Tổng quan về di truyền học

Con người có khoảng 20.000 đến 23.000 gen tùy thuộc vào cách xác định gen. Các gen được lưu trữ ở các nhiễm sắc thể trong nhân tế bào và ty thể. Ở người, nhân tế bào sinh dưỡng (không có khả năng sinh sản hữu tính) thường có 46 nhiễm sắc thể ghép thành 23 cặp nhiễm sắc thể. Mỗi cặp gồm một nhiễm sắc thể từ mẹ và một từ cha. Trong 1 cặp nhiễm sắc thể có 22 cặp nhiễm sắc thể thường, tương đồng về kích thước, hình dạng, vị trí và số lượng gen. Cặp nhiễm sắc thể thứ 23, còn được gọi là cặp nhiễm sắc thể giới tính (X và Y), quy định giới tính của một người, ngoài ra chúng cũng chứa các gen mang chức năng khác. Trong nhân tế bào sinh dưỡng ở giới nữ có 2 nhiễm sắc thể X (XX); ở nam giới có một nhiễm sắc thể X và một nhiễm sắc thể Y (XY).

Nhiễm sắc thể X chứa nhiều gen chịu trách nhiệm về nhiều tính trạng di truyền khác nhau; nhiễm sắc thể Y nhỏ hơn, mang gen quy định giới tính nam, cũng như một ít gen khác. Vì nhiễm sắc thể X có nhiều gen hơn nhiễm sắc thể Y, nên ở nam giới ̣(XY) rất nhiều gen có trên X nhưng không tương ứng trên Y từ đó không được biểu hiện thành kiểu hình. Do vậy để duy trì sự cân bằng vật liệu di truyền giữa nam và nữ, một trong cặp nhiễm sắc thể XX ở mỗi tế bào của những phụ nữ bị vô hiệu hóa một cách ngẫu nhiên trong giai đoạn đầu đời (lyonization). Trong một số tế bào, X từ mẹ bị vô hiệu hóa, và ở những tế bào khác, X từ bố. Khi sự bất hoạt đã diễn ra trong một tế bào, tất cả thế hệ kế tiếp của tế bào đó đều có cùng một X bất hoạt. Nhiễm sắc thể đồ là bộ đầy đủ các nhiễm sắc thể trong tế bào của một người.

Tế bào mầm (trứng và tinh trùng) phân chia thông qua quá trình meiosis, làm giảm số lượng nhiễm sắc thể xuống còn 23 - một nửa số lượng trong tế bào xôma. Trong giảm phân, thông tin di truyền từ mẹ và cha được tổ hợp lại thông qua quá trình trao đổi chéo (trao đổi giữa các nhiễm sắc thể tương đồng). Khi một trứng được thụ tinh bởi một tinh trùng, hợp tử sẽ chứa 46 nhiễm sắc thể như bình thường.

Các gen được sắp xếp theo trình tự xác định dọc theo DNA của nhiễm sắc thể. Mỗi gen có một vị trí cụ thể (locus) trên một nhiễm sắc thể và thường cùng vị trí trên cặp nhiễm sắc thể tương đồng. Hai gen nằm trên cùng một locus của mỗi cặp nhiễm sắc thể (một được thừa kế từ mẹ và một từ cha) được gọi là allele. Mỗi gen bao gồm một chuỗi DNA đặc trưng; 2 allele có thể có các trình tự DNA khác nhau hoặc giống nhau. Hai allele giống hệt nhau trên cùng một gen gọi là đồng hợp tử; hai allen khác nhau gọi là dị hợp tử. Trong quá trình nhân bản, một số gen đột biến đến những vị trí có thể là cạnh nhau hoặc ở các vị trí khác nhau trong cùng một nhiễm sắc thể hoặc các nhiễm sắc thể khác nhau.

Cấu trúc DNA

DNA (axit deoxyribonucleic) là vật liệu di truyền của tế bào, lưu trữ trong các nhiễm sắc thể ở nhân tế bào và ty thể. Ngoại trừ một số tế bào (ví dụ, tinh trùng, tế bào trứng và hồng cầu), nhân tế bào chứa 23 cặp nhiễm sắc thể. Một nhiễm sắc thể chứa rất nhiều gen. Gen là một đoạn DNA cung cấp mã để xây dựng phân tử protein hoặc RNA. Phân tử DNA là một chuỗi xoắn kép dài, cuộn lại giống như một cầu thang xoắn ốc. Trong đó, hai sợi, bao gồm đường (deoxyribose) và phân tử photphat, được nối với nhau bằng cặp bốn phân tử gọi là bazơ, tạo thành các bậc của cầu thang. Trong các bước, adenine được ghép cặp với thymine và guanine được ghép cặp với cytosine. Mỗi cặp bazơ được nối với nhau bằng một liên kết hydro. Một gen bao gồm một trình tự các bazơ. Trình tự của ba bazơ mã cho một axit amin (axit amin là khối cấu tạo của protein) hoặc thông tin khác.

Các gen bao gồm DNA. Chiều dài của gen xác định chiều dài của protein hoặc RNA được tổng hợp từ mã gen. DNA là một chuỗi xoắn kép, trong đó các nucleotide (các bazơ) liên kết với nhau:

• Adenine (A) liên kết với thymine (T)

• Guanine (G) liên kết với cytosine (C)

DNA được phiên mã trong quá trình tổng hợp protein, trong đó một sợi ADN được dùng làm khuôn mẫu tổng hợp RNA thông tin (mRNA). RNA có các cặp cơ sở giống như DNA, ngoại trừ uracil (U) thay thế thymine (T). Các phân tử mRNA di chuyển từ nhân đến bào tương rồi đến ribosome, nơi diễn ra quá trình tổng hợp protein. RNA vận chuyển (tRNA) mang các axit amin đến ribosome, và gắn axit amin vào chuỗi polypeptide đang phát triển theo một trình tự xác định bởi mRNA. Khi một chuỗi axit amin được lắp ráp, nó tự gấp nếp cuộn xoắn để tạo ra một cấu trúc protein ba chiều phức tạp dưới ảnh hưởng của các phân tử đi kèm lân cận.

DNA được mã hóa bằng mã bộ ba, chứa 3 trong số 4 nucleotides A, T, G, C. Các axit amin cụ thể được mã hóa bởi các bộ ba cụ thể gọi là codon. Vì có 4 nucleotide, nên số lượng mã bộ ba có thể có là 4³ (64). Tuy nhiên chỉ có 20 axit amin, nên có một số mã bộ ba dư thừa. Bởi vậy, một số mã bộ ba cùng mã hóa một axit amin. Các bộ ba khác có thể mã hóa các yếu tố mở đầu hoặc kết thúc quá trình tổng hợp protein và sắp xếp, lắp ráp các axit amin.

Gen bao gồm exon và intron. Đối với các gen mã hóa protein, exon mã hóa các thành phần axit amin của protein cuối cùng. Các intron chứa thông tin khác điều chỉnh tốc độ sản xuất protein và loại protein được sản xuất. Exons và intron cùng được sao chép vào mRNA, nhưng các đoạn được sao chép từ intron được loại bỏ sau đó. Nhiều yếu tố điều hòa việc phiên mã, bao gồm RNA antisense, được tổng hợp từ chuỗi DNA không được mã hoá thành mRNA. Ngoài DNA, các nhiễm sắc thể chứa histon và các protein khác cũng ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen (protein và số lượng protein được tổng hợp từ một gen nhất định).

Kiểu gen cho biết thành phần và trình tự di truyền cụ thể; nó quy định những protein nào được mã hóa để sản xuất.

Ngược lại, bộ gen nói đến toàn bộ thành phần tất cả của các nhiễm sắc thể đơn bội, bao gồm các gen mà chúng chứa.

Kiểu hình hướng tới biểu hiện cơ thể, sinh hóa và sinh lý của một người - nghĩa là, làm thế nào các tế bào (hay cơ thể) thực hiện chức năng. Kiểu hình được xác định bởi sự tương tác phức tạp của nhiều yếu tố bao gồm kiểu gen, yếu tố môi trường, loại và số lượng protein thực sự được tổng hợp, nghĩa là cách các gen thực sự được biểu hiện. Kiểu gen cụ thể có thể có hoặc không tương quan tốt với kiểu hình.

Biểu hiện đề cập đến quá trình điều hòa thông tin được mã hoá trong một gen được dịch mã từ một phân tử (thường là protein hoặc RNA). Sự biểu hiện gen phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính trạng là trội hay lặn, khả năng xâm nhập và biểu hiện của gen (xem Các yếu tố ảnh hưởng đến biểu hiện gen), mức độ biệt hóa của mô (được xác định bởi loại mô và tuổi), các yếu tố môi trường, liệu biểu hiện có bị giới hạn theo giới tính hoặc bị bất hoạt nhiễm sắc thể hoặc in dấu hệ gen và các yếu tố chưa biết khác hay không.

Một tính trạng có thể đơn giản như là màu mắt hoặc phức tạp hơn như là sự nhạy cảm với bệnh tiểu đường. Biểu hiện của một tính trạng có thể liên quan đến một gen hoặc nhiều gen. Một số thiếu hụt đơn gen gây bất thường ở nhiều mô, hiệu ứng này gọi là tính đa hiệu của gen. Ví dụ, bệnh tạo xương bất toàn (rối loạn mô liên kết thường do những bất thường của một gen collagen đơn) có thể gây ra loãng xương, điếc, củng mạc xanh, loạn sản răng, khớp lỏng lẻo và van tim bất thường.

Xây dựng phả hệ gia đình

Phả hệ gia đình (cây gia đình) như là sơ đồ mô hình di truyền. Phả hệ thường được sử dụng trong tư vấn di truyền. Phả hệ sử dụng các ký hiệu thông thường để thể hiện các thành viên trong gia đình và thông tin sức khỏe thích hợp về họ (xem hình Các ký hiệu trong xây dựng phả hệ gia đình). Một số rối loạn gia đình có kiểu hình giống hệt nhau có nhiều kiểu di truyền.

Ký hiệu xây dựng một phả hệ gia đình

Trong phả hệ, các ký hiệu cho mỗi thế hệ trong gia đình được đặt thành một hàng và được đánh số bằng chữ số La Mã, bắt đầu với thế hệ cũ ở trên cùng và kết thúc bằng thế hệ gần đây nhất ở dưới cùng. Trong mỗi thế hệ, con người được đánh số từ trái sang phải với chữ số Ả-rập. Anh chị em được liệt kê theo độ tuổi, với người lớn tuổi nhất ở bên trái. Do đó, mỗi thành viên của phả hệ có thể được xác định bởi 2 số (ví dụ, II, 4). Vợ/chồng cũng được gắn số để nhận dạng.