Đột biến: Các dạng và nguyên nhân
Các loại đột biến gen là sự thay đổi trong trình tự DNA, gây thay đổi trong cấu trúc gen. Những thay đổi này có thể ảnh hưởng lớn đến cấu trúc protein hoặc chức năng của gen, có thể dẫn đến các hiện tượng như bệnh di truyền hoặc khả năng chống lại các loại thuốc. Bài viết này được viết dưới sự hướng dẫn chuyên môn của các bác sỹ thuộc Trung tâm Công nghệ cao Vinmec. 1. Đột biến gen là gì? Đột biến gen là khi sự thay đổi vĩnh viễn xảy ra trong trình tự DNA, dẫn đến sự khác biệt so với trình tự thông thường ở đa số cá thể. Mức độ các loại đột biến gen có thể ảnh hưởng từ một phần nhỏ của DNA đến một đoạn lớn của nhiễm sắc thể chứa nhiều gen. Có hai nhóm chính của các loại đột biến gen được phân loại: 1.1 Đột biến di truyền dị hợp là gì? Đây là các biến thể gen nhận được từ bố hoặc mẹ, tồn tại trong suốt cuộc đời và xuất hiện trong tất cả các tế bào của cơ thể. Những đột biến này xuất hiện trong tế bào trứng hoặc tinh trùng của cha mẹ, nên còn được gọi là đột biến giao tử. Khi trứng và tinh trùng kết hợp để tạo thành tạo thành hợp tử, ADN từ cả bố và mẹ sẽ có trong hợp tử
Khi trứng và tinh trùng kết hợp để tạo thành tạo thành hợp tử, ADN từ cả bố và mẹ sẽ có trong hợp tử. Nếu DNA từ bố hoặc mẹ chứa biến thể gen thì đứa trẻ được sinh ra và phát triển sẽ mang theo biến thể này trong tế bào của mình. 1.2 Đột biến sinh dưỡng là gì? Đột biến sinh dưỡng là các biến thể gen xuất hiện tại một số giai đoạn trong quá trình sống, ảnh hưởng đến một số tế bào cụ thể trong cơ thể. Các thay đổi này có thể phát sinh do ảnh hưởng từ môi trường, tia cực tím từ ánh sáng mặt trời hoặc lỗi sao chép ADN trong quá trình phân bào. Đáng chú ý, các đột biến tế bào sinh dưỡng là một trong các loại đột biến gen không đượcdi truyềncho thế hệ sau. 2. Đột biến gen lặn và đột biến gen trội là gì? Sự khác biệt cơ bản trongdi truyềngiữa các sinh vật phụ thuộc vào việc tế bào của chúng mang một bộ nhiễm sắc thể đơn hay hai bản sao của mỗinhiễm sắc thể- trước đây gọi là đơn bội và lưỡng bội. Sinh vật đơn bào thường mang nhiễm sắc thể đơn bội trong khi sinh vật đa bào phức tạp như ruồi giấm, chuột, người mang nhiễm sắc thể lưỡng bội. Mỗi biến thể của một gen được gọi là một alen
Mỗi biến thể của một gen được gọi là một alen. Sinh vật lưỡng bội mang hai bản sao của mỗi gen, có thể giống nhau (đồng hợp tử) hoặc khác nhau (dị hợp tử) cho một gen. 2.1 Đột biến gen lặn Đột biến gen lặn là một trong các loại đột biến gen, cần cả hai alen phải đột biến để biểu hiện kiểu hình đột biến. Nghĩa là cá thể phải đồng hợp tử (có hai alen đột biến giống nhau) thì mới biểu hiện kiểu hình đột biến. Ngược lại, đột biến trội biểu hiện kiểu hình đột biến ngay cả khi cá thể chỉ có một alen đột biến và một alen bình thường (dị hợp tử). Đột biến gen lặn làm cho gen bị mất chức năng. Ví dụ, có thể loại bỏ một phần hoặc toàn bộ gen, làm gián đoạn sự biểu hiện hoặc thay đổi cấu trúc của protein được mã hóa, gây thay đổi chức năng. 2.2 Đột biến gen trội Đột biến gen trội thường dẫn đến tăng chức năng hoặc mất chức năng của một sản phẩm gen. Trong một số trường hợp, cần có cả hai bản sao của gen để thực hiện chức năng bình thường, do đó, loại bỏ một bản sao cũng dẫn đến đột biến. Những gen như vậy được gọi là không đủ haplo. Một đột biến ở một alen có thể ảnh hưởng đến cấu trúc protein, ức chế chức năng của protein do alen mã hóa. Đây được gọi là đột biến âm tính trội. 3
Một đột biến ở một alen có thể ảnh hưởng đến cấu trúc protein, ức chế chức năng của protein do alen mã hóa. Đây được gọi là đột biến âm tính trội. 3. Các loại đột biến gen liên quan đến sự thay đổi DNA lớn hoặc nhỏ Một dạng đột biến liên quan đến thay đổi trong một đơn cặp base, được gọi là đột biến điểm hoặc xóa một số cặp base thường ảnh hưởng đến chức năng của một đơn gen. Những biến đổi trong một cặp bazo có thể gây ra ba dạng trong các loại đột biến gen sau: 3.1 Đột biến thay thế Dẫn đến việc thay thế một axit amin này bằng mộtaxit aminkhác trong protein. 3.2 Đột biến vô nghĩa Đột biến vô nghĩa xảy ra khi có một sự thay đổi trong cặp cơ sở của DNA. Tuy nhiên, thay vì thay thế một axit amin bằng một axit amin khác, trình tự DNA bị thay đổi sớm dẫn đến việc tế bào ngừng tổng hợp protein. Loại đột biến này gây ra một protein bị rút ngắn, có thể không hoạt động đúng với chu kỳ hoặc không hoàn toàn hoạt động. 3.3 Đột biến lệch khung Đột biến dịch khung là một trong các loại đột biến gen xảy ra khi có sự chèn thêm hoặc mất đi các cặp base trong DNA, làm thay đổi khung đọc của gen. Khung đọc của gen chứa các bộ ba mã hóa cho một axit amin
Khung đọc của gen chứa các bộ ba mã hóa cho một axit amin. Do đó, đột biến dịch khung gây ra việc dịch chuyển vị trí của các bộ ba này và thay đổi mã hóa cho các axit amin tương ứng. Các protein được tổng hợp từ gen mắc đột biến dịch khung thường không có chức năng. Cả đột biến chèn, mất điểm và đột biến sao chép đều được coi là các trường hợp của đột biến dịch khung. Một loại đột biến chính thứ hai liên quan đến thay đổi quy mô lớn trong cấu trúc nhiễm sắc thể có thể ảnh hưởng đến hoạt động của nhiều gen, dẫn đến hậu quả lớn về mặt kiểu hình. Những đột biến nhiễm sắc thể như vậy có thể liên quan đến việc xóa hoặc chèn các gen liền kề, đảo ngược thứ tự gen trên nhiễm sắc thể hoặc thậm chí là trao đổi các đoạnDNAlớn giữa các nhiễm sắc thể không tương đồng. 4. Các loại đột biến gen khác 4.1 Đột biến chèn Đột biến chèn xảy ra khi số lượng cơ sở DNA trong gen thay đổi bằng cách thêm vào một đoạn DNA mới, dẫn đến việc protein được sản xuất bởi gen đó có thể không hoạt động bình thường. 4.2 Đột biến mất điểm Đột biến mất điểm là khi có sự thay đổi trong số lượng các cặp base của DNA bằng cách loại bỏ một phần của DNA
4.2 Đột biến mất điểm Đột biến mất điểm là khi có sự thay đổi trong số lượng các cặp base của DNA bằng cách loại bỏ một phần của DNA. Các đột biến mất điểm nhỏ có thể làm mất đi một số cặp base trong một gen. Tuy nhiên, khi đột biến mất điểm lớn xảy ra, làm loại bỏ toàn bộ một gen hoặc một vài gen liền kề. 4.3 Đột biến nhân bản Đột biến nhân bản là một trong các loại đột biến xảy ra khi một đoạn DNA bị sao chép không bình thường, dẫn đến thay đổi chức năng của protein được sản xuất. 4.4 Đột biến lặp lại mở rộng Đột biến lặp lại mở rộng là khi các nucleotide, tức là các đoạn DNA ngắn, được lặp lại nhiều lần liên tiếp. Loại đột biến này làm cho protein được tạo ra hoạt động không bình thường. 5. Nguyên nhân đột biến gen Các loại đột biến xảy ra tự nhiên với tần số thấp do sự không ổn định hóa học của các base purine và pyrimidine hoặc do lỗi trong quá trình sao chép DNA. Các yếu tố môi trường nhưánh sáng cực tímvà chất gây ung thư hóa học như aflatoxin B1 cũng có thể gây ra các đột biến. Một nguyên nhân đột biến gen tự phát phổ biến là sự khử amin của cytosine thành uracil trong DNA xoắn kép
Một nguyên nhân đột biến gen tự phát phổ biến là sự khử amin của cytosine thành uracil trong DNA xoắn kép. Quá trình sao chép tiếp theo dẫn đến một tế bào con đột biến, trong đó, một cặp nucleotide T-A thay thế cho cặp nucleotide C-G bình thường. Một nguyên nhân khác của đột biến tự phát là lỗi trong quá trình sao chép DNA. Mặc dù sao chép thường được thực hiện với độ chính xác cao, nhưng đôi khi vẫn có thể xảy ra lỗi. Để tăng tần suất đột biến ở các sinh vật thí nghiệm, nhà nghiên cứu thường xử lý với liều lượng cao chất gây đột biến hóa học hoặc bức xạ ion hóa. Các loại đột biến gen phát sinh để thử nghiệm các phương pháp điều trị được gọi là đột biến cảm ứng. Tổng quát, đột biến hóa học thường gây ra các đột biến điểm, trong khi bức xạ ion hóa có thể gây ra các biến đổi lớn hơn về cấu trúc của nhiễm sắc thể. 6. Một số bệnh ở người do đột biến gen tự phát gây ra Nhiều căn bệnh nghiêm trọng ở con người thường phát sinh do các loại đột biến gen đơn lẻ. Các bệnh di truyền xuất phát từ các đột biến tự phát trong tế bào mầm (trứngvàtinh trùng) được truyền sang các thế hệ sau
Các bệnh di truyền xuất phát từ các đột biến tự phát trong tế bào mầm (trứngvàtinh trùng) được truyền sang các thế hệ sau. Ví dụ, bệnh thiếu máuhồng cầu hình liềmảnh hưởng đến khoảng 1/500 người gốc Phi, là do một đột biến duy nhất tại codon 6 của gen β-globin. Kết quả của đột biến này là glutamic acid tại vị trí 6 trong protein bình thường bị thay thế bằng một valine trong protein đột biến. Sự thay đổi này có tác động sâu sắc đến hemoglobin - protein vận chuyển oxy của hồng cầu, gồm hai α-globin và hai β-globin. Dạng khử oxy của protein đột biến không hòa tan trong hồng cầu và tạo thành các mảng kết tinh. Hồng cầu của những người bị căn bệnh này trở nên cứng và quá trình vận chuyển của chúng qua cácmao mạchbị chặn lại, gây đau dữ dội và tổn thương mô. Vì hồng cầu của những cá nhân này có khả năng chống lại ký sinh trùng gây bệnhsốt rétđặc hữu ở châu Phi nên alen đột biến đã được duy trì. Không phải là những người gốc Phi có nhiều khả năng mắc phải căn bệnh này hơn những người khác mà là do đột biến này đã được duy trì trong quần thể này thông qua quá trình giao phối tự nhiên
Đột biến tự phát trong tế bào soma (tế bào cơ thể không phải là tế bào mầm) cũng đóng vai trò quan trọng trong một số bệnh, bao gồm cảu nguyên bào võng mạc ở trẻ em. Dạng di truyền của u nguyên bào võng mạc là kết quả củacác loại đột biến gendòng mầm ở một alen Rb và đột biến soma thứ hai xảy ra ở alen Rb khác. Khi một tế bào võng mạc dị hợp tử Rb trải qua đột biến soma, nó không còn alen bình thường; kết quả là tế bào tăng sinh một cách không kiểm soát, dẫn đến sự phát triển của khối u võng mạc. Dạng thứ hai của bệnh này được gọi là u nguyên bào võng mạc lẻ tẻ, là kết quả của hai đột biến độc lập phá vỡ cả hai alen Rb. Vì chỉ cần một đột biến soma để phát triển khối u ở trẻ em mắc bệnh u nguyên bào võng mạc di truyền, nó xảy ra với tần suất cao hơn nhiều so với dạng lẻ tẻ, yêu cầu hai đột biến soma độc lập để xảy ra. Protein Rb đã được chứng minh là đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự phân chia tế bào. Tóm lại, các loại đột biến gen gây ra bởi những thay đổi trong trình tự DNA dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của gen. Cả sự thay đổi nhỏ và lớn đều có thể xảy ra tự nhiên
Cả sự thay đổi nhỏ và lớn đều có thể xảy ra tự nhiên. Việc điều trị bằng bức xạ ion hóa hoặc các tác nhân hóa học khác có thể làm tăng tần suất đột biến gen.