Bài giảng Vi sinh vật đại cương: Chương 5 Di truyền học vi sinh vật, cung cấp cho người học những kiến thức như: Vật chất di truyền của vi sinh vật; Vai trò của di truyền vi sinh vật;...Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Chương V
DI TRUYỀN HỌC VI SINH VẬT
1
5.1 Vật chất di truyền của VSV 5.1.1 Vi khuẩn
DNA trong genom của TB nhân sơ được tìm thấy dưới hai dạng cấu trúc: nhiễm sắc thể và các plasmid
a Nhiễm sắc thể
• Thể nhân của VK là một NST cấu tạo từ một phân tử DNA xoắn kép (gồm hai mạch xoắn), khép kín (không có đầu tự do), phân bố trong tế bào chất.
• Mỗi tế bào VK chỉ có một thể nhân duy nhất
• Cấu trúc DNA của VK gồm hai chuỗi polymer Mỗi chuỗi được cấu tạo từ bốn loại monomer có cấu trúc tổng quát gồm ba thành phần: bazơ nitơ dị vòng (dẫn xuất purine hoặc pyrimidine), đường deoxyribose (C5) và Acid phosphoric.
• Ở DNA, có bốn loại nucleotide: adenine (A), thymine (T), guanine (G) và cytosine (C) (hay xitôzin)
2
Vật chất di truyền (DNA) của vi khuẩn
Prokaryotic chromosomes
3
b Plasmid b Plasmid
• là cấu trúc gồm chuỗi ADN xoắn kép khép vòng tách rời với cấu trúc nhiễm sắc thể của tế bào.
• Kích thước của 1 plasmid giao động từ 1 – hơn 400 kilo base pairs (kbp) Số lượng plasmid giao động từ 1 -hàng trăm bản copy trong cùng 1 tế bào
• Plasmid có thể chứa các gen hoặc nhóm gen mang các ưu thế chọn lọc của tế bào vi khuẩn mang chúng, ví dụ gen kháng kháng sinh.
4
• Một số loại plasmid:
plasmid), mang các gene có khả năng kháng lại kháng
sinh hay các chất độc
- Plasmid giới tính (Fertility plasmid): mang các gene
vận chuyển có vai trò quan trọng trong quá trình tiếp
hợp chuyển gen giữa các VK
- Col-plasmid: chứa gene mã hóa cho sự tổng hợp colicin
là một protein có thể giết chết các vi khuẩn khác
- Plasmid phân hủy (Degradative plasmid): giúp phân
hủy các hợp chất hữu cơ chết từ động, thực vật sử
dụng dụng trong sinh tổng hợp để tạo năng lượng
- Plasmid mang độc tính (Virulence plasmid):giúp cho
vi khuẩn có khả năng gây bệnh
5
Vai trò của plasmid
Mang các gen sx kháng sinh, đồng thời cũng sản sinh các gen kháng lại kháng sinh lây lan tính kháng thuốc trong cộng đồng
Mang các gen liên quan đến chuyển hóa/phân hủy các chất thải trong môi trường
Ở một số VK gây bệnh cho người và động vật, plasmid chứa một số gen sản xuất các loại độc tố và các protein có hoạt tính cao có chức năng tăng cường độc lực cho vi khuẩn.
Nhiều plasmid có lợi ví dụ như plasmid có trong vi khuẩn
cố định ở nốt sần cây họ đậu, có khả năng tạo cho các vi khuẩn nốt sần thu nhận nitơ khí trời để sản xuất protein.
Sử dụng trong liệu pháp gen: chuyển gen thay thế gen bệnh trong điều trị bệnh ở người
Sử dụng trong công nghệ tái tổ hợp DNA: vận chuyển thuốc (insulin)
6
Trang 2c Episome
• Episomes là những plasmid có khả năng gắn xen vào DNA
nhiễm sắc thể của sinh vật chủ.
• Nhờ khả năng này, chúng có thể tồn tại trong một thời gian
dài, được sao chép cùng lúc với DNA nhiễm sắc thể khi tế
bào phân chia, và trở thành một phần trong bộ máy di
truyền của tế bào.
• Episome có trọng lượng phân tử lớn, tối thiểu 62kbp.
• Virus được coi là 1 episome
• F factor (Fertility factor- F plasmid) tồn tại ở 3 dạng: F+,
Hfr và F primer
• Các gen nhảy (transposons)
7
Plasmid và episome
8
5.1.2 Vật chất di truyền ở virus
Mỗi loại virus chỉ chứa một loại acid nucleic: DNA
hoặc RNA, chuỗi đơn hay chuỗi kép, dạng sợi thẳng
hay dạng vòng
Virus bé nhất khoảng 4 gene và lớn nhất khoảng vài
trăm gene
Bản chất của hiện tượng di truyền là ADN hoặc ARN
có khả năng tự nhân lên, quá trình này được gọi là quá
trình tự sao chép Sau đó ADN được dùng để làm
khuôn tổng hợp ARN trong quá trình phiên mã
Một số loại virus thông tin di truyền nằm trong ARN vì
vậy để có thể lắp genom của bản thân vào NST của TB,
virus phải tổng hợp ra ADN trung gian từ sợi khuôn
ARN Quá trình này được gọi là quá trình phiên mã
ngược, cuối cùng, sinh tổng hợp protein diễn ra trên
5.1.3 Vật chất di truyền ở VSV nhân thật
Là acid nucleic DNA, RNA: DNA mang mật mã thông tin di
truyền trong khi RNA tham gia chuyển hóa mật mã này thành
protein mà thể hiện tính trạng.
Điểm khác biệt lớn giữa VSV nhân thật và VSV nhân sơ là
nhân thật có màng nhân và genome thường gồm hai bộ (lưỡng
bội) hoặc đôi khi nhiều hơn nhiễm sắc thể (ở thực vật: tam
bội, tứ bội, đa bội) cũng cấu tạo từ DNA xoắn kép nhưng
không khép kín(có đầu tự do)
Tuy nhiên ở nhiều nấm và thực vật NST ở thể đơn bội Thể
đơn bội này ở nhiều nấm tồn tại song song với thể lưỡng bội
và dạng tế bào song nhân - có hai nhân đơn bội riêng rẽ.
Bên cạnh genome nhiễm sắc thể (ở trong nhân), ở các
eukaryote còn có hệ thống tín hiệu di truyền khác là DNA
trong các ty thể và lạp thể. 11
5.2 Các phương phức vận chuyển thông tin di truyền
5.2.1 Ở vsv nhân thật
Khi thụ tinh, các bộ gen đơn bội kết hợp với nhau hợp tử lưỡng bội Qua các quá trình nguyên phân liên tiếp, ở hợp tử diễn ra sự tái tổ hợp giữa hai bộ gen (hình thành các bắt chéo, xảy ra khi NST tương đồng tiếp hợp) Trong quá trình này, NST đứt ra và nối tại các điểm tương ứng
Vì thế nguyên liệu di truyền được trao đổi giữa các nhiễm sắc tử với nhau Trao đổi chéo là một sự kiện ngẫu nhiên dẫn đến tái tổ hợp di truyền và vì thế làm nảy sinh các hệ gen mới
Trao đổi chéo có thể xẩy ra bất kỳ nơi nào trên NST Các giao
tử chứa tổ hợp gen mới gọi là kiểu tái tổ hợp với nhau và sự giảm phân (phân bào giảm nhiễm) thành bộ gen đơn bội (giao
Trang 35.2.2 Ở vi khuẩn
• Chỉmột phần phân tử ADN được chuyển từ TB cho sang TB nhận, do đó sẽ xuất hiện các hợp tử một
phần
• ADN của TB nhận và một phần ADN của TB cho ghép đôi và trao đổi đoạn Khi phân chia nhân và phân bào tiếp theo sẽ xuất hiện một TB chỉ chứa một nhiễm sắc thể đã tái tổ hợp
• Tùy theo cách vận chuyển ADN, ta phân biệt ba kiểu
vận chuyển tính trạng di truyền ở vi khuẩn: biến nạp,
tải nạp và tiếp hợp, sau khi ADN được chuyển, trong
tế bào nhận sẽ diễn ra tái tổ hợp ADN của TB cho lắp vào ADN của TB nhận (sự tái tổ hợp)
14
15
a Biến nạp (Transformation)
• Là sự vận chuyểnADN hòa tancủa NST thể từ vk cho sang
vk nhận.
• Khi tế bào vk bị vỡ do bị dung giải (lysis), ADN dạng vòng tròn của chúng thoát ra môi trường thành các đoạn thẳng với chiều dài khác nhau, có khả năng gây biến nạp cho các
tế bào nhận khác.
• Griffith năm 1928 đã khám phá sự biến nạp ở phế cầu bằng thí nghiệm sau ở chuột nhắt
Thí nghiệm của Griffith: Tiêm cho chuột chủng phế cầu khuẩn độc lực S (có giáp mô) và chủng không có độc lực dạng
R (không có giáp mô)
16
Một số nhân tố được gọi là “nhân tố biến nạp” đã được
truyền từ phế cầu khuẩn dạng S sang PCK dạng R, làm biến
đổi TB R thành TB dạng S, có độc lực 17
chuột chết
NST của phế cầu khuẩn dạng S là nguyên nhân
Sự biến nạp của vi khuẩn liên quan đến sự truyền một phần DNA từ tế bào vk chết (tb cho-donor) cho tb vk sống (tb nhận-recipient) Quá trình này được gọi là tái tổ hợp
18
Trang 4• Điều kiện để có biến nạp :
Vi khuẩn cần chuyển nạp phải ở trong một tình trạng sinh
lý đặc biệt gọi là khả nạp (competence).
Kích thước và số lượng của ADN: hiện tượng chuyển nạp
chỉ xẩy ra với các đoạn ADN có trọng lượng phân tử vừa
phải, từ 10 5 -10 7 Mỗi đoạn ADN chuyển nạp tương đương
với một đoạn 1/200-1/500 hệ gen của tế bào cho Có nghĩa là
phải chia nhỏ chuỗi ADN của tế bào cho ra 200-500, đoạn
nhỏ các đoạn này mới có khả năng chuyển nạp.
Thành phần môi trường cũng ảnh hưởng đến tần số chuyển
nạp Ví dụ có albumin và phosphat trong môi trường làm
tăng tần số chuyển nạp, trái lại casein làm giảm tần số
chuyển nạp.
Nhiệt độ thích hợp là 29-32 o C.
19
Các giai đoạn của quá trình biến nạp
Sau khi xâm nhập, phân tử ADN sợi kép bị enzyme endonuclease cắt ở màng tế bào thành đoạn ngắn sợi đơn
và đi vào nguyên sinh chất.
Đoạn ADN sợi đơn kết đôi với ADN của TB nhận ở đoạn tương đồng rồi tái tổ hợp; bằng cách đó ADN biến nạp kết hợp vào NST của TB nhận.
NST tái tổ hợp là phân tử ADN sợi kép của TB nhận trong đó một đoạn ngắn của một sợi được thay thế bằng một đoạn ADN của TB cho.
Ơ các vi khuẩn, bình thường không xẩy ra biến nạp nhưng khi được cảm ứng trong phòng thí nghiệm thì sẽ xẩy ra biến nạp.
Ví dụ: vi khuẩn E coli khi xử lý bằng dung dịch CaCl 2 và bảo quản lạnh thì xẩy ra biến nạp.
20
b Tải nạp (Transduction)
• Tải nạp là sựvận chuyển ADNtừ vi
khuẩn cho đến vi khuẩn nhậnnhờ
phage (thực khuẩn thể).
• Thí nghiệm của Zinder và
Lenderberg chứng minh phage là
nhân tố chuyển gen
TN của Zinder và Lederberg:
Nhánh A: VK Salmonella không bị
đột biến có genotype Trp+ (có khả
năng tổng hợp Tryptophan).
Nhánh B: VK Salmonella đột biến
có genotype Trp - (không có khả
năng tổng hợp Tryptophan).
Sau thời gian nuôi nhánh B xuất
hiện vk có khả năng tổng hợp
tryptophan Trp+
21
Các kiểu tải nạp
Tải nạp chung hay tải nạp không đặc hiệu
• Xảy ra khi phage tải nạp có thể mang bất kỳ gen nào
từ VK cho chuyển sang cho VK nhận
Tải nạp đặc hiệu
• Đó là sự tải nạp mà phage chỉ có khả năng tải nạp một
tính trạng di truyền, do ADN của phage tải nạp chỉ
kết hợp với một đoạn xác định của hệ gen vi khuẩn
• Ví dụ: phage λ của E coili K12, phage này làm tan những nòi dại của E coli K12 chỉ có thể tải nạp đoạn DNA xác định hoạt tính và tạo thành enzyme lên men galactoza (Gal+) từ nòi E coli Gal+ sang nòi E coli
Gal-22
c Tiếp hợp (Conjugation)
• Tiếp hợp là hiện tượng vận chuyển vật chất thông tin di
truyền từ VK cho sang VK nhận khi hai VK tiếp xúc với
nhau.
• Tiếp hợp đơn giản qua pili giới tính (sex pili) của vi
khuẩn mang F + plasmid truyền vật chất di truyền cho vi
khuẩn nhận F
-• Tiếp hợp thường xảy ra giữa những VK cùng loài nhưng
cũng có thể xảy ra giữa những VK khác
Trang 55.3 BIẾN DỊ
5.3.2 Biến dị kiểu hình
• Là những biến dị về các tính trạng bên ngoài, tạm thời,
thuận nghịch và không ổn định của quần thể vsv.
• Biến dị xuất hiện do sự tác động của các nhân tố ngoại cảnh
• Những biến dị này xuất hiện chậm và mất đi khi các yếu tố
làm xuất hiện chúng mất đi do đó đây là biến dị không di
truyền.
a Biến dị hình thái vsv
Hình thái của vsv có thể thay đổi do ảnh hưởng của những
yếu tố khác nhau:
- Thành phần hóa học của môi trường
- Điều kiện nuôi cấy (pH, nhiệt độ, áp suất…)
- Những chất độc (chất sát trùng, kháng sinh…)
25
b Biến dị về dạng khuẩn lạc
- Được coi là biến dị gây ra bởi điều kiện môi trường.
- Do những tổn thương trong cấu trúc của TB vi khuẩn có thể tạo nên những biến dạng của khuẩn lạc
Ví dụ: Những vi khuẩn cùng loài khi phát triển trên môi trường đặc có thể hình thành khuẩn lạc láng (dạng S) hoặc nhám (dạng R) Trong một số điều kiện nuôi cấy sẽ tạo ra khuẩn lạc trung gian không ổn định như khuẩn lạc con, KL lùn nhỏ, khuân lạc G mọc trên mặt, khuẩn lạc L mọc ở rìa khuẩn lạc bình thường, khuẩn lạc lớn nhầy…
- Một số vsv có biến dị về màu sắc khuẩn lạc khi nuôi cấy trên môi trường chọn lọc (Serratea marcesceus) hoặc sinh sắc tố làm biến đổi màu sắc của môi trường
26
5.3.3 Biến dị kiểu gen
• Là những biến đổi đột ngột xảy ra ở vật chất di
truyền như ADN (Thay 1 cặp nucleotide; Mất
Nucleotide; Chèn thêm nucleotide; Đảo trình tự
Nucleotide) hoặc ở NST (mất đoạn; đảo đoạn; lặp
đoạn; chuyển đoạn tương hỗ)
- Đột biến xảy ra đột ngột, không xảy ra liên tục, độc
cố định
kiểu gen và kiểu hình
• Đột biến tự phát (ngẫu nhiên)
- đột biến xuất hiện trong môi trường nuôi cấy một cách
tự nhiên, không cần có nhân tố cảm ứng
- Đột biến không đồng loạt, không xác định thời gian,
có tỷ lệ thấp
- Tác nhân gây đột biến: sự thay đổi môi trường không kiểm soát được (sự tích lũy các sản phẩm trao đổi chất…)
• Đột biến cảm ứng
- Xuất hiện do các tác nhân cảm ứng vật lý, hóa học…
- Có sự biến đổi trình tự xắp xếp các axit nucleic
- Có tần số biến dị cao
28
không cao, phụ thuộc vào: Tần số đột biến và khả
năng điều chỉnh tỷ lệ các tế bào đột biến
+ Tần số đột biến: xác xuất mà 1 TB trong một thế
hệ có sự đột biến về gen.
Đột biến 1 tính trạng (tự phát): 10 -4 – 10 -5
Đột biến kép (2 tính trạng): 10 -9
+ Sự điều chỉnh tỷ lệ thể đột biến: Xuất hiện thể
đột biến ngược ở mỗi thế hệ tiếp theo để giữ cho tỷ
lệ thể đột biến cố định
29
+ Ngẫu nhiên: chưa biết rõ nguyên nhân này, có
lẽ do sai sót ngẫu nhiên khi liên kết giữa các
nu bị thay đổi một cách ngẫu nhiên.
+ Tác nhân Vật lý: tia tử ngoại (UV) gây
thymine dimer; tia phóng xạ Đột biến ADN
+ Tác nhân Hóa học: Thuốc trừ sâu, thuốc diệt
cỏ, chì, thủy ngân … gây rối loạn cấu trúc NST
+ Tác nhân virus: Một số virus gây đột biến
NST như Sarcoma virus, Herpes virus gây đứt gãy NST
30
Trang 65.4 Vai trò của di truyền vsv
Giải mã các bộ gen của VSV và các sinh vật khác (genetic
mapping)
Có vai trò trong lây lan các plasmid kháng thuốc ở vi
khuẩn
Nghiên cứu những đặc tính chức năng của vi khuẩn mà
không thể nghiên cứu bằng tiếp hợp được
Ví dụ: đã phát hiện và kiểm soát những gen hình
thành giáp mô, sự đề kháng với kháng sinh, nghiên cứu quá
trình hình thành nha bào, …
Gây đột biến cảm ứng đối với các VSV tạo ra các chủng
vi sinh vật mới có khả năng sản xuất nhiều loại sản phẩm
sinh học như: axitamin, protein, vitamin, enzyme,
hoocmon, kháng sinh trên qui mô công nghiệp
Ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm y dược: vaccine,
b Tạo các giống cây trồng, vật nuôi để nâng cao năng suất
và chất lượng sản phẩm
32
Ôn tập chương 5
1 Cơ sở vật chất thông tin di truyền ở Vi khuẩn
2 Phương thức vận chuyển vật chất thông tin di
truyền ở vi khuẩn
3 Biến dị kiểu hình và biến dị kiểu gen: đặc
điểm, nguyên nhân, ví dụ
4 Vai trò của di truyền vi sinh vật
33
