Di truyền học Virus, Vi khuẩn: Bài giảng chương 7 về Tái tổ hợp DNA

Chương VII DI TRUYỀN HỌC VIRUS, VI KHUẨN TÁI TỔ HỢP DNA

dnth

I. DI TRUYỀN HỌC CỦA VIRUS

Cấu tạo virus

• Bộ gen là một phân tử acid nulceic nhỏ dạng

vòng hay thẳng (DNA hay RNA, mạch đơn hay kép).

• Vỏ protein (capsid) hình que, ống xoắn hay đa

diện.

• Một số có màng bao (envelope) bên ngoài. • Virion (hạt virus): virus ở giai đoạn ngoài tế bào,

được hấp thu ở bề mặt tế bào chủ.

a. Virus không có màng bao

Cấu tạo của virus

b. Virus có màng bao

Bacteriophage

Hay còn gọi là phage (virus của vi khuẩn, thực khuẩn thể) gồm ba phần:

• Phần đầu đa diện gồm vỏ protein bọc lấy bộ

gen.

• Bao đuôi bằng protein hình ống dài.

• Sợi gốc để bám vào vi khuẩn khi gây nhiễm.

Bacteriophage

Bacteriophage có 2 dạng:

• Độc (virulent), khi sinh sản làm chết tế bào chủ

(tan – lytic cycle).

• Ôn hòa (temperate) có thể sinh sản theo hai cách: không làm chết (tiềm tan – lysogenic cycle) hay làm chết tế bào chủ (tan – lytic cycle).

Bacteriophage T chẵn

(Đầu)

(Cổ)

(Bao đuôi)

(Sợi đuôi)

(Gai)

(Đĩa gốc)

Kích thước virus

Sao chép của virus

• Virus là những sinh vật ký sinh nội bào bắt buộc.

• Tên virus phụ thuộc vào loại tế bào mà nó ký

sinh.

• Virus dùng các enzyme, chất dinh dưỡng và các

chất khác của tế bào chủ để sinh sản.

• Tùy theo bộ gen là DNA (đơn hay kép) và RNA (đơn hay kép) mà virus có kiểu sao chép khác nhau.

Màng bao

Thâm nhập

Màng tế bào chủ Màng tế bào chủ

Màng nhân của tế bào chủ

Phiên mã gen virus

Dịch mã

capsid virus

Sao chép DNA virus

Phóng thích

Sao chép của virus DNA

VIrion

Capsid RNA

Protein màng tế bào (chất nhận)

RNA Poliovirus

RNA HIV

Dùng enzyme phiên mã ngược để tổng hợp DNA

Bản sao RNA

Dịch mã thành các enzyme, protein vỏ

Hình thành dạng DNA mạch kép

Sao chép RNA

Xen vào NST của tế bào chủ

Một chuỗI DNA dùng làm khuôn để tổng hợp RNA virus

Protein vỏ kết hợp vớI RNA

Sao chép của RNA virus

(Trưởng thành)

Dịch mã thành các enzyme, protein vỏ

Protein vỏ kết hợp vớI RNA

(Trưởng thành)

Sao chép của virus RNA

Phóng thích các virion mới

Cơ chế sinh sản của bacteriophage

Cấu trúc của phage T4

Chu trình tan (lytic cycle)

Tiến trình ở phage T4:

• Sợi đuôi phage T4 bám trên bề mặt vi khuẩn E.coli tiêm

DNA vào trong tế bào.

• E.coli phiên mã và dịch mã gen virus.

• DNA tế bào chủ bị phân hủy. Bộ gen virus điều khiển tế

– Các thành phần của phage kết hợp lại thành viron.

bào chủ tổng hợp các thành phần của virus.

• Enzyme lysozyme phá vỡ vách tế bào vi khuẩn, phóng

thích các virion.

5. PHÓNG THÍCH

Tế bào vi khuẩn tan vỡ, phóng thích các phage dã trưởng thành

Các thành phần của phage kết hợp lại với nhau

1.QUÁ TRÌNH BÁM

Phage bám trên vách tế bào vi khuẩn.

4. GIAI ĐOẠN TRƯỞNG THÀNH

2.XÂM NHẬP

Protein của phage

Phage xuyên qua vách và màng tế bào vi khuẩn, bơm DNA vào trong tế bào

Protein vỏ và sợI DNA của phage được tổng hợp

DNA vi khuẩn bị phá hủy

3. SINH TỔNG HỢP

DNA phage điều khiển quá trình trao đổi chất của tế bào sản xuất các thành phần của virus – protein và các bản sao DNA phage

Chu trình tan của phage

Chu trình tiềm tan (lysogenic cycle)

Tiến trình ở phage (cid:0) :

- Phage (cid:0) gắn lên bề mặt vi khuẩn và tiêm DNA vào.

- DNA phage tạo vòng tròn trong tế bào chủ và tham

gia vào 1 trong 2 chu trình: tan hay tiềm tan.

Chu trình tiềm tan (lysogenic cycle)

Tiến trình ở phage (cid:0) :

– Bộ gen phage gắn vào bộ gen vi khuẩn tạo thành

prophage.

– Prophage được sao chép bình thường trong tế bào chủ.

– Tế bào nhiễm có thể sinh ra nhiều tế bào con có chứa

prophage.

– DNA phage có thể tách ra khỏi prophage để đi vào chu

trình tan.

• Ở chu trình tiềm tan:

Phage (cid:0) gắn lên bề mặt vi khuẩn

Tế bào vi khuẩn tan rã, phóng thích các phage

(cid:0)

DNA của phage tiêm vào vi khuẩn có thể được sao chép hay gắn vào bộ gen vi khuẩn

DNA phage tạo vòng tròn

Chu trình tan

Hình thành các virion mới

Chu trình tiềm tan

Sao chép DNA phage

DNA phage được gắn vào bộ gen tế bào chủ tạo thành prophage

Sao chép

DNA phage tách ra khỏi prophage

Chu trình tiềm tan

Tóm tắt chu trình sống của bacteriophage

Virus thực vật và các viroid

Virus thực vật • Đa số có bộ gen là RNA • Capsid hình que • Các đơn vị protein- capsomer- xếp hình xoắn • Xâm nhập vào tế bào thực vật qua cầu liên bào

Viroid • Là sợi RNA trần, dài khoảng vài trăm nucleotide • Không có protein

Các dạng virus thực vật

Virus đốm thuốc lá (TMV)

Viroid

Con đường xâm nhập của virus vào tế bào thực vật

Đậu nành khảm virus (SMV)

Thuốc lá khảm virus (TMV)

Xà lách khảm virus

Bí đỏ khảm virus

Khoai tây nhiễm virus

Virus động vật

• Virus động vật có bộ gen đa dạng

• Gây nhiều bệnh nghiêm trọng, có liên quan đến bệnh

ung thư và AIDS

• Có bốn nhóm lớn:

1.dsDNA

2.ssDNA

3.dsRNA

4.ssRNA

Papilloma: sùi mào gà

Warts: mụn cóc

Cervical cancer: ung thư cổ tử cung

Sores: lở loét

Smallpox: bệnh đậu mùa

Roseola: sốt phát ban (bệnh ban đỏ)

Diarrhea: bệnh tiêu chảy

Rabies: bệnh dại

Measles: bệnh sởi

Mumps: bệnh quai bị

Leukemia: bệnh bạch cầu

Phân loại virus động vật dựa trên kiểu acid nucleic của bộ gen

Một số hình dạng phổ biến của virus động vật

Adenovirus

Influenza Virus H5N1

Rabies virus

Herpes virus

FMDV-foot &mouth disease virus

Enterovirus

Hepatitis B virus

Papillomavirus

Paramyxovirus

Viroid và Prion

• Là hai dạng sống đơn giản nhất

• Viroid là những phân tử ARN vòng, dạng trần không có vỏ capsit, mạch đơn

– Viroid không mã hóa bất kì một prôtêin nào và sự nhân lên của chúng phụ thuộc vào sự hoạt động của enzyme của tế bào chủ. Viroid gây nhiều bệnh ở thực vật như bệnh hình thoi ở khoai tây và bệnh hại cây dừa.

• Prion (PROteinaceous INfectious particle) là phân tử protein và không chứa

axid nucleic.

– Trong cơ thể bình thường có thể có sẵn prion nhưng chúng không gây bệnh. Trong một điều kiện nào đó prion có thể thay đổi cấu trúc và gây bệnh. Prion gây nhiều bệnh nguy hiểm ở động vật và người, gây thoái hóa hệ thần kinh trung ương và giảm sút trí tuệ như bệnh bò điên, bệnh kuru ở người.

•

http://vietsciences.free.fr/timhieu/khoahoc/ykhoa/priondelamgi.htm

•

http://forum.nhasinhhoctre.com/viewtopic.php?f=29&t=4049

•

http://en.wikipedia.org/wiki/Prion

Cách nhân lên của prion

Figure 19.11 Model for how prions propagate

II. DI TRUYỀN HỌC VI KHUẨN

Cấu tạo của vi khuẩn

• Hình cầu, hình que, chuỗi

• Không có cấu trúc nhân, DNA

nằm trong tế bào chất.

• Có màng bao tế bào.

• Bên ngoài là lớp vách. Một số có capsule bên ngoài vách.

• Di chuyển nhờ cấu trúc

flagella

Hình dạng phổ biến của vi khuẩn

Sinh sản ở vi khuẩn

• Vi khuẩn sinh sản bằng cách nhân đôi.

• Trao đổi thông tin di truyền bằng cách:

– Biến nạp (transformation)

– Tải nạp (transduction)

– Tiếp hợp (conjugation)

Sinh sản bằng cách nhân đôi ở vi khuẩn

Biến nạp (transformation)

- Là hiện tượng truyền thông tin di truyền bằng DNA

- Được khám phá năm 1928 bởi Griffith

- Đối tượng nghiên cứu: Streptococcus pneumoniae,

Bacilllus subtilus, Haemophilus influenzae

- Điều kiện biến nạp:

• Tế bào nhận phải có khả năng dung nạp

• DNA phải có mạch kép

Thí nghiệm của Griffith về hiện tượng biến nạp ở Streptococcus

Cơ chế phân tử của sự biến nạp

Tải nạp (transduction)

• Là hiện tượng chuyển DNA của vi khuẩn này

vào vi khuẩn khác nhờ bacteriophage.

• Được khám phá bởi Josua Lederberg và

Norton Zinder vào năm 1952.

• Đối tượng vi khuẩn nghiên cứu là Salmonella

typhimurium với 2 chủng:

– LA-22, với phe– trp– met+ his+

– LA-2, với phe+ trp+ met– his–

Thí nghiệm chứng minh tải nạp

Có hai dạng tải nạp:

• Tải nạp chung (general transduction): phage mang bất kỳ

• Tải nạp chuyên biệt (special transduction): phage chỉ

gen nào của vi khuẩn A sang vi khuẩn B.

mang một vài gen nhất định.

Tiếp hợp (giao nạp - conjugation)

• Là hiện tượng chuyển gen giữa 2 tế bào cho và nhận bằng cách tiếp xúc trực tiếp.

– Phát hiện vào năm 1953 bởi

Hayes.

• Đối tượng nghiên cứu là vi khuẩn dạng F+ (tế bào cho) và dạng F- (tế bào nhận).

Tiếp hợp (giao nạp - conjugation)

• F+ (fertility – hữu thụ) tương đương giống đực.

• F- (thiếu yếu tố F) tương đương giống cái.

§ Khi hiện tượng tiếp hợp xảy ra, tế bào F+ sẽ

truyền gen sang tế bào F-.

§ F- sẽ biến thành F+ do nhận được phần tử di

truyền là episome.

• Tần số lai F+X F- rất thấp (10-6).

• Dạng Hfr có tần số lai với F- cao hơn F+ 104 lần

Quá trình tiếp hợp ở vi khuẩn

Plasmid

• Là phần tử DNA mạch

đôi, dạng vòng

• Tồn tại và tự sao chép độc lập với DNA vi khuẩn

• Có thể gắn xen vào và được sao chép cùng lúc với DNA vi khuẩn

Nhiễm sắc thể và plasmic ở vi khuẩn

Figure 27.8 A prokaryotic chromosome and plasmids

Episome

• Là một nhân tố di truyền

• Có thể tồn tại như một plasmid hay được gắn

vào DNA vi khuẩn

• Ví dụ: nhân tố F

Transposon

• Là các phần tử di động ở vi khuẩn, có 2 dạng:

– những đoạn DNA ngắn mang thông tin di truyền

(trình tự xen đoạn, insertion sequence, IS)

– những đoạn DNA lớn chứa nhiều gen khác nhau

• Có khả năng di chuyển vị trí trong bộ gen.

• Sự dời chỗ của transposon là một dạng tái tổ

hợp giữa transposon và DNA đích.

(transposon).

Trình tự xen đoạn IS

Phức hợp transposon

Transposon

• Sự chuyển vị của transposon không cần sự tương đồng giữa trình tự DNA cho và nhận.

• Hậu quả:

– Có thể làm thay đổi trạng thái hoạt động của gen

đích.

– Gây đột biến trên DNA (mất đoạn, đảo đoạn hay

chuyển đoạn).

– Phá vỡ cấu trúc nhiễm sắc thể.

III. KỸ THUẬT TÁI TỔ HỢP DNA

Restriction endonuclease

• Enzyme cắt hạn chế

– Được V. Arber chứng minh có trong tế bào vi khuẩn vào năm

1962.

– Có khả năng phân biệt được DNA tế bào chủ và DNA lạ.

– Hạn chế sự sinh sản của phage trong tế bào vi khuẩn.

• Cắt DNA ở giữa (hoạt tính endonuclease) một cách đặc hiệu, tại điểm nhận biết (recognition site) có trình tự 4-6 cặp nucleotide đối xứng đảo ngược nhau (palyndrom).

• Mỗi enzyme cắt hạn chế có trình tự nhận biết (palyndrom)

đặc trưng.

Kỹ thuật cắt DNA với enzyme retriction