Bài giảng Di truyền vi khuẩn

Các sinh vật Prokaryote vi khuẩn, virus có quá trình sinh sản tương đương sinh sản hữu tính gọi là quá trình sinh sản cận hữu tính Đặc điểm quá trình sinh sản cận hữu tính : - Truyền th

Bài 5

Di truyền vi khuẩn

Vật liệu di truyền của vi khuẩn và plasmid

là ADN

Virus của vi khuẩn (bacteriophage hoặc phage)

có ADN hoặc ARN là vật liệu di truyền

Di truyền vi sinh vật

Vật liệu di truyền

Di truyền vi sinh vật

Hai chức năng thiết yếu của vật liệu di truyền là

sao chép và biểu hiện

Vật liệu di truyền phải sao chép chính xác để

truyền lại tất cả các tính trạng của cha mẹ

Biểu hiện vật liệu di truyền chuyên biệt ở điều

kiện tăng trưởng xác định  kiểu hình đặc trưng

Đặc điểm của di truyền vi sinh vật

- Khuẩn lạc (dòng tế bào) là 1 cụm tế bào có nguồn gốc từ 1 tế bào ban đầu

- Chủng: dòng tế bào mang 1 đặc điểm di truyền nào đó.

Các đột biến ở vi sinh vật thường được phát hiện

theo sự biến đổi các tính trạng sau:

- Hình thái : kích thước, hình dạng tế bào hay khuẩn lạc, có

màng nhân hay không

- Sinh hóa : sự hiện diện của các sắc tố, màu sắc đặc trưng

- Nuôi cấy : kiểu hô hấp, kiểu dinh dưỡng, nhu cấu đoi các nhân

tố tăng trưởng

- Tính đề kháng : kháng thuốc, kháng phage, chịu nhiệt

- Miễn nhiễm : phản ứng kháng nguyên, kháng thể

Các đột biến có thể xuất hiện ngẫu nhiên hay do gây tạo nhờ

các tác nhân gây đột biến Mỗi gen có tần số đột biến đặc trưng.

Di truyền vi sinh vật

Các sinh vật Prokaryote (vi khuẩn, virus) có quá trình

sinh sản tương đương sinh sản hữu tính gọi là quá

trình sinh sản cận hữu tính

Đặc điểm quá trình sinh sản cận hữu tính :

- Truyền thông tin một chiều từ tế bào thể cho sang tế

bào thể nhận

- Tạo thành hợp tử một phần (merozygote) Tế bào thể

cho (donor) chuyển một đoạn của bộ gen sang tế bào

thể nhận (recipient), nên chỉ lưỡng bội một phần, còn

các phần khác đơn bội.

- Bộ gen thường chỉ là DNA trần, nên chỉ có một nhóm

liên kết gen và tái tổ hợp thực chất là lai phân tử.

Di truyền vi sinh vật

ĐV bậc cao 2 gamet → tạo hợp tử

Cấu trúc Acid Nucleic

Di truyền vi sinh vật

ADN = Acid

Deoxyribonucleic

3 thành phần chính:

Deoxyribose –phân tử đường

Phosphate – tạo khung

Các baseNitơ – Thymin, Adenin,

Guanin, Cytosin

ADN: cấu trúc, đặc tính, tổng hợp

Tất cả nucleotid có cấu trúc chung

Cấu trúc ADN

Có năm base chính trong acid nucleic

A, G, T, C có trong ADN

A, G, U, C có trong ARN

Cấu trúc ADN

Các tiểu đơn vị

nucleotide nối với

nhau bởi liên kết

phosphodiester

Cấu trúc ADN

Liên kết Hydrogen bổ sung

nhau giữa các cặp base

(A-T or G-C)

Tương tác kỵ nước giữa

các base hai chiều

Cấu trúc ADN

ADN tự nhiên là xoắn

kép của chuỗi đối song

gắn bổ sung vào nhau

bằng:

Sao chép ADN nhiễm sắc thể

vi khuẩn

Di truyền vi khuẩn

Thông tin của tế bào vi khuẩn nằm trên một

phân tử ADN mạch kép vòng tròn đơn được

gọi là genophore, hay “NST”

Gần đây đã phát hiện thấy rằng ít nhất ở một

số vi khuẩn ADN tạo thành phức hợp với

protein có tính base để hình thành sợi nhiễm

sắc như histon ở NST Eukaryote

Ngoài ra ở một số vi khuẩn còn có thêm

plasmid là phân tử ADN vòng tròn nhỏ có khả

năng sao chép độc lập

Nhiễm sắc thể của vi khuẩn

Di truyền vi khuẩn

Là một vòng kín ADN sợi đôi xoắn kép

Dài khoảng 1mm, đường kính khoảng 2 nm, chứa 2,2 triệu cặp base nitơ (2,2 Mb)

Cuộn xoắn để chứa được trong 1 tế bào < 2 m

Nhiễm sắc thể của E coli chứa gần 4000 gen

một số virus chỉ chứa 7 gen

người ~ 30 000 gen

Nhiễm sắc thể của vi khuẩn

Di truyền vi khuẩn

Tế bào vi khuẩn E coli

Phân tử ADN gắn trực tiếp vào màng sinh chất

Sự sao chép ADN tạo ra 2 bản sao gắn chung nhau

trên màng sinh chất Khi tế bào kéo dài ra các bản sao

DNA tách xa nhau do phần màng giữa chúng lớn dần

ra  Kiểu sinh sản vô tính này được gọi là ngắt đôi

(Binary fission)

Tế bào vi khuẩn chia nhanh hơn rất nhiều so với tế

bào Eukaryote

Quá trình sao chép DNA được bắt đầu từ điểm xuất

phát Ori kéo dài về 2 phia song song với quá trình kéo

dài màng sinh chất, nơi có điểm gắn vào của DNA bộ

gen, mọc dài tách 2 phân tử DNA về 2 tế bào con

Sao chép ADN vi khuẩn

Di truyền vi khuẩn

Tế bào vi khuẩn phân chia theo trực phân

Circular genetic map của E coli

Các kiểu sao chép ADN ở E coli

Phân tử ADN cuộn xoắn có dạng hình tròn và tái

bản bắt đầu tại điểm xuất phát Ori và đi theo hai

chiều quanh vòng tròn

Các phân tử tái bản giống chữ cái Hy Lạp theta

() Kiểu này do John Cairns tìm ra năm 1962 nên

còn gọi là kiểu Cairns

Kiểu tái bản theta (kiểu tái bản Cairns)

Các kiểu sao chép ADN ở E coli

Autoradiograph of intact replicating chromosome of E coli Bacteria were radioactively labeled with

tritiated thymidine for approximately two generations and were lysed gently Bacterial DNA was then examined by autoradiography Insert shows replicating bacterial chromosome in diagrammatic form The chromosome is circular, and two forks (X and Y) are present in replicating structure The segments

of chromosome represented by double lines had completed two replications in presence of tritiated

thymidine, whereas segments represented by a solid line and a dotted line had replicated only once in presence of tritiated thymidine The density of grains in the autoradiogram was twice as great in the

segments of chromosome that had completed two cycles of replication in presence of tritiated

thymnidine Bar, 100 wm From Cairns, J.P.: Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology

28:44, 1963

Hình phóng xạ tự ghi sự sao chép nhiễm sắc thể của E coli

Các kiểu sao chép ADN ở E coli

Quá trình này xảy ra ở vi khuẩn thông qua quá trình

tiếp hợp

Trong khi một mạch của ADN vẫn còn thắt nùi, thì

enzym đã bắt đầu cắt sợi kia Khi đó sợi đứt sẽ 'cởi'

vòng và đóng vai trò khuôn tổng hợp sợi ADN bổ

sung Sau đó hai sợi tổ hợp lại thành dạng xoắn kép

mới Lúc bấy giờ một nùi nguyên ADN đã quay được

360 o và lại được dùng làm khuôn để tổng hợp tiếp sợi

bổ sung

Cơ chế lăn vòng (rolling circle mechanisme)

Các kiểu sao chép ADN ở E coli

Một dây đơn bị cắt trong vòng xoắn kép ADN

Bắt chéo tại “đuôi”

Vòng lăn từ từ

Kết thúc lăn vòng và vòng nguyên vẹn hình thành

Tái bản bằng cơ chế lăn vịng

Các kiểu sao chép ADN ở E coli

Các con đường chuyển ADN từ

tế bào cho sang tế bào nhận

Tiếp hợp (conjugation) Biến nạp (transformation) Tải nạp (transduction)

Tải nạp - transduction

Tiếp hợp - conjugation

Biến nạp - transformation

Các con đường chuyển ADN từ

tế bào cho sang tế bào nhận

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Sự truyền ADN từ tế bào này (có F)

sang tế bào khác qua sự tiếp giáp hai

tế bào

Tần số tổ hợp: 10 10 -6

Sự tiếp hợp

1946, Joshua Lederberg và Edward Tatum (Nobel 1958)

thí nghiệm với hai chủng E coli K12 khuyết dưỡng

Mồi Mồi

TB nhận

Vách tế bào

Sự tiếp hợp

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Tế bào cho ADN F +

Tế bào nhận ADN F

-Yếu tố F độc lập

tích hợp với bộ gen (Hfr) tách ra từ bộ gen (F’)

Yếu tố F là một episome chứa 19 gene và

có khả năng làm tiếp hợp tế bào chứa nó

Gen được truyền qua ở mức độ thấp

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

-Gen được truyền qua ở mức độ cao

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Tham gia của Hfr

Gen trên F’ được truyền qua ở mức độ cao

(giới nạp, F-duction, F-sexduction)

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Sự tiếp hợp

- giữa các vi khuẩn cùng loài: E coli, Streptococcus

mutans, S coelicolor

- giữa các chi khác nhau

Escherichia với Shigella Salmonella với Serratia Escherichia với Salmonella

Bacteroides và các loài Clostridium

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Sự tiếp hợp

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

- Dùng để xác định khoảng cách tương đối giữa các

gen → 2 gen càng gần nhau, tiếp hợp càng dễ xảy ra

- Có ý nghĩa trong phòng tránh sự tiếp hợp không

có lợi, nhất là trong truyền gen đề kháng kháng

sinh

Khoảng cách trên bản đồ vi khuẩn luôn biểu hiện là phút do kỹ thuật này

http://www.emunix.emich.edu/~rwinning/genetics/bactrec3.htm

Biến nạp (transformation)

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

ADN trần từ một tế bào vi khuẩn thể cho được

truyền sang tế bào vi khuẩn thể nhận khác

1928, Frederick Griffith, thí nghiệm trên Streptococcus

pneumoniae, dạng R không có nang  dạng S có nang

do hiện tượng biến nạp.

1944, T Avery, Mc Leod và Mc Carty xác định rõ tác

nhân gây biến nạp là ADN.

Biến nạp

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Khi tế bào vi khuẩn bị vỡ do làm tan, DNA vòng

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 thể nhận khác

Được nghiên cứu nhiều ở :

Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis,

Haemophilus parainfluenzae Neisseria, Azotobacter, Rhizobium, Staphylococcus aureus,

Agrobacterium radiobacter, E coli K12

Biến nạp

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Hiệu quả của biến nạp phụ thuộc vào 3 yếu tố:

+ Tính dung nạp của tế bào thể nhận

phải có trạng thái sinh lý đặc biệt để nhận đoạn ADN

Ví dụ: Streptococcus pneumoniae: 30 - 80 điểm nhận

Haemophilus influenzae: 4-8 điểm nhận

+ ADN phải ở dạng mạch kép, thường là đoạn nhỏ

E.coli đoạn DNA biến nạp ~ 1/250 - 1/500 genom vi khuẩn

1 Thâm nhập của DNA

DNA gắn với điểm nhận của màng tế bào Gắn có thể là thuận nghịch: gắn  nhả ra

Cơ chế biến nạp

2 Bắt cặp

DNA của thể nhận R sẽ biến tính tách rời 2 mạch ở một đoạn  bắt cặp với đoạn DNA thể cho S vừa vô Đoạn DNA của R ở đoạn có DNA của S bắt cặp sẽ bị cắt đứt và đẩy ra.

Trong quá trình bắt cặp, có những đoạn không tương đồng thì sẽ hình thành nên những vòng lồi, những

đoạn đó gọi là Heteroduplex Còn các đoạn bắt cặp tương đồng gọi là Homoduplex

Tái tổ hợp xuất hiện giữa ADN cho và ADN nhận

Phân cắt ADN

không tái tổ hợp

Biến nạp tự nhiên

Biến nạp vi khuẩn có thể xảy ra trong tự nhiên,

nhưng với tần số rất thấp.

Biến nạp vi khuẩn là một trong những ảnh hưởng

rất lớn trong hiện tượng vi khuẩn đề kháng với các

thuốc kháng sinh.

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Biến nạp nhân tạo

Được tiến hành trong thí nghiệm:

các tế bào được xử lý cho khả năng thấm

sốc nhanh tế bào bằng dòng điện 100 – 200 volt

1 g ADN  10 6 đến 10 7 tế bào biến nạp

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Tải nạp - transduction

Sự chuyển ADN từ VK này sang VK khác

nhờ virus (phage)

Virus xâm nhiễm tế bào VK, dùng bộ máy

sao chép ADN của VK chủ để tạo ra nhiều

bản sao ADN hay ARN của nó và đóng gói

vào vỏ virus

 virus chỉ chuyển một đoạn nhỏ ADN của

tế bào cho và thực hiện bởi virus ôn hòa

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Thí nghiệm

Trong ống hình chữ U, màng lọc vi khuẩn ngăn

giữa hai ống  vi khuẩn không qua được nhưng phage qua được

Nhánh A : chứa vi khuẩn có khả năng tổng hợp tryptophan (trp + ),

Nhánh B : nuôi các vi khuẩn khác mất khả năng tổng hợp tryptophan (trp - )

Sau khi nuôi một thời gian, ở nhánh B xuất hiện vi khuẩn có khả năng tổng hợp tryptophan Nếu dùng màng ngăn không cho virus lọt qua thì không thấy hiện tượng này.

 tải gen trp + từ nhánh A sang nhánh B

Phage là nhân tố chuyển gen

1951, Joshua Lederberg and Norton Zinder

1965, K Ikeda and J Tomizawa

Phage ký sinh ở tế bào E coli có hai cơ chế sinh

sản trong tế bào vi khuẩn

Chu trình tiêu giải Chu trình tiêu giải tiềm ẩn

Sơ đồ chu trình tiêu giải và tiêu giải tiềm ẩn

Tải nạp - transduction

Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận

Sợi đuôi của phage gắn vào điểm nhận ở mặt

ngoài tế bào E coli, tạo lỗ thủng bơm DNA vào Tế bào E coli phiên mã và dịch mã các gen

DNA tế bào phân hủy, nucleotid dùng sao chép DNA của virus

Các protein tổng hợp thành ba phần: đầu, ống đuôi,sợi đuôi, ráp lại thành virion con

Tế bào bị phá vỡ, virion thoát ra ngoài

Thời gian một chu trình 20-30 phút ở 37 o C

Phage & tế bào vi khuẩn có sự đồng tiến hóa

Chu trình tiêu giải

Chu trình tiêu giải

Phage sinh sản không làm chết tế bào

Phage gắn vào bề mặt tế bào E.coli và bơm DNA vào

DNA của phage T4 sẽ tạo vòng và tham gia vào:

- Chu trình tiêu giải

- Chu trình tiêu giải tiềm ẩn

DNA gắn vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn ở điểm

chuyên biệt: Prophage

DNA được sao chép như DNA của vi khuẩn.

Prophage có thể tách ra khỏi DNA của vi khuẩn do nhiệt, phóng xạ rồi bắt đầu chu trình tiêu giải.

Chu trình tiêu giải tiềm ẩn

Các kiểu tải nạp

khuẩn A sang vi khuẩn B Bất kỳ gen nào của vi khuẩn cũng đều được tải nạp

Tải nạp do gói nhầm DNA của tế bào chủ khi phage trưởng thành

Các thể tái hợp đơn bội được tạo ra

một vài gen nhất định Những gen được chuyển nằm sát chỗ phage gắn vào

Chỉ prophage kiểu l thực hiện Do kết quả sự cắt sai của prophage khi tách khỏi NST của tế bào chủ

Ứng dụng của tải nạp

•Xác định bản đồ gen di truyền của VK

•Tạo ra các chủng VK kháng thuốc

•Dùng trong điều trị bệnh

•Tạo ra các vi sinh vật biến đổi gen

•Dùng thực khuẩn tiêu diệt VK

•Trong sản xuất vaccin tái tổ hợp

Yếu tố di truyền vận động

Đoạn chèn (insertion sequence, IS) Gen nhảy (transposon)

Là một đoạn DNA của vi khuẩn di chuyển từ một vị trí trên nhiễm sắc thể đến vị trí mới trên cùng nhiễm sắc thể hoặc trên nhiễm sắc thể khác

Khi xen vào giữa gene, yếu tố IS làm gián đoạn trình

tự mã hóa và làm bất hoạt sự biểu hiện của gene

Một số trường hợp, có tín hiệu kết thúc phiên mã và dịch mã, yếu tố IS làm cản trở sự biểu hiện ở sau

promotor trong cùng operon

Đoạn chèn

Yếu tố IS được tìm thấy đầu tiên ở operon gal của E

coli, chia làm bốn nhóm: IS1, IS2, IS3 và IS4

Phân bố rải rác trên nhiễm sắc thể chính của vi khuẩn

và trên các plasmid

IS1 có khoảng 5-8 bản sao trên nhiễm sắc thể, dài 768 bp

IS 6110, 10 bản sao trên nhiễm sắc thể vi khuẩn lao

Đoạn chèn

Đều chứa đoạn DNA mã hóa cho protein transposase ,

là enzyme cần thiết cho sự di chuyển của yếu tố IS

Đoạn gene này nằm giữa 2 đoạn lặp lại đảo ngược

(inverted repeat - IR) ngắn.

IS1 có IR có kích thước 18-23 bp

Các yếu tố IS riêng lẻ không chỉ có khả năng tự di chuyển mà khi hai yếu tố này nằm đủ gần nhau thì chúng có thể vận động như một đơn vị hoàn chỉnh

và mang theo các gene nằm giữa chúng  Cấu trúc phức tạp này được gọi là transposon.

Gen nhảy (transposon)

Năm 1951, tại phòng thí nghiệm 'Cold Spring Harbor' ở Long

Island (New York) bà Barbara Mc Clintock dựa trên sự biến đổi

màu sắc và các biến dị trên phôi của hạt ngô nảy mầm, đã xác

định được các yếu tố kiểm soát hiện tượng này : thay đổi vị trí

trong genome trong quá trình phát triển phôi và các biến đổi ấy

có tác động sâu sắc lên sự biểu hiện của các gen đặc thù Đó là

hiện tượng các gen nhảy Các đoạn cài chứa một hay nhiều gen

có thể di chuyển trên cùng một nhiễm sắc thể hay di chuyển từ

nhiễm sắc thể này sang nhiễm sắc thể khác

Có hai kiểu transposon ở vi khuẩn

Transposon đơn giản (simple transposon)

ở giữa các trình tự IR, ngắn (<50 bp) không mã hóa cho transposase

Tn3 là một transposon đơn giản Transposon dài hơn yếu tố IS, thường ~vài kb, chứa các gene mã hóa cho protein thêm vào