Di truyền học vi khuẩn và vi rút Hỗ trợ và Tải tài liệu miễn phí 24/7 tại đây: https://link1s.com/yHqvN

Sinh học của virus • Virus được phát hiện vào cuối thế kỷ 19 khi nhận thấy nó qua được màng lọc ngăn vi khuẩn lại.. • Các hạt virus virus particle hay virion là những vật ký sinh nội bà

CHƯƠNG XI

DI TRUYỀN HỌC CỦA VIRUS VÀ VI KHUẨN

• Sinh học của virus

• Bacteriophage - virus của vi

• Vào những năm 1940, tái tổ hợp ở vi khuẩn E coli

được chứng minh và từ đó đến nay, nó trở thành

đối tượng mô hình cho di truyền học và sinh học

phân tử Nhờ những nghiên cứu trên các đối

tượng virus, vi khuẩn nhiều cơ chế căn bản của

sự sống ở cấp độ phân tử đã phát hiện Ngoài ra, các phát hiện về các quá trình di truyền đặc biệt ở

vi khuẩn như biến nạp, tải nạp, giao nạp,

transposition và plasmid có ý nghĩa quan trọng

cho sự phát triển của di truyền học phân tử và góp

phần xây dựng nên kỹ thuật di truyền Có thể nói

di truyền học vi sinh vật đóng vai trò “cách mạng

hóa” di truyền học, góp phần chủ yếu vào sự phát

triển của sinh học phân tử và tạo ra cách mạng

I DI TRUYỀN HỌC CỦA VIRUS.

• 1 Sinh học của virus

• Virus được phát hiện vào cuối thế kỷ 19

khi nhận thấy nó qua được màng lọc ngăn vi khuẩn lại Virus nhỏ nhất có đường kính chỉ 20 nm - nhỏ hơn cả ribosom Năm 1935, W.M Stanley phát hiện các virus có thể tạo thành tinh thể Các virus hay các virion ở dạng cấu tạo

Kích

thước

virus

a Cấu tạo virus

• Các virus có các bộ gen rất đa dạng Bộ

máy di truyền của virus có thể là DNA

mạch kép, DNA mạch đơn, RNA mạch kép hay RNA mạch đơn Tùy loại virus

mang kiểu gen này hay khác Bộ gen

của virus thường là một phân tử acid

nucleic ở dạng vòng tròn hay thẳng

Virus nhỏ nhất có chừng 4 gen, virus lớn

• Vỏ protein được gọi là capsid thường

có thể ở dạng hình que, hình ống xoắn, hình đa diện hay phức tạp Các capsid thường được tạo nên do một số lớn các phân tử protein gồm ít loại

Ví dụ, virus đốm thuốc lá có một capsid hình que dài cứng được tạo ra từ hơn 1000 phân tử chỉ một loại (hình 11.1) Nhiều virus có capsid

Capsid

hình que và

đa diện tạo

nên bởi các

capsomere

• Virus động

vật có

màng bao

(envelope)

Virus đốm thuốc lá

• Một vài virus có cấu trúc phụ hổ trợ chúng nhiễm vào tế bào chủ Virus

cúm và nhiều virus động vật có màng

bao (envelopes) phía ngoài capsid

Bao này bắt nguồn từ màng của tế bào chủ, nhưng ngoài phospholipid và protein của tế bào chủ, chúng còn có thêm các protein và glycoprotein

• Các virus của vi khuẩn được gọi là

bacteriophage (thực khuẩn thể - ăn vi

khuẩn) hay gọi ngắn là phage Bảy phage

đầu tiên gây nhiễm E.coli được nghiên cứu mang tên T1, T2, T3 T7 (T từ chữ Type)

Các phage T chẳn (T2, T4, T6) có cấu trúc

rất giống nhau (hình 11.3) Capsid của

chúng gồm một đầu đa diện (20 mặt) bọc chất di truyền Phần thứ 2 là bao đuôi bằng protein thành ống dài và phần ba là sợi gốc

dài bám vào tế bào vi khuẩn khi gây

ĐA DẠNG VIRUS

Bacterial virus

Virus dễ nghiên cứu nhất: virus của vi khuẩn, thường là những vi khuẩn gây bệnh đường ruột như

là E.coli, Salmonella typhimurium: thường

là DNA mạch đôi, phổ biến trong tự nhiên

Bacteriophage

• Các hạt virus (virus particle) hay virion là

những vật ký sinh nội bào bắt buộc (obligate

intracellular parasites), chúng chỉ biểu hiện

các gen của chúng và sinh sản bên trong 1 tế

bào sống khác Phụ thuộc vào loại tế bào

chủ mà virus kí sinh người ta gọi tên loại virus, ví dụ: virus thực vật ký sinh tế bào thực vật, virus động vật ký sinh tế bào động vật Do đặc điểm này, sự sinh sản của virus khác hẳn với sự sinh sản của tế bào Điểm nổi bậc là virus tạo ra hàng trăm hay hàng

• Các gen của virus sử dụng các

enzyme, chất dinh dưỡng, ribosome và các nguồn khác của tế bào chủ để tạo ra nhiều bản sao của bộ gen và các protein của capsid Khi các sản phẩm riêng lẻ đã tích đủ, chúng ráp nhau thành số lượng lớn các virion rồi phá vỡ tế bào tìm các chủ mới

• Nếu virus có bộ gen là DNA mạch kép

thì sự sao chép giống với sao chép DNA của tế bào Nếu là DNA mạch đơn hoặc RNA mạch đơn thì trong bộ gen của virus thường có gen tạo enzyme cho sao chép Phần lớn các virus RNA có gen cho enzyme replicase RNA dùng RNA của virus

• Một số virus RNA mã hóa cho enzyme

reverse transcriptase sử dụng RNA làm khuôn mẫu để tổng hợp DNA; rồi DNA này được phiên mã để tạo ra vừa mRNA và RNA bộ gen của virus để lấp vào virion mới Như vậy, các bộ gen củavirus được sao chép theo 3 con đường khác nhau: DNA  DNA, RNA  RNA và RNA  DNA  RNA.

2 Các bacteriophage - virus của vi

khuẩn

• Các virus của vi khuẩn được phát hiện từ năm

1915, vào những năm 40 chúng được sử dụng cho các nghiên cứu sinh học phân tử Chúng là những virus được nghiên cứu kỹ nhất, mặc dù một số ít chúng có cấu tạo phức tạp.

• Các nghiên cứu ở phage ký sinh trong tế bào E.coli phát hiện rằng chúng có 2 cơ chế

sinh sản : chu trình tan (lytic cycle) và chu

Bacteriophage

a Chu trình tan (lytic cycle)

• Các bacteriophage làm chết tế bào chủ gọi

là độc (virulent) và chúng sinh sản theo chu

trình tan (hình 9.4) Chu trình bắt đầu khi

sợi đuôi của phage T4 gắn vào các điểm nhận (receptor sites) trên bề ngoài của tế bào E.coli Ống đuôi co lại tạo lỗ thủng xuyên vách tế bào và bơm DNA vào trong tế bào tương tự như dùng ống tiêm (syringe) chích thuốc Capsid rỗng của

• Sau khi bị nhiễm tế bào E.coli

nhanh chóng bắt đầu phiên mã và dịch mã các gen của virus Phage T4 có khoảng 100 gen và phần lớn đã được biết rõ Một trong những enzyme được tạo ra đầu tiên cắt DNA của tế bào chủ.

• Các protein của capsid được tổng hợp

thành 3 phần riêng: đầu đa diện, ống đuôi và các sợi đuôi; rồi chúng tự ráp lại vơí nhau thành virion con (Hình 9.4 phía dưới góc trái) Phage hoàn tất chu trình khi enzyme lysozime được tạo ra để tiêu hóa vách tế bào Tế bào vi khuẩn bị vỡ,

100 đến 200 virion thoát ra và chúng có thể lập lại chu trình mới.

• Toàn bộ chu trình từ lúc phage tiếp xúc bề

mặt tế bào đến tan diễn ra trong khoảng 20 -

30 phút ở 37oC Trong thời gian đó số lượng phage T4 tăng hơn cả trăm lần, cũng khoảng thời gian đó số lượng tế bào E.coli mọc nhanh nhất cũng tăng gấp đôi Nếu nhỏ một hạt T4 lên thảm tế bào E.coli mọc trên môi trường

rắn trong hôïp Petri thì sau đó xuất hiện vết

tan (plaque) do các tế bào vi khuẩn bị phá vỡ

• Trên thực tế, có thểâ đo được các hạt phage trrong dung dịch bằng các pha loãng dịch rồi trộn với dịch tế bào vi khuẩn cùng cấy lên môi trường rắn trong hộp Petri và sau đó tính số vết tan suy ra mật độ phage (hình 9.6b).

• Các tế bào vi khuẩn chủ và các phage ký

sinh có sự đồng tiến hóa (coevoluyion) Các

tế bào vi khuẩn có các cơ chế bảo vệ như biến đổi màng tế bào để phage không bám vào được hoặc các enzyme restriction endonuclease cắt các DNA của phage Phage cũng biến đổi để xâm nhập được tế bào vikhuẩn

• Có trường hợp cả hai cùng tồn tại trong chu trình tiềm tan.

b Chu trình tiềm tan (lysogenic

cycle).

• Các virus có thể sinh sản mà không

làm chết tế bào chủ được gọi là ôn

hòa (temperate virus) Chúng có 2

khả năng sinh sản: chu trình tan và chu trình tiềm tan không làm chết tế bào chủ Chi tiết chu trình tiềm tan được nghiên cứu ở phage

Chu trình tieàm tan

• Chu trình sống của bắt đầu khi phage gắn vào bề mặt tế bào E.coli vào bơm DNA vào trong phage T4 gây nhiễm (hình 9.5) DNA của sau khi được bơm vào tế bào tạo vòng tròn và sẽ tham gia vào một trong 2 chu trình DNA của có thể hoặc tham gia vào chu trình tiềm tan của phage T4 hoặc gắn vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn nhờ tái tổ hợp ở điểm chuyên biệt để bước vào chu trình tiềm tan

• Khi bộ gen của phage gắn vào bộ

gen của vi khuẩn nó được gọi là

prophage Trong quá trình sinh sản

của tế bào, DNA của prophage

cũng được sao chép và chia đều về các tế bào con như DNA của tế

bào Một tế bào bị nhiễm có thể

nhanh chóng sinh ra nhiều tế bào

vi khuẩn chứa prophage.

• Đôi khi prophage có thể tách khỏi DNA

của vi khuẩn một cách ngẫu nhiên

hoặc có thể tách khỏi do tác động của các nhân tố môi trường như phóng xạ hay hóa chất Quá trình tách diễn ra ngược lại với gắn vào Prophage được tách rời ra độc lập trở thành phage bắt đầu chu trình tan.

c Tái tổ hợp ở phage

• Các phage tuy có kích thước nhỏ bé

phải nhìn dưới kính hiển vi điện tử mới thấy được Nhưng các tính trạng của

phage được quan sát dựa theo các vết tan hoặc biên độ chủ Phage T2 có

dòng hoang dại r+ tạo vết tan bình thường, còn dòng đột biến r (rapid) làm tan nhanh nên vết tan to

• Về biên độ chủ có dòng hoang dại h+

(host) chỉ làm tan vi khuẩn E.coli dòng B nhưng không làm tan dòng B2, đột biến h làm tan các vi khuẩn E.coli cả 2 dòng B và B2 Dòng phage T2 hr+ làm tan cả B và B2 với vết tan nhỏ được lai với dòng T2hr+ làm tan chỉ B nhưng vết tan to Kết quả được mô tả như sau và trên hình 9.6.

3 Virus thực vật và các viroid

• Các virus thực vật là một tai họa lớn

cho trồng trọt vì nó làm giảm đáng kể năng suất cây trồng Phần lớn các virus thực vật phát hiện cho đến nay

đều có bộ gen RNA và nhiều dạng có

capsid hình que, kể cả virus đốm thuốc

lá Các đơn vị protein xếp hình xoắn.

Virus đốm thuốc lá

• Khi xâm nhập vào tế bào thực vật,

các virus sinh sản và lan rộng qua cầu

sinh chất liên bào Các nhà khoa học

chưa chữa trị được các bệnh virus ở thực vật Hiện nay, các cố gắng nhằm làm hạn chế sự lan rộng của bệnh và chọn giống đề kháng với 1 số virus.

• Một nhóm tác nhân gây bệnh khác ở

thực vật được gọi là viroid có kích

thước nhỏ và cấu trúc đơn giản như

virus Chúng là những RNA trần nhỏ

bé có chiều dài chỉ vài trăm nucleotid

Các phân tử RNA này bằng cách nào đó ngăn trở trao đổi chất của tế bào và làm ngừng tăng trưởng của cả thực

• Một bệnh viroid khác làm hại

đáng kể đến sản xuất hoa cúc ở

Mỹ Các viroid cũng tác hại đến khoai tây và cà chua.

• Một số virus thực vật được sử

dụng để chuyển gen trong kỹ thuật

di truyền.

4 Các virus động vật.

• Chính xác các virus động vật thể hiện đầy đủ sự đa dạng của các bộ gen ở virus Các virus động vật gây nhiều bệnh ở động vật và người, một số virus liên quan đến cả các bệnh ung thư, AIDS

a Các chu trình sao chép của virus động vật

• Các chu trình sao chép của động vật có

nhiều điểm tương tự với các virus khác

với nhiều biến dạng đáng kể Ví dụ

trường hợp của paramyxovirus gồm các virus gây bệnh sởi và quai bị Các

paramyxovirus có bộ gen là RNA một mạch được gói trong capsid xoắn dẻo

Chu trình sao chép của

Paramixovirus (RNA, có

màng bao)

(1) Xâm nhập (2) Bốc vỏ (3) Tổng hợp mạch đơn (–) tạo dạng sao chép mạch

kép (+ và –)

(4) Từ dạng sao chép phiên

mã ra mRNA để tổng hợp protein (5) Sao chép dựa vào khuôn mạch đơn (–) để tạo ra RNA bộ gen mạch đơn (+) (6) Lắp ráp tạo

• Phía bên ngoài capsid có màng bao là

tính chất chung của nhiều nhóm virus

động vật và phage Bao màng giúp

virus xâm nhập tế bào chủ Khi virus tiếp xúc với tế bào, các glycoprotein thòi ra trên bao gắn vào các điểm nhân trên màng sinh chất (hình 9.7)

• Quá trình này chuyển capsid có chứa

RNA vào tế bào chất và ở đó capsid bị

mất (bốc vỏ) Các enzyme của virus

tham gia sao chép RNA của bộ gen và

tạo mRNA, nhưng bộ máy của tế bào

được sử dụng để tổng hợp protein của

virus Các capsid mới được lấp ráp

bao các bộ gen của virus và chúng đội màng sinh chất của tế bào mọc chồi rồi

• Bằng cách này các capsid có màng

bao chính là màng sinh chất của tế bào chủ củ và các virion mới có thể sử

dụng các bao màng này để hòa nhập với màng của tế bào chủ mới Toàn

bộ chu trình này được gọi là chu trình

sinh sản (reproductive cycle), chứ

không phải chu trình tan vì các virus có thể thoát ra bằng mọc chồi mà

b Các retrovirus.

• Các nhà khoa học đã nhận thấy rằng một số

virus có thể gây ung thư ở động vật và cả ở người Có lẽ các virus gây ung thư quan trọng

nhất là retrovirus, các virus có bộ gen RNA

sinh sản qua trung gian là DNA Retrovirus

HIV gây bệnh AIDS làm yếu hệ thống miễn dịch nên nhạy cảm với ung thư (hình 9.8) Nói chung, retrovirus liên quan đến những bệnh nguy hiểm, khó chữa trị nhất hiện nay của nhân loại Việc nghiên cứu các retrovirus giúp

Retrovirus : HIV

• Các retrovirus sử dụng reverse transcriptase để từ khuôn RNA tạo ra DNA Sau đó DNA của virus có thể

được gắn vào DNA bộ gen của tế bào chủ và chúng cùng sao chép với bộ gen này trong mỗi thế hệ Hình 9.9 mô tả và giải thích chu trình sinh sản retrovirus trong tế bào.

Màng bao

Capsid

Reverse transcriptase

Bộ gen gồm 2 sợi RNA mạch đơn

Các gai lipoprotein của

màng bao

Cấu trúc của virus HIV (retrovirus

Tế bào chủ động vật có vú RNA virus cDNA mạch

đơn DNA chủ trong nhân tế bào RNA dùng tạo

bộ gen

Chu trình sinh sản của

• Hiện nay người ta cho rằng các virus có thể tác

động đến sự biểu hiện của các gen ung thư Thường các virus gây ung thư phối hợp với những tác nhân khác và ngược lại trong gây bệnh.

• Các virus gây nhiều bệnh ở động vật và người Ngày nay, nhờ hiểu biết rõ về cấu trúc di truyền của retrovirus và nhiều virus động vật khác, con

người có thể sử dụng chúng làm vector chuyển gen

vào tế bào người trong liệu pháp gen.

II DI TRUYỀN HỌC VI KHUẨN

• Trong một thời gian dài, các nghiên cứu di

truyền học Eukaryotae được tiến hành ở các

sinh vật nhân thực tức thực vật và động vật, còn ở vi khuẩn cho rằng không sinh sản hữu tính Tuy nhiên vào những năm 40 tái tổ ở vi khuẩn được chứng minh Các sinh vật Prokaryotae như vi khuẩn, virus cũng có các quá trình sinh sản tương tự hữu tính, được gọi là

cận hữu tính (parasexuality).

• Các quá trình cận hữu tính này ở vi khuẩn có những đặc điểm:

 Sự truyền thông tin một chiều từ tế bào cho

(donor) sang tế bào nhận (recipient).

 Sự tạo thành hợp tử một phần (merozygote)

Thể cho (donor) chỉ chuyển một đoạn của bộ máy di truyền (genome) sang thể nhận

(recipient) nên chỉ lưỡng bội ở một phần, các

phần khác đơn bội.

 Bộ gen (genome) thường chỉ là một DNA trần nên chỉ có một nhóm liên kết gen và tái tổ hợp

• Những nghiên cứu về các quá

trình cận hữu tính có ý nghĩa quan trọng cho sự phát triển của di truyền học vi sinh vật và phần xây

dựng nên kỹ thuật lắp ghép gen.

• DNA của E.coli cần 40 phút cho 1 vòng

sao chép tương ứng với tốc độ 50.000 cặp base/phút Phụ thuôïc vào tốc độ tăng trưởng thời gian phân chia tế bào trong khoản từ 18 đến 60 phút Như vậy ở các

tế bào tăng trưởng nhanh vòng sao chép mới phải được bắt đầu sớm hơn sự phân bào trước đó như tế bào con đầu tiên.