Gen là gì?

Gen là đơn vị cơ bản, vật lý và chức năng của di truyền.

Các gen tạo nên trình tự ADN (kiểu gen). Kiểu gen, cùng với các yếu tố khác (ví dụ như yếu tố môi trường), xác định đặc điểm kiểu hình của sinh vật. Những thay đổi trong gen thúc đẩy sự tiến hóa và chọn lọc tự nhiên.

Lịch sự phát hiện ra gen

Gen trước đây được gọi là yếu tố.

Sự tồn tại của gen như một yếu tố di truyền độc lập lần đầu tiên được xác định bởi Gregor Mendel, người hiện được coi là cha đẻ của di truyền học.

Mendel đã xây dựng các quy luật di truyền dựa trên các thí nghiệm nhân giống cẩn thận của ông trên cây đậu trong vườn. Sau đó, nó được gọi là gen do Wilhelm Johannsen, một nhà thực vật học và sinh lý học thực vật người Đan Mạch giới thiệu vào năm 1905.

Trước công trình của Mendel, niềm tin phổ biến là bố mẹ nam và nữ cung cấp chất lỏng hòa trộn hoặc trộn lẫn trong quá trình thụ tinh. Charles Darwin gọi các hạt trộn lẫn khi thụ tinh là gemmule.

Tác phẩm của Mendel được xuất bản năm 1886. Tuy nhiên, phải đến cuối những năm 1900, cuốn sách mới được chấp nhận vì tại thời điểm đó các đề xuất của Mendel được hỗ trợ bởi những kết quả tương tự từ các tác phẩm của Hugo de Vries, Carl Correns và Erich von Tschermak.

Nghiên cứu sâu hơn trong thế kỷ tiếp theo đã dẫn tới sự hiểu biết về cấu trúc phân tử và chức năng của gen. Người ta phát hiện ra rằng gen này bao gồm ADN được biểu hiện.

Các công trình của Rosalind Franklin và Maurice Wilkins và sau này là của James D. Watson và Francis Crick đã xác định cấu trúc DNA. Nghiên cứu khoa học về mô hình di truyền các tính trạng cụ thể, liên quan đến gen và thông tin di truyền và di truyền được gọi là di truyền học.

Cấu trúc và chức năng của gen

Gen là một trình tự các nucleotit trong một axit nucleic cụ thể.

Do đó, gen là một đoạn trong phân tử ADN hoặc ARN mã hóa cho các loại ARN (mRNA, tRNA, rRNA) hoặc protein bằng biểu hiện gen.

Nucleotide là đơn vị cấu trúc của axit nucleic. Thành phần của nucleotide bao gồm axit photphoric, đường (5-cacbon) và bazơ nitơ.

Các chuỗi nucleotide trong axit nucleic được liên kết với nhau bằng liên kết photphodiester 3′, 5′. Điều này có nghĩa là nhóm 5′-phosphoric của một nucleotide được este hóa với 3′-hydroxyl của nucleotide liền kề.

Biểu hiện gen

Sự biểu hiện gen đòi hỏi phải chuyển đổi thông tin từ gen thành mRNA (bản phiên mã) và sau đó bản phiên mã được dịch thành protein. Do đó, quá trình biểu hiện gen bao gồm hai bước chính:

• Phiên mã
• Dịch mã

Trong quá trình phiên mã, gen mã hóa một loại protein cụ thể được sao chép sang mRNA thông qua sự trợ giúp của enzyme RNA polymerase. Quá trình diễn ra theo hướng 5′ → 3′ thông qua sự ghép cặp bazơ nitơ. Cụ thể, guanine kết hợp với cytosine (và ngược lại), thymine kết hợp với adenine và adenine kết hợp với uracil (thay vì thymine). Ở sinh vật nhân sơ, quá trình phiên mã xảy ra ở tế bào chất trong khi ở sinh vật nhân chuẩn, nó diễn ra chủ yếu ở nhân trước khi mRNA được vận chuyển vào tế bào chất để dịch mã hoặc tổng hợp protein.

Trong quá trình dịch mã, mRNA thu được được giải mã để tạo ra protein bao gồm các axit amin theo một trình tự cụ thể. Ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, quá trình này diễn ra trên ribosome. Tuy nhiên, ở sinh vật nhân chuẩn, nó xảy ra trên các ribosome được gắn trên bề mặt của mạng lưới nội chất (ER).

Quá trình dịch mã bao gồm các bước sau: bắt đầu , kéo dài quá trình dịch mã và kết thúc quá trình dịch mã . Tóm lại, ribosome liên kết với mRNA và sau đó tRNA gắn vào codon khởi đầu của bản phiên mã trong giai đoạn khởi đầu. Tiếp theo là quá trình kéo dài dịch mã trong đó một trật tự cụ thể của các axit amin được các tRNA đưa đến vị trí ribosome dựa trên trình tự codon xác định trong mRNA .

Các axit amin được nối với nhau thành chuỗi bằng liên kết peptit. Khi đạt đến codon dừng trong mRNA, quá trình dịch mã sẽ dừng lại và protein mới hình thành sẽ trưởng thành, tức là bằng cách gấp protein hoặc sửa đổi sau dịch mã. Sự biểu hiện gen dẫn đến sự biểu hiện kiểu hình của gen.

Di truyền

Di truyền là sự tiếp thu các đặc điểm từ cha mẹ sang con cái dựa trên các gen truyền được biểu hiện. Sự kế thừa một đặc điểm cụ thể tuân theo các định luật Mendel, chẳng hạn như quy luật phân ly, quy luật phân loại độc lập và quy luật thống trị, là một kiểu thừa kế của Mendel .

Ngược lại, di sản không tuân theo định luật Mendel là loại di sản không theo Mendel. Ví dụ về các trường hợp không phải Mendel là đồng trội, thống trị không hoàn toàn và di truyền đa gen.

Đột biến gen

Các gen có thể có được những thay đổi di truyền. Khi chúng tồn tại vĩnh viễn và có thể di truyền, những thay đổi này được gọi là đột biến. Khi gen đột biến, các biến thể (gọi là alen) được hình thành và điều này dẫn đến sự khác biệt về đặc điểm kiểu hình trong quần thể. Có hai loại đột biến chính:

• đột biến quy mô nhỏ
• đột biến quy mô lớn

Đột biến quy mô nhỏ liên quan đến một hoặc một vài gen bị đột biến. Các ví dụ bao gồm việc xóa, thay thế và thêm một hoặc nhiều nucleotit.

Khi có sự tham gia của một số gen, chẳng hạn như một vùng của nhiễm sắc thể hoặc đôi khi là toàn bộ nhiễm sắc thể, thì đột biến là một loại quy mô lớn. Ví dụ như xóa, đảo ngược hoặc khuếch đại một vùng nhiễm sắc thể hoặc toàn bộ nhiễm sắc thể.

Đột biến quy mô lớn thường nghiêm trọng hoặc gây chết người.

Đặc điểm của gen ở người

Ở người, gen có kích thước khác nhau từ vài trăm cho đến hơn 2 triệu base pairs. Dự án giải mã bộ gen người (Human Genome Project)ước tính rằng con người có từ 20.000 đến 25.000 gen.

Mỗi người có hai bản sao của mỗi gen, một bản sao được di truyền từ cha và mẹ. Hầu hết các gen đều giống nhau ở tất cả mọi người, nhưng một số lượng nhỏ gen (ít hơn 1% tổng số) có chút khác biệt giữa mọi người. Các alen là các dạng của cùng một gen với sự khác biệt nhỏ trong trình tự các cơ sở ADN của chúng. Những khác biệt nhỏ này góp phần tạo nên tính năng vật lý độc đáo cho mỗi người.

Các nhà khoa học theo dõi các gen bằng cách đặt cho chúng những cái tên độc đáo. Bởi vì tên gen có thể dài, các gen cũng được gán các ký hiệu, là sự kết hợp ngắn của các chữ cái (và đôi khi là số) đại diện cho một phiên bản rút gọn của tên gen. Ví dụ, một gen trên nhiễm sắc thể số 7  (chromosome 7) có liên quan đến bệnh xơ nang (Cystic fibrosis) được gọi là chất điều hòa dẫn truyền sợi xơ nang; biểu tượng của nó là CFTR

Từ định nghĩa về gen, chúng ta thấy rằng: gen có bản chất là ADN, trên một phân tử ADN chứa rất nhiều gen quy định các tính trạng khác nhau của cơ thể người.

Có 2 loại gen chính đó là gen mã hóa và gen điều hòa.

• Gen mã hóa: mang thông tin di truyền mã hóa các protein cấu tạo nên thành cấu trúc và chức năng của tế bào
• Gen điều hòa: tham gia vào hoạt động điều khiển và kiểm soát các quá trình biểu hiện protein của các cơ quan trong cơ thể

Ngoài ra, còn có các loại gen khác, bao gồm gen phân mảnh và gen không phân mảnh.

• Gen phân mảnh: có vùng mã hóa không liên tục, bị xen kẽ bởi các đoạn exon (là vùng gen mã hóa) và các đoạn intron (là vùng gen không mã hóa)
• Gen không phân mảnh: có vùng mã hóa liên tục

Mỗi người sẽ có hai bản sao của một gen, một bản từ bố và bản còn lại từ mẹ.

Hầu hết các gen là như nhau ở mọi người, nhưng có một số ít gen (ít hơn 1% tổng số) hơi khác nhau giữa mỗi người.

Alen là các dạng của cùng một gen với những khác biệt nhỏ trong trình tự base DNA. Những khác biệt nhỏ này tạo nên nét đặc trưng của mỗi người.

Hệ gen là gì?

Hệ gen (bộ gen, genome) là tập hợp toàn bộ gen lưu trữ trong các nhiễm sắc thể chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền của một cơ thể sinh vật được mã hóa trong ADN (ở một số virus có thể là ARN).

Hệ gen bao gồm những vùng chứa gen lẫn những đoạn không phiên mã.

Gen so với hệ gen

Hệ gen được định nghĩa là toàn bộ vật chất di truyền hoàn chỉnh trong một sinh vật. Do đó, tất cả các gen có trong tế bào, tức là gen trong nhân và gen ngoài nhân, được gọi chung là bộ gen.

Ví dụ, hệ gen của vi khuẩn đề cập đến toàn bộ nhiễm sắc thể đơn chứa bên trong vi khuẩn đó. Ngược lại, hệ gen của con người được tạo thành từ khoảng 25.000 gen hoặc ba tỷ cặp bazơ hóa học.

Gen so với Alen

Các biến thể của gen kiểm soát cùng một tính trạng và chiếm một vùng cụ thể trên nhiễm sắc thể được gọi là các alen.

Một tính trạng cụ thể có thể được xác định bởi một cặp alen hoặc bởi sự tương tác của một loạt các alen như trong trường hợp nhiều tính trạng alen (hoặc di truyền đa gen). Một số tính trạng nhất định được xác định bởi một cặp alen; một trong số chúng sẽ chiếm ưu thế trong khi cái còn lại sẽ lặn.

Số lượng gen trong bộ gen của người

Mặc dù số lượng cặp base của ADN ở bộ gen người đã được biết đến từ thập niên 1960, ước tính số lượng gen có sự thay đổi theo thời gian khi định nghĩa về gen, và phương pháp xác định chúng liên tục được cập nhật và tinh chỉnh. Các dự đoán lý thuyết ban đầu về số lượng gen ở người cao tới mức 2.000.000 gen.

Trong khi các kết quả đo thực nghiệm sơ bộ ban đầu cho thấy số lượng này trong khoảng 50.000–100.000 gen được phiên mã (bằng phương pháp đánh dấu trình tự biểu hiện). Sau đó, kết quả giải trình tự ở Dự án Bản đồ gen ở Người cho thấy nhiều trình tự được phiên mã là những biến thể khác của cùng một gen, và tổng số lượng gen mã hóa protein giảm xuống còn ~20.000 trong đó có 13 gen mã hóa nằm trong bộ gen ty thể.

Nghiên cứu sâu hơn từ dự án GENCODE tiếp tục cho ước lượng số gen giảm xuống còn ~19.900. Trong bộ gen ở người, chỉ 1–2% trong 3 tỷ cặp base ADN là đoạn mã hóa protein, những đoạn còn lại là các ADN ‘không mã hóa’ bao gồm intron, retrotransposon, các trình tự điều hòa ADN và các đoạn ADN phiên mã thành ARN không mã hóa.

Tuy gen đóng một vai trò to lớn trong sự hình thành tính trạng và mọi hoạt động của sinh vật, trong đó có cả con người, nhưng tác động của môi trường bên ngoài và cả những gì sinh vật đã trải qua cũng có vai trò rất quan trọng, thậm chí tạo ra kết quả sau cùng của biểu hiện tính trạng. Chẳng hạn, nhiều gen cùng quy định chiều cao của một người, nhưng chế độ dinh dưỡng, luyện tập của người đó cũng có ảnh hưởng không nhỏ.

Ứng dụng của gen

Trong y học và lĩnh vực y sinh, gen đã được biến đổi bằng công nghệ sinh học.

Quá trình này được gọi cụ thể là kỹ thuật di truyền. Các nhà khoa học và nhà nghiên cứu đã phát triển các kỹ thuật chỉnh sửa gen để sửa đổi gen hoặc sửa chữa DNA.

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là bổ sung gen vào bộ gen của vi khuẩn, cho phép vi khuẩn tổng hợp protein mục tiêu để sử dụng trong y học, công nghiệp hoặc nông nghiệp.

Ở các sinh vật đa bào, việc chỉnh sửa hoặc sửa chữa gen được thực hiện để điều trị các bệnh di truyền. Đây chính là nội dung của liệu pháp gen.