Bài giảng Vi sinh vật đại cương: Chương 5 - TS. Nguyễn Thị Tuyết Lê

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!

5.1 Vật chất di truyền VSV 5.1.1 Vi khuẩn Chương V DI TRUYỀN HỌC VI SINH VẬT DNA genom TB nhân sơ tìm thấy hai dạng cấu trúc: nhiễm sắc thể plasmid a Nhiễm sắc thể • Thể nhân VK NST cấu tạo từ phân tử DNA xoắn kép (gồm hai mạch xoắn), khép kín (khơng có đầu tự do), phân bố tế bào chất • Mỗi tế bào VK có thể nhân • Cấu trúc DNA VK gồm hai chuỗi polymer Mỗi chuỗi cấu tạo từ bốn loại monomer có cấu trúc tổng quát gồm ba thành phần: bazơ nitơ dị vòng (dẫn xuất purine pyrimidine), đường deoxyribose (C5) Acid phosphoric • Ở DNA, có bốn loại nucleotide: adenine (A), thymine (T), guanine (G) cytosine (C) (hay xitôzin) b Plasmid Plasmid b Vật chất di truyền (DNA) vi khuẩn • cấu trúc gồm chuỗi ADN xoắn kép khép vòng tách rời với cấu trúc nhiễm sắc thể tế bào • Kích thước plasmid giao động từ – 400 kilo base pairs (kbp) Số lượng plasmid giao động từ -hàng trăm copy tế bào • Plasmid chứa gen nhóm gen mang ưu chọn lọc tế bào vi khuẩn mang chúng, ví dụ gen kháng kháng sinh Prokaryotic chromosomes Vai trị plasmid • Một số loại plasmid:  Mang gen sx kháng sinh, đồng thời sản sinh gen kháng lại kháng sinh  lây lan tính kháng thuốc cộng đồng  Mang gen liên quan đến chuyển hóa/phân hủy chất thải môi trường  Ở số VK gây bệnh cho người động vật, plasmid chứa số gen sản xuất loại độc tố protein có hoạt tính cao có chức tăng cường độc lực cho vi khuẩn  Nhiều plasmid có lợi ví dụ plasmid có vi khuẩn cố định nốt sần họ đậu, có khả tạo cho vi khuẩn nốt sần thu nhận nitơ khí trời để sản xuất protein  Sử dụng liệu pháp gen: chuyển gen thay gen bệnh điều trị bệnh người  Sử dụng công nghệ tái tổ hợp DNA: vận chuyển thuốc (insulin) - Plasmid kháng thuốc R-plasmid (Resistance plasmid), mang gene có khả kháng lại kháng sinh hay chất độc - Plasmid giới tính (Fertility plasmid): mang gene vận chuyển có vai trị quan trọng q trình tiếp hợp  chuyển gen VK - Col-plasmid: chứa gene mã hóa cho tổng hợp colicin  protein giết chết vi khuẩn khác - Plasmid phân hủy (Degradative plasmid): giúp phân hủy hợp chất hữu chết từ động, thực vật  sử dụng dụng sinh tổng hợp để tạo lượng - Plasmid mang độc tính (Virulence plasmid):giúp cho vi khuẩn có khả gây bệnh Plasmid episome c Episome • Episomes plasmid có khả gắn xen vào DNA nhiễm sắc thể sinh vật chủ • Nhờ khả này, chúng tồn thời gian dài, chép lúc với DNA nhiễm sắc thể tế bào phân chia, trở thành phần máy di truyền tế bào • Episome có trọng lượng phân tử lớn, tối thiểu 62kbp • Virus coi episome • F factor (Fertility factor- F plasmid) tồn dạng: F+, Hfr F primer • Các gen nhảy (transposons)  Mỗi loại virus chứa loại acid nucleic: DNA RNA, chuỗi đơn hay chuỗi kép, dạng sợi thẳng hay dạng vòng  Virus bé khoảng gene lớn khoảng vài trăm gene  Bản chất tượng di truyền ADN ARN có khả tự nhân lên, trình gọi trình tự chép Sau ADN dùng để làm khn tổng hợp ARN q trình phiên mã  Một số loại virus thông tin di truyền nằm ARN để lắp genom thân vào NST TB, virus phải tổng hợp ADN trung gian từ sợi khn ARN Q trình gọi trình phiên mã ngược, cuối cùng, sinh tổng hợp protein diễn phức hợp bao gồm sợi mARN, ribosome 10 5.1.2 Vật chất di truyền virus 5.1.3 Vật chất di truyền VSV nhân thật  Là acid nucleic DNA, RNA: DNA mang mật mã thông tin di truyền RNA tham gia chuyển hóa mật mã thành protein mà thể tính trạng  Điểm khác biệt lớn VSV nhân thật VSV nhân sơ nhân thật có màng nhân genome thường gồm hai (lưỡng bội) nhiều nhiễm sắc thể (ở thực vật: tam bội, tứ bội, đa bội) cấu tạo từ DNA xoắn kép khơng khép kín (có đầu tự do)  Tuy nhiên nhiều nấm thực vật NST thể đơn bội Thể đơn bội nhiều nấm tồn song song với thể lưỡng bội dạng tế bào song nhân - có hai nhân đơn bội riêng rẽ  Bên cạnh genome nhiễm sắc thể (ở nhân), eukaryote cịn có hệ thống tín hiệu di truyền khác DNA 11 ty thể lạp thể 5.2 Các phương phức vận chuyển thông tin di truyền 5.2.1 Ở vsv nhân thật  Khi thụ tinh, gen đơn bội kết hợp với  hợp tử lưỡng bội Qua trình nguyên phân liên tiếp, hợp tử diễn tái tổ hợp hai gen (hình thành bắt chéo, xảy NST tương đồng tiếp hợp) Trong trình này, NST đứt nối điểm tương ứng  Vì nguyên liệu di truyền trao đổi nhiễm sắc tử với Trao đổi chéo kiện ngẫu nhiên dẫn đến tái tổ hợp di truyền làm nảy sinh hệ gen  Trao đổi chéo xẩy nơi NST Các giao tử chứa tổ hợp gen gọi kiểu tái tổ hợp với giảm phân (phân bào giảm nhiễm) thành gen đơn bội (giao tử) 12 5.2.2 Ở vi khuẩn • Chỉ phần phân tử ADN chuyển từ TB cho sang TB nhận, xuất hợp tử phần • ADN TB nhận phần ADN TB cho ghép đôi trao đổi đoạn Khi phân chia nhân phân bào xuất TB chứa nhiễm sắc thể tái tổ hợp • Tùy theo cách vận chuyển ADN, ta phân biệt ba kiểu vận chuyển tính trạng di truyền vi khuẩn: biến nạp, tải nạp tiếp hợp, sau ADN chuyển, tế bào nhận diễn tái tổ hợp ADN TB cho lắp vào ADN TB nhận (sự tái tổ hợp) 13 14 a Biến nạp (Transformation) • Là vận chuyển ADN hịa tan NST thể từ vk cho sang vk nhận • Khi tế bào vk bị vỡ bị dung giải (lysis), ADN dạng vịng trịn chúng mơi trường thành đoạn thẳng với chiều dài khác nhau, có khả gây biến nạp cho tế bào nhận khác • Griffith năm 1928 khám phá biến nạp phế cầu thí nghiệm sau chuột nhắt Thí nghiệm Griffith: Tiêm cho chuột chủng phế cầu khuẩn độc lực S (có giáp mơ) chủng khơng có độc lực dạng R (khơng có giáp mô) 15  Một số nhân tố gọi “nhân tố biến nạp” truyền từ phế cầu khuẩn dạng S sang PCK dạng R, làm biến đổi TB R thành TB dạng S, có độc lực 17 16 • 1944 O T Avery, McCleod McCarty làm lại thí nghiệm Griffith phát rằng, chuột tiêm vi khuẩn R trộn lẫn với giáp mô vi khuẩn dạng S xử lý chuột chuột khơng chết Nhưng tiêm vk dạng R trộn lẫn với NST vk dạng S chuột chết NST phế cầu khuẩn dạng S nguyên nhân biến nạp giáp mô  Sự biến nạp vi khuẩn liên quan đến truyền phần DNA từ tế bào vk chết (tb chodonor) cho tb vk sống (tb nhận-recipient) Quá trình gọi tái tổ hợp 18 • Điều kiện để có biến nạp: Các giai đoạn trình biến nạp  Vi khuẩn cần chuyển nạp phải tình trạng sinh lý đặc biệt gọi khả nạp (competence)  Sau xâm nhập, phân tử ADN sợi kép bị enzyme endonuclease cắt màng tế bào thành đoạn ngắn sợi đơn vào nguyên sinh chất  Đoạn ADN sợi đơn kết đôi với ADN TB nhận đoạn tương đồng tái tổ hợp; cách ADN biến nạp kết hợp vào NST TB nhận  NST tái tổ hợp phân tử ADN sợi kép TB nhận đoạn ngắn sợi thay đoạn ADN TB cho Ơ vi khuẩn, bình thường khơng xẩy biến nạp cảm ứng phòng thí nghiệm xẩy biến nạp Ví dụ: vi khuẩn E coli xử lý dung dịch CaCl2 bảo quản lạnh xẩy biến nạp  Kích thước số lượng ADN: tượng chuyển nạp xẩy với đoạn ADN có trọng lượng phân tử vừa phải, từ 105 -107 Mỗi đoạn ADN chuyển nạp tương đương với đoạn 1/200-1/500 hệ gen tế bào cho Có nghĩa phải chia nhỏ chuỗi ADN tế bào cho 200-500, đoạn nhỏ đoạn có khả chuyển nạp  Thành phần môi trường ảnh hưởng đến tần số chuyển nạp Ví dụ có albumin phosphat môi trường làm tăng tần số chuyển nạp, trái lại casein làm giảm tần số chuyển nạp  Nhiệt độ thích hợp 29-32oC 19 20 Các kiểu tải nạp b Tải nạp (Transduction) Tải nạp chung hay tải nạp khơng đặc hiệu • Xảy phage tải nạp mang gen từ VK cho chuyển sang cho VK nhận Tải nạp đặc hiệu • Đó tải nạp mà phage có khả tải nạp tính trạng di truyền, ADN phage tải nạp kết hợp với đoạn xác định hệ gen vi khuẩn • Ví dụ: phage λ E coili K12, phage làm tan nịi dại E coli K12 tải nạp đoạn DNA xác định hoạt tính tạo thành enzyme lên men galactoza (Gal+) từ nòi E coli Gal+ sang nịi E coli Gal- • Tải nạp vận chuyển ADN từ vi khuẩn vi khuẩn nhận nhờ phage (thực khuẩn thể) • Thí nghiệm Zinder Lenderberg chứng minh phage nhân tố chuyển gen TN Zinder Lederberg: Nhánh A: VK Salmonella khơng bị đột biến có genotype Trp+ (có khả tổng hợp Tryptophan) Nhánh B: VK Salmonella đột biến có genotype Trp- (khơng có khả tổng hợp Tryptophan) Sau thời gian nuôi nhánh B xuất vk có khả tổng hợp tryptophan Trp+ 21 22 c Tiếp hợp (Conjugation) • Tiếp hợp tượng vận chuyển vật chất thông tin di truyền từ VK cho sang VK nhận hai VK tiếp xúc với • Tiếp hợp đơn giản qua pili giới tính (sex pili) vi khuẩn mang F+ plasmid truyền vật chất di truyền cho vi khuẩn nhận F• Tiếp hợp thường xảy VK lồi xảy VK khác 23 24 b Biến dị dạng khuẩn lạc 5.3 BIẾN DỊ 5.3.2 Biến dị kiểu hình - Được coi biến dị gây điều kiện mơi trường • Là biến dị tính trạng bên ngồi, tạm thời, thuận nghịch không ổn định quần thể vsv • Biến dị xuất tác động nhân tố ngoại cảnh • Những biến dị xuất chậm yếu tố làm xuất chúng biến dị không di truyền - Do tổn thương cấu trúc TB vi khuẩn tạo nên biến dạng khuẩn lạc a Biến dị hình thái vsv Hình thái vsv thay đổi ảnh hưởng yếu tố khác nhau: - Thành phần hóa học mơi trường - Điều kiện nuôi cấy (pH, nhiệt độ, áp suất…) - Những chất độc (chất sát trùng, kháng sinh…) 25 5.3.3 Biến dị kiểu gen • Là biến đổi đột ngột xảy vật chất di truyền ADN (Thay cặp nucleotide; Mất Nucleotide; Chèn thêm nucleotide; Đảo trình tự Nucleotide) NST (mất đoạn; đảo đoạn; lặp đoạn; chuyển đoạn tương hỗ) - Đột biến xảy đột ngột, không xảy liên tục, độc lập với mơi trường xung quanh có tính di truyền cố định - Hậu đột biến gen  gây nên biến đổi kiểu gen kiểu hình - Có hai loại đột biến: Đột biến ngẫu nhiên Đột biến cảm ứng (có mặt tác nhân gây đột biến) 27 - Tần số xuất thể đột biến tỷ lệ cá thể đột biến thời điểm quần thể vsv không cao, phụ thuộc vào: Tần số đột biến khả điều chỉnh tỷ lệ tế bào đột biến + Tần số đột biến: xác xuất mà TB hệ có đột biến gen Đột biến 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 thể đột biến ngược hệ để giữ cho tỷ lệ thể đột biến cố định 29 Ví dụ: Những vi khuẩn loài phát triển mơi trường đặc hình thành khuẩn lạc láng (dạng S) nhám (dạng R) Trong số điều kiện nuôi cấy tạo khuẩn lạc trung gian không ổn định khuẩn lạc con, KL lùn nhỏ, khuân lạc G mọc mặt, khuẩn lạc L mọc rìa khuẩn lạc bình thường, khuẩn lạc lớn nhầy… - Một số vsv có biến dị màu sắc khuẩn lạc nuôi cấy môi trường chọn lọc (Serratea marcesceus) sinh sắc tố làm biến đổi màu sắc mơi trường 26 • Đột biến tự phát (ngẫu nhiên) - đột biến xuất môi trường ni cấy cách tự nhiên, khơng 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: thay đổi môi trường không kiểm sốt (sự tích lũy sản phẩm trao đổi chất…) • Đột biến cảm ứng - Xuất tác nhân cảm ứng vật lý, hóa học… - Có biến đổi trình tự xắp xếp axit nucleic - Có tần số biến dị cao 28 • Nguyên nhân gây đột biến + Ngẫu nhiên: chưa biết rõ nguyên nhân này, có lẽ sai sót ngẫu nhiên liên kết nu bị thay đổi 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 Sarcoma virus, Herpes virus gây đứt gãy NST 30 5.4 Vai trò di truyền vsv  Giải mã gen VSV sinh vật khác (genetic mapping)  Có vai trị lây lan plasmid kháng thuốc vi khuẩn  Nghiên cứu đặc tính chức vi khuẩn mà khơng thể nghiên cứu tiếp hợp Ví dụ: phát kiểm sốt gen hình thành giáp mơ, đề kháng với kháng sinh, nghiên cứu trình hình thành nha bào, …  Gây đột biến cảm ứng VSV  tạo chủng vi sinh vật có khả sản xuất nhiều loại sản phẩm sinh học như: axitamin, protein, vitamin, enzyme, hoocmon, kháng sinh qui mô công nghiệp  Ứng dụng sản xuất sản phẩm y dược: vaccine, 31 kháng thể đơn dòng… b Tạo giống trồng, vật nuôi để nâng cao suất chất lượng sản phẩm 32 Ôn tập chương Cơ sở vật chất thông tin di truyền Vi khuẩn Phương thức vận chuyển vật chất thông tin di truyền vi khuẩn Biến dị kiểu hình biến dị kiểu gen: đặc điểm, nguyên nhân, ví dụ Vai trò di truyền vi sinh vật 33 ... số virus gây đột biến NST Sarcoma virus, Herpes virus gây đứt gãy NST 30 5. 4 Vai trò di truyền vsv  Giải mã gen VSV sinh vật khác (genetic mapping)  Có vai trị lây lan plasmid kháng thuốc vi. .. pili) vi khuẩn mang F+ plasmid truyền vật chất di truyền cho vi khuẩn nhận F• Tiếp hợp thường xảy VK loài xảy VK khác 23 24 b Biến dị dạng khuẩn lạc 5. 3 BIẾN DỊ 5. 3.2 Biến dị kiểu hình - Được... trọng lượng phân tử vừa phải, từ 1 05 -1 07 Mỗi đoạn ADN chuyển nạp tương đương với đoạn 1/20 0-1 /50 0 hệ gen tế bào cho Có nghĩa phải chia nhỏ chuỗi ADN tế bào cho 200 -5 0 0, đoạn nhỏ đoạn có khả chuyển