Di truyền vi khuẩn

NHIỄM SẮC THỂ, NHÂN CỦA TẾ BÀO VI KHUẨN

Nhiễm sắc thể của vi khuẩn được cấu tạo bằng 1 đại phân tử DNA hình vòng, xoắn cuộn lại thành nùi, nếu mở cuộn xoăn này thì đại phân tử DNA của E. coli dài 1 mm. Nhân của tế bào vi khuẩn chính là nhiễm sắc thể, không có màng nhân bao bọc.

DNA lưu trữ tín hiệu di truyền bằng thứ tự sắp xếp các base, và quyết định tính trạng thông qua sự chỉ huy tổng họp protide.

DI TRUYỀN TÍNH TRẠNG

DNA di truyền được tính trạng thông qua cơ chế tự nhân đôi mỗi khi tế bào phân chia. Ở vi khuẩn sự nhân đôi tế bào được thực hiện theo cơ chế trực phân: nhân tế bào tức nhiễm sắc thể nhân đôi trước rồi tế bào chất nhân đôi sau. Mô hình nhân đôi và phân chia DNA của vi khuẩn theo Jacob và Brenner:

Nghiên cứu ở mức độ phân tử

Đột biến điểm: là đột biến gây ra bởi sự thay thế 1 cặp base này bằng 1 cặp base khác. Đặc điểm của đột biến điểm là có thể phục hồi được dòng ban đầu bằng tái tổ hợp.

Cơ chế: ngẫu biến, xảy ra tự nhiên nguyên do là sự hỗ biến của base.

Thí dụ: base thymine bình thường ở dạng keto sẽ cặp đôi với adenine; nhưng khi thymine hỗ biển thành dạng enol thì sẽ cặp đôi với guanine. Qua 4 lần phân bào, do T trong chuỗi ATAC bị hỗ biến tạm thời ở dạng enol mà đã xuất hiện 1 tế bào trong đó cặp AT bị thay thế bởi cặp GC. Trong thực tế tất cà các base đều có thể bị hỗ biến.

Nghiệm biến, gây bằng thí nghiệm. Hoặc dùng hóa chất:

NGHIÊN CỨU Ở MỨC ĐỘ TẾ BÀO

Ở tế bào đơn nhân:

• Đột biến thêm: là đột biến làm thêm 1 tính trạng nào đó, biểu hiện ngay sau khi đột biến xảy ra.
• Đột biến bớt: làm bớt 1 tính trạng nào đó của vi khuẩn, không biểu hiện ngay sau đột biến mà cần có 1 thời gian. Đó là thời gian để vi khuẩn sử dụng hết chất liệu dự trữ còn lại để tạo ra tính trạng. Thí dụ coli không có khả năng lên men lactose do đột biên không sản xuât enzym P-galacto-sidase, ngay sau đột biến vi khuẩn vẫn lên men lactose cho đến khi đã dùng hết số lượng P-galactosidase còn lại trong thân vi khuẩn thì nó mới ngưng lên men lactose.

Ở tế bào đa nhân:

• Đột biến thêm: biểu hiện ngay sau khi đột biến xảy ra.
• Đột biến bớt: cần có thời gian để các nhân trong tế bào bị thay thế hoàn toàn bời các nhân đột biến rồi tính trạng mới biêu hiện. Hình 11 cho thấy tế bào vi khuẩn có 4 nhân, phải sau ít nhất 2 lần phân chia thì 4 nhân mới bị thay thế hoàn toàn bằng nhân đột biến.

Nghiên cứu ở mức độ quần thể

Tần số đột biến và tỉ lệ đột biến

* Tần số đột biến: là số tế bào bị đột biến trong 1 dân số tế bào, được tính bằng công thức:

Tần số đột biến = Số vi khuẩn bị đột biến/ Dân số vi khuẩn

Như vậy nếu nói vi khuẩn A có tần số đột biến là 10″⁶ đề kháng ampicillin, nghĩa là trong 1 triệu vi khuẩn có 1 vi khuẩn đề kháng ampicillin.

* Tỉ lệ đột biến: là xác suất hay cơ may để 1 vi khuẩn bị đột biến qua 1 lần phân chia, tính bằng công thức:

Ti lệ đột biến = —^Ml ~^M°—

Ni-No

M₀: số vi khuẩn đột biến ở dân số N₀; Mi : số vi khuẩn đột biến ở dân sổ Ni

Tần số đột biến phản ánh sự đột biến một cách bên ngoài, trong khi đó chính tỉ lệ đột biến cho biết vi khuẩn có dễ bị đột biến hay không.

Chọn lọc đột biến:

Là tách tế bào đột biến ra khỏi quần thề vi khuẩn. Có 2 cách:

* Chọn lọc tương đối: là để tự nhiên mà vi khuẩn bị đột biến được tách khỏi dân số vi khuẩn. Thường khó xảy ra vì tần số đột biến quá thấp, do đó sau 1 thời gian phân chia vi khuẩn bị đột biến sẽ bị che lấp mất trong quần thể không bị đột biến. Chỉ xảy ra chọn lọc tương đối khi tốc độ phân chia của vi khuân bị đột biến cao gấp nhiều lần hơn vi khuẩn không đột biến.

* Chọn lọc tuyệt đối: dùng môi trường nuôi cấy có chất ức chế để ức chế các vi khuẩn không bị đột biến, chỉ cho vi khuẩn đột biến mọc được mà thôi. Thí dụ: dùng môi trường nuôi cấy có streptomycin để chọn lọc vi khuẩn đột biến kháng streptomycin.

SỰ BIẾN DỊ DO TÁI TỔ HỢP (BIẾN DỊ TỔ HỢP)

Tái tổ hợp là kết hợp chất liệu di truyền cho vào chất liệu di truyền nhận để được chất liệu di truyền mới. Ở động thực vật bậc cao và có phái tính, biến dị tổ hợp xảy ra qua cơ chế sinh tinh và thụ tinh. Ở vi khuẩn, biến dị tổ hợp xảy ra do 4 cơ chế : chuyển thể, chuyển nạp, giao phối và kết hợp tế bào.

Sự chuyển thể:

là sự lấy chất liệu di truyền từ vi khuẩn cho phóng thích ra môi trường bên ngoài vào vi khuẩn nhận. Sự kiện này được biết lần đầu tiên từ thí nghiệm của Griffiths thực hiện trên chuột với pneumococcus.

Pneumococcus có 2 dạng:

• dạng độc có nang, trên mặt thạch tạo nên khuẩn lạc láng (smooth = S), được gọi là pneumococcus dạng sS.
• dạng không độc, không nang, trên mặt thạch tạo khuẩn lạc thô nhám (rough = R), được gọi là pneumococcus dạng R.

Ngoài ra dựa trên kháng nguyên, người ta chia pneumococcus làm các týp khác nhau: 1,2,3…

Thí nghiệm Griffiths:

• tiêm pneumococcus SI cho chuột: chuột chết.
• tiêm pneumococcus R cho chuột: chuột không chết.
• tiêm pneumococcus SI đã bị giết bởi nhiệt cho chuột: chuột không chết.
• trộn SI đã chết với R2 còn sống rồi tiêm cho chuột: chuột chết. Từ con chuột chết này người ta phân lập được vi khuân SI còn sống. Vậy, R2 đã lấy 1 chất liệu nào đó của SI chết để biến thành SI sống gây chết chuột. Chất liệu đó là gì thì đến năm 1943 được giải đáp nhờ thí nghiệm của Avery.

Thí nghiệm Avery: được thực hiện bởi Avery, Mc Leod và Me Cathy. Thí nghiệm đã chứng minh chất liệu mà R2 sống lấy từ SI chết chính là DNA do SI chết phóng thích ra môi trường, nhờ đó mà R2 biến thành SI sống.

Cơ chế của sự chuyển thể: tế bào vi khuẩn có thể chuyển thể được là do trong 1 giai đoạn tăng trưởng, trên bề mặt tế bào hiện diện 1 cấu trúc gọi là yếu tố thấm quyền (competent factor). Yêu tố này có khả năng tiếp nhận DNA từ môi trường ngoài để đưa vào bên trong tế bào vi khuẩn, nhờ đó xảy ra tái tổ hợp.

Sự chuyển nạp:

là sự truyền chất liệu di truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận qua trung gian bacteriophage. Bacteriophage là virus của vi khuẩn, có thể gây ly giải tế bào vi khuẩn khi mà chúng sinh sôi quá nhiều trong vi khuẩn. Dạng vegetative của phage là dạng sinh trưởng của phage; prophage là chất liệu di truyền của phage khi đã gắn vào chất liệu di truyền của vi khuẩn làm cho phage có thể sống chung hòa bình với vi khuẩn; temperate phage (phage ôn hòa) là phage có thể biến thành prophage.

Cơ chế của chuyển nạp: sự tách bình thường prophage ra khỏi DNA của vi khuẩn không liên quan đến sự truyền chất liệu di truyền. Muốn có sự truyền chất liệu di truyền phải có sự tách bất thường của prophage để tạo nên những phần tử chuyển nạp. Tùy thuộc cấu trúc của phần từ chuyển nạp mà ta có 2 loại chuyển nạp sau:

• chuyến nạp hạn chế: là sự chuyển nạp trong đó phần tử chuyển nạp được tạo ra bởi 1 phần DNA của phage và 1 phần DNA của vi khuẩn.
• chuyển nạp toàn diện: là sự chuyển nạp trong đó phần tử chuyển nạp chi có chất liệu di truyền cùa vi khuấn, không có chất liệu di truyền của phage.

Trong cả 2 trường hợp chuyển nạp này vì phần tử chuyển nạp không chứa đầy đủ chất liệu di truyền của phage nên phần tử chuyển nạp không có khả năng gây ly giải vi khuẩn. Vi khuẩn chỉ bị ly giải khi nó bị tấn công và bị nhiễm 1 phage mới. Khi ấy vi khuẩn bị buộc phải tổng hợp các thành phần của phage, nhờ đó phần tử chuyển nạp chui vào lóp vỏ mới được tổng hợp của phage và được phóng thích ra ngoài như là phage hoàn chỉnh, đến 1 vi khuẩn mới, tấn công vi khuẩn này, tiêm chất liệu di truyền là phần tử chuyển nạp vào vi khuấn mới.

Phần tử chuyển nạp sau khi vào vi khuẩn mới, nếu liên kết được với DNA của vi khuẩn mới thì nó sẽ đồng thời nhân đôi mỗi khi tế bào vi khuẩn nhân đôi, do đó tạo nên 1 quần thể vi khuẩn có mang phần từ chuyển nạp và có khả năng phóng thích được phần tử chuyển nạp khi bị phage mới tấn công. Đây là hiện tượng chuyển nạp tần số cao.

Nếu phần tử chuyển nạp không liên kết được với DNA của tế bào vi khuẩn nhận thì phần tử chuyển nạp sẽ không được nhân đôi cùng lúc mỗi khi tế bào nhân đôi, do đó trong quần thể vi khuẩn chỉ 1 số rất ít mang phần tử chuyển nạp, vì vậy có khả năng rất thấp để phóng thích phần tử chuyển nạp khi bị phage tấn công. Đây là hiện tượng chuyển nạp non.

Sự giao phối:

Trong sự giao phối, chất liệu di truyền được truyền từ vi khuẩn cho vào vi khuẩn nhận qua trung gian của plasmid. Plasmid là yếu tố di truyền nằm ngoài nhiễm sắc thể, không cần thiết cho sự sống còn của vi khuẩn, tuy nhiên sẽ làm cho vi khuẩn mang thêm những tính trạng mà plasmid qui định. Có nhiều loại plasmid mà tên của nó liên quan đến tính trạng do nó qui định:

• yếu tố F: là plasmid tạo nên phái tính của vi khuẩn. Vi khuẩn F⁺ là vi khuẩn mang F, giống đực. Vi khuẩn F- là vi khuẩn không mang F, giống cái.
• yếu tố col: là plasmid làm cho vi khuẩn tiết ra colicin, chất gây ức chế 1 số vi khuẩn Gram âm.
• yếu tố R: giúp vi khuẩn đề kháng kháng sinh.
• penicillinase plasmid: là plasmid làm cho vi khuẩn tiết được enzym penicillinase kháng penicillins.

Plasmid có những tính chất sau:

• cấu tạo là DNA.
• cùng nhân đôi một lúc với nhiễm sắc thể của tế bào vi khuẩn.
• cạnh tranh: những plasmid cùng một nhóm thì không thể hiện diện cùng lúc trong tế bào vi khuẩn do chúng chỉ có một chỗ gắn trong tế bào.
• một số (chứ không phải tất cả) plasmid có khả năng tự truyền, nghĩa là nó có thể truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận, sự truyền này theo cơ chế vừa truyền vừa nhân đôi (transfer replicon), nhờ vậy mà tế bào cho không bị mất plasmid sau khi truyền.
• tính động viên: plasmid không chỉ tự truyền được mà một số plasmid (thí dụ: yếu tố F) có thể động viên được nhiễm sắc thể cùa vi khuẩn hay plasmid khác để có thể truyền được.

Vai trò của plasmid trong biến dị tố hợp: ở đây chúng ta sẽ phân tích vai trò của yếu tố F và vai trò cùa yếu tố R.

Vai trò của yếu tố F trong sự truyền nhiễm sắc thể:

Sự truyền yếu tố F: Yếu tố F có thể được truyền từ vi khuẩn F⁺ sang cho vi khuẩn F’ qua pili phái tính. Sự truyền này theo cơ chế “transfer replicon” nên F⁺ không mất F:

F⁺ + F ————————- [1] 2 F⁺

[1] Khi yếu tố F tách khỏi nhiễm sắc thể cùa tế bào vi khuẩn, đôi khi không tách được trọn vẹn mà lại mang 1 phần nhiễm sắc thể của tế bào vi khuẩn, lúc này yếu tô F được gọi là F – genote và vi khuẩn mang nó được gọi là vi khuẩn F’. Khi F ’giao phối với F’ sẽ tạo nên dòng vi khuân gọi là dòng F thứ cấp trong đó có 1 phần nhiễm sắc thể ở dạng diploid. Dòng F thứ cấp khi giao phối với F ■ sẽ có thể truyền F-genote hay vừa truyền F-genote vừa cả DNA cùa vi khuẩn.

Vai trò của yếu tố R trong truyền tính kháng thuốc

Yếu tố R gồm 2 thành phần: RTF (R transfer factor) và R quyết định tính trạng (R determinant). RTF mang gen quyết định sự truyền yếu tố R, còn R determinant mang gen quyết định tính kháng thuốc. Vì vậy vi khuẩn mang R có RTF thì có thể truyền tính kháng thuốc của nó cho vi khuẩn F ■, làm cho vi khuẩn này trở nên kháng thuốc và đến lượt nó lại truyền được tính kháng thuốc cho vi khuẩn khác. Đó là nguồn gốc sự lây lan tính kháng thuốc hiện nay của vi khuẩn, mà đáng để ý nhất là các trực khuẩn đường ruột như E.coli, shigella, salmonella…

• Khi yếu tố F liên kết với DNA của vi khuẩn, lúc này F được gọi là episome và vi khuẩn lúc này được gọi là dòng Hfr, nghĩa là dòng vi khuẩn có tần số cao truyền được DNA sang vi khuẩn F ■ (Hfr = high frequency).

Một vấn đề đáng để ý trong sự truyền tính kháng thuốc qua R là tính kháng thuốc do R qui định thường là kháng đa kháng sinh. Chính sự truyền tính kháng thuốc cũng đã làm cho vi khuẩn đề kháng đa kháng sinh và lây lan tính kháng đa kháng sinh, vấn đề này rất quan trọng trong lâm sàng.

Sự kết hợp tế bào

Đây chính là sự hòa nhập 2 tế bào lại với nhau để đi đến tái tổ hợp chất liệu di truyền của 2 tế bào. Ở vi khuẩn cợ chế này ít quan trọng và ít có áp dụng đáng kể. Tuy nhiên trong ngành miễn dịch học, cơ chế này đã được áp dụng để biến tế bào sản xuất kháng thể trở thành bất tử bằng cách cho nó kết hợp với tế bào ung thư : đó là kỹ thuật sản xuất kháng thể đơn dòng.

DI TRUYỀN VI KHUẨN VÀ CÁC ỨNG DỤNG HIỆN NAY

Sự hiểu biết về di truyền vi khuẩn đã đưa đến rất nhiều áp dụng quan trọng, trong bài này chúng ta chỉ nêu vài áp dụng tiêu biểu.

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Một số hormon, vaccin hiện nay được sản xuất trong ống nghiệm nhờ vào công nghệ sinh học. Đó là những protein không phải nguồn gốc vi sinh vật nhưng được sản xuất từ E. coli nhờ kỹ thuật lắp ghép gen (gene cloning).Thí dụ:

Kỹ thuật lắp ghép gen được thực hiện như sau:

• Từ tế bào động vật mang gen sản xuất protein ta tách gen này ra khỏi tế bào;
• Gắn gen tách được lên 1 vector (phage hay plasmid);
• Đưa vector vào tế bào E. coli. E. coli sẽ tăng sinh tạo nên quần thể tế bào mang gen sản xuất protein động vật ta cần;
• Tinh chế các protein này bằng các phương pháp hóa.

Với kỹ thuật này ta có sẵn nguồn sản xuất protein động vật mà không phải ly trích từ tế bào động vật vừa khó, ít và đắt tiền.

ÁP DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN

KỸ THUẬT LAI BẰNG DNA PROBE (hybridoma in situ, by DNA probe)

Mục đích của thử nghiệm này là tìm những mảnh DNA đặc hiệu của vi khuẩn gây bệnh để lại trên bệnh phẩm, dù vi khuẩn đã chết không thể phát hiện được bằng nuôi cấy.

Trước hết phải tổng hợp được DNA probe, tức những đoạn DNA đặc hiệu ở dạng sợi đơn (single strand) đã được đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ hay enzym. Để chế được DNA số lượng lớn, người ta có thể áp dụng công nghệ di truyền. Trong khi sản xuất hay sau khi sản xuất, người ta đánh dấu các đoạn gen này. Chúng chính là các DNA probe (đoạn DNA mẫu để dò tìm).

Bệnh phẩm được trải và gắn lên 1 giá, có thể là nitrocellulose. Phủ lên bệnh phẩm dung dịch thuốc thử chứa probe. Dùng nhiệt để tách xoắn các đoạn DNA của vi khuẩn gây bệnh muốn tìm (nếu có) trong bệnh phẩm. Như vậy quá trình lai xảy ra : DNA probe sẽ tìm đoạn DNA tương ứng của nó trong bệnh phẩm để kết hợp lại tạo nên sợi kép. Cuối cùng rửa giá có bệnh phẩm và tìm sợi DNA lai tại chỗ nhờ sự đánh dấu. Có DNA lai tức là có vi khuẩn gây bệnh trong bệnh phẩm.

Thử nghiệm có tính đặc hiệu cao vì dựa trên đoạn DNA đặc hiệu, tuy nhiên độ nhạy cảm chưa cao hơn các thử nghiệm hóa miễn dịch phát hiện kháng nguyên hòa tan.

Trong trường hợp bệnh phẩm chứa quá ít vi khuẩn gây bệnh, DNA đặc hiệu sẽ quá ít, như vậy sợi lai sẽ quá ít và khó phát hiện. Người ta có thể dùng 1 kỹ thuật đặc biệt để nhân các đoạn DNA đặc hiệu trong bệnh phẩm lên nhiều ngàn lần trước khi phủ DNA probe lên bệnh phẩm, đó là kỹ thuật PCR (polymerase Chain reaction).

PHẢN ỨNG PCR

Trước hết người ta phải tổng hợp những primer tức là những đoạn DNA nhỏ bắt đầu và kết thúc của đoạn DNA đặc hiệu, phương pháp cũng là công nghệ di truyền.

Dùng phản ứng tổng hợp chuỗi để tổng hợp những đoạn DNA đặc hiệu ít ỏi của vi khuẩn gây bệnh nằm trong bệnh phẩm lên nhiều ngàn lần : sợi xoắn kép của DNA đặc hiệu cùa vi khuẩn được tách thành sợi đơn bằng nhiệt, rồi cho các primer vào cùng với các base và acid nucleic, dĩ nhiên phải có enzym polymerase. Nhờ vậy các nhánh bổ sung của đoạn gen đặc hiệu sẽ được tổng hợp.

Thực hiện quá trình mở xoắn rồi tổng hợp nhánh bổ sung của đoạn gen đặc hiệu nhiều lần cũng theo tuần tự như trên. Thế là ta có được hàng ngàn bản copy của đoạn gen đặc hiệu trong bệnh phẩm (gọi là các đoạn PCR). Giai đoạn kế là phát hiện chúng bằng cách điện di trên thạch hay phát hiện bàng DNA probe.

Thử nghiệm PCR rất đặc hiệu và rất nhạy cảm, tuy nhiên thử nghiệm này đòi hỏi khá nhiều trang thiết bị và thuốc thừ đắt tiền.

TỔNG HỢP KHÁNG THỂ ĐƠN DÒNG

Đây cũng là áp dụng của ngành di truyền phân tử mà cơ sở của nó là di truyền vi khuẩn. Trong kỹ thuật này, người ta áp dụng kỹ thuật phối hợp tế bào để biến những tế bào lympho sản xuất kháng thể trở thành bất tử, rồi dùng kỹ thuật clone để chọn lọc dòng tế bào sản xuất kháng thể đặc hiệu cho 1 quyết định kháng nguyên.

Copy ghi nguồn: https://tapchiyhocvietnam.com/