa gen sẽ là rất thiếu sót nếu chúng ta không quan tâm xem xét
ADN không mã hóa. Sự trùng lặp và tái sắp xếp khác đã xảy ra thông qua tái tổ hợp và trượt khi
tái bản ADN cũng đã xảy ra ở các vùng ADN không mã hoá, tuy vậy điều đáng nói ở đây là
những biến đổi do các nguyên nói trên được tích luỹ theo thời gian mà có thể không chịu áp lực
của chọn lọc hoặc chịu tác động của chọn lọc theo hướng khá biệt với các trình tự mã hoá của
gen. Một số bộ phận của ADN không mã hóa, ví dụ như các trình tự điều hòa ngược dòng gen,
có chức năng quan trọng trong sự biểu hiện của gen. Những biến đổi ở vùng này có thể không

83

làm thay đổi cấu trúc chức năng của sản phẩm nhưng lại làm tăng hoặc giảm sự biểu hiện gen.
Thực tế đã chúng minh rõ ràng rằng tiến hóa không hẳn là sự xuất hiện gen mới mà có thể chỉ là
thay đổi sự biểu hiện của các gen hiện có. Điều này càng khẳng định quá trinh tiến hóa của các
trình tự ADN không mã hóa. Đặc biệt, các yếu tố chuyển vị và intron có lịch sử tiến hóa hết sức
thú vị và có tầm quan trọng chung trong sự tiến hóa của bộ gen.

1.7. Các yếu tố vận động góp phần vào sự tiến hóa của hệ gen.
Sự có mặt ổn định của các yếu tố vận động vốn chiếm một phần lớn hệ gen ở một số sinh
vật nhân thật phù hợp với ý tưởng cho rằng chúng giữ một vai trò quan trọng trong quá trình tiến
hóa hệ gen của những sinh vật này. Những yếu tố này có thể góp phần vào sự tiến hóa của hệ gen
theo một số cách. Chúng có thể thúc đẩy các hiên tượng tái tổ hợp, làm đứt gãy các gen hoặc các
trình tự điều hòa biểu hiện gen, hoặc vận chuyển toàn bộ một gen nào đó hoặc các vùng exon
riêng lẻ tới các vị trí mới.
Các yếu tố vận động có trình tự giống nhau nằm phân tán khắp hệ gen là điều kiện thúc
đẩy hiện tượng tái tổ hợp giữa các nhiễm sắc thể khác nhau bởi nó cung cấp những vùng tương
đồng cho hoạt động trao đổi chéo. Phần lớn những thay đổi như vậy có lẽ là gây hại, dẫn đến hiên
tượng chuyển đoạn nhiễm sắc thể hoặc những thay đổi khác trong hệ gen vốn có thể gây chết sinh
vật. Nhưng qua thời gian tiến hóa lâu dài, một sự kiên tái tổ hợp ngẫu nhiên cũng có thể có lợi
cho cơ thể sinh vật.
Sự di chuyển của các yếu tố vận động cũng có thể gây nên những hậu quả trực tiếp. Ví dụ,
nếu một yếu tố vận động “nhảy” vào giữa trình tự mã hóa protein, thì nó sẽ ngăn cản tế' bào sản
xuất bản phiên mã bình thường của gen. Nếu một yếu tố vận động cài vào giữa một trình tự điều
hòa, thì sự di chuyển đó có thể dẫn đến viêc sinh tổng hợp một hoặc một số protein tăng lên hoặc
giảm đi. Sự di chuyển của các yếu tố vận động có thể gây nên cả hai kiểu hiệu ứng trên đối với
các gen mã hóa cho các enzym tổng hợp sắc tố ở hạt ngô trong thí nghiêm của Mc.Clintock. Một
lần nữa, phần lớn những thay đổi như vậy thường có hại, song trong một thời gian tiến hóa dài thì
một số thay đổi đó lại tạo nên ưu thế vê khả năng sống sót.
Trong quá trình di chuyển, các yếu tố vận động có thể mang theo một gen hoặc một nhóm
gen tới một vị trí mới trong hê gen. Cơ chế' này có thể giải thích cho viêc các họ gen a-globin và
β-globin ở người nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau, cũng như hiên tượng các gen thành viên
của một số họ gen khác nằm phân tán khắp hệ gen. Bởi một quá trình tương tự diễn ra lâu dài,
một exon từ một gen có thể được cài vào một gen khác bởi cơ chế giống với hiên tượng tráo exon
trong tái tổ hợp. Ví dụ như, một exon có thể được cài vào trong một intron của một gen mã hóa
protein bởi hoạt động của một yếu tố vận động. Nếu exon được cài vào đó được duy trì trong bản
phiên mã ARN trong quá trình hoàn thiện ARN, thì protein được tổng hợp ra sẽ có thêm một
miền (domain) mới; điều này có thể dẫn đến một chức năng mới của protein.
Một nghiên cứu gần đây còn chỉ ra một cách khác mà các yếu tố vận động có thể tạo nên
các trình tự mã hóa mới. Nghiên cứu này cho thấy một yếu tố Alu có thể “nhảy” vào trong một
intron theo cách tạo nên một vị trí cắt intron mới hoạt động yếu trên bản phiên mã ARN. Trong
quá trình hoàn thiện bản phiên mã, các vị trí cắt intron bình thường được dùng thường xuyên hơn,
nhưng đôi khi intron lại được cắt ở vị trí mới, dẫn đến hình thành một số bản phiên mã mARN
hoàn thiện chứa cả yếu tố Alu; kết quả là yếu tố này mã hóa cho một phần mới của protein. Bằng
cách này, một kiểu tổ hợp di truyền mới có thể được “thử nghiệm” trong khi chức năng của sản
phẩm gen gốc vẫn tiếp tục được duy trì.
Rõ ràng, tất cả các quá trình được thảo luận trong mục này phổ biến hơn cả là gây hại,
thậm chí có thể gây chết, hoặc đơn giản là không gây nên bất cứ hậu quả gì. Tuy vậy, trong một
số ít trường hợp, những thay đổi có lợi có thể xuất hiên. Qua nhiều thế hệ, sự đa dạng di truyền
thu được sẽ là nguồn nguyên liệu có giá trị cho chọn lọc tự nhiên. Sự đa dạng hóa các gen và sản
phẩm của chúng là một nhân tố quan trọng trong quá trình tiến hóa của một loài mới. Vì vậy, sự

84

tích lũy những thay đổi trong hệ gen của mỗi loài cũng chính là bản ghi chép về lịch sử tiến hóa
của nó. Để đọc được bản ghi chép này, chúng ta phải xác định được những thay đổi diễn ra trong
hệ gen. So sánh hệ gen của các loài khác nhau giúp chúng ta thực hiện được điều đó, đồng thời
giúp chúng ta hiểu rõ hơn các hệ gen tiến hóa như thế nào. Chúng ta sẽ đề cập đến những chủ đề
này trong phần sau của chuyên đề này.

1.8. Nguồn gốc và vai trò của intron trong tiến hoá
Kể từ khi intron được phát hiện đầu tiên vào những năm 1970 nguồn gốc của nó đã được
tranh luận. Những vấn đề xung quanh nguồn gốc của các intron cấu trúc được tìm thấy với số
lượng lớn trong hệ gen nhân thực điển hình chủ yếu tập trung vào cuộc tranh luận thường giữa
hai giả thuyết đối lập:
• Giả thuyết “intron sớm” cho rằng intron có nguồn gốc rất cổ xưa và đang bị mất dần ở
bộ gen nhân thực điển hình.
• Giả thuyết “intron muộn” cho rằng intron phát sinh tương đối gần đây và đang dần dần
tích lũy trong hệ gen của sinh vật nhân thực .
Có nhiều mô hình khác nhau cho mỗi giả thuyết. Đối với “intron sớm” mô hình thuyết
phục nhất là người ta cũng gọi là 'lý thuyết exon của gen' (Gilbert, 1987) mà cho rằng intron được
hình thành khi các bộ gen ADN đầu tiên được tạo ra để thay thế hệ gen ARN. Những bộ gen sẽ
chứa nhiều gen ngắn, từng có nguồn gốc từ một phân tử ARN mã hóa đơn lẻ và mỗi gen qui định
cấu trúc của một chuỗi polypeptit rất ngắn, có thể chỉ là một miền cấu trúc duy nhất. Những
polypeptit có lẽ sẽ phải liên kết với nhau thành các protein với nhiều miền cấu trúc
hơn(multidomain) tạo nên chuỗi lớn hơn để sản sinh ra các enzyme xúc tác với các cơ chế cụ thể
và hiệu quả Để hỗ trợ cho quá trình tổng hợp của một enzyme multidomain nó đã mang lại lợi ích
cho các polypeptit riêng của enzyme để trở thành liên kết thành một protein duy nhất, như chúng
ta thấy ngày nay. Điều này đạt được bằng cách nối với nhau các tiểu phần của các gen nhỏ
(minigenes) có liên quan, một quá trình được hỗ trợ bởi việc sắp xếp lại các gen do đó nhóm của
minigenes xác định các bộ phận khác nhau của protein multidomain cá nhân được bố trí cạnh
nhau. Nói cách khác, các minigenes trở thành exon và các trình tự DNA giữa họ trở thành intron.
Theo lý thuyết exon của gen và giả thuyết “intron sớm”, tất cả các bộ gen ban đầu đều
chứa intron. Nhưng chúng ta biết rằng hệ gen vi khuẩn không có intron, vì vậy nếu những giả
thuyết này là đúng thì chúng ta phải tìm một số lý do làm cho intron bị mất khỏi hệ gen của vi
khuẩn ở giai đoạn đầu trong quá trình tiến hóa của nó. Đây là một trở ngại bởi vì rất khó để dự
tính làm thế nào một số lượng lớn các intron có thể bị mất từ một gen mà không sợ sự đổ vỡ của
nhiều chức năng gen. Nếu một intron được lấy ra từ một gen có bất kỳ sự thiếu chính xác đó là
một phần của vùng mã hóa sẽ bị mất hoặc một số nucleotit. Khi đó đột biến lệch khung sẽ xảy ra
và kết quả sẽ làm bất hoạt gen.
Giả thuyết “intron muộn” tránh vấn đề này bằng cách đề xuất rằng ban đầu gen chưa có
intron, các cấu trúc xâm nhập các hệ gen sinh vật nhân thực điển hình từ khá sớm và sau đó ngày
càng tăng dần cho đến ngày nay.
Một trong những lý do tại sao các cuộc tranh luận về nguồn gốc của intron vẫn tiếp tục
trong hơn 20 năm qua là vì bằng chứng ủng hộ của một trong hai giả thuyết dù đã rất khó khăn để
có được nhưng chưa thực sự thuyết phục. Khi một số lượng lớn các loài đã được kiểm tra vị trí
của các intron trong một số gen trở nên khó lí giải: nó cho thấy rằng intron đã bị mất trong một
số loài nhưng lại tăng ở những loài khác. Điều này phù hợp với cả hai giả thuyết. Khi nhiều gen
trong nhiều sinh vật được kiểm tra bức tranh chung mà nổi lên là số intron đã dần dần tăng lên
trong quá trình tiến hóa của bộ gen động vật, điều này được đưa ra làm bằng chứng cho 'intron
muộn' (Palmer và Logsdon, 1991).
Tuy rằng giả thuyết về sự hình thành intron trong quá trình tiến hoá của hệ gen còn có nhiều
tranh luận nhưng không thể phủ nhân sự xuất hiện intron trong gen là một buớc tiến hoá rất quan

85

trọng, nó đã mang lại nhiều lợi ích to lớn cho hệ gen sở hữu chúng đó là hệ gen của sinh vật nhân
thực hiện nay. Nhờ có intron mà cần phải có bước cải biến mARN sau phiên mã, cách loại bó
intron và ghép nối các exon thêo các cách khác nhau tạo ra các mARN trưởng thành khác nhau khi
dịch mã tạo ra các sản phẩm khác nhau từ cùng một gen. Điều này giúp mở rộng vốn di truyền cho
hệ gen của sinh vật nhân thực, do đó lí giải vì sao sự tiến hoá hình thành nhiều loài sinh vật bậc cao
có thể không đi kèm với sự gia tăng về số lượng gen. Ngoài ra, intron còn làm tăng chiều dài gen
tạo điều kiện cho hoạt động trao đổi chéo gây nên các sự kiện lặp exon như đã trình bày ở trên.
Intron còn có thể chứa các trình tự điều hoà biểu hiện gen. Nó cũng làm giảm tác động của đột biến
và trở thành các “kho” tích luỹ các đột biến tránh tác động của chọn lọc, đó có thể là nguồn dự trữ
vật liệu và nguyên liệu cho tiến hoá. Intron tuy không đóng vai trò mã hoá nhưng với các chức
năng đa dạng và lí thú của intron hiện biết và còn nhiều điều cần được khám phá về nó đã khẳng
định ý nghĩa của nó trong tiến hoá của hệ gen.

1.9. Sự tiến hoá của bộ gen người.
Mặc dù lịch sử tiến hóa của con người đang còn nhiều vấn đề gây tranh cãi nhưng đa số
đều cho rằng loài động vật quan hệ họ hàng gần gũi nhất của chúng ta trong bộ linh trưởng là
loài tinh tinh. Con người và tinh tinh ngày nay có nguồn gốc chung từ một loài đã sống 4,6-5,0
triệu năm trước (Takahata, 1995). Kể từ sau khi phân ly, loài người đã trải qua quá trình tiến hoá
và kết quả là chúng ta ngày nay, một loài mới thuộc sở hữu của những gì đang có, các thuộc tính
sinh học quan trọng mà làm cho chúng ta rất khác biệt với tất cả các loài động vật khác. Vậy làm
thế nào để lí giải chúng ta có chung tổ tiên với tinh tinh ngày nay?
Chỉ có một vài sự khác biệt rõ ràng đã được phát hiện như sau:
Bộ gen của người có trình tự nucleotit khác so vói bộ gen của tinh tinh chỉ khoảng 1,5%
(Hacia, 2001). Trong đó ADN mã hóa sự khác biệt là dưới 1,5%, với nhiều gen có trình tự giống
nhau trong hai bộ gen, nhưng ngay cả trong những vùng không mã hoá các trình tự không giống
nhau là hiếm khi vượt quá 3%.
Con người thiếu một phân đoạn gồm 92-bp của gen cho hydroxylase axit N-glycolyl-
neuraminic và do đó không thể tổng hợp dưới dạng hydroxy acid N-glycolyl-neuraminic có trên
bề mặt tế bào tinh tinh (Chou et al. năm 1998;. Muchmore et al, 1998). Điều này có thể có ảnh
hưởng đến khả năng của các mầm bệnh nhất định xâm nhập vào các tế bào của con người, và có
thể có thể ảnh hưởng đến một số loại tương tác tế bào-tế bào. Tuy nhiên sự khác biệt là không
được cho là đặc biệt quan trọng.
Một số sự trùng lặp gen gần đây đã xảy ra ở một hoặc một số gen ở người. Tuy nhiên,
theo như chức năng của gen có liên quan những gen mới là không đáng kể vì chúng chưa có thời
gian đủ dài để tích lũy nhiều đột biến và như vậy, trong thực tế, chỉ đơn giản là bản sao thứ hai
của gen nào đó mà thôi.
Một số thành phần của ADN không mã hóa trong hai bộ gen đã tách ra khá xa, minh chứng
mức độ phát triển nhanh chóng của các trình tự DNA lặp. Ví dụ, trình tự ADN ở vùng tâm động của
nhiễm sắc thể người là khá khác biệt so với từ các trình tự tương đương ở tinh tinh và khỉ đột
(Archidiacono et al., 1995). Bộ gen của con người cũng chứa các phiên bản mới của yếu tố Alu

(Zietkiewicz et al., 1994).
Khi nhuộm băng nhiễm sắc thể người và tinh tinh cho thấy có một vài sự sắp xếp lại. Sự

khác biệt đáng kể nhất là nhiễm sắc thể số hai ở người chính là kết quả của sự hợp nhất (fusion)
của hai nhiễm sắc thể riêng biệt ở tinh tinh (Chr 2A và Chr 2B).

86

Do đó tinh tinh, cũng như các loài vượn khác, có 24 cặp nhiễm sắc thể trong khi đó con
người chỉ có 23 cặp. Bốn nhiễm sắc thể khác - số 5, 6, 9 và 12 - cũng có sự khác biệt rõ ràng với
các nhiễm sắc thể tương ứng ở tinh tinh còn 18 nhiễm sắc thể khác là tương tự nhau nếu không
không muốn nói là rất giống nhau (Yunis và Prakash, 1982).

Những khác biệt của hệ gen người so với hệ gen của tinh tinh nêu trên đã được xem xét
nhưng rất tiếc những sai khác đó không hé lộ bất cứ điều gì về cơ sở của các thuộc tính sinh học
đặc biệt mà con người đang sở hữu. Câu hỏi đặt ra là điều gì làm cho chúng ta khác với tinh tinh
và khỉ không đuôi khác – làm các nhà sinh vật học phân tử bối rối.

Người ta cho rằng rất nhiều các khác biệt quan trọng giữa người và vượn có liên quan đến
những thay đổi tinh tế trong các mô hình biểu hiện của các gen tham gia vào quá trình phát triển
cá thể và phân hoá trong các mối liên kết trong hệ thống thần kinh. Sự khác biệt trong mô hình
biểu hiện của các gen trong não của con người và tinh tinh đã được tiết lộ bởi phân tích các hệ
phân tử (Normile, 2001). Tuy nhiên, những gì làm nên con người chúng ta có lẽ không chỉ là hệ
gen mà chúng ta sở hữu mà là những cách thức mà các gen đó biểu hiện chức năng.

2. Các hướng nghiên cứu tiến hóa phân tử
2.1. So sánh các trình tự ADN
2.1.1 Tốc độ thay thế các nucleotit trên ADN
Trong quá trình tiến hóa, sau khi hai trình tự nucleotide tách li khỏi nhau (chẳng hạn, 2
gen tương đồng ở 2 loài cùng tách li từ tổ tiên chung), chúng bắt đầu tích lũy các đột biến độc lập
với nhau. Trong các nghiên cứu tiến hóa dùng phép so sánh trình tự ADN, số nucleotide thay thế
(K) thường là thông số cơ bản để nhận định sự khác biệt giữa các gen của các loài hoặc cá thể
khác nhau. Theo đó, các gen có ít nucleotit thay thế được xem là có quan hệ gần, và ngược lại.
Tuy vậy, ngay từ năm 1969, T. Jukes và c. Cantor đã nhận định rằng “việc so sánh các trình tự
chỉ dựa trên các đơn phân đơn lẻ có thể dẫn đến việc đánh giá sai về quan hệ di truyền giữa
chúng”. Cụ thể trong phân tử ADN, ở vị trí dễ xảy ra sự thay thế nucleotide, thì rất có thể tại vị trí
đó đã xảy ra một hoặc nhiều lần các đột biến thuận và đột biến ngược. Để phản ánh khả năng đó,
Jukes và Cantor đã giả thiết rằng: mỗi loại nucleotit đều có thể được thay thế bởi 3 loại nucleotit
khác với khả năng như nhau; trong đó, qui ước tỉ lệ thay thế một nucleotit thành một trong 3 loại
nucleotit còn lại là α. Khi đó, tỉ lệ thay thế một nucleotide nói chung là 3α.Theo mô hình này, nếu
một vị trí nucleotit trên gen tại thời điểm 0 (t = 0) là C, thì xác suất (P) tại thời điểm 1 (t = 1) vị
trí nucleotit đó vẫn là C sẽ là PC(1) = 1 - 3α. Vào các thời điểm sau đó (ví dụ: t = 2), phải tính đến

87

khả năng đột biến “ngược” (đột biến “phục hồi”). Nếu nucleotide gốc là C chuyển thành một

nucleotide khác (ví dụ là A) tại t = 1, thì tại t = 2, giá trị PC(2) sẽ bằng (1 - 3α)PC(1) + α[l — PA(1)].
Công thức này có thể dùng để tính giá trị của α qua đó phản ánh tần số (tốc độ) thay thế

nucleotide tại một vị trí trên phân tử ADN. Tuy vậy, so với thực tế, công thức Jukes - Cantor là

một công thức quá giản lược. Chẳng hạn, các đột biến đồng hoán (thay thế purine này bằng

purine khác, hoặc pyrimidine này bằng pyrimidine khác) trong thực tế thường dễ xảy ra hơn so

vối các đột biến dị hoán (thay thế một purine bằng một pyrimidine hoặc ngược lại).

2.1.2 Tốc độ tiến hóa của các phần khác nhau trong gen

Kết quả so sánh trình tự ADN ở nhiều gen khác nhau đã xác nhận rằng: các phần khác

nhau trong gen có tần số biến đổi khác nhau. Nói cách khác, chọn lọc tự nhiên tác động với mức

độ khác nhau lên các phần khác nhau của gen. Chúng ta biết rằng, một gen sinh vật nhân thật

điển hình bao gồm các trình tự mã hóa (quy định các axit amin trong phân tử protein) và các trình

tự không mã hóa. Các trình tự không mã hóa bao gồm các intron, các đoạn dẫn đầu và theo sau

vùng mã hóa (được phiên mã, nhưng không được dịch mã) và các đoạn vùng biên không được

phiên mã nằm ngược dòng (đầu 5’) và xuôi dòng (đầu 3’) của gen (dù chúng cần thiết cho sự

phiên mã). Ngoài ra, trong hệ gen còn có các gen giả (cũng là trình tự không mã hóa) vốn không

còn khả năng biểu hiện và cho ra các sản phẩm hoạt động chức năng bình thường bởi chúng đã

tích lũy nhiều đột biến làm mất chức năng trong quá trình tiến hóa. Ngay trong trình tự mã hóa

của gen, không phải mọi thay thế nucleotide đều dẫn đến thay đổi axit amin trong phân tử

protein. Nhất là, sự thay thế nucleotide tại vị trí thứ ba trong một mã bộ ba (codon) nhiều khi

không làm ảnh hưởng đến thành phần và trình tự axit amin trên phân tử protein do hiện tượng

“thoái hóa” của mã bộ ba.

2.1.3. Các vị trí đồng nghĩa và khác nghĩa trong gen

Tốc độ thay đổi tương đối ở các phần khác nhau của các gen động vật có vú là rất khác

nhau. Như mô tả ở bảng dưới đây:

Bảng 1. Tốc độ thay thế nucleotit trung bình trong các vùng trình tự ADN khác nhau

thuộc gen ở động vật có vú

Trình tự ADN Số nucleotide trung bình thay thế tại mỗi

Các gen biểu hiện chức năng vị trí hàng năm (x 10-9)

Vùng biên đầu 5’ của gen 2,36

Đoạn trinh tự dẫn đáu gen 1,74

Trình tự mã hóa, đồng nghĩa 4,65

Trình tự mã hóa, khác nghĩa 0,88

Các trình tự intron 3,70

Đoạn trình tự theo sau gen 1,88

Vùng biên đẩu 3’ của gen 4,46

Các gen giả 4,85

Điểm đáng chú ý ở các gen biểu hiện chức năng là tần số thay thế nucleotit cao nhất tại

các vị trí đồng nghĩa trong vùng mã hóa của gen. Tần số thay thế nucleotit đồng nghĩa cao gấp 5

lần so với tần số thay thế nucleotit khác nghĩa quan sát được. Các đột biến thay thế nucleotit đồng

nghĩa là các đột biến không làm thay đổi trình tự axit arnin trên phân tử protein; do vậy, không

làm thay đổi sự biểu hiện chức năng của protein. Đến đây, chúng ta nhớ lại: các biến đổi trong

trình tự nucleotit có thể xuất hiện như thế nào? Về tổng thể, có thể nói tất cả những thay đổi

nucleotide trong trình tự ADN là do sai sót của quá trình sao chép hoặc sửa chữa ADN. Tất cả

các enzym tham gia sao chép và sửa chữa ADN đều không có khả năng phân biệt vùng trình tự

ADN khác nhau thuộc gen ở động vật có vú một đột biến là đồng nghĩa hay khác nghĩa. Do vậy,

có thể suy đoán rằng: khả năng xuất hiện của các đột biến thay thế nucleotide đồng nghĩa và khác

nghĩa là như nhau.

88

Nhưng, các đột biến khác nghĩa thường gây hại nên có xu hướng bị chọn lọc tự nhiên đào
thải; trong khi đó, các đột biến đồng nghĩa vượt qua được các “hàng rào” chọn lọc, nên được duy trì.
Nhờ vậy, chính các đột biến đồng nghĩa có ý nghĩa phản ánh tốc độ đột biến xảy ra ở một hệ gen,
trong khi các đột biến khác nghĩa thì không.

2.1.4. Sự biến đổi ở các vùng biên của gen
Bảng 1ở trên cho thấy mức độ biến đổi ở vùng biên đầu 3’ của các gen cũng rất cao.
Giống như các đột biến đồng nghĩa, các trình tự vùng biên đầu 3’ không ảnh hưởng đến trình tự
axit amin của protein và ít ảnh hưởng đến quá trình biểu hiện của gen. Kết quả là, phần lớn các
đột biến thay thế ở vùng này được duy trì qua chọn lọc tự nhiên. Tần số thay thế nucleotit trong
vùng intron của gen cũng cao, nhưng thấp hơn đột biến đồng nghĩa và đột biến thay thế ở vùng
biên đầu 3’. Mặc dù các trình tự intron không phải trình tự mã hóa các axit amin trong protein,
nhưng vùng tiếp giáp giữa chúng với các exon liền kề có vai trò đảm bảo cho quá trình cắt intron
và kết nối exon diễn ra chính xác. Một số trình tự bên trong intron, như trình tự phân nhánh, là
thiết yếu cho quá trình cắt intron. Một số intron bị cắt bỏ tại mô này, nhưng lại được dùng để mã
hóa axit amin tại mô khác. Ngoài ra, ở một số gen, intron còn là vị trí liên kết của một số “ yếu
tô" phiên mã nên có ảnh hưởng đến khả năng và tốc độ phiên mã của gen. Do vậy, không phải
mọi thay đổi trong trình tự intron của tất cả các gen đều vượt qua được “hàng rào” chọn lọc tự
nhiên. Nhưng, nhìn chung tần số thay đổi của chúng chỉ thấp hơn đôi chút so với các đột biến
đồng nghĩa và đột biến thay thế ở vùng biên đầu 3’ của gen.
So với vùng biên đầu 3’ của gen, vùng biên đầu 5’ có mức độ thay đổi thấp hơn. Mặc dù
vùng này cũng không được phiên mã và dịch mã, nhưng nó mang trình tự khởi đầu phiên mã
(promoter) bên cạnh các trình tự điều hòa phiên mã khác của gen; vì vậy, vùng này rất quan trọng
cho sự biểu hiện của gen. Thậm chí, những thay đổi nhỏ trong promoter, như hộp TATA, có thể
ngăn cản sự phiên mã của gen và thường có hại cho thể đột biến. Chọn lọc tự nhiên thường đào
thải những đột biến này và giảm thiểu tối đa những thay đổi trong các vùng quan trọng của hệ
gen, trong đó có các promoter.
Trong các gen, tần số biến đổi thấp hơn nữa thuộc về các vùng dẫn đầu và theo sau vùng
mã hóa của gen. Mặc dù những vùng này không được dịch mã nhưng chúng được phiên mã, và
trình tự của chúng thường có vai trò mang tín hiệu điều khiển hoặc quá trình hoàn thiện mARN
(trong nhân tế bào) hoặc quá trình dịch mã tổng hợp protein (ở tế bào chất). Do vậy, các đột biến
thay thế nucleotit ở các vùng trình tự này ít được duy trì cũng là điều dễ hiểu. Trong phạm vi một
gen, tần số các đột biến thay thế thấp nhất là các đột biến khác nghĩa xảy ra trong vùng mã hóa
của gen. Như chúng ta đã biết, phần lớn các protein kiểu dại của sinh vật có trình tự axit amin đã
được chọn lọc tự nhiên sàng lọc nên thường ở dạng thích nghi nhất với môi trường sống hiện tại;
thế nên, phần lớn các thay đổi trình tự axit amin đều dẫn đến sự kém thích nghi hơn và bị chọn
lọc tự nhiên đào thải. Tất nhiên mức độ tác động của chọn lọc tự nhiên là không giống nhau ở các
axit amin khác nhau trong phân tử protein, cũng như còn phụ thuộc vào việc axit amin thay thế có
tính chất hóa học giống hay khác axit amin gốc.
2.1.5. Gen giả
Tần số đột biến được tìm thấy cao nhất ở các gen giả. Ví dụ, ở các gen giả globin của
người, tần số thay đổi nucleotit cao gấp 5 lần so với tần số thay thế nucleotit khác nghĩa ở vùng
mã hóa của gen globin thật, sở dĩ các gen giả có tần số thay thế nucleotit cao, vì chúng không còn
được dùng để tổng hợp protein. Thế nên, những thay đổi trong gen giả hầu như không bị tác động
bởi chọn lọc tự nhiên. Nói tóm lại, một xu hướng dễ nhận thấy trong quá trình tiến hóa là: các
vùng trình tự (nucleotide hoặc axit amin) càng có vai trò quan trọng trong biểu hiện chức năng
của các đại phân tử sinh học (ADN, ARN và protein) càng có tốc độ tiến hóa chậm.

89

Theo thời gian các gen giả trở thành “kho” dự trữ các đột biến là bằng chứng cho quá
trình tiến hóa phân li giữa các loài, cơ sở cho sự nghiên cứu tiến hóa. Rất có thể một đột biến trở
lại làm cho gen này hoạt động và biểu hiện theo một cách hoàn toàn mới với gen gốc, bổ sung
vào vốn gen của loài.

2.1.6. Xu hướng chọn lọc các mã bộ ba đồng nghĩa
Xu hướng chọn lọc các mã bộ ba đồng nghĩa là ví dụ cho thấy những thay đổi dù rất nhỏ
về khả năng thích nghi ở sinh vật đều được chọn lọc tự nhiên tác động qua hàng nghìn, hàng triệu
thế hệ. Bảng 1 cho thấy, tốc độ tiến hóa của các đột biến đồng nghĩa chỉ chậm hơn chút ít so với
tốc độ biến đổi của các gen giả. Điều này cũng phản ánh rằng, các đột biến đồng nghĩa không
phải lúc nào cũng là trung tính; cụ thể, một số mã bộ ba được chọn lọc tự nhiên dường như “ưu
tiên” chọn lựa hơn những mã bộ ba đồng nghĩa khác. Giả thiết này được củng cố bằng hiện tượng
các mã bộ ba đồng nghĩa được sử dụng với tần số khác nhau trong vùng mã hóa của hệ gen nhiều
loài sinh vật. Chẳng hạn, tính thoái hóa của mã bộ ba biểu hiện ở 6 mã bộ ba cùng mã hóa axit
amin Leu là UUA, UUG, XUU, XUX,XUA XUG. Nhưng trong thực tế, 60% mã bộ ba được
dùng để mã hóa Leu ở E. coli là XUG, và 80% mã bộ ba được dùng mã hóa axit amin này ở nấm
men là UUG. Đến đây, chúng ta nhớ rằng: thực tế các mã bộ ba đồng nghĩa “kết cặp” với bộ ba
đối mã của các phân tử tARN khác nhau nhưng cùng vận chuyển một loại axit amin (nói cách
khác, sở dĩ có tính thoái hóa của mã bộ ba là do có nhiều loại tARN tuy khác nhau ở các bộ ba
đối mã nhưng cùng vận chuyển một loại axit amin). Vì vậy, có thể các mã bộ ba đồng nghĩa
không làm thay đổi các axit amin trong phân tử protein, nhưng chúng làm thay đổi loại tARN mà
ribosome sử dụng trong quá trình dịch mã. Các nghiên cứu nhìn chung cho thấy: số lượng các
loại tARN đồng đẳng (cùng vận chuyển một loại axit amin) không giống nhau; và loại tARN phổ
biến nhất cũng chính là loại mang bộ ba đối mã tương ứng với mã bộ ba đồng nghĩa được dùng
phổ biến nhất. Chọn lọc tự nhiên có lẽ đã “ưu tiên” lựa chọn một số mã bộ ba đồng nghĩa này so
với các mã bộ ba đồng nghĩa khác vì loại tARN tương ứng với mã bộ ba được lựa chọn là phổ
biến hơn. Ngoài ra, năng lượng liên kết giữa các mã bộ ba trên mARN với bộ ba đối mã trên
tARN là không giống nhau do thành phần của các bazơ nitơ. Sự khác biệt về năng lượng liên kết
trong quá trình dịch mã có thể là đối tượng chịu tác động của chọn lọc tự nhiên. Điều này đặc biệt
đúng ở những gen được biểu hiện mạnh và ở các loài có vòng đời ngắn, kích thước quần thể lớn
(như vi khuẩn, nấm men và ruồi giấm). Xu hướng chọn lọc các mã bộ ba đồng nghĩa như vậy là
một bằng chứng cho thấy “sức mạnh” của chọn lọc tự nhiên trong tiến hóa. Chẳng hạn, ngay giữa
hai chủng vi khuẩn gứông nhau hoàn toàn về mọi hoạt động sống, ngoài một khác biệt duy nhất ở
một bộ ba mã đồng nghĩa, thì khác biệt nhỏ đó cũng đủ dẫn đến việc chỉ một trong hai chủng tế
bào được duy trì qua hàng triệu thế hệ tiến hóa dưới tác động của chọn lọc tự nhiên.
2.1.7. Trong hệ gen, các gen có tốc độ tiến hóa khác nhau
Bảng 2. Tốc độ thay thê nucleotit trung bình trong trình tự ADN của các gen động vật có

vú Tốc độ đột biến khác nghĩa Tốc độ đột biến đồng nghĩa
Các gen

Histone H4 0,004 1,43

Insulin 0,16 541

Prolactin 1 29 559

a-Globin 0 56 3,94

P-Globin 0,87 2 96

Albumin 0,92 6,72

a-Fetoprotein 1,21 4 90

MHC 5,10 2,40

Apolipoprotein E 0,98 4 04

90

Tốc độ tiến hóa giữa các gen trong hệ gen, thậm chí giữa các vùng khác nhau trong một
gen, là không giống nhau. Sự khác nhau này phụ thuộc vào hai yếu tố: 1) sự khác nhau trong tần
số đột biến ở mỗi gen, và 2) mức độ tác động của chọn lọc tự nhiên lên mỗi locut. Đế xác định
một thay đổi nucleotide trong hệ gen là do tính thích nghi hay chỉ là sự kiện ngẫu nhiên,
McDonald-Kreitman (1991) đưa ra mô hình so sánh sự đa hình di truyền trong phạm vi một loài
với sự phân li giữa các loài khác nhau tại các vị trí đột biến khác nghĩa so vối đột biến đồng
nghĩa trong phạm vi một loài tương đương vối tỉ số giữa các loài khác nhau, thì hầu hết
các đột biến ở gen này là trung tính; tức là, sự thay thế nucleotit có khuynh hướng ngẫu
nhiên. Nhưng nếu những tỉ số này khác nhau, thì có sự tác động của chọn lọc tự nhiên lên
locut. Nói cách khác, sự thay thế nucleotit ở đây có khuynh hướng làm tăng tính thích
nghi của sinh vật.

Thay thế khác nghĩa với đồng nghĩa là khác nhau rõ rệt ở các locut khác nhau.
Điều này phản ánh, chọn lọc tự nhiên tác động với “cường độ” khác nhau lên mỗi locut.
Ví dụ về hai nhóm gen có chức năng liên kết ADN và là thành phần thiết yếu của chất nhiễm
sắc ở tất cả các sinh vật nhân thật. Hầu như tất cả các axit amin có trong phân tử histone (ví dụ
H4) đều tương tác vối các gốc hóa học khác nhau trên phân tử ADN tích điện âm. Vì vậy, gần
như tất cả mọi sự thay đổi trên phân tử histone H4 đều ảnh hưởng đến khả năng tương tác của
protein này với ADN. Như vậy, histone là một trong những nhóm protein có tốc độ tiến hóa chậm
nhất. Thậm chí, có thể thay thế histone H4 của người bằng histone H4 của nấm men mà không
làm thay đổi hiệu quả kiểu hình (dù rằng nấm men và người đã tách li tiến hóa từ hàng trăm triệu
năm). Điều này ngược với các apolipoprotein phổ biến trong hệ miễn dịch ở ĐVCXS, vốn có
chức năng tương tác và vận chuyển không đặc hiệu nhiều hợp chất lipit khác nhau. Miền liên kết
lipit của protein này gồm thành phần chủ yếu là các axit amin kị nước. Các axit amin có tính kị
nước (ví dụ: Leu, Ile và Val) đều có thể thay thế nhau trong miền liên kết này mà không làm thay
đổi chức năng của protein. Kết quả là, nếu như histone H4 chỉ thấy có một dạng duy nhất ở
người, thì apolipoprotein có hàng chục dạng khác nhau.

Mặc dù phần lớn những thay đổi axit amin ở hầu hết protein thường là có hại và bị chọn lọc
tự nhiên đào thải, nhưng cũng có một số locut gen chọn lọc tự nhiên lại “ưu tiên” tăng sự biến đổi.
Ví dụ điển hình về xu hướng này là các nhóm gen của hệ thông miễn dịch, bao gồm phức hệ tương
hợp mô, các cụm gen mã hóa kháng thể hoặc thụ thể tế bào T. Chẳng hạn, các gen mã hóa phức hệ
tương hợp mô MHC luôn khác nhau giữa mỗi cá thể (trừ trường hợp đa sinh cùng trứng). Vì vậy, tỉ
lệ đột biến khác nghĩa trong các gen MHC lớn hơn nhiều so với tỉ lệ đột biến đồng nghĩa. MHC là
một họ lớn của nhiều gen mà sản phẩm do chúng mã hóa quyết định khả năng nhận biết các kháng
nguyên lạ của hệ thống miễn dịch. Trong các quần thể người, khoảng 90% các cá thể nhận các
nhóm gen MHC khác nhau từ bố và mẹ. Khi phân tích một nhóm bất kỳ gồm khoảng 200 cá thể, số
alen khác biệt của locut MHC dao động từ 15 đến 30 alen. Mức độ đa dạng cao của những vùng
gen này được chọn lọc tự nhiên duy trì. Bởi vi số loại virut và các thể gây nhiễm là rất lớn, nên việc
duy trì tính đa hình cao sẽ giúp tăng số cá thể (trong quần thể) có khả năng kháng với nhiều loại
virut (thực chất là phát hiện được kháng nguyên của virut đó). Nhưng, trong quá trình tiến hóa,
song song với việc các quần thể vật chủ duy trì tính đa dạng cao của hệ thống miễn dịch thì các
virut cũng có tốc đồ tiến hóa rất nhanh. Các gen virut cúm có tốc độ thay thế nucleotit đạt l,9xl0-3
nucleotit mỗi năm, tức là gấp 1 triệu lần tốc độ đột biến đồng nghĩa ở vùng mã hóa của các gen
động vật có vú.

2.2 . So sánh các hê gen
2.2.1. So sánh hệ gen là công cụ nghiên cứu tiến hóa và xác định chức năng gen
Xu hướng tiến hóa chậm của các trình tự ADN là cơ sở của lĩnh vực nghiên cứu hệ gen
học so sánh (comparative genomics). Trong đó, toàn bộ hệ gen của các loài khác nhau được so
sánh với nhau. Một trong những mục tiêu của các dự án giải trình tự hệ gen ở mỗi loài sinh vật là

91

lập bản đồ đầy đủ của các gen, nghĩa là xác định vị trí của chúng trên mỗi NST. Việc lập bản đồ
các gen trong hệ gen người được coi là nền tảng cho tiềm năng ứng dụng kỹ thuật thuật di truyền
và liệu pháp gen trong việc chữa trị các gen sai hỏng ở các bệnh do đột biến gây ra, như bệnh hóa
xơ nang hay các bệnh ung thư. Nhưng trong thực tế, nếu chỉ xác định được vị trí một gen nào đó
trên NST thì không đủ để chỉ ra chức năng của gen đó, cũng như không rõ gen đó tương tác thế
nào với các gen và các trình tự khác trong hệ gen. Có đến 95% trình tự ADN thuộc các hệ gen
sinh vật bậc cao là các trình tự không mã hóa. Vì vậy, ngay cả khi toàn bộ trình tự một hệ gen đã
được giải mã, thì việc xác định phân đoạn nào là vùng mã hóa và chức năng của sản phẩm do
chúng mã hóa thường không dễ dàng. Trong bối cảnh đó, việc so sánh các trình tự hệ gen là một
trong những cách tốt nhất để dự đoán chức năng của một trình tự nhất định trong hệ gen. Cụ thể
là, việc phát hiện ra các trình tự giống nhau ở hai loài khác xa nhau là dấu hiệu cho thấy vai trò
rất quan trọng của những trình tự này. Ví dụ, người và chuột có tổ tiên chung cách đây khoảng 80
-100 triệu năm. Nếu các gen giả có tốc độ thay thế nucleotitlà 5x10-9 tại mỗi nucleotit mỗi năm,
thì gần 1/2 tổng số nucleotit của những gen này (không bị chọn lọc tự nhiên đào thải) sẽ biến đổi
ít nhất một lần kể từ khi tổ tiên của người và chuột bắt đầu tách li. Trên cơ sở đó, khi so sánh các
hệ gen, có thể nhận biêt các vùng có vai trò quan trọng, như các đoạn mã hóa hay các trình tự liên
kết protein điều hòa tại promoter,...

Phương pháp so sánh hệ gen là một công cụ không chỉ hữu hiệu trong việc xác định vai
trò các trình tự trong hệ gen mà còn trong các nghiên cứu tiến hóa. Tuy vậy, phương pháp so
sánh hệ gen cũng có một số hạn chế. Chẳng hạn, một số gen ở người không tìm thấy gen “đối
tác” ở một số động vật bậc thấp nên không thể so sánh. Ngoài ra, một số protein có vai trò đa
chức năng nhưng sự biểu hiện chức năng của những protein đó không giống nhau ở tất cả các

loài.
2.2.2. Tốc độ tiến hóa của hệ gen ti thể
So với hệ gen nhân, hệ gen ti thể có phương thức sao chép và di truyền khác biệt. Do vậy,

hậu quả của các đột biến thay thế trong hệ gen ti thể về căn bản cũng khác hệ gen nhân. Hệ gen ti
thể động vật có vú chứa một phân tử ADN (kí hiệu là mtADN) có dạng sợi kép, mạch vòng, dài
khoảng 15.000 bp. Phân tử mtARN của người khá đặc trưng với kích thước bằng khoảng
1/10.000 hệ gen nhân; mã hóa cho 2 loại rARN, 22 loại tARN và 13 loại protein. Với kích thước
nhỏ và tỉ lệ đột biến thay thế nucleotit đặc biệt cao, hệ gen ti thể là một đối tượng nghiên cứu tiến
hóa phù hợp.

Tỉ lệ đột biến thay thế nucleotit đồng nghĩa ỏ các gen ti thể người vào khoảng 5,7x10 -8
nucleotide mỗi năm, gấp 10 lần tỉ lệ đột biến đồng nghĩa trung bình trong vùng mã hóa của hệ
gen nhân. Tỉ lệ đột biến khác nghĩa ở các gen mã hóa protein thuộc hệ gen ti thể rất khác nhau.
Nhưng, trong mọi trường hợp, tỉ lệ này đều cao hơn nhiều tỉ lệ đột biến khác nghĩa ở các gen
thuộc hệ gen nhân. Cơ chế nào dẫn đến việc mtADN có tốc độ thay đổi nucleotit lớn hơn nhiều
so với ADN hệ gen nhân đến nay chưa rõ, nhưng có thể liên quan đến tần số sai sót cao trong quá
trình sao chép và sửa chữa mtADN (ti thể không có nhiều cơ chế sửa chữa ADN như hệ gen
nhân). Ngoài ra, nồng độ cao hơn của các chất gây đột biến, bao gồm các gốc tự do chứa oxy
(như 02-) vốn là sản phẩm của quá trĩnh trao đổi chất diễn ra trong ti thể cũng có thể là một
nguyên nhân dẫn đến tần số đột biến trong các gen ti thể cao hơn. Một nguyên nhân khác cũng có
thể là do áp lực thấp hơn của chọn lọc tự nhiên đối với hệ gen ti thể vì trong mỗi tế bào có hàng
chục ti thể khác nhau, trong đó trung bình mỗi ti thể chứa 2 bản sao mtADN. Đó là chưa kể đến
các thay đổi xảy ra trong phần lớn các protein, tARN và rARN được hệ gen ti thể mã hóa ít gây
ảnh hưởng tới sức sống của cơ thể sinh vật hơn so với những thay đổi tương tự trong hệ gen nhân
(đặc biệt ở các sinh vật đa bào). Một khác biệt nữa giữa hệ gen ti thể và hệ gen nhân là hệ gen ti
thể chủ yếu được di truyền theo dòng mẹ. Ti thể nằm trong tế bào chất, mà hầu như chỉ có tế bào
chất từ trứng (của mẹ) đóng góp vào tế bào chất hợp tử. Kết quả là, mtADN không trải qua giảm

92

phân mà có kiểu gen giông mẹ. Việc hệ gen ti thể tồn tại ở trạng thái đơn bội và không trải qua
giảm phân (nghĩa là không có tái tổ hợp do trao đổi chéo như cặp NST tương đồng trong hệ gen
nhân) dẫn đến quan điểm cho rằng hầu hết các đột biến thay thế nucleotit trong hệ gen ti thể là do
đột biến (chứ không phải do tái tổ hợp di truyền) sinh ra. Kiểu di truyền này cùng với tốc độ thay
đổi nhanh của hệ gen ti thể cung cấp một công cụ hiệu quả cho nghiên cứu tiến hóa và so sánh hệ
gen giữa các loài; hoặc giữa các dòng, giống, chủng tộc ... của cùng một loài.

2.3. So sánh nhiễm sắc thể
Việc so sánh kiểu hình NST giữa các loài, đặc biệt ở sinh vật nhân thật, là một
phương pháp nghiên cứu cơ bản đã cung cấp nhiều thông tin quan trọng về quá trình hình
thành các loài. Các đoạn NST, các gen (hoặc các phân đoạn gen) và protein (hoặc các
đoạn trình tự axit amin) giống nhau ở nhiều loài khác nhau được gọi là các đoạn trình tự
bảo thủ cao. Kiểu hình nhuộm băng NST (còn gọi là “kiểu nhân”) của người giống với tinh
tinh hơn cả, sau đó là với khỉ Gorilla và đười ươi. Kiểu nhân của ngưòi, tinh tinh và các
loài vượn người chủ yếu khác nhau do một số đột biến đảo đoạn NST. Còn sự khác biệt
chủ yếu giữa kiểu nhân của người và ba loài vượn người này với các loài linh trưởng lâu
đời hơn chủ yếu là do các đột biến chuyển đoạn NST (xảy ra giữa các NST). Nếu cả hai
bản sao NST số 2 của ngưòi bị “đứt” làm đôi thì kiểu nhân của người sẽ có 48 NST và lúc
đó sẽ giống với kiểu nhân của các loài vượn người. Kiểu hình nhuộm băng NST số 1 của
ngưòi, tinh tinh, khỉ Gorilla và đười ươi giống với kiểu hình nhuộm băng của hai NST nhỏ
tìm thấy ở một loài khỉ đuôi xanh Châu Phi. Điều này cho thấy, loài khỉ này có quan hệ di
truyền, hoặc thậm chí là tổ tiên của các loài linh trưởng khác. Khi so sánh kiểu hình
nhuộm băng NST của các loài có quan hệ xa hơn, người ta nhận thấy kiểu hình nhuộm
băng của NST X giống nhau ở tất cả các loài động vật có vú.
Kiểu hình nhuộm băng NST giống nhau ở nhiều loài động vật rất khác nhau vể
hình thái là một bằng chứng cho thấy nguồn gốc chung của các sinh vật trên Trái đất.
Nhưng, vì các đoạn NST có kiểu hình nhuộm băng giống nhau nhưng chưa chắc mang các
gen có trình tự hoàn toàn giống nhau nên việc so sánh NST không phải là phương pháp lý
tưởng để xác định khoảng cách di truyền giữa các loài. Kỹ thuật nhuộm băng NST theo
nguyên tắc lai huỳnh quang tại chỗ - FISH, sử dụng các mẫu dò ADN đánh dấu huỳnh
quang, cho phép so sánh các NST tại các vị trí gen đặc thù. Sự tương quan về trật tự các
gen trên NST giữa các loài là cơ sở xác định mối quan hệ tiến hóa giữa chúng.
2.3. So sánh các trình tự protein
Sự kiện tất cả mọi dạng sống trên Trái đất đểu sử dụng một mã di truyền chung để tổng
hợp nên các loại protein là bằng chứng cho thấy tất cả mọi dạng sông trên Trái đất có chung một
tổ tiên. Việc so sánh các trình tự protein giữa các loài sinh vật khác nhau cũng bổ sung thêm dữ
liệu ủng hộ giả thiết này. Ví dụ, các gen mã hóa keratin tổng hợp protein lông cừu có đoạn tương
đồng nằm trên NST số 11 của người. Sự giống nhau về thành phần và trình tự axit amin trong các
loại protein tương ứng ở người và tinh tinh là đáng ngạc nhiên (khoảng 99%). Một số protein của
hai loài giống nhau hoàn toàn. Trên cơ sở đó, khi phân tích chức năng của một gen mới, các nhà
nghiên cứu có thể tham khảo các dữ liệu có sẵn về những gen đã biết ở các sinh vật khác.

93

II. MỘT SỐ CÂU HỎI LUYỆN TẬP
Câu 1: Dựa vào cơ sở nào người ta cho rằng ARN chứ không phải ADN là trung tâm của hệ
thống sinh hoá đầu tiên?

Hướng dẫn trả lời:
- Để điều khiển một hệ thống sinh hoá đòi hỏi một phân tử vừa có thể qui định sự tổng
hợp các protein vừa có khả năng tự sao chép.
- Các protein có khả năng xúc tác các phản ứng sinh hóa, nhưng các protein lại không thể
thực việc tự sao chép chính nó.
- ADN cũng không có khả năng xúc tác và khả năng tự sao chép nếu không có sự tham
gia của protein. Do vậy cả ADN và protein đều không thể là trung tâm của hệ sinh hoá đầu tiên.
- Chỉ ARN vừa có khả năng tự sao chép và xúc tác nên đã trở thành trung tâm của hệ sinh
hoá đầu tiên.
Câu 2: Giải thích vì sao, việc thay thế bộ gen ARN bằng bộ gen ADN là tất yếu?
Hướng dẫn trả lời:
- Protein xúc tác ngày càng hiệu quả hơn vì sự linh hoạt vốn có của polypeptit lớn hơn rất
nhiều so với các ribozim ARN, chúng đàn thay thể vai trò của ribozim trong các phản ứng sinh

hoá.
- Việc đảm nhân vai trò mã hóa xem ra ít thích hợp với ARN vì sự bất ổn tương đối của

các liên kết phosphodieste ARN , do tác động gián tiếp của nhóm 2'-OH (nhóm 2'-OH có hoạt
tính tự xúc tác làm đứt gãy liên kết phosphodieste trong chuỗi ribonucleotit của ARN) làm cho
phân tử trở nên kém ổn định không bảo tồn được thông tin di truyền.

- Qua quá trình chọn lọc lâu dài,việc chuyển giao các chức năng mã hóa để ADN ổn định
hơn là tất yếu và sẽ không có được khó khăn để đạt được, giảm ribonucleotit tăng

deoxyribonucleotit.
- Bước tiến hóa quan trọng tiếp theo chính là quá trình phiên mã ngược, tổng hợp ADN

dựa trên khuôn mẫu protogenomes RNA dưới sự xúc tác của enzim phiên mã ngược
transcriptaza. Sự thay thế của uracil với thymin của methyl hóa có thể tạo sự ổn định hơn cho
chuỗi polynucleotit ADN.

- Cuối cùng chọn lọc đã ưu tiên các ADN sợi đôi như một phân tử mã hóa hoàn hảo bởi
chúng không chỉ có ưu thế trong baỏ quản thông tin mà còn thuận lợi trong tái bản và sửa chữa

khi có sai sót.

94

- Các liên kết với nhau của những gen này vào các nhiễm sắc thể đầu tiên, có thể đã xảy
ra trước hoặc sau khi chuyển đổi hệ gen ADN, điều này sẽ cải thiện hiệu quả của phân phối gen
trong quá trình phân chia tế bào, vì nó là dễ dàng hơn để tổ chức việc phân phối một cách công
bằng của một số nhiễm sắc thể lớn hơn nhiều gen riêng biệt.
Câu 3: Hãy trình bày các cơ chế chủ yếu làm gia tăng số bản sao của gen và vai trò của mỗi
cơ chế đó trong tiến hoá của hệ gen?

Hướng dẫn trả lời:
- Nhân bản toàn bộ hệ gen: Nhân bản toàn bộ hệ gen có thể dẫn đến sự mở rộng đột ngột
về số lượng gen. Cách nhanh nhất của việc tăng số lượng gen chính là sao chép toàn bộ bộ gen.
Trong tế bào của thể đa bội số lượng bản sao của mỗi nhiễm sắc thể là như nhau, do vậy hệ gen
cân bằng giúp thể đa bội sinh trưởng và phát triển bình thường trong nhiều trường hợp có ưu thế
hơn cả thẻ lưỡng bội. Nhưng nhìn chung các dạng đa bội thể thường khó khăn trong sinh sản hữu
tính và cách li sinh sản với dạng gốc lưỡng bội. Tự đa bội ít phổ biến ở các loài động vật, đặc biệt
là ở những loài có phân hoá giới, có thể là vì những vấn đề phát sinh nếu một nhân sở hữu nhiều
hơn một cặp nhiễm sắc thể giới tính.
- Nhân bản của một nhiễm sắc thể đơn lẻ: Tăng số lượng bản sao của một hay một số
nhiễm sắc thể dẫn đến sự mất cân bằng của các sản phẩm của nhiều gen trong nhóm liên kết dẫn
đến làm rối loạn quá trình sinh hoá của tế bào. Do vậy lặp gen dựa trên sự gia tăng số bản sao của
một nhiễm sắc thể thường gây chết, làm giảm sức sống và làm mất khả năng sinh sản của sinh
vật. Vì vậy đây có lẽ là cách thức không thu nhận được thành công đáng kể trong quá trình tiến
hóa gia tăng số lượng gen của bộ gen.
- Nhân bản của một gen hoặc một nhóm gen: Xảy ra thường xuyên trong quá trình tiến
hoá ở tất cả các loài hình thành các họ. Trao đổi chéo không cân giữa hai cromatit không chị em
xảy trong giảm phân hình thanh nhiễm sắc thể lặp đoạn và nhờ đó một số gen nằm trong đoạn lặp
này có thêm bản sao. Một cơ chế khác cũng dẫn đến sự lặp gen đó là sự trượt mạch trong quá
trình tái bản ADN.
Câu 4: Chứng minh rằng tiến hoá hệ gen có thể xảy ra mà không bao gồm sự gia tăng kích
thước hệ gen?
Hướng dẫn trả lời:
Sự sắp xếp lại các trình tự ADN sẵn có trong các gen cũng đã góp phần vào sự tiến hóa hê gen
mà không cần sự gia tăng kích thước hệ gen.
- Điều này là hoàn toàn có thể bởi vì hầu hết các protein được tạo thành từ các miền cấu
trúc, mỗi miền là một phân đoạn của chuỗi polypeptide. Có hai cách trong đó sắp xếp lại các
đoạn mã hóa của gen có thể dẫn đến hình thành các protein với chức năng mới là:

+ Trùng lặp tên miền:
+ Xáo trộn miền:
- Thay đổi kiểu biểu hiện của gen hiện có
Câu 5: Các cơ chế mà một loài có thể thu nhận gen từ loài khác?
Hướng dẫn trả lời:
- Tiếp hợp giữa các chủng nhân sơ gần gũi:
- Thu nhận ADN dung dịch bằng biến nạp trong giới nhân sơ có thể xa nahu về nguồn
gốc:
- Tải nạp nhờ virut: chuyển gen giữa các loài thuộc các giới khác nhau xa nhau về di
truyền
- Lai xa và đa bội hoá ở thực vật
Câu 6: Phân tích vai trò của các yếu tố di truyền vận động trong sự tiến hoá của hệ gen?
Hướng dẫn trả lời:

95

- Chúng có thể thúc đẩy các hiên tượng tái tổ hợp, làm đứt gãy các gen hoặc các trình tự
điều hòa biểu hiện gen, hoặc vận chuyển toàn bộ một gen nào đó hoặc các vùng exon
riêng lẻ tới các vị trí mới.

- Sự di chuyển của các yếu tố vận động cũng có thể gây nên những hậu quả trực tiếp. Ví
dụ, nếu một yếu tố vận động “nhảy” vào giữa trình tự mã hóa protein, thì nó sẽ ngăn
cản tế' bào sản xuất bản phiên mã bình thường của gen.

- Nếu một yếu tố vận động cài vào giữa một trình tự điều hòa, thì sự di chuyển đó có
thể dẫn đến viêc sinh tổng hợp một hoặc một số protein tăng lên hoặc giảm đi.

- Trong quá trình di chuyển, các yếu tố vận động có thể mang theo một gen hoặc một
nhóm gen tới một vị trí mới trong hê gen.

- Bởi một quá trình tương tự diễn ra lâu dài, một exon từ một gen có thể được cài vào
một gen khác bởi cơ chế giống với hiên tượng tráo exon trong tái tổ hợp.

- Một cách khác mà các yếu tố vận động có thể tạo nên các trình tự mã hóa mới. Nghiên
cứu này cho thấy một yếu tố Alu có thể “nhảy” vào trong một intron theo cách tạo nên
một vị trí cắt intron mới hoạt động yếu trên bản phiên mã ARN.

Câu 7: Có thể nguồn gốc của intron là chưa rõ ràng nhưng vai trò của nó trong tiến hoá hệ
gen là không thể phủ nhận. Hãy chúng minh.

Hướng dẫn trả lời:
- Có hai giả thuyết đối lập:
+ Giả thuyết “intron sớm” cho rằng intron có nguồn gốc rất cổ xưa và đang bị mất dần ở
bộ gen nhân thực điển hình.
+ Giả thuyết “intron muộn” cho rằng intron phát sinh tương đối gần đây và đang dần dần
tích lũy trong hệ gen của sinh vật nhân thực .
Cả hai giả thuyết đều chưa có các bằng chứng thuyết phục nên nguồn gốc của intron là
chưa rõ ràng.
- Vai trò của intron:

+ Nhờ có intron mà cần phải có bước cải biến mARN sau phiên mã, cách loại bó intron
và ghép nối các exon thêo các cách khác nhau tạo ra các mARN trưởng thành khác nhau
khi dịch mã tạo ra các sản phẩm khác nhau từ cùng một gen.
+ Ngoài ra, intron còn làm tăng chiều dài gen tạo điều kiện cho hoạt động trao đổi chéo
gây nên các sự kiện lặp exon như đã trình bày ở trên.
+ Intron còn có thể chứa các trình tự điều hoà biểu hiện gen.
+ Nó cũng làm giảm tác động của đột biến và trở thành các “kho” tích luỹ các đột biến
tránh tác động của chọn lọc, đó có thể là nguồn dự trữ vật liệu và nguyên liệu cho tiến

hoá.
Câu 8: Những sai khác giữa bộ gen của người và tinh tinh là không đủ để giải thích cho
những khác biệt mà con người đang sở hữu. Hãy giải thích vấn đề này.

1. Những sai khác trong hệ gen
- Sai khác về trình tự nuclotit là 1,5%
- Sai khác về cấu trúc của gen cho hydroxylase axit N-glycolyl-neuraminic và do đó
không thể tổng hợp dưới dạng hydroxy acid N-glycolyl-neuraminic có trên bề mặt tế bào tinh

tinh
- Một số sự trùng lặp gen gần đây đã xảy ra ở một hoặc một số gen ở người.
- Một số thành phần của ADN không mã hóa trong hai bộ gen đã tách ra khá xa, minh chứng

mức độ phát triển nhanh chóng của các trình tự DNA lặp đi.
- Khi nhuộn băng nhiễm sắc thể người và tinh tinh cho thấy có một vài sự sắp xếp lại. Sự

khác biệt đáng kể nhất là nhiễm sắc thể số hai ở người chính là kết quả của sự hợp nhất của hai
nhiễm sắc thể riêng biệt ở tinh tinh. Ngoài ra còn một số đảo đoạn NST.

96

2. Giải thích: Những sai khác nêu trên là chưa đủ để giải thích những khác biệt giữa người
và tinh tinh. Một trong những cách giải thích không nằm ở sự khác biệt trong hệ gen về mặt cấu
trúc mà là sự biểu hiện chức năng theo một cách khác biệt. Điều này có được là do những biến
đổi trong trình tự nucleotit dù là rất nhỏ (1,5%) có liên quan đến các trình tự điều hoà và sự tái
cấu trúc nhiễm sắc thể cũng ảnh hưởng sâu sắc đến sự biểu hiện của nhiều gen trong hệ gen
người.
Câu 9: Trong một gen cấu trúc điển hình, các phần khác nhau có tốc độ tiến hoá khác nhau
như thế nào? Giải thích nguyên nhân của sự khác biệt đó.

Hướng dẫn trả lời:

- Vùng mã hoá:
+ Các đoạn exon: Có tốc độ tiến hóa chậm, tốc độ thay thể đồng nghĩa cao hơn khác
nghĩa
+ Các đoạn intron: Có tốc đoj tiên hoá nhanh hơn, tích luỹ nhiều đột biến do không chịu
tác động của chọn lọc. Vùng biên của intron có trình tụ nhận biết của yéu tố cắt intron nên có tính
bảo thủ cao.
- Vùng điều hòa:
+ Trình tự Promotor: Có tính bảo thủ cao do mang trình tự khởi đầu phiên mã, tốc độ tiến
hoá chậm
+ Trình tự dẫn dầu 5': Là trình tự nhận biết của riboxom khi dịch mã nên có tính bảo thủ

cao
- Vùng kết thúc: Có vai trò ít quan trọng trong phiên mã và dịch mã nên có tốc độ tiến hoá

nhanh. Tuy nhiên vùng này cũng có trình tự gắn đuôi polyA khi cải biến ARN cũng cần được
củng cố trong tiến hoá.
Câu 11: Trong vùng mã hoá của gen, tần số thay thế nucleotit đồng nghĩa cao gấp 5 lần so với
tần số thay thế nucleotit khác nghĩa quan sát được. Hãy giải thích.

Hướng dẫn trả lời:
- Các đột biến thay thế nucleotide đồng nghĩa là các đột biến không làm thay đổi trình tự
axit arnin trên phân tử protein; do vậy, không làm thay đổi sự biểu hiện chức năng của protein.
-Tất cả những thay đổi nucleotide trong trình tự ADN là do sai sót của quá trình sao chép
hoặc sửa chữa ADN. Tất cả các enzym tham gia sao chép và sửa chữa ADN đều không có khả
năng phân biệt vùng trình tự ADN khác nhau thuộc gen một đột biến là đồng nghĩa hay khác
nghĩa. Do vậy, có thể suy đoán rằng: khả năng xuất hiện của các đột biến thay thế nucleotide
đồng nghĩa và khác nghĩa là như nhau.
- Đột biến khác nghĩa thường gây hại nên có xu hướng bị chọn lọc tự nhiên đào thải; trong khi
đó, các đột biến đồng nghĩa vượt qua được các “hàng rào” chọn lọc, nên được duy trì. Nhờ vậy, chính
các đột biến đồng nghĩa có ý nghĩa phản ánh tốc độ đột biến xảy ra ở một hệ gen, trong khi các đột
biến khác nghĩa thì không.
Câu 12: Nhận xét về tốc độ tiến hoá của gen giả. Vì sao nghiên cứu gen giả chỉ ra các bằng
chứng tiến hóa đáng tin cậy?
Hướng dẫn trả lời:
- Tần số đột biến được tìm thấy cao nhất ở các gen giả. Sở dĩ các gen giả có tần số thay
thế nucleotit cao, vì chúng không còn được dùng để tổng hợp protein. Thế nên, những thay đổi
trong gen giả hầu như không bị tác động bởi chọn lọc tự nhiên.
- Do không chịu tác động của chọn lọc nên mọi đột biến ở gen giả đều đựoc tích luỹ. Dựa
vào tốc độ tích luỹ các đột biến có thể dự đoán thời gian tiến hoá, xác định thời điểm hai loài

phân tách nhau trong tiên hóa.
Câu 13: Giải thích vì sao trong hệ gen, các gen có tốc độ tiến hóa khác nhau?

Hướng dẫn trả lời:

97

- Sự khác nhau trong tần số đột biến ở mỗi gen: Có nhiều nguyên nhân làm cho mỗi gen
có tốc độ phát sinh đột biến khác nhau như các gen có kích thước càng lớn thì tần số đột biến
càng cao. Ngoài ra vị trí gen trên nhiễm sắc thể hay trong tế bào cũng có liên quan đến tần số đột
biến gen.

- Mức độ tác động của chọn lọc tự nhiên lên mỗi locut.
+ Có những gen bảo thủ gần như không tiến hoá trong thời gian dài, chịu áp lực lớn của
chọn lọc tự nhiên, mọi biến đổi có thể đều đã bị đào thải (gen histon).
+ Có những gen có tốc độ biến đổi nhanh (gen mã hóa kháng thể). Nhìn chung sản phẩm
của gen các gen là đối tượng trực tiếp của chọn lọc. Áp lực chọn lọc lên mỗi gen là tùy thuộc vào
chức năng của gen đó.
Câu 14: Vì sao khi nghiên cứu mối quan hệ họ hàng giữa các cá thể cùng loài người ta lại
quan tâm đến hệ gen ti thể?
Hướng dẫn trả lời:
- Với kích thước nhỏ và tỉ lệ đột biến thay thế nucleotit đặc biệt cao, hệ gen ti thể là một
đối tượng nghiên cứu tiến hóa trong nội bộ loài.
- Cơ chế dẫn đến việc mtADN có tốc độ thay đổi nucleotit lớn hơn nhiều so với ADN hệ

gen nhân:
+ Tần số sai sót cao trong quá trình sao chép và sửa chữa mtADN (ti thể không có nhiều
cơ chế sửa chữa ADN như hệ gen nhân).
+ Ngoài ra, nồng độ cao hơn của các chất gây đột biến, bao gồm các gốc tự do chứa oxy
(như 02-) vốn là sản phẩm của quá trĩnh trao đổi chất diễn ra trong ti thể
+ Một nguyên nhân khác cũng có thể là do áp lực thấp hơn của chọn lọc tự nhiên đối với
hệ gen ti thể vì trong mỗi tế bào có hàng chục ti thể khác nhau, trong đó trung bình mỗi ti
thể chứa 2 bản sao mtADN.
+ Các thay đổi xảy ra trong phần lớn các protein, tARN và rARN được hệ gen ti thể mã
hóa ít gây ảnh hưởng tới sức sống của cơ thể sinh vật hơn so với những thay đổi tương tự
trong hệ gen nhân (đặc biệt ở các sinh vật đa bào).
- Việc hệ gen ti thể tồn tại ở trạng thái đơn bội và không trải qua giảm phân (nghĩa là

không có tái tổ hợp do trao đổi chéo như cặp NST tương đồng trong hệ gen nhân) dẫn đến quan
điểm cho rằng hầu hết các đột biến thay thế nucleotit trong hệ gen ti thể là do đột biến (chứ
không phải do tái tổ hợp di truyền) sinh ra. Kiểu di truyền này cùng với tốc độ thay đổi nhanh của
hệ gen ti thể cung cấp một công cụ hiệu quả cho nghiên cứu tiến hóa và so sánh hệ gen giữa các
loài; hoặc giữa các dòng, giống, chủng tộc ... của cùng một loài.
Câu 15: Vì sao phương pháp so sánh trình tự nucleotit trên ADN có ưu thế hơn so sánh trình
tự axit amin của protein trong nghiên cứ tiến hóa?

Hướng dẫn trả lời:
- Một phần đáng kể các trình tự ADN thuộc các hệ gen sinh vật bậc cao là các trình tự
không thuộc gen, vì vậy những biến đổi ở vùng này không biểu hiện ở sản phẩm protein.
- Ngay trong các gen thì cũng có hiều biến đổi trong cấu trúc của gen không được thể hiện
trong cấu trúc của protein (do trong gen có nhiều trình tự không mã hoá và do hiện tượng mã
thoái hóa hay do sự tồn tại của intron).
- Nhiều protein không tương đồng giữa các loài nên không có để so sánh. Hơn nữa, một
số protein có vai trò đa chức năng nên sự biểu hiện chức năng của những protein đó không giống
nhau ở tất cả các loài.
- Sự biểu hiện của gen là rất khác nhau ở các loài nên việc so sánh protein không hoàn
toàn chính xác (chẳng hạn như việc cải biến sau phiên mã và dịch mã là khá phổ biến và không
giống nhau)

98

- Khi so sánh các hệ gen, có thể nhận biêt các vùng có vai trò quan trọng, như các đoạn
mã hóa hay các trình tự liên kết protein điều hòa tại promoter,...

PHẦN 9
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

Câu 1:
Thế nào là giải trình tự hệ gen? Việc giải trình tự hệ gen có ý nghĩa gì?

Gợi ý trả lời:
Giải trình tự ADN là kỹ thuật giúp xác định sự sắp xếp của bốn loại nucleotit A, T, X, G trên

phân tử ADN, nhờ đó nghiên cứu được đặc điểm di truyền ở mức độ sinh học phân tử.
Ý nghĩa: tìm ra trình tự sắp xếp của các nucleotit trên đoạn gen được quan tâm nhằm phát

hiện sự đột biến gen hoặc để thiết kế gen mồi (primer) và các vector tách dòng (cloning) nhằm
tạo ra các protein tái tổ hợp có giá trị cao trong Y học (vaccine, thuốc chữa bệnh, các sinh phẩm
phục vụ chẩn đoán bệnh hoặc nghiên cứu khoa học…) hoặc giải trình tự cả hệ gen phục vụ cho
mục đích nghiên cứu.

Câu 2:
Hãy so sánh về kích thước và mật độ hệ gen của sinh vật nhân sơ với sinh vật nhân thực và

giải thích.
Gợi ý trả lời:

Sinh vật nhân thực thường có hệ gen lớn hơn nhưng lại có số gen ít hơn trên cùng một số
nhất định các cặp base, nghĩa là có mật độ gen thấp hơn so với sinh vật nhân sơ.

Giải thích: Trong tất cả các hệ gen của vi khuẩn được nghiên cứu cho đến nay, phần lớn
ADN chứa các gen mã hoá cho protein, tARN hoặc rARN; một lượng nhỏ của các trình tự ADN
còn lại gồm chủ yếu là các trình tự điều hoà không được phiên mã, như các trình tự khởi động
(promoter). Hơn nữa, gen của vi khuẩn là gen không phân mảnh: trình tự các nucleotit dọc theo
một gen mã hoá protein thường không bị ngắt quãng từ vị trí bắt đầu đến vị trí kết thúc bởi các
trình tự không mã hoá (intron). Ngược lại, các hệ gen của sinh vật nhân thực, phần lớn ADN
không được dùng để mã hoá cho protein hoặc không được phiên mã thành các ARN biểu hiện
chức năng, đồng thời ADN chứa rất nhiều trình tự điều hoà phức tạp. Hơn nữa, gen phân mảnh,
xen giữa các đoạn mã hoá (exon) là các đoạn không mã hoá (intron). Bên cạnh đó, các sinh vật
nhân thực đa bào chứa một lượng lớn ADN không mã hoá ở giữa các gen.

Câu 3:
Nêu vai trò của intron trong cấu trúc gen phân mảnh. Những thay đổi nào trong trình tự các

nucleotit ở vùng intron có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho cơ thể sinh vật?
Gợi ý trả lời:

- Vai trò của intron trong cấu trúc gen phân mảnh
+ Một số intron chứa các trình tự tham gia điều hoạt động của gen. Sự hiện diện của

intron làm hạn chế được tác động có hại của đột biến vì nếu đột biến thường là nguyên
khung xảy ra trong các vùng intron thì không ảnh hưởng đến thông tin di truyền.
+ Nhờ intron mà một gen có thể mã hoá cho nhiều hơn một loại chuỗi polipeptit thông
qua cơ chế cắt bỏ intron và nối exon trong quá trình tạo mARN trưởng thành, nhờ đó
tiết kiệm thông tin di truyền.
+ Các intron trong gen có thể thúc đẩy nhanh sự tiến hoá của các prôtêin nhờ quá trình
xáo trộn exon. Các intron làm tăng xác suất trao đổi chéo giữa các exon thuộc các gen
alen với nhau, nhờ đó có thể xuất hiện các tổ hợp có lợi.
- Sự thay đổi trình tự các nucleotit trong vùng intron có thể gây ra những hậu quả nghiêm
trọng cho cơ thể sinh vật trong các trường hợp sau:

99

+ Một số intron của gen này lại chứa trình tự điều hoà hoạt động của gen khác, nếu bị đột
biến sẽ làm cho sự biểu hiện của gen khác bị rối loạn, thể đột biến có thể bị chết hoặc
giảm sức sống.

+ Đột biến xảy ra ở các nucleotit thuộc hai đầu intron, làm sai lệch vị trí cắt intron, phức
hệ enzim cắt ghép không nhận ra được hoặc cắt sai dẫn đến làm biến đổi mARN trưởng
thành, cấu trúc polypeptit sẽ thay đổi và thường gây bất lợi cho sinh vật.

+ Đột biến làm biến đổi intron thành trình tự mã hoá axit amin, bổ sung thêm trình tự
nucleotit mã hoá axitamin vào các exon, làm cho chuỗi polypeptide dài ra, có thể chuỗi
polypeptit được tổng hợp sẽ có hại cho cơ thể sinh vật.

Câu 4:
Nếu cho rằng gen phân mảnh là xu thế tiến hóa có ưu thế ở sinh vật nhân thực, thì màng nhân

có vai trò gì về chức năng giúp gen phân mảnh trở nên có ưu thế tiến hóa? Giải thích. (Trích đề
thi chọn đội tuyển olympic Quốc tế 2013)

Đáp án:
- Nhờ có màng nhân ngăn cách ARN sơ cấp với ribosome và nhiều phân tử kích thước lớn

trong tế bào chất nên ARN sơ cấp phiên mã từ gen phân mảnh có điều kiện để cắt intron ghép
exon và hoàn thiện trước khi được dịch mã ở tế bào chất. Sự cắt intron và nối các exon theo
các cách khác nhau tạo ra nhiều loại mARN từ cùng một gen qua đó tạo ra nhiều protein ở
các loại tế bào khác nhau vì thế tiết kiệm được thông tin di truyền.

- Nhờ có màng nhân ngăn cách nên tế bào nhân thực có thêm được cơ chế điều hòa sau phiên
mã đối với các gen phân mảnh.

- Nếu màng nhân không được tiến hóa cùng hoặc trước khi có sự tiến hóa của gen phân mảnh
thì gen phân mảnh sau khi phiên mã được dịch mã ngay sẽ tạo ra các protein không có chức
năng vì cả phần intron cũng được dịch mã tạo ra trình tự axit amin khác thường.

Gen phân mảnh là cấu trúc cho phép hệ gen sinh vật nhân thực mở rộng hệ gen (tích lũy thêm
thông tin di truyền), tăng khả năng tích lũy đột biến trung tính (đột biến câm / giảm thiểu hậu quả
của đột biến) làm tăng tính phong phú nguyên liệu cho chọn lọc tự nhiên.

Câu 5:
Các quá trình tiến hoá nào có thể giải thích cho việc các sinh vật nhân sơ có hệ gen nhỏ hơn

các sinh vật nhân thực?
Gợi ý trả lời:

Quá trình tiến hoá liên quan đến việc chọn lọc tự nhiên ưu tiên các tế boà sinh sản nhanh hơn:
các tế bào càng tái bản ADN và phân chia càng nhanh thì càng có khả năng chiếm ưu thế trong
các quần thể sinh vật nhân sơ. Lượng ADN cần phải sao chép càng ít thì chúng sinh sản sàng

nhanh.

Câu 6:
a) Hoạt động của yếu tố di truyền vận động có tác động đến hệ gen của sinh vật nhân thực như

thế nào?
b) Nêu sự khác biệt về hậu quả đột biến đối với cơ thể động vật khi một yếu tố di truyền vận

động chèn vào vùng điều hoà ở đầu một gen cấu trúc qui định một protein được biểu hiện ở giai
đoạn phát triển phôi với trường hợp đột biến do yếu tố di truyền vận động chèn vào vùng mã hoá
của gen cấu trúc đó. (Trích đề thi chọn đội tuyển olympic Quốc tế 2012)
Đáp án:
a) Hoạt động của yếu tố di động tác động lên hệ gen sinh vật nhân thực:

100