Bài giảng Sinh học phân tử - Chương 7: Di truyền vi khuẩn

DI TRUYỀN VI KHUẨN Chương 7 Di truyền vi khuẩn • Vật liệu di truyền của vi khuẩn • Sự sao chép ở “nhiễm sắc thể” • Các kiểu sao chép DNA ở E.coli • Sự tái tổ hợp di truyền và sự truyền các tính trạng Vật liệu di truyền của vi khuẩn Ở vi khuẩn vật liệu di truyền là ADN thể nhiễm sắc ngoài ra còn có ADN ngoài thể nhiễm sắc. ADN thể nhiễm sắc: • Chất nhân của VK là một phân tử ADN xoắn kép dạng vòng (2 sợi khép kín - dài độ 1mm) tạo nên TNS duy nhất của VK. • + TNS này gồm nhiều đoạn gọi là gen. • + Mỗi gen là một chuỗi nucleotid có trật tự nhất định mã hoá cho một protein cụ thể qui định một tính trạng cụ thể. • ADN vi khuẩn sao chép theo cơ chế nửa bảo tồn: 2 sợi tách rời nhau, mỗi sợi trở thành một khuôn để các bazơ mới bổ sung vào theo từng cặp Adenin - Thymin (A-T) hoặc Guanin - Cytozin (G-C), tạo nên sợi mới, hình thành hai ADN xoắn kép mới giống hệt phân tử ADN ban đầu. Vật liệu di truyền của vi khuẩn ADN ngoài TNS- Các Plasmid. Plasmid : • + Là những phân tử ADN ngắn (50-100 gen) nằm ngoài TNS vi khuẩn, (không cần thiết đối với tế bào VK ), tự nhân lên trong bào tương VK, di truyền qua các thế hệ của VK và có thể truyền từ VK này sang VK khác cùng loài hoặc khác loài. • + Các plasmid cũng là ADN 2 sợi xoắn kép dạng vòng, độ dài bằng khoảng 0,1-5% chiều dài TNS VK ; chúng chứa các gen mã hóa cho nhiều đặc tính khác không thiết yếu cho sự sống của tế bào nhưng có thể giúp cho VK tồn tại được dưới áp lực của chọn lọc. VD: VK có plasmid R, plasmid sinh độc tố. • + Các plasmid được phát hiện bởi những tính chất mới mà chúng tạo cho tế bào VK và tên của plasmid thường được gọi dựa theo những tính chất đó. Vật liệu di truyền của vi khuẩn Một số plasmid quan trọng: • Plasmid F (yếu tố giới tính, yếu tố tiếp hợp: Plasmid này quyết định đến hiện tượng tiếp hợp ở vi khuẩn như hình thành pili sinh dục, thay đổi tính chất màng tế bào...giúp cho hai vi khuẩn tiếp xúc trực tiếp với nhau và chuyển vật liệu di truyền từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận. • Transposome: Một số plasmid chứa các gen “nhảy” gọi là transposome- là những đoạn ADN có hai đầu tận cùng là những chuỗi nucleotide lặp lại ngược chiều nhau, có thể chuyển vị trí từ phân tử ADN này sang phân tử ADN khác; VD từ plasmid vào nhiễm sắc thể hoặc ngược lại. • Plasmid R: Làm vi khuẩn có tính kháng lại một hoặc nhiều thuốc kháng sinh và các muối kim loại nặng (Ag, Hg). Vật liệu di truyền của vi khuẩn • Trong cấu trúc của plasmid R, có một hoặc nhiều gen kháng thuốc và một gen chuyển kháng gọi là RTF (Resistant transfer factor) (hình 1). – Các gen kháng thuốc kiểm soát việc tổng hợp các enzym làm huỷ hoặc thay đổi phân tử kháng sinh: mỗi gen kháng thuốc chịu trách nhiệm về sự kháng lại của tế bào vi khuẩn với một kháng sinh cụ thể. – Gen chuyển kháng RTF chịu trách nhiệm chuyển các gen kháng thuốc từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận. NHỮNG HIỆN TƯỢNG DI TRUYỀN Ở VI KHUẨN Đột biến Định nghĩa: Là sự biến đổi đột ngột một tính trạng, di truyền được. • Trong một quần thể tế bào vi khuẩn đồng nhất, xuất hiện một cá thể có một tính trạng khác và truyền được tính trạng này cho các thế hệ sau. Cá thể đó gọi là biến chủng hay chủng đột biến. • VD: trong một quần thể vi khuẩn chịu tác dụng của penicillin xuất hiện một vài tế bào vi khuẩn kháng lại penicillin. Các tính chất: – Hiếm: tần suất 10-5 - 10-8 – Ngẫu nhiên (có thể can thiệp trong PTN để gây đột biến định hướng) – Bền vững: Duy trì được từ thế hệ này sang thế hệ khác. – Đặc hiệu: Mỗi đột biến chỉ liên quan đến một tính trạng. – Độc lập: Đột biến này không ảnh hưởng đến đột biến khác. NHỮNG HIỆN TƯỢNG DI TRUYỀN Ở VI KHUẨN Cơ chế đột biến: Có sự thay đổi trật tự các nucleotit trong một đoạn gen. Có 2 trường hợp: • Đột biến điểm (phổ biến nhất): – Cặp bazơ này bị thay bằng cặp bazơkhác.VD: cặp AT® GC. – Hệ quả: 3 trường hợp (câm, sai nghĩa, mất nghĩa) • Đột biến lệch khung (Một bazơ bị chêm vào hoặc bị loại ra khỏi ADN trong quá trình sao chép): sai khác nhiều ở kết quả tạo protein. Tác nhân gây đột biến: • Lý học: Tia cực tím, X... • Hoá học: Các chất alkyl hoá, nitropyrin, arcidin.... Kết quả đột biến: • Một hoặc nhiều tính trạng của vi khuẩn có thể bị đột biến: hình thái khuẩn lạc S ®R, chuyển hóa, tính kháng thuốc... Các hiện tượng di truyền ở vi khuẩn  Biến nạp (transformation)  Tải nạp (transduction)  Giao nạp, tiếp hợp (conjugation)  Chuyển vị gen (transposition) Biến nạp (transformation) Biến nạp là quá trình tế bào tiếp nhận DNA trần từ vào tế bào chủ 1.DNA gắn lên DNA-binding protein trên vách tế bào 2.Nuclease thủy phân một mạch DNA, cho phép mạch đơn còn lại đi vào trong tế bào 3.Mạch DNA được mang và bảo vệ bởi một số protein chuyên biệt 4.Mạch DNA tái tổ hợp vào bộ gen bởi RecA protein 5.Tế bào có kiểu gen mới được tạo thành khi tế bào phân chia Tải nạp (transduction) Tải nạp (transduction) Plasmid -Phân tử DNA vòng, kích thước nhỏ có thể tự sao chép độc lập trong tế bào chủ -Cấu trúc của plasmid: + Mang gen ORI (origin of replication, Ori) kiểm soát tần số sao chép và số lượng bản sao của plasmid trong tế bào + Gen điều khiển sự chuyển DNA trong giao nạp (một số) + Các gen khác: kháng kháng sinh, tạo ra độc tố, khả năng biến dưỡng những cơ chất không bình thường như thuốc trừ sâu, dung môi công nghiệp Plasmid R: plasmid kháng thuốc + Mang một số transposon mỗi loại cho tính kháng đối với một loại kháng sinh nhất định + Kháng đồng thời đến 5 loại kháng sinh khác nhau + Phát tán tính kháng thuốc nhanh trong quần thể thông qua quá trình giao nạp - Tế bào có thể chứa đồng thời một số plasmid khác nhau nếu chúng tương thích (ORI khác nhau) Sự giao nạp (conjugation) -Chuyển DNA thông qua giao nạp ở vi khuẩn -Plasmid xúc tiến sự giao nạp: Tổng hợp khuẩn mao pili giúp hai tế bào tiếp xúc Tạo cầu giao nạp (conjugative bridge) truyền DNA Plasmid sao chép bằng cơ chế sao chép cuộn vòng (rolling circle replication) và chuyển một bản sao cho tế bào nhận Tế bào nhận sao chép để có plasmid vòng mạch kép Sự giao nạp (conjugation) -Yếu tố F ở E. coli thực hiện việc cho gen trên nhiễm sắc thể tế bào cho sang tế bào nhận (chủng Hfr): 1.Sự hiện diện đồng thời của trình tự sát nhập (insertion sequence) ở yếu tố F và nhiễm sắc thể của tế bào 2.F chứa trình tự khởi đầu chuyển (origin of transfer) 3. Trình tự này giúp F mang theo các gen của nhiễm sắc thể nằm ngay dưới hạ lưu của trình tự chuyển từ tế bào cho sang tế bào nhận 4.Sự cắt không chính xác khi sao chép và chuyển yếu tố F làm tăng tần số giao nạp chuyên biệt của nhiễm sắc thể sang tế bào nhận KẾT QUẢ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG Kết quả tự nhiên: • Trong tự nhiên, các hiện tượng đột biến, biến nạp, tải nạp, tiếp hợp làm cho vi khuẩn có những tính chất mới phong phú giúp chúng thích nghi với môi trường. • Trong y học cần quan tâm đến hiện tượng truyền tính kháng thuốc giữa các VK. Một số VK không gây bệnh cho cơ thể khi nhận được plasmid R hoặc gen gây bệnh thì chúng lại trở nên gây bệnh. KẾT QUẢ TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG Ứng dụng: • Chẩn đoán: phát hiện VSV thông quan gen đặc trưng • Điều trị: Phối hợp thuốc để giảm tần số kháng thuốc. VD: tần suất kháng lại penicilin ở một loài VK là 10-7, tần suất kháng gentamycin là 10-10 , khi phối hợp 2 loại KS thì tần suất kháng với đồng thời cả 2 loại là 10-7 x 10-10 =10-17. • Phòng bệnh: Sản xuất các vacxin tái tổ hợp để phòng bệnh có hiệu quả và độ an toàn cao. • Vẽ bản đồ thể nhiễm sắc của vi khuẩn. • Nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp protein và sản xuất các chất có hoạt tính sinh học cao, VD: Biến nạp gen tổng hợp insulin vào E.coli hay nấm men để sản xuất insulin • Tạo ra những sinh vật biến đổi gen: – Tạo ra những tính chất mới lạ (khả năng kháng sâu bệnh) – Tống hợp ra những protein đặc biệt cần thiết hoặc để tăng sản lượng nông nghiệp BỘ GEN TẾ BÀO NHÂN THẬT Chương 8 (sv tự học)