Tái tổ hợp tương đồng

Hình 1: Ảnh chụp lại trang sách của Morgan (1916) mô tả cơ chế tái tổ hợp tương đồng đầu tiên.

Tái tổ hợp tương đồng là một kiểu tái tổ hợp gen trong đó các trình tự nuclêôtit của hai đoạn ADN tương ứng nhau được trao đổi cho nhau. Thuật ngữ này xuất xứ từ tiếng Anh homologous recombination (viết tắt: HR, tức là tái tổ hợp tương đồng) dùng để chỉ trao đổi các đoạn ADN tương ứng nhau giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng.^, Vì quá trình này diễn ra trong giảm phân, nên cũng còn gọi là tái tổ hợp giảm phân (meiotic recombination).

Lược sử nghiên cứu

• Năm 1905, William Bateson, Edith Rebecca Saunders và Reginald Punnett đã phát hiện một số ngoại lệ không tuân theo quy luật Mendel mới được phát hiện lại cách đó không lâu. Trong đó nổi bật là thí nghiệm trên cây đậu thơm: Cây PpLl tự thụ phấn không sinh ra kiểu hình phân li theo tỉ lệ 9:3:3:1, mà lại là xấp xỉ 14:1:1:3. Họ đã giả thuyết rằng các gen P/p và L/l là "cặp đôi" với nhau (xem chi tiết ở trang Gen liên kết).
• Nhưng sau đó, vào khoảng năm 1910 - 1915, Thomas Hunt Morgan đã phát hiện và giải thích cơ chế đó là do gen hoán vị. Trong quá trình này, đoạn nhiễm sắc thể mang các gen trên cặp nhiễm sắc thể không chị em đã đổi chỗ cho nhau. Nghĩa là đoạn nhiễm sắc thể này chuyển vị sang vị trí tương ứng trên nhiễm sắc thể kia và ngược lại, do đó sự trao đổi "có đi, có lại" giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng, tạo ra biến dị "tái tổ hợp" (hình 1).
• Bởi thế, sau này xuất hiện thuật ngữ tái tổ hợp tương đồng để chỉ bản chất tế bào học của hiện tượng này là trao đổi vật chất di truyền (mà sau này mới xác định chính hxasc là ADN) giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng với nhau.
• Vào khoảng cuối những năm 1940, Harriet Creighton và nhất là Barbara McClintock đã chứng minh chi tiết hơn sự trao đổi chéo xảy ra trong quá trình giảm phân ở nhiều loài sinh vật nhân thực.
• Đến năm 1947, nhà vi sinh vật học Joshua Lederberg (hình 2) đã chứng minh vi khuẩn cũng có khả năng giống như sinh sản hữu tính, trong đó có tái tổ hợp gen và đã giành giải Nobel năm 1958.

Hình 2: Joshua Lederberg.

• Thời gian tiếp theo là những công trình nghiên cứu về tái tổ hợp ở cấp độ phân tử, trong đó nổi bật là mô hình của Robin Holliday (1964) dựa trên các nghiên cứu của mình về tái tổ hợp ở nấm (Fungi) và mô hình DSBR của Jack Szostak và cộng sự (1983). Xem chi tiết hơn về các mô hình này ở trang gen hoán vị.

Đặc điểm chính

• Tái tổ hợp tương đồng (HR) là một kiểu tái tổ hợp gen (cũng gọi là tái tổ hợp di truyền), bao hàm hai sự việc đồng thời:

1. Một đoạn ADN ở nhiễm sắc thể này bị cắt, di chuyển sang vị trí tương ứng ở nhiễm sắc thể tương đồng với nó, kết nối vào vị trí đó.
2. Cùng lúc, có sự trao đổi ngược lại: một đoạn ADN ở nhiễm sắc thể tương đồng kia cũng bị cắt, di chuyển sang vị trí tương ứng ở nhiễm sắc thể tương đồng với nó, kết nối vào vị trí đó.
   

• Như vậy, tái tổ hợp tương đồng là một hình thức tái tổ hợp di truyền trong đó các trình tự nuclê-ô-tit được trao đổi lẫn nhau giữa hai phân tử ADN tương tự nhau hoặc giống hệt nhau.
• Hình thức này được các tế bào sống sử dụng rất phổ biến để sửa chữa các sai sót có hại xảy ra trên cả hai mạch đơn ADN khi nhân đôi, theo cơ chế double-strand breaks (viết tắt: DSB, tức là phá vỡ sợi đôi). Quá trình tái tổ hợp tương đồng có thể tạo ra tổ hợp gen mới trong giảm phân, khi hình thành giao tử của sinh vật bậc cao (eukaryote). Nó cũng xảy ra ở vi khuẩn trong quá trình chuyển gen ngang để trao đổi vật liệu di truyền giữa các chủng vi khuẩn. Nhờ đó, tạo điều kiện cho các quần thể có nhiều biến dị thích nghi trong tiến hóa.

Cơ chế tái tổ hợp tương đồng

Sinh vật nhân thực

(còn tiếp)