Gen nhảy

Hình 1: Đoạn ADN có thể bị "cắt" rồi chuyển vị làm gen ở đoạn đó "nhảy" rồi chèn sang chỗ khác.

Gen nhảy là gen có thể thay đổi vị trí của nó trong hệ gen, gây ra hiện tượng tái tổ hợp không tương đồng (hình 1).^{, ,}

Nguồn gốc thuật ngữ này do nhà nữ di truyền học Hoa Kỳ là Barbara McClintock đề xuất vào khoảng những năm 1940-1945, mà bà vốn gọi là Transposable Element (phát âm quốc tế : trænsˈpəʊzəbl ˈɛlɪmənt, viết tắt: TE, nghĩa Việt: nhân tố di động). Trong các tài liệu khoa học hiện đại, TE còn được gọi bằng nhiều tên khác nữa, nhưng đều có nội hàm như trên:

- Gen nhảy (dịch từ tiếng Anh: jumping gene);

- Gen di động (dịch từ tiếng Anh: mobile gene).

- Phần tử chuyển vị (dịch từ tiếng Anh: transposon, phát âm quốc tế: /transˈpəʊzɒn/, tiếng Việt: tran-pô-zôn).

Hình 2: Barbara McClintock hồi khoảng 12 tuổi (cắt từ ảnh gia đình).

Các thuật ngữ trên (gen nhảy/nhân tố di động/gen di động/phần tử chuyển vị) đều dùng để chỉ hiện tượng một gen hay nhiều gen có thể chuyển đổi vị trí của nó từ ADN này sang ADN khác, mà không do trao đổi chéo giữa các nhiễm sắc thể tương đồng trong giảm phân (tức tái tổ hợp tương đồng). Kết quả là một phần hoặc toàn bộ một hệ gen được cấu trúc lại (recombination tức tái tổ hợp), trong đó lô-cut gen bị chuyển đổi hoặc bị mất, đôi khi tạo đột biến nghịch hoặc dẫn đến sự trùng lặp chuỗi nuclêôtit và cả kích thước hệ gen. Từ đó dẫn đến tái tổ hợp không tương đồng. Trong tiếng Việt hiện nay, thuật ngữ "gen nhảy" được dùng phổ biến nhất.

Các thành tựu nghiên cứu về gen nhảy gắn liền với tên tuổi của Barbara McClintock (hình 2), nhà nữ khoa học duy nhất đến nay một mình đoạt một giải Nobel. Xem chi tiết ở trang Barbara McClintock.

Khái niệm chung

Lược sử phát hiện

• Cho đến những năm 1940, theo học thuyết di truyền nhiễm sắc thể, thì nhân tố di truyền mà Mendel gọi chính là gen, chiếm các lô-cut gen nhất định trên nhiễm sắc thể và trình tự "xếp hàng" của chúng trên nhiễm sắc thể là ổn định, đồng thời "hàng ngũ" gen này được truyền cho thế hệ sau hầu như không đổi, trừ trường hợp có gen hoán vị. Thậm chí, ngay cả khi gen hoán vị, thì các gen cũng chỉ đổi chỗ cho nhau từ nhiễm sắc tử (chromatid) này sang nhiễm sắc tử khác là nhiễm sắc tử chị em hoặc không chị em và ngược lại, mà lô-cut gen coi như không đổi (xem chi tiết ở trang gen hoán vị).

Hình 3: Ảnh chụp các dạng màu khảm của ngô.

• Tuy nhiên, vào khoảng giữa thập niên 1940, khi Barbara McClintock nghiên cứu cơ chế hình thành các loại màu ở hạt ngô, bà thấy:
  

- Ngoài các màu phổ biến là : cam và trắng, thì hạt của cây ngô (Zea mays) có rất nhiều màu khác nhau.

- Nhiều hạt trên cùng một bắp ngô không chỉ có màu khác nhau, mà còn lại "khảm" khác nhau (hình 3).

- Nếu xem mỗi dạng "khảm" là một kiểu hình, thì số lượng các kiểu hình này quá nhiều so với quy luật Mendel và các gen quy định chúng di truyền không hề ổn định như quy luật Mendel và học thuyết di truyền nhiễm sắc thể đã chỉ ra.

Do đó, bà giả định rằng các gen quy định màu hạt ngô đã chuyển vị (transposition), hay gọi một cách khác là nó đã "nhảy" từ lô-cut này sang lô-cut khác trong bộ gen (genome). Hiện tượng này cũng là tái tổ hợp gen, nhưng không có trao đổi tương hỗ, nên gọi là tái tổ hợp không tương đồng.

• Năm 1948, Barbara McClintock chính thức công bố kết quả đầu tiên. Sau đó, đến năm 1950 tóm tắt dữ liệu của mình về hai TE đầu tiên tìm thấy mà bà gọi là Ac và Ds, đăng trên tờ báo khoa học "PNAS Classic Article-1950" với nhan đề “The origin and behavior of mutable loci in maize” (Nguồn gốc và hoạt động của các lô-cut locus có thể biến đổi ở cây ngô”. Tuy nhiên không ai tin, mãi ngót 40 năm sau, các nhà khoa học mới khẳng định được điều này, nên giải giải Nobel trao cho bà lúc đó đã ở tuổi 80.

Khái niệm cơ bản

• Trong thật ngữ Transposable Element (nhân tố di động) mà Barbara McClintoc đề xuất, người ta cho rằng: bà không dùng từ "gen" lúc đó rất phổ biến dù khoa học đương thời chưa biết bản chất (mô hình ADN mãi đến năm 1953 mới công bố trên tạp chí Nature), mà lại dùng từ "element" vốn là của Mendel, bởi vì phần tử này không trực tiếp quy định tính trạng nào theo quan niệm lúc đó.^{, ,}
• Trong hiện tượng TE (transposable element) có quá trình tổ hợp lại (recombination) bộ gen, nhưng không có trao đổi tương hỗ theo kiểu "có trao, có nhận" nên gọi là tái tổ hợp không tương đồng.
• Ngày nay, những bước tiến vượt bậc trong Sinh học phân tử đã dẫn đến việc khám phá ra gen nhảy hay transposon trong rất nhiều loài sinh vật khác, kể từ virut đến vi khuẩn và cả loài người. Hiện giờ, người ta đã khám phá ra rằng transposons hợp thành khoảng 85% bộ gen của cây ngô và khoảng 44% hoặc hơn nữa bộ gen của con người.

• Vào năm 1944, khi Barbara McClintock bắt đầu nghiên cứu cơ chế hình thành các tính trạng màu khảm ở hạt ngô và sự di truyền không ổn định các tính trạng này, bà đã xác định được hai lô-cut gen mà bà đặt tên là Dissociation (Ds, yếu tố phân ly) và Activator (Ac, yếu tố hoạt hóa). Bà phát hiện ra rằng Ds (dissociation) không chỉ làm đứt nhiễm sắc thể, mà còn gây hiệu ứng ở các gen lân cận khi Ac (activator)có mặt. Đến năm 1948, bà lại phát hiện một điều rất lạ so với khoa học thời đó là cả Ds và Ac đều có thể chuyển đổi vị trí trong bộ gen của ngô, gọi tắt là sự chuyển vị (Transposition).
• Sau đó, bà phân biệt 2 nhân tố trên, trong đó nhân tố di truyền Ac là loại tự chuyển vị (tự nhảy) và loại Ds là loại chuyển vị chỉ khi có mặt loại thứ nhất.