CHUYỂN GEN NGANG: CƠ CHẾ VÀ VÍ DỤ - SINH HỌC - 2026

Các chuyển gen ngang hoặc chuyển gen bên là việc trao đổi vật liệu di truyền giữa các sinh vật, trong đó không xảy ra trong gia đình. Sự kiện này diễn ra giữa các cá thể cùng thế hệ và có thể xảy ra ở sinh vật đơn bào hoặc đa bào.

Chuyển giao ngang xảy ra thông qua ba cơ chế chính: liên hợp, biến nạp và tải nạp. Trong kiểu đầu tiên, việc trao đổi các đoạn DNA dài là có thể xảy ra, trong khi ở kiểu cuối cùng, sự chuyển giao bị hạn chế ở các đoạn nhỏ của vật liệu di truyền.

Một loại vi khuẩn. THG phổ biến ở những sinh vật này. Nguồn pixabay.com

Khái niệm ngược lại là chuyển gen theo chiều dọc, trong đó thông tin di truyền được truyền từ một sinh vật sang thế hệ con cái của nó. Quá trình này phổ biến ở sinh vật nhân chuẩn, như thực vật và động vật. Ngược lại, chuyển dịch ngang phổ biến ở vi sinh vật.

Ở sinh vật nhân thực, chuyển giao ngang không phổ biến. Tuy nhiên, có bằng chứng về sự trao đổi của hiện tượng này, bao gồm cả tổ tiên của con người, những người có được một số gen thông qua virus.

Chuyển gen ngang là gì?

Trong quá trình sinh sản, sinh vật nhân thực truyền gen của chúng từ thế hệ này sang thế hệ con của chúng (con cái) trong một quá trình được gọi là chuyển gen dọc. Sinh vật nhân sơ cũng thực hiện bước này, nhưng thông qua sinh sản vô tính thông qua quá trình phân hạch hoặc các cơ chế khác.

Tuy nhiên, ở sinh vật nhân sơ có một cách khác để trao đổi vật chất di truyền được gọi là chuyển gen ngang. Tại đây, các đoạn DNA được trao đổi giữa các sinh vật cùng thế hệ và có thể truyền từ loài này sang loài khác.

Chuyển giao ngang là tương đối phổ biến giữa các vi khuẩn. Lấy ví dụ về gen gây kháng thuốc kháng sinh. Các đoạn DNA quan trọng này được chuyển giao bình thường giữa các vi khuẩn thuộc các loài khác nhau.

Những cơ chế này liên quan đến các biến chứng y tế đáng kể khi điều trị nhiễm trùng.

Cơ chế

Có ba cơ chế cơ bản mà DNA có thể được trao đổi bằng cách chuyển ngang. Đây là sự liên hợp, sự biến đổi và sự biến nạp.

Sự kết hợp

Chuyển gen bằng phương pháp tiếp hợp là kiểu duy nhất liên quan đến sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai vi khuẩn.

Tuy nhiên, nó không nên được so sánh với trao đổi gen thông qua sinh sản hữu tính (nơi thường có sự tiếp xúc giữa các sinh vật liên quan), vì quá trình này rất khác nhau. Trong số những khác biệt chính là không có meiosis.

Trong quá trình tiếp hợp, sự truyền vật chất di truyền từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác diễn ra thông qua tiếp xúc vật lý được thiết lập bởi một cấu trúc gọi là pili. Điều này hoạt động như một cầu nối, nơi diễn ra sự trao đổi.

Mặc dù vi khuẩn không phân biệt thành giới tính, nhưng sinh vật mang DNA hình tròn nhỏ được gọi là yếu tố F (khả năng sinh sản f) được gọi là "đực". Các tế bào này là người cho trong quá trình tiếp hợp, truyền nguyên liệu cho một tế bào khác thiếu nhân tố.

Yếu tố F DNA bao gồm khoảng 40 gen, điều khiển sự sao chép của yếu tố hữu tính và tổng hợp pili hữu tính.

Bằng chứng đầu tiên về quá trình liên hợp đến từ thí nghiệm Lederberg và Tatum, nhưng cuối cùng thì chính Bernard Davis đã chứng minh rằng sự tiếp xúc là cần thiết để chuyển giao.

Chuyển đổi

Sự biến đổi bao gồm việc lấy một phân tử DNA trần được tìm thấy trong môi trường gần với vi khuẩn chủ. Đoạn DNA này đến từ một vi khuẩn khác.

Quá trình này có thể được thực hiện một cách tự nhiên, vì các quần thể vi khuẩn thường trải qua quá trình biến đổi. Tương tự, quá trình biến đổi có thể được mô phỏng trong phòng thí nghiệm để buộc vi khuẩn tiếp nhận DNA quan tâm được tìm thấy bên ngoài.

Về mặt lý thuyết, bất kỳ đoạn DNA nào cũng có thể được lấy. Tuy nhiên, quá trình này đã được quan sát thấy có sự tham gia của các phân tử nhỏ.

Truyền tải

Cuối cùng, cơ chế tải nạp xảy ra nhờ một phage (virus) mang DNA từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận. Như trong trường hợp trước, số lượng DNA được chuyển là tương đối nhỏ, vì khả năng mang DNA của virus bị hạn chế.

Thông thường, cơ chế này bị hạn chế đối với vi khuẩn gần giống về mặt phát sinh loài, vì vi rút mang DNA phải liên kết với các thụ thể cụ thể trên vi khuẩn để đưa vật liệu vào.

Ví dụ

Endonuclease là các enzym có khả năng phá vỡ các liên kết phosphodiester trong chuỗi polynucleotide, từ bên trong - đó là lý do tại sao chúng được gọi là "endo". Các enzym này không cắt ở bất cứ đâu, chúng có các vị trí cụ thể để làm như vậy, được gọi là các vị trí giới hạn.

Trình tự axit amin đối với các enzym EcoRI (ở E. coli) và RSRI (ở Rhodobacter sphaeroides) có trình tự gồm gần 300 gốc axit amin, giống nhau 50%, cho thấy rõ ràng có mối quan hệ họ hàng tiến hóa gần gũi.

Tuy nhiên, nhờ nghiên cứu các đặc điểm phân tử và sinh hóa khác, hai loại vi khuẩn này rất khác nhau và có rất ít liên quan theo quan điểm phát sinh loài.

Ngoài ra, gen mã hóa enzyme EcoRI sử dụng các codon rất cụ thể khác với các codon thường được sử dụng bởi E. coli, vì vậy người ta nghi ngờ rằng gen này không bắt nguồn từ vi khuẩn này.

Chuyển gen theo chiều ngang trong quá trình tiến hóa

Năm 1859, nhà tự nhiên học người Anh Charles Darwin đã cách mạng hóa khoa học sinh học với lý thuyết tiến hóa thông qua chọn lọc tự nhiên. Trong cuốn sách mang tính biểu tượng của mình, Nguồn gốc các loài, Darwin đề xuất phép ẩn dụ về cây sự sống để minh họa mối quan hệ phả hệ giữa các loài.

Ngày nay, phylogenies là một đại diện chính thức của phép ẩn dụ này, nơi người ta cho rằng việc truyền thông tin di truyền xảy ra theo chiều dọc - từ cha mẹ sang con cái.

Chúng ta có thể áp dụng tầm nhìn này mà không gây bất tiện lớn cho các sinh vật đa bào và chúng ta sẽ thu được một mô hình phân nhánh, như Darwin đề xuất.

Tuy nhiên, biểu hiện của các nhánh không có hợp nhất này khó áp dụng cho vi sinh vật. Khi so sánh bộ gen của các sinh vật nhân sơ khác nhau, rõ ràng là có sự chuyển gen rộng rãi giữa các dòng họ.

Vì vậy, mô hình của các mối quan hệ giống như một mạng lưới, với các nhánh được kết nối và hợp nhất với nhau, nhờ vào sự phổ biến của chuyển gen theo chiều ngang.

Người giới thiệu

1. Gogarten, JP, & Townsend, JP (2005). Chuyển gen ngang, đổi mới và tiến hóa bộ gen. Nature Reviews Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ & Palmer, JD (2008). Chuyển gen theo chiều ngang trong quá trình tiến hóa ở sinh vật nhân thực. Bản chất Nhận xét Di truyền, 9 (8), 605.
3. Pierce, BA (2009). Di truyền học: Một cách tiếp cận khái niệm. Panamerican Medical Ed.
4. Russell, P., Hertz, P., & McMillan, B. (2013). Sinh học: Khoa học Động lực học. Giáo dục Nelson.
5. Sumbali, G., & Mehrotra, RS (2009). Nguyên lý của vi sinh vật học. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., & Kado, CI (2001). Chuyển gen theo chiều ngang. Báo chí Học thuật.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Giới thiệu về vi sinh vật học. Panamerican Medical Ed.