Giáo trình di truyện học vi sinh vật và ứng dụng

Giáo trình di truyền học vi sinh vật và ứng dụng

HOÀNG TRNG PHÁN (Ch biên) TRNG TH BÍCH PHNG μ NHÀ XUT BN I HC HU Hu - 2008 1 Li nói đu n nay, di truyn hc ra đi ch mi hn mt trm nm song nó đã phát trin vi mt tc đ ht sc nhanh chóng. c bit là, trong vòng 50 nm li đây k t ngày James Watson và Francis Crick khám phá ra cu trúc phân t DNA, 25/4/1953. S hoàn thành vic Gii mã di truyn bi hai nhóm nghiên cu ca Marshall Nirenberg và Gobind Khorana vào tháng 6 nm 1966, và s ra đi ca K thut di truyn vào gia thp niên 1970 là hai s kin ni bt nht k t sau khi Sinh hc phân t ra đi. S phát trin cùng vi nhng thành tu đt đc ca di truyn hc trong thi gian qua qu là vô cùng to ln!  góp phn đi mi ni dung giáo trình Di truyn hc Vi sinh vt và ng dng theo hng cp nht kin thc cng nh phng pháp dy và hc b môn  bc i hc, chúng tôi đã tham cu nhiu tài liu khác nhau và n lc biên son giáo trình trên tinh thn y. Chúng tôi hy vng rng giáo trình này s đáp ng đc phn nào nhu cu ging dy và hc tp ca ging viên và sinh viên, và cng có th s dng nh mt tài liu tham kho b ích cho giáo viên Sinh hc các trng THPT trong bi cnh đi mi giáo dc hin nay. Ni dung giáo trình gm Bài m đu và 8 chng: Chng 1 gii thiu các đc đim ca di truyn hc vi sinh vt. Chng 2 - C s phân t ca tính di truyn - trình bày khái quát v cu trúc và t chc ca các b gene vi sinh vt và các c ch truyn thông tin di truyn ch yu là  sinh vt tin nhân (prokaryote). Chng 3 đi sâu phân tích các khía cnh ca các nguyên lý điu hoà biu hin gene  vi khun. Chng 4 - Bin d  vi sinh vt - đ cp đn các quá trình bin đi ca vt cht di truyn  các vi sinh vt (đt bin gene, sa cha DNA và các yu t di truyn vn đng). Chng 5 tp trung vào lnh vc di truyn hc ca các virus. Chng 6 trình bày các nguyên lý ca di truyn hc vi khun - tip hp, bin np và ti np. Chng 7 gii thiu nhng hiu bit mi có tính cht đi cng v di truyn vi nm và vi to. Và chng 8 tp trung trình bày các khái nim, phng pháp và thành tu ca lnh vc công ngh DNA tái t hp - to dòng gene  vi sinh vt, cng nh các ng dng ca nguyên lý k thut di truyn liên quan vi sinh vt trong vic to ra các sinh vt bin đi gene (genetically modified organisms = GMOs) và phóng thích chúng 2 vào môi trng. Cui mi chng đu có các phn Câu hi và Bài tp và Tài liu tham kho đ bn đc tin ôn tp và tra cu. Và, trong chng mc có th, các thut ng khoa hc thông dng đc s dng bng ting Anh hoc chú thích trong ngoc đn đ giúp ngi hc d dàng hn trong vic tip cn thông tin qua sách báo nc ngoài hoc internet. Giáo trình Di truyn Vi sinh vt và ng dng do ThS. Hoàng Trng Phán và TS. Trng Th Bích Phng - các ging viên đang công tác ti Khoa Sinh hc các trng i hc S phm và i hc Khoa hc, i hc Hu - biên son, vi s phân công nh sau: ThS. Hoàng Trng Phán ch biên vi Bài m đu và các chng 1, 2, 3, 6, và 8; TS. Trng Th Bích Phng biên son các chng 4, 5 và 7. Chúng tôi xin trân trng cm n D án Giáo dc i hc Hu đã tài tr cho vic biên son giáo trình trong khuôn kh ca D án Giáo dc i hc mc B. Chúng tôi xin bày t lòng cm n đc bit đn PGS. TS. Phm Thành H - Trng i hc Khoa hc T nhiên, i hc Quc Gia Tp. H Chí Minh đã dày công đc bn tho và cho nhiu ý kin quý báu. Do kh nng còn hn ch, chc chn giáo trình còn nhiu thiu sót. Chúng tôi rt mong nhn đc s phê bình và ch bo ca các đng nghip và bn đc đ giáo trình đc hoàn chnh hn trong ln in sau. Xin trân trng cm n! Hu, ngày 10 tháng 5 nm 2006 Các tác gi, HOÀNG TRNG PHÁN TRNG TH BÍCH PHNG 3 Mc lc Li nói đu 3 Mc lc 5 Bài m đu: Di truyn hc vi sinh vt và cuc cách mng công ngh sinh hc Hoàng Trng Phán 8 Chng 1: Các đc đim ca di truyn hc vi sinh vt Hoàng Trng Phán 23 I. Lc s vi sinh vt hc 23 II. Các loi t bào 24 III. c đim ca vi sinh vt 30 IV. Các phng pháp nghiên cu đc thù ca di truyn hc VSV và mt s phng pháp sinh hc phân t thông dng 34 V. Vai trò ca vi sinh vt trong đi sng và sn xut 44 Chng 2: C s phân t ca tính di truyn Hoàng Trng Phán 50 I. S lc v thành phn hoá hc và cu trúc ca các nucleic acid 50 II. T chc phân t ca các nhim sc th vi khun và sinh vt nhân chun 54 III. Tái bn DNA (DNA replication) 61 IV. Phiên mã (transcription) và các loi RNA  prokaryote 64 V. C ch dch mã (transcription)  prokaryote 69 Chng 3: iu hoà biu hin gene  vi khun Hoàng Trng Phán 76 I. Các nguyên lý điu hoà 76 II. Mô hình Operon 77 III. iu hoà âm tính ca các operon cm ng: lac operon 79 1. Cu trúc ca lac operon 79 2. C ch điu hoà âm tính ca lac operon 80 3. Các th đt bin ca lac operon 81 IV. iu hoà âm tính ca các operon c ch: trp operon 84 1. Cu trúc ca trp operon 85 4 2. C ch điu hoà âm tính ca trp operon 85 V. S c ch d hoá (catabolite repression): iu hoà dng tính ca lac operon 87 VI. S kt thúc phiên mã sm (attenuation)  trp operon 89 VII. S t điu hoà (autoregulation) 91 VIII. iu hoà  mc dch mã 92 Chng 4: Bin d  vi sinh vt Trng Th Bích Phng 97 I. t bin gene  vi sinh vt 97 1. Các kiu đt bin gene 97 2. Các tác nhân gây đt bin (mutagens) 102 3. Phát hin các th đt bin 105 4. C ch phân t ca các đt bin gene 106 II. Sa cha và bo v DNA  vi khun 107 1. Quang phc hot (photoreactivation) 107 2. Sa cha bng ct b (excision repair) 107 3. Sa cha kt cp sai (mismatch repair) 109 4. Sa cha tái t hp và error-prone 110 5. Bo v DNA vi khun bng h thng các enzyme methylase và restrictase 111 III. Các yu t di truyn vn đng (transposable genetic elements) 112 1. Các yu t di truyn vn đng  vi khun 112 2. Các yu t di truyn vn đng  virus 115 3. Các yu t di truyn vn đng  vi nm 115 Chng 5: Di truyn hc virus Trng Th Bích Phng 118 I. c tính ca các virus 118 1. Tính đa dng v cu trúc và thành phn di truyn 118 2. Tính đc thù v vt ch (host specificity) 118 II. Di truyn hc th thc khun (bacteriophage hay phage) 118 1. S hình thành vt tan và các th đt bin phage 118 2. Tái t hp di truyn trong mt chu k sinh tan (lytic cycle) 120 3. S sp xp ca các gene trong nhim sc th phage 120 5 4. Lp bn đò cu trúc tinh vi vùng rII ca phage T4 122 5. Tính tim tan (lysogeny) và phage  125 III. Tái bn ca các virus 128 1. Các virus ca vi khun 128 2. Các virus thc vt 130 3. Các virus đng vt 131 4. Các virus gây ung th, HIV/AIDS 132 Chng 6: Di truyn hc vi khun Hoàng Trng Phán 138 I. Làm vic vi vi khun 139 1. Các th đt bin ca vi khun 141 2. Kiu hình và kiu gene ca vi khun 142 II. Bin np (transformation)  vi khun 143 1. nh ngha, thí nghim và đc đim chung 143 2. C ch phân t ca bin np 143 III. Tip hp (conjugation)  vi khun 145 1. nh ngha, thí nghim và đc đim chung 145 2. Các plasmid và s truyn DNA  vi khun 150 3. Nòi Hfr 151 4. S xen plasmid F vào nhim sc th vt ch 152 5. Lp bn đ bng tip hp ngt quãng 154 6. Lp bn đ vi E. coli: Các plasmid F' và trc nghim cis- trans 155 IV. Ti np (transduction) 156 1. nh ngha, thí nghim và đc đim chung 156 2. Ti np chung (generalized transduction) 156 3. Ti np chuyên bit (specialized transduction) 158 4. Lp bn đ các đt bin bng ti np 159 Chng 7: Di truyn hc vi nm và vi to Trng Th Bích Phng 162 I. i cng v nghiên cu di truyn  mt s vi to thông dng 162 II. Phân tích di truyn  vi nm 163 1. Tính không dung hp  vi nm 163 6 2. Phân tích b bn và lp bn đ  vi nm 164 3. Phân tích di truyn trong chu trình cn hu tính (tái t hp trong nguyên phân) 167 III. Nm men nh là E. coli ca các t bào eukaryote 168 1. Các nhim sc th nm men nhân to (YAC) 168 2. Nhng hiu bit mi v t chc ca các nhim sc th nm men 170 3. Nhng hiu bit mi v tái bn và phiên mã ca b gene nm men 170 4. Nhng hiu bit mi v DNA ty th ca nm men 172 Chng 8: Di truyn vi sinh vt và công ngh gene Hoàng Trng Phán 175 I. Các công c thit yu ca k thut di truyn 175 1. Các enzyme gii hn và mt s enzyme khác 175 2. Các vector 178 II. Các phng pháp c bn ca vic xây dng phân t DNA tái t hp in vitro 182 III. To dòng gene  vi khun 183 1. Phân lp và tách chit các đon DNA ngoi lai 184 2. Kin to phân t DNA tái t hp in vitro 184 3. Chn lc vt ch thích hp và chuyn các gene vào t bào ch 185 4. Xác đnh các vi khun tái t hp 186 5. Phát hin và sàng lc nucleic acid ngoi lai và protein 188 6. Cho biu hin gene ngoi lai 190 IV. Phóng thích ra môi trng các sinh vt đc bin đi gene 193 V. S dng các vi sinh vt đ chuyn gene vào các thc vt 196 VI. S dng các vi sinh vt đ chuyn gene vào t bào đng vt 208 VII. To các ging vi sinh vt mi bng k thut di truyn 211 VIII. Mt s ng dng khác ca k thut di truyn  vi sinh vt 211 7 Bài m đu Di truyn hc Vi sinh vt và Cách mng Công ngh Sinh hc I. S ra đi và phát trin ca di truyn hc và công ngh DNA tái t hp S ra đi và phát trin ca di truyn hc gn lin vi tên tui ca Gregor Mendel nm 1865 và tri qua các giai đon sau đây. 1. S ra đi và phát trin ca di truyn Mendel T đu Hà Lan (Pisum sativum), vi ý tng và phng pháp nghiên cu đc đáo, nm 1865 Gregor Mendel (Hình 1) đã phát hin ra các quy lut di truyn c s đu tiên và qua đó suy ra s tn ti tt yu ca các đn v đi truyn đc thù - nhân t di truyn (genetic factor) - quy đnh các tính trng đc truyn t th h này sang th h khác mà sau này gi là gene. Tuy nhiên, gii khoa hc đng thi không hiu và do đó không th đánh giá tm vóc v đi ca phát minh này. Hình 1 G. Mendel Mãi đn nm 1900, ba nhà thc vt hc là Carl Correns (Germany), Hugo de Vries (Netherlands) và Erich von Tschermak (Austria) đc lp nhau khám phá li các quy lut di truyn ca Mendel. Và di truyn hc chính thc ra đi t đây mà ngi sáng lp là Mendel. 2. S ra đi và phát trin ca thuyt di truyn nhim sc th T 1910, Thomas Hunt Morgan (Hình 2) cùng vi ba cng s là Alfred H.Sturtevant, Calvin Bridges và Herman J. Muller đã xây dng thành công thuyt di truyn nhim sc th (chromosome theory of inheritance) da trên đi tng nghiên cu là rui gim Drosophila melanogaster. Hc thuyt này xác nhn rng gene là đn v c s ca tính di truyn nm trên nhim sc th ( trong nhân); trên đó các gene sp xp theo đng thng to thành nhóm liên kt. Nhng đóng góp đáng k ca các môn đ xut sc ca Morgan đó là: xây dng bn đ di truyn (Sturtevant 1913), ch ra c ch xác đnh các kiu hình gii tính  rui gim (Bridges 1916) và phát Hình 2 T.H.Morgan 8 trin phng pháp gây đt bin bng tia X (Muller 1927). Vi đóng góp to ln đó Morgan đã đc trao gii Nobel nm 1933 và Muller nm 1946. Nm 1931, Barbara McClintock (Hình 3) và Harriet Creighton thu đc bng chng vt lý trc tip v tái t hp  ngô. Sau đó, hin tng này cng đc C. Stern quan sát  Drosophila. Nh vy tái t hp có th đc phát hin c v mt vt lý ln di truyn  đng vt cng nh  thc vt. n 1944, McClintock phát hin các yu t di truyn vn đng (transposable genetic elements), và bà đã đc trao gii Nobel nm 1983 v khám phá này. Hình 3 B.McClintock 3. S ra đi và phát trin ca di truyn hc phân t S ra đi ca di truyn hc phân t (molecular genetics) gn lin vi các khám phá v DNA (deoxyribonucleic acid) t gia th k XX trên đi tng nghiên cu ch yu là các vi sinh vt. Tuy nhiên, trc đó Friedrich Miescher (1869) đã khám phá ra mt hn hp trong nhân t bào gi là nuclein mà thành phn chính ca nó sau này đc bit là DNA. V mi quan h gia gene và protein, t 1902 Archibald Garrod qua nghiên cu bnh alcaptonuria  ngi đã gi ý rng đây là mt tính trng ln Mendel, có th liên quan ti s sai hng mt enzyme. Bng các thí nghim gây đt bin các gene liên quan đn các con đng sinh hóa trên nm mc Neurospora, nm 1941 George Beadle và E.L.Tatum (Hình 4) xác nhn mi gene kim soát s tng hp mt enzyme đc thù. Chính gi thuyt mt gene-mt enzyme (one gene-one enzyme hypothesis) ni ting này đã m đng cho s ra đi ca di truyn hóa-sinh, và hai ông đã đc trao gii Nobel cùng vi Joshua Lederberg nm 1958. V sau, gi thuyt này đc chính xác hóa là mt gene xác đnh ch mt chui polypeptid - cu trúc s cp ca các protein, trong đó có các enzyme. Hình 4 Beadle, Tatum, Jacob và Monod (t trái sang) Vy bn cht ca gene là gì? Nm 1944, Oswald Avery (Hình 5) và [...]... ng bi n i gene (genetically modified organisms = GMOs), d án b gene ng i (Human Genome Project = HGP) gây ra không ít hoài nghi, tranh cãi xung quanh các v n v o lý sinh h c (bioethics) và an toàn sinh h c (biosafety) 11 II Di truy n h c vi sinh v t v i cách m ng công ngh sinh h c Cho n u th p niên 1940 các vi sinh v t, bao g m các vi khu n và virus c a chúng và các vi sinh v t nhân chu n n bào nh... (i) Nh!ng g c r l ch s c a vi sinh h c - Robert Hook, van Leeuwenhoek và Cohn; (ii) Pasteur, Koch và các k" thu t nuôi c y thanh trùng; (iii) Tính ña d ng vi sinh v t và s ra ñ i c a vi sinh v t h c ñ i cương; và (iv) K# nguyên hi n ñ i c a vi sinh v t h c $ ñây, t m xét theo quan ni m c a McKane và Kandel (1996) Có th nói r ng t% n a sau th& k# XIX, s phát tri n c a vi sinh h c g'n li n v i b n hư... a Di truy n h c Vi sinh v t I Sơ lư c l ch s vi sinh v t h c Vi sinh v t (microorganisms, microbials) là tên g i chung dùng ñ ch t t c các sinh v t có hình th bé nh mà ch có th nhìn th y dư i kính hi n vi quang h c ho c kính hi n vi ñi n t Lĩnh v c nghiên c u này g i là Vi sinh h c (microbiology), ra ñ i cách ñây hơn 300 năm b i Antoni van Leeuwenhoek (1676; hình 1.1) v i khám phá ñ u tiên các vi sinh. .. ti n b c a công ngh sinh h c (biotechnology) nói chung ã có nh ng tác ng m nh m lên nhi u ngành khoa h c và trên m i m t c a i s ng, kinh t , chính tr và xã h i ph m vi toàn c u Di truy n h c nói chung và di truy n h c vi sinh v t nói riêng c hình dung v trí trung tâm và giao thoa v i sinh h c, hóa sinh h c, k ngh , y-d c, nông nghi p, sinh thái h c, kinh t h c, lu t, xã h i h c và tri t h c (Hình 9)... di truy n h c T ây hình thành các l nh v c di truy n h c sinh- hoá và di truy n h c vi sinh v t, hai n n t ng chính cho s ra i c a di truy n h c phân t (1953) và công ngh ADN tái t h p sau này (1978) ây vi khu n E coli c xem là m t sinh v t mô hình nh t quán tuy t v i c a di truy n h c hi n i Nó c s d ng m t cách r ng rãi trong các thí nghi m ch ng minh các ph ng th c tái b n bán c a DNA (Meselson và. .. ng pháp và k thu t m i trong sinh h c phân t nh : (i) Kính hi n vi i n t ; (ii) Tách chi t và phân tích nh tính và nh l ng thô nucleic acid; (iii) Xác nh trình t nucleic acid c a gene (b ng ph ng 13 pháp hoá h c c a Maxam và Gilbert và b ng ph ng pháp didesoxy c a Sanger); (iv) Lai phân t nucleic acid; (v) ánh d u ng v phóng x và s d ng các m u dò; (vi) PCR; (vii) T o dòng DNA tái t h p; (viii) Gây... lo i t bào vi sinh v t prokaryote và eukaryote Các vi sinh v t không ph i là m*t nhóm riêng bi t ho c m*t ñơn v phân lo i, mà thư ng bao g)m nhi u nhóm gi i khác nhau r t ña d ng, t% các virus (xem chương 5), vi khu.n cho ñ&n các vi sinh v t eukaryote D a vào phân lo i h c phân t , năm 1977 Carl Woese chia sinh v t nhân sơ thành 2 nhóm d a trên trình t 16S rRNA, g i là nhóm hay v c (domain) vi khu n... n hoá nhanh: Các vi sinh v t tuy nh bé nh t trong sinh gi i, nhưng năng l c h p thu và chuy n hoá c a chúng có th vư t xa các sinh v t b c cao Ch ng h n, vi khu.n lactic (Lactobacillus) trong 1 gi có th phân gi i m*t lư ng ñư ng lactose n ng hơn 1.000-10.000 l n kh i lư ng cơ th chúng • Kh năng sinh s n nhanh: So v i các sinh v t khác thì các vi sinh v t có t c ñ* sinh trư ng và sinh sôi n y n c c... 69 nghìn loài, vi t o - 23 nghìn, vi khu.n lam - 2,5 nghìn, vi khu.n - 1,5 nghìn, virus và ricketsi - 1,2 nghìn 2 ð c ñi m c a vi khu n 2.1 ð c ñi m sinh s n Vi khu.n sinh s n b ng cách chia ñôi (binary fission) hay tr c phân (amitosis) M c dù không có hình th c sinh s n h!u tính (ch là sinh s n c n h u tính, parasexual reproduction), các bi&n ñ,i di truy n v3n x y ra trong t%ng t& bào vi khu.n thông... t h p và l p b n di truy n, nghiên c u c u trúc tinh vi và ch c n ng sinh hoá c a gene (Benzer 1961; Yanofsky 1961); c ch i u hoà sinh t ng h p protein (Jacob và Monod 1961) v.v N m men bia S.s cerevisiae c ng s m c s d ng làm mô hình cho các nghiên c u di truy n h c eukaryote và ng d ng r ng rãi trong công ngh DNA tái t h p sau này V i s phát tri n vô cùng nhanh chóng c a di truy n h c trong vài th