Toàn bộ các đặc điểm của một tế bào vi khuẩn, bao gồm cả những đặc tính y học quan trọng như độc lực, tính chất gây bệnh và khả năng kháng thuốc, được xác định bằng các thông tin di truyền chứa trong hệ gene (genome) của tế bào. Thông tin này thường được mã hóa trong những trình tự nucleotide đặc hiệu trên phân tử DNA. Có 4 loại nucleotide trên phân tử DNA là: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) và thymine (T) được gắn với nhau thành chuỗi thẳng tạo thành các trình tự quyết định các đặc tính của tế bào. Với một vài ngoại lệ, hầu hết các thông tin di truyền mà tế bào cần được sắp xếp dưới dạng một nhiễm sắc thể mạch kép dạng vòng. Một điều đáng chú ý rằng nhiễm sắc thể vi khuẩn là một cấu trúc không hoàn toàn bền vững mà có thể tái sắp xếp thông qua việc chèn thêm hoặc loại bỏ các cấu trúc nhảy (transposon), cấu trúc chèn (integron) (đơn vị di truyền có thể thu nhận và tích hợp một nhóm gene vào hệ gene vi khuẩn thông qua các vị trí nhận biết đặc hiệu) và các đảo gene (genomic islands) dưới các điều kiện môi trường biến động và áp lực chọn lọc tự nhiên. Ở E. coli, nhiễm sắc thể có chiều dài khoảng 1300 µm, cuộn xoắn không đều và nằm tự do trong tế bào chất. Phân tử DNA không liên kết với protein histone như ở nhiễm sắc thể của sinh vật nhân thực, mặc dù cũng có nhiều loại protein liên kết DNA có vai trò điều hòa hoạt động biểu hiện gene và cả một số loại protein có vai trò tương tự như histone.
Ngoài nhiễm sắc thể dạng vòng đơn, tế bào vi khuẩn cũng có thể chứa một hoặc nhiều nhân tố ngoài nhiễm sắc thể dạng vòng gọi là plasmid. Trong tế bào vi khuẩn, plasmid tái bản độc lập so với nhiễm sắc thể. Mặc dù là một yếu tố di truyền phụ, nhưng plasmid thường chứa các thông tin di truyền mã hóa các đặc điểm ưu thế (ví dụ, mã hóa các gene kháng thuốc kháng sinh) cho phép tế bào chủ tồn tại trong rất nhiều điều kiện môi trường khác nhau.
Nguồn thông tin di truyền thứ ba trong một tế bào vi khuẩn có thể được cung cấp bởi sự tồn tại của các loại virus của vi khuẩn được gọi là thể thực khuẩn,
bacteriophage. Thể thực khuẩn bao gồm một vỏ protein bao bọc hệ gene virus và,
bởi vì virus không thể tự sao chép bên ngoài tế bào vi khuẩn chủ của chúng nên chúng thường tiêu diệt tế bào chủ. Trong một số trường hợp, chúng có thể chuyển sang trạng thái tồn tại lâu dài trong tế bào chủ (trạng thái tiềm tan,
lysogeny) nhờ việc chèn hệ gene của chúng vào nhiễm sắc thể vi khuẩn mà không làm chết tế bào chủ. Trong trạng thái như vậy, hệ gene của thể thực khuẩn được gọi là dạng tiền phage (prophage) và nó trở thành một phần trong tổng số thông tin di truyền có trong tế bào chủ và cũng có thể đem lại cho tế bào vi khuẩn chủ những đặc tính mới.
79
Không phải toàn bộ vật chất di truyền đều ở dạng các sợi DNA xoắn kép. Một số thể thực khuẩn chứa các phân tử DNA hoặc RNA sợi đơn và có thể tồn tại ở dạng thẳng hoặc dạng vòng. Các nhân tố di truyền được xem xét ở đây bao gồm các thể thực khuẩn, plasmid và các thành viên của giới vi khuẩn (Bảng 6.1).
Bảng 6.1. Một số ví dụ về các nhân tố di truyền ở vi khuẩn
1.1. Các quá trình dẫn tới việc tổng hợp protein
Đặc điểm của một tế bào vi khuẩn được quyết định chủ yếu bởi các loại polypeptide đặc biệt bao gồm các enzyme và các protein của nó. Phân tử DNA đóng vai trò như một cái khuôn để phiên mã ra RNA nhờ enzyme RNA polymerase và tiếp theo là cho quá trình tổng hợp protein trong tế bào. Trong quá trình phiên mã, trình tự nucleotide trên phân tử DNA quyết định trình tự các ribonucleotide tương tứng trên phân tử RNA thông tin (mRNA). Đến lượt mình, trình tự các ribonucleotide trên phân tử mRNA lại được dịch mã thành trình tự các amino acid trên phân tử protein nhờ các ribosome. Cuối cùng, trình tự sắp xếp các amino acid trong các chuỗi polypeptide được tạo ra quyết định cấu trúc cuộn xoắn của chuỗi polypeptide mà trong nhiều trường hợp, quy định các đặc tính enzyme của phân tử protein hoàn thiện. Một đoạn phân tử DNA quy định việc tổng hợp một chuỗi polypeptide xác định được gọi là một gene, và quá trình phiên mã, dịch mã dẫn tới việc tổng hợp protein được gọi là luận thuyết trung tâm (central dogma) trong sinh học phân tử. Các quá trình này được mô tả trong hình 6.1.
80
Hình 6.1. Học thuyết trung tâm của sinh học phân tử
1.2. Điều hòa gene
Hầu hết vi khuẩn đều chứa đủ lượng DNA để mã hóa cho việc tổng hợp từ 1000 – 3000 chuỗi polypeptide, tương ứng với 1000 – 3000 gene. Tuy nhiên, trong đời sống thông thường của vi khuẩn, một số loại polypeptide chỉ cần thiết trong những giai đoạn nhất định, trái lại một số khác lại chỉ cần thiết khi tế bào được cung cấp một nguồn thức ăn mới, không thông dụng, hay trong trường hợp gặp phải các điều kiện bất lợi như sự có mặt của chất kháng sinh. Do vậy, rất nhiều cơ chế kháng thuốc kháng sinh tìm thấy ở vi khuẩn là ở dạng cảm ứng (inducible). Tổng hợp protein là một quá trình kiểm soát năng lượng chặt chẽ và do đó, sự biểu hiện của rất nhiều gene được kiểm soát một cách chủ động trong tế bào để hạn chế sự lãng phí năng lượng một cách không cần thiết.
81
Ở vi khuẩn, quá trình biểu hiện gene được điều hòa chủ yếu ở cấp độ phiên mã nhờ vậy mà bảo tồn được năng lượng và các bộ máy phiên mã – dịch mã. Điều này được thực hiện bởi các nhân tố điều hòa có tác dụng kìm hãm hoặc tăng cường tốc độ khởi đầu và kết thúc quá trình phiên mã của một gene. Có rất nhiều cơ chế điều hòa phức tạp có liên quan tới việc phối hợp rất nhiều phản ứng hóa sinh xảy ra bên trong tế bào, tuy nhiên các gene có liên quan tới một cơ chế điều hòa nào đó thường được sắp xếp gần nhau ở một vị trí trên nhiễm sắc thể. Những nhóm chức năng như vậy được gọi là các operon, mà ví dụ điển hình là lactose operon ở E. coli (Hình 6.2).
Hình 6.2. lac operon ở E. coli
Để quá trình phiên mã xảy ra như là giai đoạn đầu của quá trình tổng hợp protein, phân tử RNA polymerase phải liên kết được với sợi DNA tại vùng khởi động (promoter) đặc biệt và tiến hành dịch mã DNA theo một chiều xác định. Quá
82
trình này có thể bị ngắt bằng việc gắn một phân tử ức chế (repressor) vào một vùng đặc biệt trên phân tử DNA, được gọi là vùng điều hòa (operator). Vùng này nằm giữa vùng promoter và vùng gene cấu trúc (structural gene) được phiên mã. Phân tử ức chế sẽ kìm hãm sự di chuyển của phân tử RNA polymerase do vậy các gene cấu trúc phía sau không được phiên mã.
Chất ức chế thường là một phân tử dị lập thể với hai vị trí hoạt động. Một vị trí nhận biết vùng điều hòa sao cho phân tử ức chế có thể gắn vào đó và kìm hãm quá trình phiên mã. Vị trí còn lại nhận biết một phân tử cảm ứng (inducer). Khi có mặt phân tử cảm ứng, nó liên kết với phân tử ức chế và làm thay đổi hoàn toàn khả năng bám đặc hiệu của vị trí còn lại, vì thế phân tử ức chế không còn khả năng bám vào vùng điều hòa nữa và quá trình phiên mã được tiếp tục xảy ra.
Có rất nhiều biến thể của cơ chế điều hòa hoạt động gene cơ bản nêu trên. Ví dụ, một phân tử ức chế không hoạt động ở điều kiện bình thường nhưng lại được hoạt hóa nhờ sản phẩm cuối của một quá trình sinh tổng hợp; do vậy, chỉ khi sản phẩm cuối cùng xuất hiện với nồng độ thích hợp thì phân tử ức chế mới liên kết với vùng điều hòa và kìm hãm quá trình phiên mã của operon. Theo cách khác, quá trình điều hòa một số operon có liên quan tới các protein gắn vào DNA và trợ giúp cho phân tử RNA polymerase khởi động quá trình phiên mã. Cuối cùng cần lưu ý một điều rằng, điều hòa gene ở prokaryote thường liên quan tới những cơ chế đan xen nhau để đáp ứng lại những kích thích từ môi trường bên ngoài. Những mạng lưới gene này được tổ chức thành các đơn vị chức năng được gọi là
stimulon khi chúng cùng đáp ứng lại một tín hiệu nào đó; hay các regulon khi
chúng cùng được điều hòa bởi một phân tử protein.