Tài liệu về Di truyền học

hóng oxy trong máu động vật có vú.
Chỉ một thay đổi nucleotide trong ADN cũng có thể gây biến đổi trình tự axít amin trong protein. Bởi cấu trúc protein là kết quả của trình tự axít amin, nên những thay đổi trình tự có thể làm thay đổi đột ngột các đặc tính của protein, do sự mất ổn định cấu trúc hay biến đổi bề mặt protein là nguyên nhân dẫn tới thay đổi về tính tương tác của nó với những protein và phân tử khác. Một ví dụ, bệnh thiếu máu hồng cầu liềm là một bệnh di truyền ở người, gây ra do khác biệt một bazơ trong vùng mã hóa phần β-globin của hemoglobin, khiến một axít amin ở protein này cũng biến đổi theo và làm thay đổi đặc tính vật lý của hemoglobin[68]. Những hemoglobin này kết hợp với nhau, làm biến đổi hình dạng tế bào hồng cầu; các tế bào hồng cầu hình liềm không còn di chuyển dễ dàng trong mạch máu, chúng có xu hướng tắc nghẽn và thoái hóa, gây nên những vấn đề sức khỏe gắn liền với bệnh này.
Một vài gen được phiên mã tạo ARN, nhưng ARN lại không tiếp tục dịch mã thành sản phẩm protein - được gọi chung là ARN không mã hóa (non-coding RNA). Trong một số trường hợp, ARN không mã hóa lại gập uốn hình thành những cấu trúc, tham gia các chức năng then chốt của tế bào (ví dụ ARN ribosome và ARN vận chuyển). ARN cũng có thể có tác động điều hòa thông qua tương tác lai với những phân tử ARN khác (ví dụ microARN).
Kiểu gen, kiểu hình và môi trường
Một con mèo Xiêm mang đột biến mẫn cảm nhiệt độ về tổng hợp sắc tố.
Dù các gen chứa đựng mọi thông tin một sinh vật cần để thực hiện chức năng, môi trường vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kiểu hình sau cùng— tính lưỡng phân trên được nói đến trong cụm từ "bản chất đối chọi môi trường" (nature vs. nurture). Kiểu hình của các sinh vật phụ thuộc vào sự tương tác giữa kiểu gen và môi trường. Một ví dụ cho kết luận này là trường hợp đột biến mẫn cảm với nhiệt độ. Thông thường, một axít amin đơn lẻ thay đổi trong chuỗi protein không làm thay đổi hoạt động và tương tác của nó với các phân tử khác, tuy nhiên điều này lại làm mất ổn định cấu trúc. Trong môi trường nhiệt độ cao, các phân tử chuyển động nhanh hơn và va chạm vào nhau, kết quả protein không còn giữ được cấu trúc và mất đi chức năng. Ở môi trường nhiệt độ thấp, cấu trúc protein lại ổn định và thực hiện chức năng bình thường. Loại đột biến này có thể quan sát thấy ở màu lông những con mèo Xiêm, khi một đột biến xảy ra ở enzym phụ trách sản xuất sắc tố, khiến enzym mất ổn định và mất chức năng ở nhiệt độ cao[69]. Protein này sẽ duy trì chức năng ở những vùng da lạnh hơn - như chân, tai, đuôi và mặt - làm cho giống mèo này vẫn có phần lông màu đen ở những vùng nói trên.
Một ví dụ khác là ảnh hưởng sâu sắc của môi trường lên bệnh di truyền phenylketon niệu ở người[70]. Đột biến tạo nên chứng bệnh này, phá hoại khả năng phân giải axít amin phenylalanine, tích tụ các chất trung gian gây độc, tiếp đó gây nên những tác động rất xấu lên thần kinh. Nếu một người bị mắc đột biến phenylketon niệu đi theo một chế độ ăn uống nghiêm ngặt tránh xa loại axít amin này, anh ta vẫn duy trì được tình trạng bình thường và khỏe mạnh.
 Điều hòa gen
Bài chi tiết: Điều hòa biểu hiện gen
Nhân tố phiên mã gắn kết với ADN, ảnh hưởng lên sự phiên mã của các gen đã liên kết.
Bộ gen của một sinh vật bao gồm hàng nghìn gen, nhưng không phải bất cứ gen nào cũng cần được hoạt động tại mọi thời điểm. Một gen chỉ có thể được biểu hiện khi nó được phiên mã thành mARN (và dịch mã thành protein); thực tế tồn tại nhiều cách thức trong tế bào để điều khiển sự biểu hiện của gen, đảm bảo cho protein nào được sản xuất chỉ khi tế bào cần. Các nhân tố phiên mã là những protein điều hòa được gắn vào điểm khởi đầu của gen, có vai trò hoạt hóa hay ức chế sự phiên mã của gen đó[71]. Ví dụ, trong bộ gen của vi khuẩn E. coli có một dãy nhiều gen cần thiết cho việc tổng hợp axít amin tryptophan. Tuy nhiên, khi tryptophan đã sẵn có trong tế bào, những gen tổng hợp trytophan sẽ không được duy trì hoạt động. Sự có mặt của trytophan trực tiếp ảnh hưởng đến hoạt động của những gen này - những phân tử trytophan liên kết với chất ức chế trytophan (trp repressor - một nhân tố phiên mã), thay đổi cấu trúc của phân tử này giúp nó gắn được vào gen. Trytophan repressor ngăn chặn quá trình phiên mã và sự biểu hiện của các gen tổng hợp trytophan, do đó tạo nên sự điều hòa liên hệ ngược âm tính của quá trình tổng hợp loại axít amin này[72].
Những khác biệt trong biểu hiện gen đặc biệt rõ ràng ở các sinh vật đa bào, khi các tế bào cùng có chung bộ gen nhưng lại có cấu trúc và hoạt động rất khác nhau, dựa trên sự biểu hiện của các tập hợp gen khác nhau. Tất cả tế bào trong một cơ thể đa bào đều có nguồn gốc từ một tế bào duy nhất, được biệt hóa thành các dạng tế bào khác nhau khi phản ứng lại các tín hiệu ngoại và gian bào, và dần dần kiến lập các phương thức biểu hiện gen khác nhau để thực hiện các hoạt động khác nhau. Bởi không có một gen riêng lẻ nào chịu trách nhiệm cho sự phát triển các cấu trúc bên trong sinh vật đa bào, nên những phương thức biển hiện trên đều phát sinh từ những tương tác phức tạp giữa nhiều tế bào.
Ở sinh vật nhân chuẩn, tồn tại những đặc tính cấu trúc của chromatin có ảnh hưởng đến sự phiên mã của gen, thường ở dạng thường biến (modification) trên ADN hay chromatin mà vẫn được di truyền ổn định sang các tế bào con[73]. Những đặc tính này được gọi là "ngoại di truyền" (epigenetic) bởi chúng xuất hiện ở ngoài phạm vi trình tự ADN và vẫn được duy trì từ tế bào này sang thế hệ kế tiếp. Bởi có những đặc tính ngoại di truyền, các dạng tế bào khác nhau sinh trưởng trong cùng một môi trường có thể giữ lại những đặc điểm riêng biệt của chúng. Dù các đặc tính ngoại di truyền nhìn chung mang tính động trong tiến trình phát triển và không được giữ lại ở thế hệ sau của thế hệ kế tiếp, nhưng một số, như hiện tượng cận đột biến (paramutation), vẫn được di truyền qua nhiều thế hệ và tồn tại như những ngoại lệ hiếm hoi nằm ngoài quy luật chung của ADN (được xem như cơ sở căn bản của tính di truyền)[74].
 Biến đổi di truyền
 Đột biến
Bài chi tiết: Đột biến
Sự lặp gen (lặp đoạn nhiễm sắc thể) cho phép đa dạng hóa bằng cách cung cấp thêm nguyên liệu di truyền: một gen có thể đột biến và mất đi chức năng ban đầu mà không làm tổn hại đến sinh vật.
Trong quá trình tự nhân đôi ADN, những sai sót đôi lúc diễn ra khi tổng hợp chuỗi thứ hai. Những lỗi này, gọi là đột biến, có thể có tác động lên kiểu hình của cá thể, đặc biệt nếu chúng xảy ra tại phần mã hóa protein của một gen. Tỷ lệ sai sót thường rất thấp - 1 lỗi trong 10-100 triệu bazơ - nhờ khả năng "đọc sửa" của ADN polymerase[75][76] (Nếu không được đọc sửa, tỷ lệ lỗi sẽ cao hơn hàng nghìn lần, bởi nhiều virus dựa vào ADN hay ARN polymerase thiếu khả năng đọc sửa, làm tăng tỷ lệ đột biến lên cao). Quá trình làm tăng tỷ lệ biến đổi ở ADN được gọi là "gây đột biến" (mutagenic): các hóa chất gây đột biến đẩy mạnh làm tăng sai sót trong tái bản ADN, gây nhiễu loạn kết cấu của sự ghép cặp bazơ; trong khi tia UV tạo ra đột biến bằng cách gây tổn hại cấu trúc ADN[77]. Các tổn thương về hóa học ở ADN cũng có thể diễn ra một cách tự nhiên, và tế bào sử dụng cơ chế sửa chữa ADN để sửa lại các ghép đôi không cân xứng hay đứt gãy ở ADN - tuy nhiên việc sửa chữa này thỉnh thoảng vẫn thất bại và không thể đưa ADN trở lại chuỗi ban đầu.
Với những sinh vật sử dụng trao đổi chéo nhiễm sắc thể để trao đổi ADN và tái tổ hợp gen, những sai sót khi bắt cặp thẳng hàng ở giảm phân cũng có thể tạo ra đột biến[78]. Lỗi trong trao đổi chéo đặc biệt xảy ra khi những phần giống nhau trên các nhiễm sắc thể khiến chúng bắt cặp nhầm lẫn, làm một số vùng của bộ gen bị đột biến. Những lỗi này tạo nên sự thay đổi cấu trúc lớn trong nhiễm sắc thể và trình tự ADN - dẫn đến sự lặp đoạn, đảo đoạn hay mất đoạn của tất cả các vùng trên, hoặc sự hoán đổi ngẫu nhiên các đoạn giữa các nhiễm sắc thể khác nhau (được gọi là chuyển đoạn).
 Chọn lọc tự nhiên và tiến hóa
Bài chi tiết: Tiến hóa
Đột biến tạo nên các cá thể với kiểu gen khác nhau, và những khác biệt này dẫn tới những kiểu hình khác nhau. Nhiều đột biến có tác động không lớn lên kiểu hình, sức khỏe và sự thích ứng sinh sản của sinh vật. Tác động của đột biến thường là có hại, nhưng đôi khi lại trở nên có ích. Những nghiên cứu trên ruồi giấm Drosophila melanogaster cho thấy nếu một đột biến thay đổi một protein mã hóa bởi một gen, điều này hầu như sẽ gây tác hại: 70% trong những đột biến này là có hại, số còn lại là trung tính hoặc có lợi nhưng rất thấp[79].
Một cây tiến hóa của sinh vật nhân chuẩn, xây dựng từ sự so sánh trình tự của một vài gen trực giao (orthologous).
Di truyền học quần thể nghiên cứu về sự phân bố những khác biệt di truyền trong các quần thể và những thay đổi của sự phân bố đó theo thời gian[80]. Thay đổi về tần số một allele trong quần thể có thể là do ảnh hưởng của chọn lọc tự nhiên, khi tỷ lệ những cá thể mang một allele nào đấy sống sót và sinh sản được cao hơn khiến allele này xuất hiện nhiều hơn trong quần thể qua thời gian[81]. Sự lạc dòng di truyền (genetic drift) cũng có thể diễn ra, khi những sự kiện bất chợt làm biến đổi ngẫu nhiên tần số allele[82].
Trải qua nhiều thế hệ, bộ gen của các sinh vật có thể thay đổi, dẫn đến hiện tượng tiến hóa. Đột biến và chọn lọc các đột biến có lợi giúp các loài tiến hóa và tồn tại tốt hơn trong môi trường của chúng, quá trình này gọi là thích nghi[83]. Những loài mới được tạo thành thông qua quá trình hình thành loài, quá trình thường có nguyên nhân từ cách biệt địa lý dẫn đến những quần thể khác nhau trở nên cách ly về di truyền[84]. Việc ứng dụng các nguyên lý di truyền vào nghiên cứu sinh học quần thể và tiến hóa được xem là thuyết tiến hóa tổng hợp hiện đại.
Khi các trình tự được cách ly và biến đổi trong quá trình tiến hóa, những khác biệt giữa các trình tự có thể được dùng như một đồng hồ phân tử để tính khoảng cách tiến hóa giữa chúng[85]. Những so sánh di truyền nhìn chung được xem như cách thức đúng đắn nhất để mô tả mối liên hệ giữa các loài - một tiến bộ so với việc so sánh các đặc tính kiểu h