Bài giảng Vi sinh - Bài 5: Di truyền vi khuẩn - Bùi Hồng Quân

Nội dung text: Bài giảng Vi sinh - Bài 5: Di truyền vi khuẩn - Bùi Hồng Quân

1. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
2. Các yếu tốdi truyền (genetic element) - Các yếu tố di truyền ngoài NST - Bộ gen virút - Plasmid - Bộ gen ti thể - Bộ gen diệp lạp thể - Yếu tố di động (IS element), gen chuyển vị (transposon) Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
3. Enzyme cắt giới hạn vàs ựbi ến đổi DNA - Enzyme cắt giới hạn: nhận diện vàc ắt DNA ngoại sinh tại trình tự đối ngẫu - Enzyme biến đổi: biến đổi DNA nội sinh tại trình tự đối ngẫu Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
4. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
5. Sao chép DNA (replication) - Tách mạch tạo 2 khuôn: ORI (origin of replication), topoisomerase, helicase, chẻ ba sao chép (replication fork) - Sao chép 2 phân tử DNA mới bán bảo thủ: + DNA polymerase III, tổng hợp theo chiều 5’ – 3’ + DNA mạch vòng: hai chẻ ba sao chép ngược chiều + Mạch trước (leading strand, 3’ – 5’): tổng hợp liên tục, hướng đi vào chẻ ba (DNA plolymerase III) + Mạch sau (lagging strand, 5’ – 3’): tổng hợp các đoạn Ozaki, hướng đi ra khỏi chẻ ba (primase, DNA polymerase III, DNA polymerase I, ligase) Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
6. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
7. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
8. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
9. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
10. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
11. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
12. Phiên mã (transcription) - Promoter: RNA polymerase nhận diện và gắn vào trình tự bảo tồn -10, -35 trên mạch mang mã (sense strand, 3’- 5’) - Sigma tương tác với RNA polymerase lõi và DNA, rời khỏi enzyme khi phiên mã bắt đầu - RNA polymerase tổng hợp theo chiều 5’ – 3’ - Kết thúc phiên mã tại điểm kết húc (cấu trúc bậc 2) - Ở prokaryote: polycistronic - Ở eukaryote: + Pre-mRNA chứa exon và intron + Intron: 5’-GU A AG-3’, thể cắt (splicesome) + RNA trong splicesome (ribozyme) cắt đầu 5’, 3’ và nối hai đầu Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
13. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
14. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
15. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
16. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
17. Mãdi truyền - 64 mã bộba - Mã khởi đầu: AUG - Mã kết thúc: UAA, UAG, UGA - Có ngoại lệ Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
18. RNA vận chuyển (transfer RNA, tRNA) - Cấu trúc bậc 2: đầu mang bộ ba đối mã (anticodon), đầu mang amino acid (aceptor end) - Mỗi tRNA tương tác với một aminoacyl-tRNA synthetase riêng - Aminoacyl tRNA synthetase có trung tâm nhận diện anticodon và trung tâm gắn amino acid Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
19. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
20. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
21. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
22. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
23. Dịch mã (translation) - Ribosome: tiểu phần 30S và 50S (prokaryote), 40S và 60S (eukaryote) - Prokaryote: + Tiểu phần 30S gắn vào trình tự Shine-Dalgano sequence trên đầu 5’ của mRNA + Shine-Dalgano có trình tự bù trừ vơi đầu 3’ của rRNA 16S + Dịch mã polycistronic mRNA - Eukaryote: tiểu phần 40S gắn vào mũ 5’-cap, dịch mã AUG đầu tiên - Tiểu phần 50S, 60S: + E-site (exit site): vị trí chứa tRNA không còn gắn amino acid + P-site (peptide site): vị trí chứa tRNA mang chuỗi peptide + A-site (aceptor site): vị trí chứa tRNA mang amino acid tiếp theo Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
24. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
25. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
26. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
27. Dịch mã (translation) - Sự dịch chuyển của ribosome cần nhân tố kéo dài (elongation factor) và GTP - Tại codon kết thúc: Không có tRNA + Nhân tốt phóng thích (release factor) nhận diện vị trí này, cắt peptide khỏi tRNA + Các tiểu phần ribosome tách nhau và rời mRNA - Khung dịch mã (khung đọc, open reading frame ORF) - Gen gối đầu (overlapping): một gen có hai khung đọc (X174) - Tần suất sai sót trong dịch mã: 10-3 – 10-4 Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
28. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
29. Điều hòa sự biểu hiện của gen Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
30. Các mức điều hòa biểu hiện của gen 1) DNA; 2) Phiên mã; 3) Dịch mã; 4) Biến đổi sau dịch mã Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
31. Biến đổi sau dịch mã theo cơ chếbi ến cấu Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
32. Gấp cuộn nhờ chaperon Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
33. Tương tác giữa protein vànucleic acid - Tương tác không chuyên biệt: histone-DNA - Tương tác chuyên biệt: protein là dimer, mỗi monomer gắn vào một trình tự xác định trên một sơi DNA - Đặc điểm của trình tự gắn protein: lặp lại đảo ngược (trên một mạch) Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
34. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
35. Đặc điểm cấu trúc của DNA binding protein - Cấu trúc bậc 2 (xoắn -helix), phần ổn định cấu hình và phần chứa trình tự nhận diện (nơi gắn) - Xoắn-gập-xoắn (helix-turn-helix motif) - Ngón tay gắn kẽm (zinc finger) - Dây kéo leucine (leucine zipper) Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
36. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
37. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
38. Điều hòa phiên mã: kiểm soát âm (negative control) - Liên quan đến repressor (protein, trans factor) và operator (DNA, cis element) - Repressor ggắn vào operator ức chế phiên mã (không tạo mRNA) - Repressor tương tác với effector: + Repressor-Effector gắn vào operator: ức chế phiên mã (repression), arg operon + Repressor-Effector không gắn vào operator: giải ức chế hay cảm ứng (induction) phiên mã , lac operon Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
39. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
40. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
41. Điều hòa phiên mã: kiểm soát dương (positive control) - Liên quan đến activator (protein, trans factor) và activator-binding site (DNA, cis element) - Activator gắn vào activator-binding site phiên mã (tạo mRNA) - Activator tương tác với effector để gắn vào activator- binding site, mal operon Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
42. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
43. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
44. Điều hòa toàn cục (global regulation) - Cơ chế ức chế dị hóa (catabolite repression) - Điều hòa ảnh hưởng đồng thời nhiều gen khác nhau để đáp ứng với biến đổi của môi trường - Ức chế dị hóa bởi glucose ở E. coli đối với sinh tổng hợp enzyme biến dưỡng các đường khác: - Protein hoạt hóa dị hóa (catabolite activator protein, CAP) - CAP tương tác với effector là cAMP gắn vào CAP-binding site ở vùng promoter, xúc tiến sựt ổng hợp mRNA - Nồng độ cAMP phụthu ộc nồng độ glucose trong môi trường Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
45. Ñieàu hoøa baèng RNA ñoái nghóa - Gen mã hóa cho một đọan RNA ngắn có đầu 3’ bù trừ với đầu 5’ không mang mã của gen bị điều hòa - Ví dụ micF và ompF Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
46. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
47. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
48. Hệ thống điều hòa hai thành phần (two-component regulatory system) - Điều hòa giúp tế bào thích nghi với môi trường - Protein cảm biến (sensor protein): Kinase - Kinase tự phosphoryl hóa khi có tín hiệu từ môi trường và chuyển nhóm phosphate cho thành phần thứhai - Protein điều hòa đáp ứng (response regulator protein): DNA- binding protein có hoạt tính của một repressor khi bị phosphoryl hóa - Phosphatase là một thành phần khác loại bỏphosphate từ protein điều hòa để ngừng đáp ứng - Đồng hóa nitrogen ở E. coli - Cố định đạm ở Klebsiella - Tạo bào tử ở BacillusBù i Hồng Quân -buihongquan.com
49. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
50. Di truyền học vi sinh vật Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
51. Đột biến (mutation) - Đột biến, thểđ ột biến (mutant) - Thểđ ột biến có kiểu gen bị biến đổi, kiểu hình không nhất thiết thay đổi - Kýhi ệu: + Kiểu gen hisC: gen mã hóa cho protein HisC + Kiểu hình Thr-: mất khả năng tự tổng hợp threonine - Khuyết dưỡng (trợ dưỡng): auxotroph - Nguyên dưỡng: prototroph Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
52. Cơ sởphân tử của đột biến - Đột biến ngẫu nhiên: sai sót trong sao chép, chiếu xạ tự nhiên - Đột biến nhân tạo: + Hóa chất: các chất đồng dạng (analog), chất tác dụng trực tiếp với DNA Tia UV, tia chiếu xạ ion hóa + Gen chuyển vị (transposon) + Đột biến: thay đổi ở một cặp base, thêm một hoặc một sốc ặp base, mất đoạn, đảo đoạn, chuyển đoạn - Hệ quả của đột biến: + Lệch khung dịch mã + Mất codon bắt đầu, codon kết thúc trên mRNA + Gen không được thể hiện - Đột biến ức chế (suppressor) Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
53. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
54. Tái tổh ợp di truyền (genetic recombination) - Dựa trên sự tương đồng cao của hai đoạn trình tự - Xúc tác bởi RecA - Các bước: + Tạo một vết đứt trên DNA (nicking) + Mở vòng DNA xoắn kép + Bắt cặp giữa các đoạn tương đồng trên hai phân tửDNA mạch đơn + Cắt vàn ối các mạch DNA sao cho trao đổi đoạn trên các mạch + DNA kiểu gen mới được tạo ra khi hai mạch có trình tự khác nhau ở ngoài vùng cắt vàn ối Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
55. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
56. Bổtr ợdi truyền (complementation) - Trường hợp chủng vi sinh vật có một kiểu hình được quy định bởi một vài gen, chỉ một gen bị đột biến thì kiểu hình có dạng đột biến - Nếu dạng đột biến được bổ sung một đọan DNA chứa các gen tương ứng trong đó có gen hoang dại của gen đột biến thì chủng đột biến sẽ trở lại kiểu hình hoang dại: hiện tượng bổ trợ di truyền - Hiện tượng bổ trợ di truyền: + Chỉ xảy ra khi các đột biến ở trên bộ gen và trên DNA ngọai lai là không thuộc cùng một gen + Bổ trợ về kiểu hình (biểu hiện gen mức phiên mã và dịch mã), không xảy ra sự trao đổi đọan tương đồng (mức DNA) - Được ứng dụng: + Trong chọn lọc dòng tái tổ hợp mục tiêu + Xác định đột biến có xảy ra ở cùng một gen trên hai DNA hay không Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
57. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
58. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
59. Các hiện tượng di truyền ởvi khuẩn - Biến nạp (transformation) - Tải nạp (induction) - Giao nạp, tiếp hợp (conjugation) - Chuyển vị gen (transposition) Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
60. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
61. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
62. Biến nạp (transformation) - Quá trình tế bào tiếp nhận DNA trần từ vào tế bào chủ - Tính khả nạp (competence): có thể được tăng cường bằng xử lý hóa học, vật lý - Cơ chế biến nạp: + DNA gắn lên DNA-binding protein trên vách ết bào + Nuclease thủy phân một mạch DNA, cho phép mạch đơn còn lại đi vào trong tế bào + Mạch DNA được mang và bảo vệ bởi một sốprotein chuyên biệt + Mạch DNA tái tổh ợp vào bộgen bởi RecA protein + Tế bào có kiểu gen mới được tạo thành khi tế bào phân chia Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
63. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
64. Tải nạp (transduction) - DNA của tế bào cho được chuyển qua tế bào nhận bởi virút - Tải nạp chuyên biệt (specialized transduction): tải nạp trên một số gen nhất định của vi khuẩn cho (virút mang theo gen của vi khuẩn khi bị cắt một cách không chính xác ra khỏi bộ gen tế bào chủ) - Tải nạp chung (generalized transduction): tải nạp một gen bất kỳ từ vi khuẩn cho sang tế bào nhận (DNA của tế bào bị phân đoạn và lắp ngẫu nhiên vào vỏ virút mới) - Biến đổi bởi phage (phage conversion): sự thay đổi kiểu hình ở vi khuẩn do sự thể hiện của gen virút tiềm tan Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
65. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
66. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
67. Plasmid - Phân tử DNA vòng, kích thước nhỏ có thể tự sao chép độc lập trong tế bào chủ - Cấu trúc của plasmid: + Mang gen ORI (origin of replication, Ori) kiểm soát tần sốsao chép và số lượng bản sao của plasmid trong tế bào + Gen điều khiển sự chuyển DNA trong giao nạp (một số) + Các gen khác: kháng kháng sinh, tạo ra độc tố, khả năng biến dưỡng những cơ chất không bình thường như thuốc trừ sâu, dung môi công nghiệp - Plasmid R: plasmid kháng thuốc + Mang một số transposon mỗi loại cho tính kháng đối với một loại kháng sinh nhất định + Kháng đồng thời đến 5 loại kháng sinh khác nhau + Phát tán tính kháng thuốc nhanh trong quần thể thông qua quá trình giao nạp - Tế bào có thể chứa đồng thời một sốplasmid khác nhau nếu chúng tương thích (ORI khác nhau) Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
68. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
69. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
70. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
71. Sựgiao nạp (conjugation) • - Chuyển DNA thông qua giao nạp ở vi khuẩn • - Plasmid xúc tiến sự giao nạp: – + Tổng hợp khuẩn mao pili giúp hai tế bào tiếp xúc – + Tạo cầu giao nạp (conjugative bridge) truyền DNA – + Plasmid sao chép bằng cơ chế sao chép cuộn vòng (rolling circle replication) và chuyển một bản sao cho tế bào nhận – + Tế bào nhận sao chép để có plasmid vòng mạch kép • - Yếu tố F ở E. coli thực hiện việc cho gen trên nhiễm sắc thể tế bào cho sang tế bào nhận (chủng Hfr): – + Sự hiện diện đồng thời của trình tự sát nhập (insertion sequence) ở yếu tố F và nhiễm sắc thể của tế bào – + F chứa trình tự khởi đầu chuyển (origin of transfer) – + Trình tự này giúp F mang theo các gen của nhiễm sắc thể nằm ngay dưới hạ lưu của trình tự chuyển từ tế bào cho sang tế bào nhận – + Sự cắt không chính xác khi sao chép và chuyển yếu tố F làm tăng tần số giao nạp chuyênBùi H biồngệ tQuân củ-abuihongquan.com nhiễm sắc th ể sang tế bào nhận
72. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
73. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
74. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
75. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
76. Lập bản đồgen bằng các phương pháp chuyển gen - Giao naïp giaùn ñoaïn (interrupted mating) ñöôïc duøng ñeå xaùc ñònh sô boä traät töï cuûa gen töø nhöõng ñoaïn DNA - Taûi naïp giaùn ñoaïn ñöôïc duøng ñeå xaùc ñònh chính xaùc traät töï cuûa caùc gen lieân keát chaët cheõ vôùi nhau (naèm raát gaàn nhau) Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
77. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
78. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
79. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
80. Gen chuyển vị (transposon) - Trình tự sát nhập (insertion sequence IS) - Gen chuyển vị hay gen nhảy (transposon Tn): IS + các gen khác - Tần số chuyển vị của Tn và IS thấp (khoảng 10-5 – 10-4) - Cấu trúc: + Hai đầu chứa các trình tự lặp lại (repeated sequence) + Bên trong mã hóa transposase: nhận diện, cắt và nối DNA + Chuyển vị: gen chuyển vị khi gắn vào vị trí mục tiêu sẽ nhân đôi trình tự vị trí mục tiêu này; hai trình tự vị trí mục tiêu sẽ nằm hai bên gen chuyển vị Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
81. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
82. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
83. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
84. Phương thức chuyển vị - Chuyển vị sao chép (replicative transposition) + Một bản sao vẫn ở lại ở vị trí cũm và ột bản sao khác được chuyển đến vị trí mới + Transposase cắt một mạch DNA tại hai đầu chứa trình tựl ặp lại + Gen chuyển vị được nối với DNA tại vị trí chuyển vịthông qua các đầu mạch đơn sao cho hai mạch đơn của gen chuyển vị tách nhau thành hai bản sao mạch đơn + Tạo mạch kép bằng DNA polymerase - Chuyển vị bảo thủ(conservative transposition): + Gen chuyển vị bịc ắt ra khỏi vị trí vàg ắn vào vị trí mới, không làm tăng bản sao + Cơ chếb ất hoạt chèn một gen tạo đột biến khuyết (knock- out mutant) Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
85. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
86. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
87. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
88. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
89. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
90. Đột biến do chuyển vị gen (transposon mutagenesis) - Khi đích chuyển vị làbên trong một gen thìs ự chuyển vị sẽ làm gen bị bất họat vìm ất tính liên tục - Gen chuyển vị là công cụchuy ển vịt ốt khi có mang một gen chọn lọc ví dụnhư gen kháng kháng sinh - Tn5: mang gen kháng neomycin vàkanamycin - Tn10: mang gen kháng tetracycline Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
91. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
92. Intergron - Intergron: transposon có khả năng tiếp nhận và biểu hiện các gen ngọai lai - Cấu trúc intergron: + Gen mã hóa intergrase xúc tác phản ứng tái tổ hợp gen chuyên biệt vị trí(site -specific recombination) + Trình tự nhận diện bởi intergrase nằm dưới một promoter - Intergrase nhận diện trình tự chuyên biệt trên gen ngọai lai, cắt và sát nhập đọan DNA ngọai lai vào intergron Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
93. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
94. Sựđ ảo đoạn - Đột biến do đảo ngược trình tự DNA trong bộgen - Đoạn đảo ngược chứa promoter: biểu hiện một gen hoàn toàn khác Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
95. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
96. Bùi Hồng Quân-buihongquan.com
97. Di truyeàn hoïc vi sinh vaät nhaân thaät - Đột biến tái tổh ợp thông qua tái tổh ợp giao tử - Hình thành giao tửtrong giảm phân tạo cơ hội trao đổi giữa hai đoạn tương đồng - Chu trình sống của nấm men Saccharomyces cerevisiae: + Giai đoạn đơn bội + Hợp tử từ tế bào đơn bội khác nhau về kiểu giao phối + Giảm phân tạo tứ nang bào tử đơn bội - Phân tích tứ bào tử giúp nghiên cứu di truyền nấm men - Kiểu giao phối (mating type) được qui định bởi cơ chế hộp (cassette mechanism) trong locus MAT: + Gen mã hóa a và hiện diện đồng thời ở hai vị trí khác nhau trên bộ gen + Thay thế trình tự DNA ở hạ lưu của promoter bởi gen mã hóa a hoặc quyết định kiểu giao phối của tế bào + Kiểu giao phối phụ thuộc gen nào được sao chép vàm ột bản sao được Bùi Hồng Quân-buihongquan.com gắn vào hộp MAT