Gen

}}
Gene là một đoạn xác định của phân tử acid nucleic có chức năng di truyền nhất định. Trong hầu hết các trường hợp, phân tử acid nucleic này là DNA, rất ít khi là RNA (trường hợp gen là RNA hiện mới chỉ phát hiện ở một số virus).

Thuật ngữ này dịch theo phiên âm kết hợp Việt hoá từ tiếng Anh gene, cũng như từ tiếng Pháp gène (phát âm Quốc tế đều là /jēn/). Trong sinh học phổ thông cũng viết là gen (đọc là gien hoặc zen). Gene có thể tạo ra sản phẩm của nó, gọi là sản phẩm của gen.

Thuật ngữ "gen" đóng vai trò cơ bản thiết yếu và quan trọng hàng đầu trong di truyền học. Nội hàm của thuật ngữ "gen" đã thay đổi nhiều kể từ khi di truyền học (genetics - tức khoa học về gen) ra đời (từ năm 1900) cho đến thế kỷ XIX hiện nay. Trong sinh học phân tử hiện đại cũng như di truyền học phân tử hiện đại, tính từ đầu năm 2000 đến nay, đã có ít nhất 6 định nghĩa mới về gen. Bài viết này mới chỉ đề cập đến nội hàm của thuật ngữ gen ở thời kỳ mà nhiều nhà nghiên cứu lịch sử di truyền học gọi là "thời kỳ tân cổ điển" của di truyền học (khoảng từ những năm 1940 đến những năm 1970) và ít nhiều đề cập tới nội hàm tương đối mới đến những năm 1980.

Trong quá trình biểu hiện gen, trước tiên DNA được sao chép sang RNA. Phân tử RNA hoặc là có chức năng biệt hóa trực tiếp hoặc làm khuôn mẫu trung gian để tổng hợp lên protein thực hiện một chức năng nào đó. Sự chuyển giao gen đến các sinh vật thế hệ con cháu là cơ sở của tính thừa kế các tính trạng kiểu hình. Các gen tạo thành từ các trình tự DNA khác nhau gọi là kiểu gen. Kiểu gen cùng với các yếu tố môi trường và phát triển xác định lên tính trạng kiểu hình. Đa số các tính trạng sinh học chịu ảnh hưởng bởi nhiều gen (polygene, tức một tính trạng do nhiều gen khác nhau quyết định gọi là tương tác gen) cũng như tương tác giữa gen với môi trường. Một số tính trạng di truyền có thể trông thấy ngay lập tức, ví như màu mắt hoặc số chi, và một số khác thì không, như nhóm máu, nguy cơ mắc các bệnh, hoặc hàng nghìn quá trình sinh hóa cơ bản cấu thành sự sống.

Gene có thể thu nạp các đột biến sinh học nằm trong trình tự của chúng, dẫn đến những biến thể, gọi là các allele, trong quần thể. Các allele này mã hóa một số phiên bản hơi khác nhau của cùng một protein, làm biểu hiện tính trạng kiểu hình khác nhau. Việc sử dụng thuật ngữ "có một gen" (v.d., "các gen tốt," "gen màu tóc") thông thường nhắc tới việc bao gồm một allele khác nữa của cùng chung một gen.

Khái niệm gen liên tục được tinh chỉnh để cho phù hợp với những hiện tượng mới khám phá gần đây.

Thuật ngữ gen do nhà thực vật học, sinh lý học thực vật và di truyền học người Đan Mạch Wilhelm Johannsen giới thiệu năm 1905. Ông lấy gốc từ tiếng Hy Lạp cổ đại: γόνος, gonos, có nghĩa là thế hệ con cháu và sinh sản.

Lịch sử

Khám phá các đơn vị di truyền độc lập

Sự tồn tại của các đơn vị độc lập có khả năng di truyền được đề xuất lần đầu tiên bởi nhà thực vật học Gregor Mendel (1822–1884). Từ năm 1854 đến 1863, trong một tu viện ở Brno, ông đã tiến hành trồng (gần 28.000 cây) và nghiên cứu các mẫu thế hệ con cháu của 12.835 cây thực vật đậu Hà Lan, theo dõi các đặc điểm khác biệt truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Ông miêu tả các đặc điểm này như là tổ hợp toán học 2n&nbsp;với n là số các đặc điểm khác nhau trong các cây đậu gốc. Mặc dù ông không sử dụng thuật ngữ gen, ông đã giải thích các kết quả theo thuật ngữ các đơn vị rời rạc có khả năng di truyền làm xuất hiện các đặc điểm thực tế quan sát được. Nội dung miêu tả này đã có trước phát hiện phân biệt của Wilhelm Johannsen về giữa kiểu gen (vật liệu di truyền của một sinh vật) và kiểu hình (các đặc điểm trông thấy của sinh vật đó). Mendel cũng lần đầu tiên chứng tỏ quy luật phân ly độc lập, sự khác biệt giữa các tính trạng trội và tính trạng lặn, sự khác biệt giữa dị hợp tử (heterozygote) và đồng hợp tử (homozygote), và hiện tượng di truyền không liên tục.

Trước khi có nghiên cứu của Mendel, ngành sinh học đã có một số tiến bộ như: nhờ phát minh kính hiển vi sơ khai của Antonie van Leeuwenhoek (thế kỷ XVII) đã mở đường cho việc quan sát thế giới vi sinh vật, sự ra đời thuyết tế bào của Matthias Schleiden và Theodor Schwann (1838, 1839). Nhìn chung quan niệm phổ biến về di truyền thời đó vẫn là di truyền các tính trạng tập nhiễm và di truyền hòa hợp (blending inheritance), cho rằng các cá thể thừa kế từ bố mẹ một hỗn hợp pha trộn các tính trạng, ví dụ như lai cây hoa đỏ với hoa trắng sẽ cho ra hoa hồng. Charles Darwin đã phát triển một lý thuyết về di truyền mà ông gọi là pangenesis (thuyết mầm, thuyết pangen), từ tiếng Hy Lạp cổ pan ("mọi, toàn thể") và genesis ("sự sinh") / genos ("nguồn gốc"). Darwin sử dụng thuật ngữ gemmule (mầm sinh) để miêu tả các hạt giả thuyết mà chúng được trộn với nhau trong quá trình sinh sản.

Tuy nhiên giới khoa học đương thời đã không hiểu và đánh giá được tầm vóc của khám phá Mendel sau khi ông công bố nghiên cứu vào năm 1866. Mãi đến năm 1900 ba nhà sinh học Hugo de Vries, Carl Correns, và Erich von Tschermak độc lập nhau đã thực hiện các thí nghiệm và đi đến các kết luận tương tự trước khi họ biết tới các nghiên cứu của Mendel. Đặc biệt, năm 1889, Hugo de Vries xuất bản cuốn sách của ông Intracellular Pangenesis, trong đó ông dự đoán rằng các tính trạng riêng biệt có từng đơn vị di truyền độc lập và sự kế thừa các tính trạng này trong sinh vật đến từ các hạt mầm. De Vries gọi những đơn vị này là "pangenes" (Pangens trong tiếng Đức), dựa theo lý thuyết pangenesis năm 1868 của Darwin.

Trong các năm 1902-1903, dựa trên các quan sát của nhiều nhà khoa học, trong đó có Walther Flemming về nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào, hai nhà khoa học Walter Sutton và Theodor Boveri đã độc lập với nhau cùng khởi xướng Học thuyết di truyền nhiễm sắc thể. Trong bài báo của ông, Sutton nhấn mạnh vào sự quan trọng khi ông quan sát thấy nhóm NST lưỡng bội chứa hai tập hợp có hình thái (morphology) giống nhau, và trong giảm phân, mỗi giao tử chỉ nhận được một NST từ mỗi cặp NST tương đồng. Sau đó ông sử dụng quan sát này để giải thích các kết quả của Mendel bằng cách giả thiết rằng các gen nằm trên nhiễm sắc thể.

Năm 1905, Wilhelm Johannsen đã giới thiệu các thuật ngữ 'gene', 'genotype' và 'phenotype'

Sự khám phá DNA

Quá trình nghiên cứu gen và di truyền tiếp tục đạt được những tiến bộ trong thế kỷ XX. Trước đó Friedrich Miescher (1869) đã khám phá ra một hỗn hợp trong nhân tế bào gọi là 'nuclein' mà sau đó Albrecht Kossel (1878) đã cô lập được thành phần không phải protein trong nuclein gọi là axit deoxyribonucleic. DNA được chứng tỏ là những phân tử chứa thông tin di truyền qua các thí nghiệm thực hiện trong thập niên 1940 đến thập niên 1950 (xem thí nghiệm Avery–MacLeod–McCarty, thí nghiệm Hershey–Chase). Nhờ kết quả nghiên cứu cấu trúc DNA bởi Rosalind Franklin và Maurice Wilkins bằng phương pháp tinh thể học tia X, đã giúp James D. Watson và Francis Crick đề xuất ra mô hình đúng về phân tử sợi xoắn kép DNA mà nguyên tắc ghép cặp nucleobase hàm ý giả thiết cho cơ chế sao chép vật liệu di truyền.

Những năm đầu thập niên 1950, đa số các nhà sinh học có quan điểm cho rằng các gen trong một nhiễm sắc thể hoạt động giống như những đoạn rời rạc, không thể phân chia được bằng cách tái tổ hợp và sắp xếp như những hạt trên một chuỗi. Thí nghiệm của Seymour Benzer sử dụng các khuyết tật đột biến ở vùng rII của thể thực khuẩn T4 (1955-1959) đã chứng tỏ từng gen có một cấu trúc thẳng đơn giản và dường như là tương đương với một đoạn của sợi DNA.

Bằng các thí nghiệm gây đột biến các gen liên quan đến các con đường sinh hóa trên nấm mốc bánh mỳ Neurospora crassa, năm 1941 George Beadle và Edward Tatum xác nhận mỗi gen kiểm soát phản ứng sinh hóa tổng hợp một enzyme đặc thù. Kết quả này đưa hai ông đến giả thuyết một gen - một enzym về sau được chính xác hóa là một gen xác định chỉ một chuỗi polypeptide, cấu trúc bậc 1 của protein, trong đó có các enzyme.

Từ những kết quả nghiên cứu thu nạp dần đã hình thành lên luận thuyết trung tâm của sinh học phân tử, phát biểu rằng các protein được dịch mã từ RNA, mà đến lượt RNA được phiên mã từ DNA. Tuy vậy, sau này luận thuyết được chỉ ra có những ngoại lệ, ví dụ như phiên mã ngược ở retrovirus. Ngành di truyền hiện đại nghiên cứu ở cấp độ DNA được biết đến là di truyền phân tử.

Năm 1972, Walter Fiers và cộng sự ở Đại học Ghent đã lần đầu tiên xác định được trình tự của một gen: đó là gen mã hóa cho protein vỏ bọc của thể thực khuẩn MS2. Những phát triển sau đó của xác định trình tự DNA bằng kỹ thuật gián đoạn chuỗi bởi Frederick Sanger năm 1977 đã nâng cao hiệu quả giải trình tự và giúp nó trở thành công cụ thường xuyên trong các phòng thí nghiệm. Một kỹ thuật tự động của phương pháp Sanger đã được áp dụng ở giai đoạn đầu của dự án giải mã bộ gen ở người.

Thuyết tổng hợp hiện đại

Một số lý thuyết đã được phát triển đầu thế kỷ XX nhằm kết hợp giữa di truyền Mendel với thuyết tiến hóa Darwin được gọi là thuyết tổng hợp hiện đại, một thuật ngữ do Julian Huxley giới thiệu.

Các nhà sinh tiến hóa sau đó đã chỉnh sửa bổ sung khái niệm này, như quan điểm gen là đối tượng trung tâm của tiến hóa nêu ra bởi George C. Williams. Ông đề xuất một khái niệm gen tiến hóa như là một đơn vị của chọn lọc tự nhiên với định nghĩa: "nó là cái tách biệt và tái kết hợp với tần số phù hợp." Theo quan điểm này, phân tử gen phiên mã như là một đơn vị, và gen tiến hóa kế thừa như là một đơn vị. Các ý tưởng liên quan nhấn mạnh vào vai trò trung tâm của gen trong tiến hóa được Richard Dawkins thảo luận trong các cuốn sách phổ biến khoa học.

Cơ sở phân tử

-phosphat chạy theo hướng ngược nhau với các cặp base hướng vào trong, sự bắt cặp A với T và C với G thông qua liên kết hydro.
|alt=DNA chemical structure diagram showing how the double helix consists of two chains of sugar-phosphate backbone with bases pointing inwards and specifically base pairing A to T and C to G with hydrogen bonds.]]

DNA
Hầu hết các sinh vật sống mã hóa gen của chúng trong những chuỗi dài DNA (axit deoxyribonucleic). DNA bao gồm một chuỗi cấu thành từ bốn loại tiểu đơn vị nucleotide, mỗi tiểu đơn vị cấu tạo bởi: một đường năm cacbon (2'-deoxyribose), một nhóm phosphat, và một trong bốn base adenine, cytosine, guanine, và thymine.

Hai sợi DNA xoắn quanh nhau tạo thành chuỗi xoắn kép DNA với bộ khung xoắn đường-phosphat bao ngoài, và các base hướng vào trong mà adenine bắt cặp với thymine và guanine bắt cặp với cytosine. Sự bắt cặp base đặc biệt này xảy ra bởi vì ở mỗi adenine và thymine hình thành 2 liên kết hiđrô với nhau, trong khi ở mỗi cytosine và guanine hình thành 3 liên kết hiđrô với nhau. Do vậy hai sợi trong chuỗi xoắn kép liên kết với nhau tuân theo nguyên tắc bổ sung, với trình tự của các base bắt cặp sao cho các adenine của một sợi được bắt cặp với các thymine sợi kia, và cứ tương tự như thế.

Sự biểu hiện gen được mã hóa trong DNA bắt đầu bằng quá trình phiên mã gen thành RNA, một loại axit nucleic thứ hai rất giống với DNA, nhưng các monome chứa đường ribose thay cho đường deoxyribose. RNA cũng chứa base uracil thay cho thymine. Các phân tử RNA ít bền hơn DNA và thường là sợi đơn trong dạng điển hình. Các gen mã hóa cho các protein chứa một dãy các trình tự ba nucleotide được gọi là các codon, phục vụ như các "từ" trong "ngôn ngữ" di truyền. Mã di truyền xác định lên protein trong quá trình dịch mã giữa codon và amino acid. Mã di truyền gần như là như nhau ở mọi sinh vật sống đã biết.]]
Toàn bộ các gen trong một sinh vật hoặc trong một tế bào được gọi là bộ gen (genome) của chúng, mà chúng lưu trữ trong nhiễm sắc thể. Một NST chứa một chuỗi xoắn kép DNA rất dài (cùng với các protein hỗ trợ khác) mà trên đó có hàng nghìn gen mã hóa. Vị trí tâm động là nơi các sợi thoi (spindle fibre, hoặc microtubule) bám vào để tách hai chromatid chị em dính nhau ở tâm động trong quá trình phân bào.

Trong khi ở nhiễm sắc thể của sinh vật nhân sơ có mật độ tập trung gen tương đối cao, thì ở sinh vật nhân thực thường chứa các vùng DNA mà chức năng của nó không rõ ràng. Sinh vật nhân thực đơn bào đơn giản có tương đối ít lượng DNA như thế, trong khi bộ gen phức tạp của những sinh vật đa bào, bao gồm con người, chứa rất nhiều đoạn DNA mã vẫn chưa giải mã được chức năng của chúng. Các nhà sinh học phân tử thường coi những vùng này là những đoạn DNA rác ("junk DNA"). Tuy nhiên, những phân tích gần đây gợi ý rằng mặc dù các vùng DNA mã hóa protein chỉ chiếm 2% trong bộ gen người, khoảng 80% số lượng base trong bộ gen có thể được biểu hiện, do đó "đoạn rác DNA" có thể bị sử dụng nhầm tên gọi.

| alt = Sơ đồ cấu trúc gen của sinh vật nhân thực
| image = Gene_structure_eukaryote_2_unannotated.svg
| image-width = 600
| align = }
| width = 600
| height = 325
| link = File:Gene_structure_eukaryote_2_annotated.svg
| annot-font-size = 11
| annot-text-align = left
| annotations =




































}}
}
| width = 600
| height = 300
| link = File:Gene_structure_prokaryote_2_annotated.svg
| annot-font-size = 11
| annot-text-align = left
| annotations =


































}}
Cấu trúc của một gen chứa nhiều yếu tố mà những trình tự mã hóa protein thực sự chỉ là một phần nhỏ trong đó. Chúng bao gồm các vùng DNA không được phiên mã cũng như các vùng RNA không được dịch mã.

Tại hai bên khung đọc mở, mỗi gene chứa một trình tự điều hòa cần thiết cho sự biểu hiện của nó. Đầu tiên, gene cần một trình tự khởi động (promoter). Các yếu tố phiên mã (transcription factors) nhận ra và liên kết với vùng trình tự khởi động, sau đó RNA polymerase thực hiện khởi phát quá trình phiên mã. Những gene thường xuyên được phiên mã có những trình tự khởi động "mạnh" tức là tạo thành liên kết mạnh với các yếu tố phiên mã, do vậy khởi phát phiên mã ở tốc độ cao. Những gene khác có những vùng trình tự khởi động "yếu" mà liên kết yếu với các yếu tố phiên mã và do vậy sự phiên mã đối với các gen này xảy ra ít hơn. Ví dụ, các vùng tăng cường (enhancer) làm tăng tốc độ phiên mã bằng cách liên kết với một protein kích hoạt (activator protein) giúp kéo phân tử RNA polymerase đến vùng khởi động; ngược lại vùng bất hoạt (silencer) bám với protein ức chế (repressor protein) làm cho DNA trở lên ít hoạt động với RNA polymerase.

Phân tử tiền mRNA (pre-mRNA) chứa những vùng không dịch mã ở cả hai đầu mà trong mỗi đầu chứa vị trí liên kết ribosome, vùng kết thúc (terminator) và các codon khởi đầu và codon kết thúc. Thêm vào đó, ở hầu hết khung đọc mở của sinh vật nhân thực chứa các đoạn intron không dịch mã mà sẽ được loại bỏ trước khi các đoạn exon được dịch mã. Các trình tự ở cuối mỗi intron, quyết định các vị trí cắt (splice site, RNA splicing) để tạo ra mRNA thành thục cuối cùng, dùng để mã hóa cho protein hoặc sản phẩm RNA khác.

Nhiều gene ở sinh vật nhân sơ được tổ chức thành các đơn vị operon, với nhiều trình tự mã hóa protein được phiên mã nằm trong nó. Các gene trong một operon được phiên mã như là một mRNA liên tục, mà coi nó như là polycistronic mRNA. Thuật ngữ cistron trong bối cảnh này tương đương với khái niệm gen. Sự phiên mã của một operon của mRNA thường bị kiểm soát bởi phân tử ức chế (repressor), mà trạng thái hoạt động hay bị cấm của sự phiên mã phụ thuộc vào sự có mặt những chất chuyển hóa nhất định. Các vùng điều hòa của một gen như vùng tăng cường không cần thiết phải nằm gần với trình tự mã hóa trên mạch dài phân tử bởi vì các đoạn DNA trung gian có thể tạo vòng lồi ra (loop out) giúp mang gene và vùng trình tự điều hòa của nó đến gần nhau. Tương tự, các đoạn intron của một gen có thể dài hơn rất nhiều so với các đoạn exon của nó. Các vùng điều hòa thậm chí có thể nằm hoàn toàn trên nhiễm sắc thể khác và hoạt động từ xa (in trans) khi cho phép vùng điều hòa trên một nhiễm sắc thể đến gần với các gen đích nằm trên nhiễm sắc thể khác.

Những nghiên cứu ban đầu trong di truyền phân tử gợi ra khả năng một gen tạo một protein. Khái niệm này (ban đầu gọi là giả thuyết một gen-một enzym) bắt nguồn từ bài báo có tầm ảnh hưởng năm 1941 bởi George Beadle và Edward Tatum công bố kết quả nghiên cứu các thí nghiệm gây đột biến trên nấm mốc bánh mỳ Neurospora crassa. Khái niệm một gen-một protein đã được tinh chỉnh dần từ lúc khám phá ra các gen có thể mã hóa nhiều protein bằng quá trình điều hòa cắt-nối có chọn lọc (alternative splicing) và các trình tự mã hóa tách thành những đoạn ngắn trên bộ gene mà các mRNA được ghép nối bằng quá trình xử lý cắt-nối chéo (trans-splicing).

Một định nghĩa có tầm hoạt động rộng thỉnh thoảng được sử dụng để bao quát được tính phức tạp của nhiều hiện tượng phong phú, nơi một gen được định nghĩa như là hợp của các trình tự mã hóa cho một tập nhất quán các sản phẩm chuyên biệt có khả năng xen phủ lẫn nhau. Định nghĩa này phân loại gene theo các sản phẩm có chức năng riêng (như protein hay RNA) hơn là theo những vị trí locus cụ thể trên đoạn DNA, với các yếu tố điều hòa được phân loại như là các vùng kết hợp với gene. (xem thí nghiệm Crick, Brenner và cộng sự).

Ngoài ra, một "codon khởi động", và ba "codon kết thúc" đánh dấu sự bắt đầu và kết thúc của vùng mã hóa protein. Có tất cả 64&nbsp;codon khả dĩ (vì có bốn nucleotide ở mỗi một trong ba vị trí, do vậy tổ hợp có tất cả 43&nbsp;codon) và trong tự nhiên chỉ có 20&nbsp;amino acid cơ bản; do vậy số bộ ba là thừa và có nhiều codon cùng mã hóa cho một amino acid. Sự tương ứng giữa các codon và amino acido gần như là phổ biến rộng rãi ở mọi sinh vật sống đã biết trên Trái Đất.

Phiên mã
Phiên mã tạo ra phân tử RNA sợi đơn được biết đến là mRNA, mà các trình tự nucleotide trong nó tuân theo nguyên tắc bổ sung với của DNA làm gốc để phiên mã nó.

Dịch mã
có chức năng chuyên biệt. ()|alt=A protein-coding gene in DNA being transcribed and translated to a functional protein or a non-protein-coding gene being transcribed to a functional RNA]]
Dịch mã là quá trình trong đó một phân tử mRNA thành thục được sử dụng là khuôn mẫu để tổng hợp lên protein mới.

Các gene sinh RNA không mã hóa
Một gene mã hóa protein điển hình thường đầu tiên sao chép sang RNA như là một phân tử trung gian trong quá trình tổng hợp ra protein cuối cùng.

Ở một số virus chúng lưu trữ toàn bộ bộ gene của chúng trong dạng của RNA, và không hề chứa một trình tự DNA nào. Bởi vì chúng sử dụng RNA để lưu giữ các gene, các tế bào vật chủ có thể tổng hợp lên các protein cần thiết cho virus ngay khi chúng lây nhiễm vào vật chủ và không cần phải đợi xảy ra giai đoạn phiên mã. Mặt khác, ở các RNA retrovirus, như HIV, chúng đòi hỏi phải có quá trình phiên mã ngược từ bộ gene của chúng là RNA sang DNA trước khi protein của virus được tổng hợp ra. Di truyền học ngoài gene (epigenetics) do RNA trung gian cũng đã được quan sát thấy ở một số thực vật nhưng rất hiếm có ở động vật.

Di truyền
khác nhau (lam và trắng). Gene này nằm trên nhiễm sắc thể thường (không phải là NST giới tính). Allele trắng là tính trạng lặn so với tính trạng trội do allele lam quy định. Xác suất cho biểu hiện các tính trạng ở thế hệ con bằng một phần tư, hay 25 phần trăm.|alt=Illustration of autosomal recessive inheritance. Each parent has one blue allele and one white allele. Each of their 4 children inherit one allele from each parent such that one child ends up with two blue alleles, one child has two white alleles and two children have one of each allele. Only the child with both blue alleles shows the trait because the trait is recessive.]]

Bộ gene các sinh vật được kế thừa từ gene trong thế hệ bố mẹ của chúng. Các sinh vật sinh sản vô tính chỉ đơn giản là kế thừa bản sao đầy đủ của bộ gene bố mẹ chúng. Các sinh vật sinh sản hữu tính có hai bản sao ở mỗi nhiễm sắt thể bởi vì chúng thừa hưởng một bộ đầy đủ từ mỗi con cái và con đực.

Tái bản DNA và phân bào
Các sinh vật sinh trưởng, phát triển và sinh sản dựa vào sự phân bào; quá trình trong đó một tế bào phân chia thành hai tế bào con. Để thực hiện được như vậy đầu tiên trong nhân tế bào cần tiến hành sao chép từng gene trong bộ gene thông qua cơ chế tái bản DNA. Trong giai đoạn sao chép DNA ở nhiệt độ 37&nbsp;°C, tốc độ kéo dài bằng 749 nucleotide trên một giây.

Sau khi quá trình tái bản DNA kết thúc, tế bào phải trải qua sự chia tách của hai bản sao bộ gene và phân chia thành hai tế bào có màng phân biệt.]]

Sự tái bản và truyền vật liệu di truyền từ một thế hệ tế bào sang thế hệ tiếp theo là cơ sở của di truyền phân tử, và là mối liên hệ giữa bức tranh phân tử với bức tranh cổ điển của gen. Sinh vật thừa hưởng những đặc tính từ bố mẹ bởi vì các tế bào con chứa các bản sao của gene từ trong tế bào của bố mẹ chúng. Ở các sinh vật sinh sản vô tính, ở thế hệ con sẽ chứa bản sao di truyền hay dòng hóa từ các sinh vật bố mẹ. Ở sinh vật sinh sản hữu tính, một giai đoạn đặc biệt của quá trình phân bào gọi là giảm phân tạo thành các tế bào giao tử hoặc tế bào mầm phôi đơn bội, và chỉ chứa gene trong nhiễm sắc thể đơn bội.

Ruồi giấm Drosophila melanogaster đã được nhà di truyền học người Mỹ, Thomas Hunt Morgan (1866-1945), sử dụng trong nghiên cứu di truyền học từ những năm đầu của thế kỷ XX, trong khi đang làm việc tại Học viện Công nghệ California. Nhờ sử dụng ruồi giấm này, Morgan và các cộng sự của mình đã xây dựng thành công học thuyết di truyền nhiễm sắc thể. Lý thuyết này đã khẳng định gene - đơn vị di truyền then chốt đóng ba vai trò: (i) Gene là đơn vị chức năng, nghĩa là gene được xem như một thể thống nhất toàn vẹn kiểm soát một tính trạng cụ thể. (ii) Gene là đơn vị tái tổ hợp, nghĩa là gene không bị chia nhỏ bởi sự trao đổi chéo (vì theo quan điểm này, trao đổi chéo không xảy ra bên trong phạm vi một gen mà chỉ xảy ra giữa các gene); như thế gene được coi là đơn vị cấu trúc cơ sở của vật chất di truyền, nhiễm sắc thể. (iii) Gene là đơn vị đột biến, nghĩa là nếu đột biến xảy ra trong gene dù ở bất kỳ vị trí nào hoặc với phạm vi ra sao, chỉ gây ra một trạng thái cấu trúc mới tương ứng với một kiểu hình mới, kiểu hình đột biến, khác với kiểu hình bình thường. Tuy nhiên, quan niệm này vẫn còn chưa rõ ràng và không thực sự chính xác theo quan điểm của di truyền học hiện đại trong khi ở một số virus RNA có thể cao tới mức 10−3. Điều này có nghĩa là ở mỗi thế hệ, trong bộ gene ở người thu thêm 1–2 đột biến mới. Những đột biến lớn hơn có thể gây ra lỗi trong tái tổ hợp dẫn đến những bất thường ở nhiễm sắc thể (chromosomal abnormality) bao gồm nhân đôi một gen (gene duplication), xóa, sắp xếp lại hoặc đảo ngược những đoạn dài trong một NST. Thêm vào đó, cơ chế sửa chữa DNA có thể dẫn ra vài đột biến mới khi thực hiện sửa chữa những sai hỏng vật lý ở phân tử. Sự sửa chữa, ngay cả khi đi kèm với đột biến, là quan trọng hơn đối với sự tồn tại hơn là khôi phục lại bản sao chính xác, ví dụ khi thực hiện sửa chữa chuỗi xoắn kép bị gãy.

Phần lớn các đột biến bên trong các gen là đột biến trung tính (neutral mutation), không có ảnh hưởng đến kiểu hình của sinh vật (đột biến lặng, silent mutation). Một số đột biến không làm thay đổi trình tự amino acid bởi vì một số codon mã hóa cho cùng một amino acid (đột biến đồng nghĩa, synonymous mutation). Các đột biến khác trở thành trung tính nếu tuy nó làm thay đổi trình tự amino acid, nhưng protein vẫn gập nếp và hoạt động bình thường với amino acid mới (đột biến bảo toàn, conservative mutation). Tuy nhiên, nhiều đột biến là có hại (deleterious mutation) hay thậm chí gây chết (lethal allele), và bị loại bỏ khỏi quần thể bằng quá trình chọn lọc. Rối loạn di truyền (genetic disorders) là kết quả của các đột biến có hại và có thể do đột biến tự phát trong cá thể bị ảnh hưởng, hoặc có thể di truyền sang thế hệ sau. Cuối cùng, có một tỷ lệ nhỏ các đột biến là có lợi (beneficial mutation), tăng cường độ phù hợp (fitness) ở sinh vật, và trở thành một trong những luận điểm quan trọng của thuyết tiến hóa tổng hợp hiện đại, vì trong chọn lọc có hướng dẫn đến tiến hóa thích nghi. Những gene này xuất hiện hoặc từ sự lặp đoạn gene bên trong bộ gene của sinh vật, nơi chúng được gọi là các gen môi sinh, hoặc là kết quả của sự phân tán gene sau một sự kiện hình thành loài,

Mối liên hệ giữa các gen có thể đo được bằng cách so sánh sắp trình tự trong DNA của chúng. Sự khác nhau trong trình tự giữa các gen có thể được ứng dụng để phân tích phát sinh chủng loài để nghiên cứu các gen đã tiến hóa bằng cách nào và bằng cách nào mà các sinh vật trở lên có liên quan đến nhau.

Nguồn gốc các gen mới

Nguồn gốc chung phổ biến ở các gen mới trong nòi giống sinh vật nhân thực là lặp đoạn gene, trong đó tạo ra một bản sao gene mới từ gene đã có trong bộ gene. Những gene tạo ra này sau đó có thể phân tán trong trình tự và chức năng. Tập hợp các gen hình thành theo cách này tạo thành gia đình gene (gene family). Các nhà tiến hóa cho rằng lặp đoạn gene và mất gene trong một gia đình là phổ biến và là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự đa dạng sinh học. Thình thoảng, lặp đoạn gene có thể tạo ra một bản sao không hoạt động bình thường, hoặc bản sao chức năng chịu ảnh hưởng của đột biến làm mất chức năng; những gene không hoạt động này được gọi là gene giả (pseudogene). đến 60. Hai nguồn chủ yếu của các gen mồ côi mã hóa protein đó là quá trình lặp đoạn gene theo sau bởi sự thay đổi trình tự cực lớn, như mối liên hệ gốc là không xác định được từ việc so sánh trình tự, và sự chuyển đổi mới từ một trình tự không mã hóa trước đó thành một gen mã hóa protein. Các gene mới thường ngắn hơn và đơn giản hơn về cấu trúc so với các gen ở sinh vật nhân thực, mà chỉ có vài intron (nếu có).

Quá trình chuyển gene ngang nhắc tới sự truyền vật liệu di truyền thông qua một cơ chế hơn là sự sinh sản. Cơ chế này là nguồn thường gặp tạo gene mới ở sinh vật nhân sơ, mà đôi lúc được cho là đóng góp nhiều hơn vào biến dị di truyền so với lặp đoạn gene. Nó là một cách phổ biến để phát tán kháng thuốc kháng sinh, độc lực, và các chức năng trao đổi chất thích ứng. Mặc dù chuyển gene ngang hiếm xảy ra ở sinh vật nhân thự, một số trường hợp tương tự đã được phát hiện ở bộ gene của sinh vật nguyên sinh và tảo chứa các gen có nguồn gốc từ vi khuẩn.

Bộ gene
Bộ gene là tổng thể toàn bộ vật liệu di truyền của một sinh vật và bao gồm cả các gen và những trình tự không mã hóa.

Số lượng gene
(lục), động vật có xương sống (lam), động vật không xương sống (đỏ), nấm (vàng), vi khuẩn (tím), và virus (xám). Hình nhỏ bên phải minh họa kích thước các bộ gene được phóng lớn 100 lần.]]

Kích thước bộ gene, và số lượng gene mã hóa ở mỗi loài sinh vật là khác nhau. Virus, và viroid (mà hoạt động như là một gen RNA không mã hóa) có bộ gene nhỏ nhất. Ngược lại, ở thực vật có những bộ gene cực kỳ lớn, chẳng hạn ở cây lúa gạo chứa hơn 46.000 gene mã hóa protein. Tổng số lượng gene mã hóa protein (bộ protein, proteome, trên Trái Đất) ước tính bằng 5 triệu trình tự.

Mặc dù số lượng cặp base của DNA ở bộ gene người đã được biết đến từ thập niên 1960, ước tính số lượng gene có sự thay đổi theo thời gian khi định nghĩa về gene, và phương pháp xác định chúng liên tục được cập nhật và tinh chỉnh. Các dự đoán lý thuyết ban đầu về số lượng gene ở người cao tới mức 2.000.000 gene. Trong khi các kết quả đo thực nghiệm sơ bộ ban đầu cho thấy số lượng này trong khoảng 50.000–100.000 gene được phiên mã (bằng phương pháp đánh dấu trình tự biểu hiện). Sau đó, kết quả giải trình tự ở Dự án Bản đồ gene ở Người cho thấy nhiều trình tự được phiên mã là những biến thể khác của cùng một gen, và tổng số lượng gene mã hóa protein giảm xuống còn ~20.000 Trong bộ gene ở người, chỉ 1–2% trong 3 tỷ cặp base DNA là đoạn mã hóa protein, những đoạn còn lại là các DNA 'không mã hóa' bao gồm intron, retrotransposon, các trình tự điều hòa DNA và các đoạn DNA phiên mã thành RNA không mã hóa. Trong mỗi tế bào ở sinh vật đa bào chứa toàn bộ gene nhưng không phải tất cả gene hoạt động trong từng tế bào.

Gene cơ bản

, Syn 3. Định nghĩa này dựa trên giả sử sinh vật được cung cấp nguồn chất dinh dưỡng đầy đủ và không chịu các áp lực từ môi trường nó sống. Chỉ một phần nhỏ gene của một sinh vật là gene cơ bản. Ở vi khuẩn, ước tính có khoảng 250–400 gene cơ bản đối với Escherichia coli và Bacillus subtilis, mà số lượng này nhỏ hơn 10% tổng số gene của chúng. Một nửa các gen này là ortholog trong cả hai vi khuẩn và phần lớn tham gia vào sinh tổng hợp protein. Mặc dù số lượng này càng khó xác định hơn ở sinh vật nhân thực bậc cao, ước tính ở chuột và người có khoảng 2000 gene cơ bản (~10% bộ gene). Sinh vật tổng hợp, Syn 3, chứa 473 gene cơ bản và một số gene gần cơ bản (cần thiết cho sự sinh trưởng nhanh), mặc dù có 149 gene là chưa rõ chức năng.

Các gene cơ bản bao gồm gene giữ nhà (housekeeping gene, chúng đặc biệt quan trọng cho các chức năng cơ bản của tế bào) cũng như các gen được biểu hiện ở những thời điểm khác nhau trong các giai đoạn phát triển hoặc vòng đời sinh học. Các gene giữ nhà được sử dụng trong kiểm soát khoa học khi thực hiện phân tích biểu hiện gen, vì chúng được biểu hiện cấu thành ở mức độ tương đối không đổi.

Định danh gene và bộ gene
Định danh gene được quản lý bởi Ủy ban định danh gene (HUGO) cho mỗi gene đã biết ở người tuân theo dạng thức đã được phê chuẩn về tên của một gen và ký hiệu tương ứng của nó, cho phép dữ liệu về nó có thể truy cập được thông qua cơ sở dữ liệu quản lý bởi Ủy ban này. Các ký hiệu được chọn duy nhất cho từng gene (mặc dù đôi lúc phê duyệt lại ký hiệu thay đổi). Các ký hiệu được ưu tiên đặt sao cho giữ sự nhất quán với các thành viên khác trong một gia đình gene và với các gen tương đồng ở những loài khác, đặc biệt là ở chuột do nó được sử dụng là một trong những sinh vật mô hình.

Kỹ thuật di truyền

Kỹ thuật di truyền là các phương pháp chỉnh sửa bộ gene của một sinh vật nhờ các công nghệ sinh học. Từ thập niên 1970, nhiều kỹ thuật đã được phát triển để thực hiện thêm, loại bỏ hoặc sửa đổi các gen trong sinh vật. Các kỹ thuật chỉnh sửa bộ gene được phát triển gần đây sử dụng các enzyme nuclease để tạo ra các đích sửa chữa DNA trong nhiễm sắc thể hoặc là phá vỡ hay chỉnh sửa một gen khi vị trí đứt gãy được sửa đổi. Ngành sinh học tổng hợp (synthetic biology) đôi khi sử dụng các kỹ thuật liên quan để mở rộng nghiên cứu di truyền trên một sinh vật.

Kỹ thuật di truyền hiện nay là công cụ nghiên cứu thường xuyên áp dụng cho các sinh vật mô hình. Ví dụ, có thể dễ dàng thêm vào các gen ở vi khuẩn và nòi giống ở chuột knockout với một chức năng gene đặc biệt bị bất hoạt nhằm nghiên cứu chức năng của các gen. Nhiều sinh vật đã được sửa đổi về mặt di truyền để ứng dụng trong nông nghiệp (thực phẩm biến đổi gene), công nghiệp công nghệ sinh học, và y học.

Đối với sinh vật đa bào, đặc biệt là các phôi được tác động theo ý muốn trước khi trưởng thành hay các sinh vật chỉnh sửa gen (GMO). Tuy nhiên, bộ gene của các tế bào trong sinh vật trưởng thành có thể chỉnh sửa bằng cách sử dụng các kỹ thuật liệu pháp gen để điều trị các bệnh liên quan tới di truyền.

Xem thêm

Tham khảo

Sách tham khảo chính

– Có thể truy cập miễn phí ấn bản lần 4 của cuốn sách tại trang của NCBI.

:Glossary

:Ch 1: Cells and genomes
::1.1: The Universal Features of Cells on Earth

:Ch 2: Cell Chemistry and Biosynthesis
::2.1: The Chemical Components of a Cell

:Ch 3: Proteins

:Ch 4: DNA and Chromosomes
::4.1: The Structure and Function of DNA
::4.2: Chromosomal DNA and Its Packaging in the Chromatin Fiber

:Ch 5: DNA Replication, Repair, and Recombination
::5.2: DNA Replication Mechanisms
::5.4: DNA Repair
::5.5: General Recombination

:Ch 6: How Cells Read the Genome: From DNA to Protein
::6.1: DNA to RNA
::6.2: RNA to Protein

:Ch 7: Control of Gene Expression
::7.1: An Overview of Gene Control
::7.2: DNA-Binding Motifs in Gene Regulatory Proteins
::7.3: How Genetic Switches Work
::7.5: Posttranscriptional Controls
::7.6: How Genomes Evolve

:Ch 14: Energy Conversion: Mitochondria and Chloroplasts
::14.4: The Genetic Systems of Mitochondria and Plastids

:Ch 18: The Mechanics of Cell Division
::18.1: An Overview of M Phase
::18.2: Mitosis

:Ch 20: Germ Cells and Fertilization
::20.2: Meiosis

Chú thích

Đọc thêm





Liên kết ngoài

Comparative Toxicogenomics Database
DNA From The Beginning&nbsp;– a primer on genes and DNA
Entrez Gene&nbsp;– a searchable database of genes
IDconverter&nbsp;– converts gene IDs between public databases
iHOP&nbsp;– Information Hyperlinked over Proteins
TranscriptomeBrowser&nbsp;– Gene expression profile analysis
The Protein Naming Utility, a database to identify and correct deficient gene names
Genes&nbsp;– an Open Access journal
IMPC (International Mouse Phenotyping Consortium)&nbsp;– Encyclopedia of mammalian gene function
Global Genes Project&nbsp;– Leading non-profit organization supporting people living with genetic diseases
ENCODE threads Explorer Characterization of intergenic regions and gene definition. Nature