Bài giảng Di truyền vi sinh vật - Bài 5: Di truyền vi khuẩn

Nội dung text: Bài giảng Di truyền vi sinh vật - Bài 5: Di truyền vi khuẩn

1. Bài 5 Di truyền vi khuẩn
2. Di truyền vi sinh vật Vật liệu di truyền . Vật liệu di truyền của vi khuẩn và plasmid là ADN . Virus của vi khuẩn (bacteriophage hoặc phage) cĩ ADN hoặc ARN là vật liệu di truyền
3. Di truyền vi sinh vật . Hai chức năng thiết yếu của vật liệu di truyền là sao chép và biểu hiện . Vật liệu di truyền phải sao chép chính xác để truyền lại tất cả các tính trạng của cha mẹ . Biểu hiện vật liệu di truyền chuyên biệt ở điều kiện tăng trưởng xác định → kiểu hình đặc trưng
4. Di truyền vi sinh vật Đặc điểm của di truyền vi sinh vật - Khuẩn lạc (dịng tế bào) là 1 cụm tế bào cĩ nguồn gốc từ 1 tế bào ban đầu - Chủng: dịng tế bào mang 1 đặc điểm di truyền nào đĩ. Các đột biến ở vi sinh vật thường được phát hiện theo sự biến đổi các tính trạng sau: - Hình thái: kích thước, hình dạng tế bào hay khuẩn lạc, cĩ màng nhân hay khơng - Sinh hĩa: sự hiện diện của các sắc tố, màu sắc đặc trưng - Nuơi cấy: kiểu hơ hấp, kiểu dinh dưỡng, nhu cấu đoi các nhân tố tăng trưởng - Tính đề kháng: kháng thuốc, kháng phage, chịu nhiệt - Miễn nhiễm: phản ứng kháng nguyên, kháng thể Các đột biến cĩ thể xuất hiện ngẫu nhiên hay do gây tạo nhờ các tác nhân gây đột biến. Mỗi gen cĩ tần số đột biến đặc trưng.
5. Di truyền vi sinh vật Các sinh vật Prokaryote (vi khuẩn, virus) cĩ quá trình sinh sản tương đương sinh sản hữu tính gọi là quá trình sinh sản cận hữu tính Đặc điểm quá trình sinh sản cận hữu tính : - Truyền thơng tin một chiều từ tế bào thể cho sang tế bào thể nhận - Tạo thành hợp tử một phần (merozygote). Tế bào thể cho (donor) chuyển một đoạn của bộ gen sang tế bào thể nhận (recipient), nên chỉ lưỡng bội một phần, cịn các phần khác đơn bội. - Bộ gen thường chỉ là DNA trần, nên chỉ cĩ một nhĩm liên kết gen và tái tổ hợp thực chất là lai phân tử.
6. Di truyền vi sinh vật ĐV bậc cao 2 gamet → tạo hợp tử Vi khuẩn TB cho → TB nhận 1 phần hợp tử 1 phần 1 chiều
7. Di truyền vi sinh vật Cấu trúc Acid Nucleic
8. ADN: cấu trúc, đặc tính, tổng hợp ADN = Acid Deoxyribonucleic 3 thành phần chính: Deoxyribose –phân tử đường Phosphate – tạo khung Các baseNitơ – Thymin, Adenin, Guanin, Cytosin
9. Cấu trúc ADN Tất cả nucleotid cĩ cấu trúc chung
10. Cấu trúc ADN Cĩ năm base chính trong acid nucleic A, G, T, C cĩ trong ADN A, G, U, C cĩ trong ARN
11. Cấu trúc ADN Các tiểu đơn vị nucleotide nối với nhau bởi liên kết phosphodiester
12. Cấu trúc ADN ADN tự nhiên là xoắn kép của chuỗi đối song gắn bổ sung vào nhau bằng: Liên kết Hydrogen bổ sung nhau giữa các cặp base (A- T or G-C) Tương tác kỵ nước giữa các base hai chiều
13. Di truyền vi khuẩn Sao chép ADN nhiễm sắc thể vi khuẩn
14. Di truyền vi khuẩn Nhiễm sắc thể của vi khuẩn . Thơng tin của tế bào vi khuẩn nằm trên một phân tử ADN mạch kép vịng trịn đơn được gọi là genophore, hay “NST” . Gần đây đã phát hiện thấy rằng ít nhất ở một số vi khuẩn ADN tạo thành phức hợp với protein cĩ tính base để hình thành sợi nhiễm sắc như histon ở NST Eukaryote . Ngồi ra ở một số vi khuẩn cịn cĩ thêm plasmid là phân tử ADN vịng trịn nhỏ cĩ khả năng sao chép độc lập
15. Di truyền vi khuẩn Nhiễm sắc thể của vi khuẩn . Là một vịng kín ADN sợi đơi xoắn kép . Dài khoảng 1mm, đường kính khoảng 2 nm, chứa 2,2 triệu cặp base nitơ (2,2 Mb) . Cuộn xoắn để chứa được trong 1 tế bào < 2 m . Nhiễm sắc thể của E. coli chứa gần 4000 gen . một số virus chỉ chứa 7 gen . người ~ 30 000 gen
16. Tế bào vi khuẩn E. coli
17. Di truyền vi khuẩn Sao chép ADN vi khuẩn . Phân tử ADN gắn trực tiếp vào màng sinh chất . Sự sao chép ADN tạo ra 2 bản sao gắn chung nhau trên màng sinh chất. Khi tế bào kéo dài ra các bản sao DNA tách xa nhau do phần màng giữa chúng lớn dần ra → Kiểu sinh sản vơ tính này được gọi là ngắt đơi (Binary fission) . Tế bào vi khuẩn chia nhanh hơn rất nhiều so với tế bào Eukaryote . Quá trình sao chép DNA được bắt đầu từ điểm xuất phát Ori kéo dài về 2 phia song song với quá trình kéo dài màng sinh chất, nơi cĩ điểm gắn vào của DNA bộ gen, mọc dài tách 2 phân tử DNA về 2 tế bào con
18. Tế bào vi khuẩn phân chia theo trực phân
19. Circular genetic map của E. coli
20. Các kiểu sao chép ADN ở E. coli
21. Các kiểu sao chép ADN ở E. coli Kiểu tái bản theta (kiểu tái bản Cairns) . Phân tử ADN cuộn xoắn cĩ dạng hình trịn và tái bản bắt đầu tại điểm xuất phát Ori và đi theo hai chiều quanh vịng trịn . Các phân tử tái bản giống chữ cái Hy Lạp theta (). Kiểu này do John Cairns tìm ra năm 1962 nên cịn gọi là kiểu Cairns.
22. Các kiểu sao chép ADN ở E. coli Hình phĩng xạ tự ghi sự sao chép nhiễm sắc thể của E. coli Autoradiograph of intact replicating chromosome of E coli. Bacteria were radioactively labeled with tritiated thymidine for approximately two generations and were lysed gently. Bacterial DNA was then examined by autoradiography. Insert shows replicating bacterial chromosome in diagrammatic form. The chromosome is circular, and two forks (X and Y) are present in replicating structure. The segments of chromosome represented by double lines had completed two replications in presence of tritiated thymidine, whereas segments represented by a solid line and a dotted line had replicated only once in presence of tritiated thymidine. The density of grains in the autoradiogram was twice as great in the segments of chromosome that had completed two cycles of replication in presence of tritiated thymnidine. Bar, 100 μm. From Cairns, J.P.: Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology 28:44, 1963.
23. Các kiểu sao chép ADN ở E. coli Cơ chế lăn vịng (rolling circle mechanisme) . Quá trình này xảy ra ở vi khuẩn thơng qua quá trình tiếp hợp . Trong khi một mạch của ADN vẫn cịn thắt nùi, thì enzym đã bắt đầu cắt sợi kia. Khi đĩ sợi đứt sẽ 'cởi' vịng và đĩng vai trị khuơn tổng hợp sợi ADN bổ sung. Sau đĩ hai sợi tổ hợp lại thành dạng xoắn kép mới. Lúc bấy giờ một nùi nguyên ADN đã quay được 360o và lại được dùng làm khuơn để tổng hợp tiếp sợi bổ sung
24. Các kiểu sao chép ADN ở E. coli Tái bản bằng cơ chế lăn vịng Một dây đơn bị cắt trong vòng xoắn kép ADN Vòng lăn từ từ Bắt chéo tại “đuôi” Kết thúc lăn vòng và vòng nguyên vẹn hình thành
25. Các con đường chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Tiếp hợp (conjugation) Biến nạp (transformation) Tải nạp (transduction)
26. Các con đường chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Biến nạp - transformation Tải nạp - transduction Tiếp hợp - conjugation
27. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp Sự truyền ADN từ tế bào này (cĩ F) sang tế bào khác qua sự tiếp giáp hai tế bào Tần số tổ hợp: 10-6 1946, Joshua Lederberg và Edward Tatum (Nobel 1958) thí nghiệm với hai chủng E. coli K12 khuyết dưỡng
28. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp TB cho Sợi cịn lại Protein tháo xoắn Mồi Protein màng mã hĩa plasmid Vách tế bào Protein vỏ đặc hiệu của TB nhận Sợi truyền qua Mồi TB nhận
29. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp Tế bào cho ADN F+ Tế bào nhận ADN F- Yếu tố F độc lập tích hợp với bộ gen (Hfr) tách ra từ bộ gen (F’) Yếu tố F là một episome chứa 19 gene và cĩ khả năng làm tiếp hợp tế bào chứa nĩ
30. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp Yếu tố F độc lập F+
31. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp Yếu tố F độc lập F+ x F- → F+ + F+ F+ F- F+ F- F+ F+ F+ F+ Gen được truyền qua ở mức độ thấp
32. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp Yếu tố F tích hợp với bộ gen (Hfr) F+ Hfr F+ Hfr
33. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp Tham gia của Hfr Hfr x F- → Hfr + F- Hfr F- Hfr F- Hfr F- Hfr F- Gen được truyền qua ở mức độ cao
34. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp Yếu tố F tách ra từ bộ gen (F’) Hfr F’ Hfr F’
35. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp F’ F’ x F- → F’ + F’ (giới nạp, F-duction, F-sexduction) F’ F- F’ F- F’ F’ F’ F’ Gen trên F’ được truyền qua ở mức độ cao
36. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp - giữa các vi khuẩn cùng lồi: E. coli, Streptococcus mutans, S. coelicolor - giữa các chi khác nhau Escherichia với Shigella Salmonella với Serratia Escherichia với Salmonella Bacteroides và các lồi Clostridium
37. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Sự tiếp hợp - Dùng để xác định khoảng cách tương đối giữa các gen → 2 gen càng gần nhau, tiếp hợp càng dễ xảy ra Khoảng cách trên bản đồ vi khuẩn luơn biểu hiện là phút do kỹ thuật này. - Cĩ ý nghĩa trong phịng tránh sự tiếp hợp khơng cĩ lợi, nhất là trong truyền gen đề kháng kháng sinh
38. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Biến nạp (transformation) ADN trần từ một tế bào vi khuẩn thể cho được truyền sang tế bào vi khuẩn thể nhận khác 1928, Frederick Griffith, thí nghiệm trên Streptococcus pneumoniae, dạng R khơng cĩ nang → dạng S cĩ nang do hiện tượng biến nạp. 1944, T. Avery, Mc. Leod và Mc. Carty xác định rõ tác nhân gây biến nạp là ADN.
39. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Biến nạp Khi tế bào vi khuẩn bị vỡ do làm tan, DNA vịng của chúng thốt ra mơi trường thành các đoạn thẳng với chiều dài khác nhau cĩ khả năng gây biến nạp cho các tế bào thể nhận khác Được nghiên cứu nhiều ở : Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis, Haemophilus parainfluenzae Neisseria, Azotobacter, Rhizobium, Staphylococcus aureus, Agrobacterium radiobacter, E. coli K12
40. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Biến nạp
41. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Biến nạp Hiệu quả của biến nạp phụ thuộc vào 3 yếu tố: + Tính dung nạp của tế bào thể nhận . phải cĩ trạng thái sinh lý đặc biệt để nhận đoạn ADN . Ví dụ: Streptococcus pneumoniae: 30 - 80 điểm nhận Haemophilus influenzae: 4-8 điểm nhận + ADN phải ở dạng mạch kép, thường là đoạn nhỏ E.coli đoạn DNA biến nạp ~ 1/250 - 1/500 genom vi khuẩn + Nồng độ của ADN Số lượng tế bào được biến nạp tăng tỉ lệ thuận với nồng độ của ADN
42. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Cơ chế biến nạp 1. Thâm nhập của DNA . DNA gắn với điểm nhận của màng tế bào . Gắn cĩ thể là thuận nghịch: gắn nhả ra 2. Bắt cặp . DNA của thể nhận R sẽ biến tính tách rời 2 mạch ở một đoạn → bắt cặp với đoạn DNA thể cho S vừa vơ . Đoạn DNA của R ở đoạn cĩ DNA của S bắt cặp sẽ bị cắt đứt và đẩy ra. . Trong quá trình bắt cặp, cĩ những đoạn khơng tương đồng thì sẽ hình thành nên những vịng lồi, những đoạn đĩ gọi là Heteroduplex. Cịn các đoạn bắt cặp tương đồng gọi là Homoduplex 3. Sao chép Sau khi bắt cặp sẽ tạo phân tử DNA cĩ đoạn lai R-S, tiến hành sao chép để tạo ra hai sợi kép: R-R và S-S.
43. Cơ chế biến nạp Tế bào nhận GđGđGđ 1:3:2: ThâmSaoBắt cặpchép nhập ADN Các mảnh ADN từ ADN nhiễm sắc thể các tế bào cho Tế bào nhận bắt giữ ADN cho Phân cắt ADN Tái tổ hợp xuất hiện khơng tái tổ hợp giữa ADN cho và ADN nhận
44. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Biến nạp tự nhiên . Biến nạp vi khuẩn cĩ thể xảy ra trong tự nhiên, nhưng với tần số rất thấp. . Biến nạp vi khuẩn là một trong những ảnh hưởng rất lớn trong hiện tượng vi khuẩn đề kháng với các thuốc kháng sinh.
45. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Biến nạp nhân tạo . Được tiến hành trong thí nghiệm: các tế bào được xử lý cho khả năng thấm được ADN . Cĩ hai cách thơng thường: phương pháp hĩa học xử lý tế bào với CaCl2 lạnh phương pháp thẩm điện sốc nhanh tế bào bằng dịng điện 100 – 200 volt 1 g ADN → 106 đến 107 tế bào biến nạp
46. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Tải nạp - transduction Sự chuyển ADN từ VK này sang VK khác nhờ virus (phage) Virus xâm nhiễm tế bào VK, dùng bộ máy sao chép ADN của VK chủ để tạo ra nhiều bản sao ADN hay ARN của nĩ và đĩng gĩi vào vỏ virus ➔ virus chỉ chuyển một đoạn nhỏ ADN của tế bào cho và thực hiện bởi virus ơn hịa
47. Phage là nhân tố chuyển gen Thí nghiệm . Trong ống hình chữ U, màng lọc vi khuẩn ngăn giữa hai ống → vi khuẩn khơng qua được nhưng phage qua được . Nhánh A : chứa vi khuẩn cĩ khả năng tổng hợp tryptophan (trp+), . Nhánh B : nuơi các vi khuẩn khác mất khả năng tổng hợp tryptophan (trp-) . Sau khi nuơi một thời gian, ở nhánh B xuất hiện vi khuẩn cĩ khả năng tổng hợp tryptophan. Nếu dùng màng ngăn khơng cho virus lọt qua thì khơng thấy hiện tượng này. ➔ tải gen trp+ từ nhánh A sang nhánh B
48. Phage là nhân tố chuyển gen 1951, Joshua Lederberg and Norton Zinder 1965, K. Ikeda and J. Tomizawa
49. Phage ký sinh ở tế bào E. coli cĩ hai cơ chế sinh sản trong tế bào vi khuẩn . Chu trình tiêu giải . Chu trình tiêu giải tiềm ẩn
50. Sơ đồ chu trình tiêu giải và tiêu giải tiềm ẩn
51. Chuyển ADN từ tế bào cho sang tế bào nhận Tải nạp - transduction
52. Chu trình tiêu giải . Sợi đuơi của phage gắn vào điểm nhận ở mặt ngồi tế bào E. coli, tạo lỗ thủng bơm DNA vào . Tế bào E. coli phiên mã và dịch mã các gen . DNA tế bào phân hủy, nucleotid dùng sao chép DNA của virus . Các protein tổng hợp thành ba phần: đầu, ống đuơi,sợi đuơi, ráp lại thành virion con . Tế bào bị phá vỡ, virion thốt ra ngồi . Thời gian một chu trình 20-30 phút ở 37 oC . Phage & tế bào vi khuẩn cĩ sự đồng tiến hĩa
53. Chu trình tiêu giải
54. Chu trình tiêu giải tiềm ẩn . Phage sinh sản khơng làm chết tế bào . Phage gắn vào bề mặt tế bào E.coli và bơm DNA vào . DNA của phage T4 sẽ tạo vịng và tham gia vào: - Chu trình tiêu giải - Chu trình tiêu giải tiềm ẩn . DNA gắn vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn ở điểm chuyên biệt: Prophage . DNA được sao chép như DNA của vi khuẩn. . Prophage cĩ thể tách ra khỏi DNA của vi khuẩn do nhiệt, phĩng xạ rồi bắt đầu chu trình tiêu giải.
55. Các kiểu tải nạp - Tải nạp chung: phage mang bất kỳ gen nào của vi khuẩn A sang vi khuẩn B . Bất kỳ gen nào của vi khuẩn cũng đều được tải nạp . Tải nạp do gĩi nhầm DNA của tế bào chủ khi phage trưởng thành . Các thể tái hợp đơn bội được tạo ra - Tải nạp chuyên biệt hay tải nạp hạn chế: chỉ chuyển một vài gen nhất định . Những gen được chuyển nằm sát chỗ phage gắn vào . Chỉ prophage kiểu l thực hiện . Do kết quả sự cắt sai của prophage khi tách khỏi NST của tế bào chủ
56. Ứng dụng của tải nạp •Xác định bản đồ gen di truyền của VK •Tạo ra các chủng VK kháng thuốc •Dùng trong điều trị bệnh •Tạo ra các vi sinh vật biến đổi gen •Dùng thực khuẩn tiêu diệt VK •Trong sản xuất vaccin tái tổ hợp
57. Yếu tố di truyền vận động Đoạn chèn (insertion sequence, IS) Gen nhảy (transposon)
58. Đoạn chèn . Là một đoạn DNA của vi khuẩn di chuyển từ một vị trí trên nhiễm sắc thể đến vị trí mới trên cùng nhiễm sắc thể hoặc trên nhiễm sắc thể khác . Khi xen vào giữa gene, yếu tố IS làm gián đoạn trình tự mã hĩa và làm bất hoạt sự biểu hiện của gene . Một số trường hợp, cĩ tín hiệu kết thúc phiên mã và dịch mã, yếu tố IS làm cản trở sự biểu hiện ở sau promotor trong cùng operon
59. Đoạn chèn . Yếu tố IS được tìm thấy đầu tiên ở operon gal của E. coli, chia làm bốn nhĩm: IS1, IS2, IS3 và IS4 . Phân bố rải rác trên nhiễm sắc thể chính của vi khuẩn và trên các plasmid IS1 cĩ khoảng 5-8 bản sao trên nhiễm sắc thể, dài 768 bp IS 6110, 10 bản sao trên nhiễm sắc thể vi khuẩn lao . Đều chứa đoạn DNA mã hĩa cho protein transposase, là enzyme cần thiết cho sự di chuyển của yếu tố IS. Đoạn gene này nằm giữa 2 đoạn lặp lại đảo ngược (inverted repeat - IR) ngắn. IS1 cĩ IR cĩ kích thước 18-23 bp
60. Gen nhảy (transposon) Các yếu tố IS riêng lẻ khơng chỉ cĩ khả năng tự di chuyển mà khi hai yếu tố này nằm đủ gần nhau thì chúng cĩ thể vận động như một đơn vị hồn chỉnh và mang theo các gene nằm giữa chúng ➔ Cấu trúc phức tạp này được gọi là transposon. Năm 1951, tại phịng thí nghiệm 'Cold Spring Harbor' ở Long Island (New York) bà Barbara Mc Clintock dựa trên sự biến đổi màu sắc và các biến dị trên phơi của hạt ngơ nảy mầm, đã xác định được các yếu tố kiểm sốt hiện tượng này : thay đổi vị trí trong genome trong quá trình phát triển phơi và các biến đổi ấy cĩ tác động sâu sắc lên sự biểu hiện của các gen đặc thù. Đĩ là hiện tượng các gen nhảy. Các đoạn cài chứa một hay nhiều gen cĩ thể di chuyển trên cùng một nhiễm sắc thể hay di chuyển từ nhiễm sắc thể này sang nhiễm sắc thể khác
61. Transposon Cĩ hai kiểu transposon ở vi khuẩn
62. Transposon Transposon đơn giản (simple transposon) ở giữa các trình tự IR, ngắn (<50 bp) khơng mã hĩa cho transposase Tn3 là một transposon đơn giản Transposon dài hơn yếu tố IS, thường ~vài kb, chứa các gene mã hĩa cho protein thêm vào