Plasmid

Plasmid Plasmid Bởi: Nguyễn Lân Dũng PGS TS Phạm Thành Hổ Plasmid Trong phần nói trình giao nạp (conjugation) hay tiếp hợp đề cặp đến plasmid, ADN vòng tròn nhỏ diện nhiều vi khuẩn Plasmid nhân tố di truyền chép độc lập với nhiễm sắc thể (Nhiễm sắc thể) tế bào chủ Không giống virut, plasmid dạng ngoại bào (extracellular form) tồn tế bào đơn giản ADN tự điển hình dạng vòng tròn Plasmid ADN Nhiễm sắc thể tế bào có vài điểm khác bản: plasmid mang gen không thiết yếu (nhưng thường có ích), gen thiết yếu nằm Nhiễm sắc thể Plasmid di chuyển tế bào trình giao nạp (conjugation), tức tiếp xúc hai loại tế bào Các kiểu plasmid khác phân lọai dựa vào gen mà chúng mang Một số plasmid, nhân tố trao đổi chất (metabolic factors) mang gen mã hóa cho chức trao đổi chất khác thường (unusual metabolic functions) phân hủy dầu mỏ tràn dầu Đến biết hàng ngàn plasmid khác Trên thực tế, người ta phân lập 300 plasmid khác tự nhiên từ dòng E coli Nhiều plasmid sử dụng làm công cụ chuyển gen kỹ thuật di truyền Tính chất vật lý chép plasmid Hầu hết plasmid biết có ADN mạch kép, mạch vòng Tuy nhiên có nhiều plasmid mạch thẳng Các plasmid tự nhiên có kích thước khác nhau, từ kbp đến megabp Plasmid điển hình phân tử ADN vòng tròn, mạch kép nhỏ chưa đến % kích thước Nhiễm sắc thể (hình 20.24) Phần lớn plasmid ADN phân lập từ tế bào có dạng siêu xoắn, dạng nhỏ gọn tồn tế bào Enzym liên quan đến việc chép plasmid thực tế enzym bình thường tế bào Vì gen plasmid chủ yếu liên quan đến kiểm soát trình khởi chép với phân bổ plasmid chép vào tế bào 1/6 Plasmid Hình hiển vi điện tử plasmid vòng tròn Tương tự, plasmid khác diện tế bào với số lượng khác nhau, gọi số (copy number) Một số plasmid có 1-3 tế bào, plasmid khác lại có đến 100 Số lượng kiểm soát gen plasmid tương tác gen tế bào chủ plasmid Phần lớn plasmid vi khuẩn Gram âm chép tương tự Nhiễm sắc thể vi khuẩn Việc thực từ điểm khởi chép (Ori) chép theo hai hướng quanh vòng plasmid, tạo dạng trung gian theta (θ) Tuy nhiên số plasmid không chép theo hai hướng Do kích thích nhỏ ADN plasmid, toàn trình chép xảy nhanh, có lẽ 1/10 tổng thời gian diễn chu kì phân bào Hầu hết plasmid vi khuẩn Gr+ chép theo chế vòng xoay tương tự phage φx174 Cơ chế tạo mạch đơn trung gian, plasmid xem plasmid ADN mạch đơn Phần lớn ADN mạch thẳng chép dùng chế liên quan đến protein gắn với đầu 5’ mạch mà dùng tổng hợp mồi ADN Tính không tương hợp (Incompatibility) chỉnh sửa (curing) Một số vi khuẩn chứa vài dạng plasmid khác Ví dụ, Borrelia burgdorferi (nhân tố gây bệnh Lyme) chứa 17 plasmid mạch thẳng vòng Khả hai plasmid khác nhau, mà chép tế bào, kiểm soát gen plasmid tham gia điều hòa chép ADN Khi plasmid chuyển vào tế bào có sẵn plasmid khác, thường plasmid thứ hai không tồn trình chép tế bào sau Nếu điều xảy ra, hai plasmid gọi không tương hợp (incompatible) Một số nhóm không tương hợp (Incompatibility - Inc) ghi nhận Các plasmid thuộc nhóm không tương hợpsẽ loại trừ chép tế bào tồn với plasmid nhóm khác Plasmid nhóm không tương hợp có chung chế điều hòa chép, chúng có họ hàng với Vì vậy, dù tế bào vi khuẩn chứa nhiều loại plasmid khác nhau, loại khác biệt mặt di truyền 2/6 Plasmid Một số plasmid, gọi epixom, chèn vào nhiễm sắc thể, chép chúng chịu kiểm soát Nhiễm sắc thể Trường hợp giống với virut mà gen chúng chèn vào gen tế bào chủ Plasmid bị loại bỏ khỏi tế bào chủ nhiều xử lý khác Việc loại bỏ này, gọi chỉnh sửa (curing), kết ức chế chép plasmid mà ức chế song song Nhiễm sắc thể tế bào chủ Trong phân bào, plasmid bị loại bỏ Sự chỉnh sửa xảy tự phát, tăng nhanh đáng kể nhiều cách xử lí khác Sự chuyển plasmid từ tế bào sang tế bào khác Cơ chế việc chuyển plasmid từ tế bào sang tế bào khác giao nạp, mà chức thực mã hóa số plasmid Giao nạp trình chép ADN plasmid tế bào cho truyền Nhiễm sắc thể plasmid sang tế bào nhận Hình 20.25 cho thấy đồ gen plasmid F, plasmid nghiên cứu kĩ Escherichia coli Khỏang 25 gen F plasmid, bao gồm gen chép ADN, yếu tố thực chức epixom cuối vòng cung ADN lớn, gọi vùng tra, chứa gen giúp tự di chuyển từ tế bào sang tế bào khác Sơ đồ gen plasmid F E coli Con số bên cho biết kích thước plasmid (chính xác 99.159 bp) Vùng màu xanh sẫm chứa gen chịu trách nhiệm để chép tách plasmid F tế bào phát triển bình thường Vàng xanh sáng, vùng tra , chứa gen chịu trách nhiệm chuyển gen Chuỗi ori T điểm khởi đầu trình chuyển plasmid tiếp hợp Mũi tên cho biết hướng chuyển (vùng tra chuyển qua cuối cùng) Những vùng màu vàng yếu tố hoán đổi vị trí, nơi mà xảy hợp vào yếu tố tương đồng nhiễm sắc thể vi khuẩn dẫn đến hình thành dòng Hfr (Theo Brock Microbiology 11, 2006) 3/6 Plasmid Plasmid điều khiển truyển gen tiếp xúc hai tế bào gọi có khả giao nạp Không phải tất plasmid có khả tiếp hợp Khả truyền tiếp hợp kiểm soát gen plasmid gọi vùng tra Vùng tra chứa gen mã hóa protein thực chức bắt cặp Sự diện vùng tra plasmid dẫn đến kết quan trọng khác plasmid chèn vào nhiễm sắc thể Trong trường hợp này, plasmid huy động chuyển ADN nhiễm sắc thể từ tế bào sang tế bào khác Một vài plasmid tiếp hợp từ Pseudomonas có biên độ tế bào chủ lớn Điều có nghĩa chúng truyền sang nhiều vi khuẩn Gr+ khác Những plasmid thé chuyển thông tin di truyền sinh vật gần Những plasmid tiếp hợp chuyển vi khuẩn Gr- Gr+, vi khuẩn tế bào thực vật vi khuẩn nấm Thậm chí plasmid chép độc lập vật chủ mới, chuyển plasmid tự có ý nghĩa tiến hóa quan trọng gen từ plasmid nối lại với gen vật chủ Vài loại plasmid khác ý nghĩa sinh học chúng Mặc dù plasmid không mang gen thiết yếu vật chủ, ảnh hưởng đáng kể đến kiểu hình tế bào Chẳng hạn, khả Rhizobium tương tác với thực vật hình thành nốt sần rễ cố định đạm nhờ plasmid thực Những plasmid khác mang lại đặc điểm biến dưỡng đặc biệt tế bào, phân hủy chất gây ô nhiễm độc hại Thực ra, plasmid dường máy để tạo tính chất riêng biệt vi khuẩn, nhiều trường hợp, “xuất khẩu” (export) đặc tính chuyển gen theo chiều ngang Hạn chế kiểu gen có plasmid chúng không can thiệp vào chép vào tồn vật chủ a) Plasmid đề kháng Trong số nhóm plasmid phổ biến nghiên cứu kĩ plasmid R, có khả kháng kháng sinh nhiều chất ức chế sinh trưởng khác Plasmid R lần phát Nhật dòng vi khuẩn ruột; vi khuẩn có tính đề kháng nhiều lọai kháng sinh (đa kháng) kể từ đó, chúng phát khắp giới Bản chất gây nhiễm plasmid tiếp hợp R cho phép chúng lan rộng nhanh chóng quần thể tế bào gây vấn nạn lớn y học lâm sàng xuất nhanh vi khuẩn đề kháng thuốc Một plasmid R mang nhiều gen đề kháng Chẳng hạn, plasmid R100 có 94,3 kbp (hình 20.25), mang gen mã hóa cho kháng sulfonamid, streptomycin spectinomycin, fusidic axit, chloramphenicol, tetracylin số gen kháng thủy ngân (mercury) Plasmid R100 chuyển vi khuẩn đường ruột thuộc chi (Genra) Escherichia, Klebsiella, Proteus, Salmonella Shigella, chuyển vào 4/6 Plasmid vi khuẩn Gram âm Pseudomonas Những plasmid R khác có gen kháng kháng sinh ghi nhận Plasmid R100: RTF vùng gen tra chuyển gen ; r-determinant vùng gen đề kháng (mer - thủy ngân, sul - sulfamid, str - streptomycin,cml - chloramphenicol, tet – tetracyclin) (Theo Brock Microbiology 11, 2006) b) Plasmid mã hóa chất độc độc tính khác Ở số vi khuẩn gây bệnh, số tính chất mang plasmid Thí dụ, dòng E coli gây bệnh đường ruột có tính chất khả sinh sản thành tập đoàn ruột non sản xuất chất độc gây triệu chứng bệnh tiêu chảy Sự hình thành tập đoàn đòi hỏi diện protein bề mặt tế bào gọi yếu tố kháng nguyên tạo quần thể (yếu tố kháng nguyên hình thành tập đoàn), mã hóa plasmid Protein giúp tế bào có khả gắn với tế bào biểu mô ruột Ít hai chất độc E coli gây bệnh đường ruột mã hóa plasmid: hemolysin làm tan tế bào hồng cầu enterotoxin gây tiết nhiều nước muối vào ruột chất độc gây tiêu chảy c) Bacteriocin Nhiều vi khuẩn sản xuất protein ức chế giết chết tế bào loài họ hàng gần, chí dòng khác loài Những tác nhân này, gọi bacteriocin để phân biệt với chất kháng sinh, có phổ tác động hẹp kháng sinh Các gen mã hóa bacteriocin protein chế biến (processing) vận chuyển chúng (tạo tính miễn dịch cho sinh vật sản sinh nó) thường nằm plasmid hay 5/6 Plasmid transposon Bacteriocin đặt tên theo loài tạo E coli có colicin, mã hóa Colplasmid; Bacillus subtilis tạo subtilisin, Plasmid Col E coli mã hóa nhiều colicin khác Colicin giải phóng từ tế bào gắn với thụ thể (receptors) đặc hiệu màng tế bào dễ cảm nhiễm (susceptible) Colicin giết tế bào cách ngăn cản chức quan trọng tế bào Bacteriocin tác nhân tương tự bacteriocin vi khuẩn Gram dương khác colicin thường mã hóa plasmid, số chí có giá trị thương mại Chẳng hạn, vi khuẩn lactic tạo bacteriocin Nisin A ức chế mạnh tăng trưởng loạt vi khuẩn Gr+ dùng làm chất bảo quản công nghệ thực phẩm 6/6 .. .Plasmid Hình hiển vi điện tử plasmid vòng tròn Tương tự, plasmid khác diện tế bào với số lượng khác nhau, gọi số (copy number) Một số plasmid có 1-3 tế bào, plasmid khác lại... plasmid chúng không can thiệp vào chép vào tồn vật chủ a) Plasmid đề kháng Trong số nhóm plasmid phổ biến nghiên cứu kĩ plasmid R, có khả kháng kháng sinh nhiều chất ức chế sinh trưởng khác Plasmid. .. khuẩn chứa vài dạng plasmid khác Ví dụ, Borrelia burgdorferi (nhân tố gây bệnh Lyme) chứa 17 plasmid mạch thẳng vòng Khả hai plasmid khác nhau, mà chép tế bào, kiểm soát gen plasmid tham gia điều