Đột biến gene làm thay đổi thông tin di truyền thế nào?

Đột biến gene là gì?

Đột biến gene là sự thay đổi trong trình tự DNA của một gene. Thay đổi có thể liên quan đến một nucleotide hoặc một đoạn DNA lớn hơn. Đột biến có thể phát sinh do sai sót trong quá trình sao chép DNA, tác động của một số tác nhân gây đột biến hoặc các quá trình khác trong tế bào

Điểm quan trọng là đột biến không đồng nghĩa với bệnh. Một biến đổi DNA chỉ gây hậu quả sinh học đáng kể khi nó ảnh hưởng đến chức năng của gene, protein hoặc cơ chế điều hòa liên quan. Nhiều biến thể không gây ảnh hưởng rõ rệt đến sức khỏe

Ở cấp độ thông tin, có thể hình dung:

Trình tự DNA thay đổi → thông tin được đọc có thể thay đổi → RNA hoặc protein có thể thay đổi → chức năng tế bào có thể thay đổi

Đây là chuỗi cơ chế cốt lõi để hiểu vì sao một thay đổi rất nhỏ trong DNA đôi khi lại tạo ra hậu quả lớn

Đột biến gene thay đổi trình tự DNA theo những cách nào?

Các thay đổi trong DNA không chỉ xảy ra theo một kiểu. Dạng thay đổi quyết định cách thông tin di truyền được đọc và vì thế ảnh hưởng trực tiếp đến sản phẩm của gene

Thay thế nucleotide xảy ra khi một nucleotide được đổi thành nucleotide khác. Nếu thay đổi nằm trong vùng mã hóa, codon mới có thể vẫn quy định cùng một amino acid, tạo ra thay đổi đồng nghĩa. Ngược lại, nó có thể làm thay đổi amino acid trong protein hoặc tạo ra tín hiệu kết thúc sớm

Chèn nucleotide là sự bổ sung một hoặc nhiều nucleotide vào trình tự DNA. Nếu số nucleotide được chèn không phải bội số của ba trong vùng mã hóa, khung đọc có thể bị dịch chuyển

Mất nucleotide là sự loại bỏ một hoặc nhiều nucleotide. Tương tự chèn, việc mất số nucleotide không chia hết cho ba có thể gây đột biến dịch khung

Đột biến dịch khung đặc biệt đáng chú ý vì tế bào đọc mã di truyền theo từng nhóm ba nucleotide. Khi khung đọc bị lệch, các codon ở phía sau vị trí đột biến có thể được đọc khác đi, làm thay đổi hàng loạt amino acid và có thể xuất hiện tín hiệu kết thúc sớm

Vì vậy, không nên đánh giá tác động của đột biến chỉ dựa vào việc “có bao nhiêu nucleotide bị thay đổi”. Vị trí và kiểu thay đổi cũng quyết định hậu quả

Từ thay đổi DNA đến thay đổi sản phẩm gene diễn ra như thế nào?

Ảnh hưởng của đột biến có thể được hiểu qua chuỗi DNA → RNA → protein → chức năng sinh học

Ở gene mã hóa protein, trình tự DNA được sử dụng làm thông tin để tạo RNA, sau đó RNA được dùng làm khuôn để tổng hợp protein. Trình tự nucleotide trong gene quyết định trình tự amino acid của protein; trình tự amino acid lại góp phần quyết định cấu trúc và chức năng của protein

Một thay đổi trong DNA có thể tạo ra nhiều kết quả khác nhau

·         Đột biến đồng nghĩa: codon thay đổi nhưng vẫn mã hóa cùng amino acid, vì vậy trình tự protein có thể không thay đổi

·         Đột biến sai nghĩa: một amino acid bị thay thế bằng amino acid khác, có thể làm thay đổi cấu trúc hoặc chức năng protein

·         Đột biến vô nghĩa: xuất hiện codon kết thúc sớm, khiến protein được tạo ra ngắn hơn bình thường và có thể mất chức năng

·         Đột biến dịch khung: thay đổi cách đọc các codon phía sau vị trí đột biến, thường làm biến đổi đáng kể phần còn lại của protein

Tác động không chỉ nằm ở vùng trực tiếp mã hóa protein. Một biến đổi ở vùng DNA tham gia điều hòa gene có thể làm gene được bật hoặc tắt không đúng thời điểm, ở sai loại tế bào hoặc tạo ra quá nhiều hay quá ít sản phẩm gene

Do đó, thay đổi thông tin di truyền không nhất thiết có nghĩa là protein luôn bị thay đổi về trình tự. Đột biến cũng có thể thay đổi cách gene được biểu hiện

Vì sao cùng là đột biến gene nhưng mức độ ảnh hưởng lại khác nhau?

Tác động của một đột biến phụ thuộc vào vị trí, loại biến đổi và chức năng của vùng DNA bị ảnh hưởng

Một thay đổi trong vùng mã hóa có thể chỉ thay thế một amino acid. Nếu amino acid mới có tính chất tương tự và nằm ở vị trí ít quan trọng, chức năng protein có thể thay đổi rất ít. Nhưng nếu thay đổi xảy ra tại vùng có vai trò quan trọng đối với cấu trúc hoặc hoạt tính của protein, hậu quả có thể lớn hơn

Tương tự, một đột biến tạo codon kết thúc sớm thường đáng chú ý hơn một thay đổi đồng nghĩa vì nó có thể làm protein bị rút ngắn đáng kể

Ngoài ra, cơ thể có các cơ chế sửa chữa DNA có thể nhận diện và sửa một số sai sót trước khi chúng dẫn đến sản phẩm gene bất thường. Vì thế, sự xuất hiện của một thay đổi DNA chưa đủ để kết luận rằng chức năng gene chắc chắn bị ảnh hưởng

Một nguyên tắc quan trọng là:

Thay đổi trình tự DNA → không đồng nghĩa với thay đổi chức năng protein → và càng không đồng nghĩa với bệnh

Muốn đánh giá hậu quả cần xem xét toàn bộ quan hệ giữa vị trí đột biến, loại đột biến, sản phẩm gene và chức năng sinh học

Đột biến gene có phải luôn gây bệnh?

Không. Phần lớn biến thể gene không gây ảnh hưởng đáng kể đến sức khỏe hoặc sự phát triển. Một số thay đổi thậm chí có thể tạo ra đặc điểm có lợi trong những điều kiện nhất định

Đột biến có khả năng gây bệnh khi nó làm gián đoạn chức năng của gene theo cách ảnh hưởng đến một quá trình sinh học quan trọng. Ví dụ, protein có thể bị mất chức năng, hoạt động sai hoặc được tạo ra với lượng không phù hợp

Mức độ ảnh hưởng còn phụ thuộc vào gene bị biến đổi. Một thay đổi ở gene có vai trò thiết yếu đối với quá trình phát triển hoặc chức năng tế bào có thể nghiêm trọng hơn thay đổi ở một vùng mà chức năng ít bị ảnh hưởng

Vì vậy, không thể kết luận một đột biến là “xấu” chỉ từ tên hoặc sự tồn tại của nó. Cần xác định biến đổi đó làm thay đổi chức năng gene như thế nào và bằng chứng thực nghiệm hoặc lâm sàng cho thấy hậu quả ra sao

Đột biến gene di truyền và đột biến mắc phải khác nhau thế nào?

Đột biến có thể xuất hiện ở tế bào mầm hoặc tế bào soma, và vị trí xuất hiện quyết định khả năng truyền lại cho thế hệ sau

Đột biến ở tế bào trứng hoặc tinh trùng có thể được truyền cho con. Khi đó, biến đổi có thể xuất hiện trong vật chất di truyền của cơ thể ngay từ giai đoạn hình thành phôi

Ngược lại, đột biến soma phát sinh trong các tế bào cơ thể trong quá trình sống. Những đột biến này thường chỉ tồn tại trong dòng tế bào bắt nguồn từ tế bào đã thay đổi và không được truyền cho con theo cơ chế di truyền thông thường

Điều này cũng giải thích vì sao một người có thể không mang cùng một trình tự DNA ở mọi tế bào. Nếu thay đổi xảy ra sau khi phôi đã bắt đầu phát triển, cơ thể có thể hình thành các nhóm tế bào mang bộ gene khác nhau, tạo nên hiện tượng khảm

Hiểu sự khác biệt này giúp phân biệt hai vấn đề thường bị đánh đồng: một thay đổi DNA có tồn tại hay không và thay đổi đó có được truyền qua thế hệ hay không

Tóm lại, đột biến gene là sự thay đổi trong trình tự DNA và có thể làm biến đổi thông tin mà tế bào sử dụng để tạo hoặc điều hòa sản phẩm gene. Tác động có thể rất nhỏ, không đáng kể, hoặc nghiêm trọng tùy vào loại đột biến, vị trí bị ảnh hưởng và vai trò của gene. Vì vậy, muốn hiểu một đột biến có ý nghĩa gì, cần đi từ thay đổi DNA đến cơ chế biểu hiện gene, sản phẩm gene và cuối cùng là chức năng sinh học thay vì chỉ nhìn vào bản thân biến đổi DNA

Một đột biến gene có luôn làm thay đổi protein không?

Không. Một số thay đổi DNA có thể không làm thay đổi trình tự amino acid của protein. Ngoài ra, tác động của biến đổi còn phụ thuộc vào vị trí và chức năng của vùng DNA bị ảnh hưởng

Đột biến dịch khung vì sao thường có ảnh hưởng lớn?

Vì chèn hoặc mất nucleotide không phải bội số của ba có thể làm thay đổi khung đọc của các codon phía sau vị trí đột biến. Điều này có thể làm thay đổi hàng loạt amino acid và tạo tín hiệu kết thúc sớm

Đột biến gene có thể di truyền cho con không?

Có thể, nếu đột biến hiện diện trong dòng tế bào mầm và được truyền qua trứng hoặc tinh trùng. Đột biến chỉ phát sinh ở tế bào soma thường không được truyền cho thế hệ sau