(Tiểu luận) các hiện tượng di truyền vikhuẩnbiến nạp, tải nạp và giao nạp

CÁC HIỆN TƯỢNG DI TRUYỀN VI KHUẨN BIẾN NẠP, TẢI NẠP VÀ GIAO NẠP NHÓM 6: PHAN TRỌNG THÁI NGUYỄN DUY NHÃ TRÚC NGUYỄN QUỐC HUY ĐẶNG TRẦN HIẾU Mục lục: I Giới thiệu.……………………………………………………3 Tổng quan di truyền học vi khuẩn……………………… Khái niệm vi khuẩn……………………………………….3 2.1 Cấu tạo tế bào hình thức sinh sản……………… 2.2 Đặc điểm nuôi cấy………………………………………5 II Biến nạp ( Transformation) …………………………………6 Hiện tượng điều kiện…………………………………… Cơ chế biến nạp.…………………………………………… 2.1 Xâm nhập DNA…………………………………….7 2.2 Bắt cặp………………………………………………… 2.3 Sao chép……………………………………………… III Tải nạp (Transduction ) ……………………………………10 Phage nhân tố chuyển gen……………………………….10 Cơ chế tải nạp …………………………………………… 11 Phân biệt dạng tải nạp………………………………….12 IV Giao nạp ( Conjugation ) ………………………………… 15 Chứng minh có tượng lai vi khuẩn………………….15 Sự phân hoá giới tính vi khuẩn …………………………16 Các nhân tố F tính nạp ( Sexduction )………………… 17 Cơ chế tái tổ hợp………………………………………… 17 V Ứng dụng ………………………………………………….18 VI Tổng kết…………………………………………………….19 I Giới thiệu: Tổng quan di truyền học vi khuẩn: Vi khuẩn học nhánh chuyên ngành sinh học nghiên cứu hình thái học, sinh thái học, di truyền học hóa sinh vi khuẩn nhiều khía cạnh khác liên quan tới chúng Để nghiên cứu di truyền học vi khuẩn người ta thường sử dụng đột biến khuyết dưỡng đột biến làm khả tổng hợp chất trao đổi cần thiết thể đột biến không mọc môi trường tối thiểu chứa chất dinh dưỡng tối thiểu đủ tế bào khơng mang đột biến (cịn gọi tế bào kiểu dại nguyên dưỡng ) mọc Các thể đột biến khuyết dưỡng mọc môi trường chứa đầy đủ chất dinh dưỡng (mỗi trường đủ ) môi trường tối thiểu bổ sung chất trao đổi mà thể đột biến khả tổng hợp (môi trường chọn lọc) Để lai vi khuẩn người ta trộn hai thể đột biến khuyết dưỡng khác với nhau, chẳng hạn a b c d+ e+ f+ a+ b+ c+ d e f sau cấy hỗn hợp lai lên môi trường tối thiểu, tế bào mọc trường tế bào lai nguyên dưỡng a+b+c+d+e+f+.[4] Khái niệm vi khuẩn: 2.1 Cấu tạo tế bào sinh sản: Tế bào E.coli có chiều dài khoảng micrometer Bên ngồi có vách tế bào, kề màng sinh chất Mezosome cấu trúc xếp lại màng sinh chất liên quan đến phân bào chất di truyền tạo nên nucleotid Các tiêm mao giúp cho vận động tế bào.[2] Thông tin tế bào vi khuẩn nằm phân tử DNA mạch kép vòng tròn đơn gọi genophore, hay "nhiễm sắc thể " Gần phát thấy số vi khuẩn DNA tạo thành phức hợp với protein có tính base để hình thành sợi nhiễm sắc histone NST Eukaryote Ngoài ra, số vi khuẩn cịn có thêm plasmid phân tử DNA vịng trịn nhỏ có khả chép độc lập.[2] Tế bào vi khuẩn phân chia theo lối trực phân Phân tử DNA gắn trực tiếp vào màng sinh chất Sự chép DNA tạo gắn chung màng sinh chất Khi tế bào kéo dài DNA tách xa phần màng chúng lớn dần Kiểu sinh sản vơ tính gọi “ngắt đơi” (Binary fission) Tế bào vi khuẩn chia nhanh (20 phút) nhiều so với tế bào Eukaryote (24-48 giờ) Quá trình chép DNA điểm xuất phát Ori kéo dài phía song song với q trình kéo dài màng sinh chất, nơi có điểm gắn vào DNA gen, mọc dài tách phân tử DNA tế bào [2] Phân tử DNA gắn trực tiếp vào màng sinh chất Sự chép DNA tạo gắn chung màng sinh chất Khi tế bào kéo dài DNA tách xa phần màng chúng lớn dần Kiểu sinh sản vô tính gọi ngắt đơi (Binary fission) Tế bào vi khuẩn chia nhanh nhiều so với tế bào Eukaryote Quá trình chép DNA điểm xuất phát Ori kéo dài phía song song với q trình kéo dài màng sinh chất, nơi có điểm gắn vào DNA gen, mọc dài tách phân tử DNA tế bào con.[1] 2.2 Đặc điểm nuôi cấy: Tế bào vi khuẩn ni mơi trường lỏng có bổ sung hỗn hợp muối vô thiết yếu Mật độ đạt 10 tế bào/ml Có thể nuôi vi khuẩn môi trường rắn agar hộp petri để tế bào mọc thành khuẩn lạc dễ quan sát.[1] Tế bào vi khuẩn có nhiều dạng khác nhau: bacilli (hình que), cocci (hình cầu), spirilla (hình xoắn), spirochete (hình xoắn ốc) phân nhánh Tế bào vi khuẩn nhỏ nên tế bào riêng lẻ nghiên cứu di truyền Vi khuẩn mọc mơi trường tối thiểu gồm carbon nguồn lượng (glucose), muối vơ nước Môi trường chứa đủ chất hữu làm nguồn dinh dưỡng (amino acid, nucleotide, vitamin ) gọi môi trường đầy đủ.[2] II Biến nạp ( Transformation): Hiện tượng điều kiện: Thí nghiệm Griffith tượng biến nạp: a Tiêm vi khuẩn S sống gây bệnh cho chuột > Chuột chết b Tiêm vi khuẩn R sống không gây bệnh > Chuột sống c Tiêm vi khuẩn S bị đun chết cho chuột > Chuột sống d Hỗn hợp vi khuẩn S bị đun chết trộn với vi khuẩn R sống đem tiêm cho chuột > Chuột chết Trong xác chuột chết có vi khuẩn S R Document continues below Discover more Sinh học phân from: tử BIO 252 Trường Đại Học… 4 documents Go to course 123412lkflnalksfj Sinh học phân tử None Ppnc - Sinh học phân tử Sinh học phân tử None MỤC LỤC ( phân chia nv ) - dálads Sinh học phân tử None Châu phi - 10 Lịch sử văn minh… 100% (3) Listening-Level-1.71 ENG-118-2020S-… Lịch sử văn minh thế… 100% (1) Cubito - Resumen Anatomía humana Hiện tượng cho thấy vi khuẩn S tự sống lại sau 96% (28) Anatomía bị đun chết, tế bào chết truyền tính gây bệnh cho tế bào R Hiện tượng gọi biến nạp.[2] Đinh nghĩa : biến nạp tượng truyền thông tin di truyền DNA.[1] Trong biến nạp DNA trần từ tế bào vi khuẩn thể cho truyền sang tế bào vi khuẩn thể nhận khác Khi tế bào vi khuẩn bị vỡ làm tan, DNA vòng tròn chúng mơi trưởng thành đoạn thẳng với chiều dài khác có khả gây biến nạp cho tế bào thể nhận khác.[1] Hiện tượng biến nạp nghiên cứu nhiều đối tượng: Streptococcus parainfluenzae pneumoniae, Bacillus subtilis, Haemophilus - Điều kiện thực biến nạp: hiệu biến nạp phụ thuộc vào yếu tố : [2]  Tính dung nạp tế bào nhận  Kích thước đoạn DNA  Nồng độ DNA Cơ chế biến nạp:[1] II.1 Xâm nhập DNA: Ở giai đoạn này, DNA gắn với điểm nhận màng tế bảo.Quá trình gắn thuận nghịch, gắn vào nhả Sợi DNA mạch kép dòng vi khuẩn S sau chui qua màng tế bào dịng vi khuẩn R mạch S bị nuclease tế bào cắt, lại mạch nguyên Cơ chế biến nạp tự nhiên 2.2 Bắt cặp: DNA thể nhận R biến tinh tách rời mạch đoạn để bắt cặp với đoạn DNA thể cho S vừa chui vào Đoạn DNA R đoạn có DNA S bắt cặp bị cắt đứt đẩy Trong q trình bắt cặp, có đoạn khơng tương đồng hình thành nên vịng lồi, đoạn gọi Heteroduplex Cịn đoạn bắt cặp tương đồng gọi Homoduplex 2.3 Sao chép: Sau bắt cặp tạo phân tử DNA có đoạn lại R-S, tiến hành chép để tạo hai sợi kép: sợi kép R-R sợi kép khác có mang đoạn DNA thể nhận S-S Sơ đồ giai đoạn biến nạp: III Tải nạp (Transduction ): Định nghĩa: tải nạp trình chuyển vật chất di truyền từ vi khuẩn cho sang vi khuẩn nhận thông qua phage.[4] Có hai kiểu tải nạp: tải nạp chung tải nạp chuyên biệt.[2] Phage nhân tố chuyển gen: Thí nghiệm tiến hành ống hình chữ U Giữa hai ống hình chữ U ngăn cách màng lọc vi khuẩn, màng có lỗ nhỏ vi khuẩn không qua phage qua Nhánh A ống chứa vi khuẩn có khả tổng hợp tryptophan (trp +), cịn nhánh B ni vi khuẩn khác khả tổng hợp tryptophan (trp - ) Sau nuôi thời gian, nhánh B xuất vi khuẩn có khả tổng hợp tryptophan Nếu dùng màng ngăn không cho virus lọt qua khơng thấy tượng Qua nhiều lần thí nghiệm, việc tải gen trp+ từ nhánh A sang nhánh B chứng minh.[1] 10 Cơ chế tải nạp: Quá trình xâm nhiễm phage vào vi khuẩn xảy sau: Tải nạp chuyển gen từ vi khuẩn A sang B nhờ phage Đầu tiên phage bám bề mặt vi khuẩn Sau 4’, phage bơm DNA vào tế bào Sau chúng sinh sản khoảng 1/2 sau chúng làm tan tế bào vi khuẩn giải phóng phage Khi DNA phage xâm nhập vào tế bào vi khuẩn A, chúng cắt DNA vi khuẩn A thành nhiều đoạn đồng thời DNA phage chép nhiều phân tử vỏ phage tạo thành Sau vỏ lắp ruột DNA vào, phá vỡ tế bào vi khuẩn tiếp tục xâm nhiễm vào tế bào vi khuẩn khác Trong q trình lắp ráp khoảng 1-2% phage vơ tình mang đoạn DNA vi khuẩn có chứa gen Phage mang gen vi khuẩn A xâm nhiễm vi 11 khuẩn B, trình tái tổ hợp xảy làm gen vi khuẩn A gắn vào gen vi khuẩn B.[1] Phân biệt dạng tải nạp: - Tải nạp chung (general transduction): trường hợp gen thể cho chuyển sang thể nhận phage Tải nạp chung có đặc điểm:[1] + Thường phase kiểu P1 thực + Bất kỳ gen vi khuẩn tải nạp + Tải nạp gói nhầm DNA tế bào chủ phage trưởng thành + Các thể tái hợp đơn bội tạo Do khơng có tương đồng trình tự DNA phage với trình tự tế bào chủ, nên khơng có điểm gắn vào đặc hiệu cho prophage Bất kì gen tải nạp đầu phage gói nhầm vào đoạn DNA tế bào chủ Sự đồng tải nạp (cotransduction) trình tải nạp đồng thời gen.[2] 12 Quá trình phage xâm nhập vào vi khuẩn sinh sản mô tả hình 12.7 Đầu tiên phage bám bề mặt vi khuẩn, sau phút bơm DNA vào tế bào, sau chúng sinh sản độ nửa sau làm tan vi khuẩn giải phóng phage mới.[2] Khi DNA phage xâm nhập tế bào vi khuẩn A, chúng cắt DNA vi khuẩn A thành nhiều đoạn, đồng thời DNA phage chép thành nhiều phân tử vỏ phage tạo thành Sau vỏ lắp ruột DNA vào, phá vỡ tế bào vi khuẩn tiếp tục xâm nhập vi khuẩn Trong trình lắp ráp khoảng 1-2% phage vơ tình mang đoạn DNA vi khuẩn có chứa gen Phage mang gen vi khuẩn A xâm nhập vi khuẩn B, trình tái tổ hợp xảy làm gen A gắn vào gen B (hình 12.8).[2] 13 - Tải nạp chuyên biệt (Special transduction) hay tải nạp hạn chế: trường hợp mà chuyển vài gen định, có đặc điểm: [1] + Những gen chuyển nằm sát chỗ prophage gắn vào + Chỉ prophage kiểu λ thực + Do kết cắt sai prophage tách khỏi nhiễm sắc thể tế bào chủ + Các vi khuẩn tái tổ hợp lưỡng bội phần Ví dụ: phage λ (kí sinh E.coli) chuyển gen gal (đồng hóa đường galactose) từ vi khuẩn sang vi khuẩn khác Điểm gắn phage λ vào gen vi khuẩn nằm gen gal (galactose) bio (tổng hợp biotin) (hình 12.9) Đầu phage chứa lượng DNA giới hạn, nên prophage tách từ DNA vi khuẩn, tải nạp gen gai bio Phage tải nạp 14 gen galactose gọi λ gal hay λ dg (d = defective : khuyết, g = galactose) Nếu tế bào gai nhiễm λ dg (mang gen gal), ráp vào phage biến dạng vào tế bào chủ tạo lưỡng bội phần Sự cắt sai phage nên tải nạp hạn chế có tần số thấp Tuy nhiên, tải nạp tần số cao nhận điều kiện thí nghiệm Nếu tế bào vi khuẩn gây nhiễm kép với phage λ hoang dại phage λ dg, phage hoang dại hỗ trợ chức sai sót phage biến dạng, hệ có kiểu với số lượng Khi dịch tan dùng tải nạp, trình gọi tải nạp tần số cao (high–frequency transduction) [2] Trong nhiều trường hợp, gen biến dạng λ dg không gắn vào gen tế bào chủ (nên không chép được) Sau lần 15 phân bào, tế bào có gen phage biến dạng; trình gọi tải nạp sầy (abortive transduction).[2] IV Giao nạp ( Conjugation ): Định nghĩa: giao nạp vi khuẩn kết hợp thời hai tế bào có kiểu bắt cặp đối nhau, tiếp nối chuyển phần vật chất di truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận qua cầu tế bào chất, sau tế bào tách ra.[2] Chứng minh có tượng lai vi khuẩn: [1] Vào năm 1946, J Lederberg E Tatum sử dụng dòng đột biến khuyết dưỡng khác nhau: -Dịng A: có kiểu gen met-bio-thr+leu+thi+ (có khả tổng hợp threonin, leucine, thiamin khơng có khả tổng hợp methionin biotin) - Dịng B: có kiểu gen met+bio+thr-leu-thi- (có khả tổng hợp methionin, biotion khơng có khả tổng hợp threonin, leucine, thiamin) 16 Từng dịng riêng rẽ cấy lên mơi trường tối thiểu khơng có khả mọc lên khuẩn lạc Trộn chung hai dòng ống nghiệm, cấy lên môi trường tối thiểu Các khuẩn lạc mọc môi trường tối thiểu, chứng tỏ có dạng lai, chúng mọc nhờ bù đắp cho nhu cầu dinh dưỡng Các dạng lại có kiểu gen met+bio+thr+leu+ thi+.[1] Sự phân hố giới tính vi khuẩn: Năm 1953, Hayes phát vi khuẩn có dạng khác tương tự giống đực sinh vật bậc cao Các dạng kí hiệu tế bào F+ tế bào F- F+ tương tự giống đực sinh vật bậc cao, truyền sạng F- Tần số lại F+ với F- khoảng 106 tức lai triệu tế bào có tế bào lai [2] Khi F+ tiếp xúc với F- thời gian, F- biến thành F+ nhận phần tử di truyền episome Episome F+ phần tử di truyền ngồi NST, tồn dạng DNA vòng tròn tự 17 chép gắn vào phân tử DNA tế bào chủ Episome F + gọi nhân tố giới tính Về sau dạng Hfr (high frequency of recombination) phát hiện, dạng có tần số lại với F cao F+ đến 104 lần.[1] Các nhân tố F tính nạp ( Sexduction ): Sự cắt rời nhân tố F từ NST dòng Hfr nhiều khơng xác lúc đoạn gen vi khuẩn thay cho phần F Trong trường hợp nhân tố F’ hình thành chuyển gen vi khuẩn cách độc lập với tính trạng tế bào thể cho Hiện tượng gọi tính nạp, nghĩa chuyển gen kèm theo nhân tố giới tính Nhờ tính nạp mà nhận thể lưỡng bội phần (merodiploid) theo gen gắn vào F+.[1] Cơ chế tái tổ hợp: Muốn xảy tái tổ hợp dòng vi khuẩn phải tiếp xúc với F+ F- Hrf F- Dòng tế bào mang nhân tố F+ coi tế bào đực có khả tạo protein pilin, từ protein tạo ống giao nạp gọi pilus Sự co lại pilus nối tế bào làm chúng gần Tế bào F- coi tế bào cái, sau giao nạp tế bào F - trở thành tế bào F+ Việc chuyển gen thực plasmid gắn vào gen vi khuẩn Trong trình chuyển vật chất di truyền sang F - DNA tế bào chủ chép mạch có Ori đầu F cuối Quá trình chuyển DNA từ F+ sang F- bị ngắt quãng Các gen a, b, c chuyển chiều từ Hfr sang F-.[1] Dịng Hfr có tần số lại cao nhiều plasmid nằm sẵn gen Cịn F+ phải qua giai đoạn plasmid gắn vào gen chuyển gen.[1] 18 V Ứng dụng nghiên cứu: Chủ yếu tạo giống trồng biến đổi gen mang suất hiệu kinh tế cao: lúa chịu hạn, kháng virus; bông, ngô kháng côn trùng, chống thuốc diệt cỏ, plasmid DNA kép dạng vòng vi khuẩn, có vai trị chức định vi khuẩn (ví dụ qui định khả kháng kháng sinh) [3] Trong sinh học phân tử, người ta sử dụng plasmid làm thể truyền DNA Các DNA chèn vào plasmid vi khuẩn qua kỹ thuật di truyền: súng bắn gen, vi tiêm, sốc nhiệt, siêu âm, Các plamid nạp vào tế bào nhận kỹ thuật di truyền tương tự thơng qua giao nạp vi khuẩn (ví dụ dùng plasmid có gắn gen tổng hợp insulin đưa vào vi khuẩn E.Coli để sản xuất insulin chữa bệnh tiểu đường).[3] Nghiên cứu chỉnh sửa gen hệ thống CRISPR/Cas9 dòng tế bào ung thư: Hoạt động hệ thống CRISPR/Cas9 biết đến với hiệu cao chỉnh sửa gen, từ mở ứng dụng vơ to lớn hữu ích tương lai để nghiên cứu chức gen điều trị bệnh di truyền So sánh với kỹ thuật chỉnh sửa gen khác, hệ thống CRISPR/Cas9 cho chi phí sử dụng thấp, sử dụng đơn giản dễ thực Nó khơng địi hỏi phải thiết kế phức hợp protein kỹ thuật liên quan khác kỹ thuật Meganucleases (MNs), Zinc Finger Nucleases (ZNFs), Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALENs).[5] Với nhiều kết nghiên cứu khả quan hiệu chỉnh sửa gen, hệ thống CRISPR/Cas9 thử nghiệm lâm 19 sàng, đặc biệt trị liệu gen liệu pháp điều trị miễn dịch ung thư.[5] VI Tổng kết: Biến nạp Tải nạp Giao nạp Định nghĩa Vận chuyển Vận chuyển vật Vận chuyển đoạnADN vi liệu di truyền nhờ ADN từ vi khuẩn khuẩn cho vào vi phage đực sang vi khuẩn nhận khuẩn có tiếp xúc Điều kiện - Vi khuẩn cho Có phage phải bị phá vỡ - NST bị cắt thành mảnh nhỏ - Vi khuẩn nhận phải ởtrạng thái sinh lý đặc biệt Các giai đoạn - Nhận mảnh vật liệu di truyền - Tích hợp thơng qua tái tổ hợp Đặc điểm - Nhiễm trùng phage - Phage chép gen - Phage bơm vào vi khuẩn nhận - Tích hợp - Vi khuẩn có pili giới tính - Xảy tiếp hợp - Tiếp hợp - Chuyển gen - Tích hợp Tải nạp khơng hồn chỉnh (khơng tích hợp vào ) 20 Ví dụ Biến nạp gen tổng hợp insulin vào E.coli; Haemophilus, não mô cầu, liên cầu Các ứng dụng tượng di truyền đa dạng Chúng sử dụng việc tạo loại trồng mới, có khả chống lại loại bệnh côn trùng hại Ngoài ra, kỹ thuật di truyền sử dụng để sản xuất thuốc vaccine chữa bệnh Để sử dụng tượng di truyền, nhà khoa học sử dụng kỹ thuật di truyền để thêm gen vào vi khuẩn Các kỹ thuật bao gồm súng bắn gen, vi tiêm, sốc nhiệt siêu âm Sau thêm gen vào, vi khuẩn sử dụng để sản xuất chất có ích, chẳng hạn insulin để chữa bệnh tiểu đường TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 Trương Thị Bích Phượng (2009) Giáo Trình Di Truyền Học NXB đại học Huế Phạm Thành Hổ (2006) Di truyền học NXB Giáo dục Khuất Hữu Thanh (2006) Cơ sở di truyền phân tử kỹ thuật gen NXB Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Lê Đình Lương – Phan Cự Nhân (2004) Cơ sở di truyền học NXB Giáo dục Vũ Thị Hà, Bùi Tường An, Đoàn Thị Kim Phượng (2020) TẠP CHÍ NGHIÊN CỨU Y HỌC số 126 tập NXB Trường Đại học Y Hà Nội 22