Tài liệu Cơ chế phân tử của biến nạp ở Vi khuẩn docx

Cơ chế phân tử của biến nạp ở Vi khuẩn

Cơ chế biến nạp chủ yếu bao gồm việc vi
khuẩn thể nhận tiếp nhận DNA của thể cho
(gọi làđoạn ngoại lai, exogenote) và sau đó
DNA này có thể trao đổi với đoạn DNA
tương đồng của thể nhận (gọi là đoạn nội
tại, endogenote) bằng trao đổi chéo. Những
tế bào có khả năng tiếp nhận DNA gọi là
các tế bào khả biến (competent). Tế bào vi
khuẩn nhận đoạn ngoại lai lúc đó có bộ gene
ở trạng thái lưỡng bội một
phần (merodiploid) hay hợp tử từng
phần (merozygote). Quá trình trao đổi thông
tin di truyền bằng cách chuyển chỉ một phần
vật chất di truyền như thế được gọi là
sự giao nạp hay tiếp hợp từng
phần (meromixis).
Tương tự như trong tiếp hợp và tải nạp, để
lập bản đồ di truyền bằng biến nạp cần có
các tế bào thể cho và thể nhận có các kiểu
gene khác nhau. Về mặt thực nghiệm, DNA
được tách ra từ các tế bào thể cho, sau đó
được đưa vào quần thể các thể bào thể nhận.
Các tế bào thể nhận sẽ tiếp nhận các đoạn
DNA một cách ngẫu nhiên. Không phải tất
cả các loài vi khuẩn đều có khả năng tiếp
nhận DNA. Ngay cả những loài có khả năng
này cũng chỉ có thể tiếp nhận được DNA ở
những pha sinh trưởng nhất định và trong
môi trường nuôi cấy cụ thể. Các

loàiStreptoccocus
pneumoniae (tức Diplococcus) và Bacillus
subtilis tương đối dễ dàng trở thành khả biến
hơn, trong khi E. coli phải mất đi hai loại
enzyme exonuclease và phải được nuôi cấy
trong môi trường có nồng độ cao của
calcium chloride để làm cho màng tế bào
của nó có thể thấm được DNA. Do vậy để
lập bản đồ gene ở E. coli người ta ưa dùng
tiếp hợp và tải nạp hơn. Tuy nhiên, trong
công nghệ DNA tái tổ hợp, biến nạp E.
coli là một khâu rất quan trọng (chương 8).
Để biến nạp có thể xảy ra với hiệu quả cao ở
vi khuẩn, chẳng hạn B. subtilis, DNA biến
nạp phải có mạch kép và phân tử lượng
tương đối cao (1.10
6
dalton). Khi DNA
xuyên qua màng tế bào của vi khuẩn khả
biến thì một trong các sợi của DNA bị phân
huỷ. Sau đó sợi đơn DNA chuyển sang có
thể trao đổi với nhiễm sắc thể thể nhận ở
vùng tương đồng; sự kiện này có thể phát
hiện được nhờ những khác biệt di truyền
thích hợp giữa các tế bào thể cho và thể
nhận.
Tóm lại, hiệu quả của biến nạp phụ thuộc
vào ba yếu tố:
(i) Tính dung nạp hay khả biến của tế bào
thể nhận;

(ii) Kích thước của đoạn DNA được biến
nạp;
(iii) Nồng độ của DNA.
Cơ chế phân tử của biến nạp (trong thí
nghiệm Griffith), về cơ bản, có thể giải thích
như sau:
(i) DNA sợi kép tế bào vi khuẩn cho S xâm
nhập qua màng tế bào vi khuẩn nhận R, với
một sợi đơn bị phân huỷ bởi nuclease;
(ii) DNA thể nhận R biến tính ở vùng tương
đồng để bắt cặp hay tiếp hợp (synapsis) với
đoạn DNA sợi đơn còn lại của thể cho S. Để
có thể tái tổ hợp bình thường ở vi khuẩn cần
có protein được mã hoá bởi gene recA
+
.
(iii) Phân tử DNA với đoạn lai
(heteroduplex) "R-S" tái bản tạo ra hai
DNA sợi kép con: một sợi kép "R-R" và một
sợi kép khác có mang đoạn DNA thể nhận
"S-S", tất cả có hai sợi đơn giống nhau
(homoduplex).
Từ thí nghiệm của Avery và cs, ta thấy rằng:
Mặc dù thành phần hoá học của vỏ vi khuẩn
(capsule) được xác định bằng các gene,
nhưng mối quan hệ đó là gián tiếp. DNA
được phiên mã thành RNA và RNA được
dịch mã thành các protein. Kiểu hình của
pneumococcus — thành phần của vỏ
polysaccharide — được xác định bằng các

enzyme (proteins) cụ thể (dùng để tổng hợp
polysaccharide).
* Xác định liên kết gene bằng biến nạp
Trong quá trình tách chiết DNA để tiến hành
biến nạp, nhiếm sắc thể của vi khuẩn thường
bị đứt ra thành khoảng 250 đoạn, tức các
phân tử riêng biệt. Các gene nằm ở những vị
trí khác nhau trên nhiễm sắc thể vi khuẩn
khi đó sẽ bị tách rời nhau và được truyền đi
trong quá trình biến nạp một cách độc lập.
Vì số gene ở vi khuẩn rất lớn mà số đoạn
DNA lại hạn chế nên không loại trừ các
trường hợp hai gene khác nhau cùng nằm
trên một đoạn DNA, và vì vậy, cùng được
chuyển đi. Trên thực tế những trường hợp
như thế đã quan sát thấy ở hàng loạt vi
khuẩn và gọi là biến nạp liên kết. Có thể
phát hiện được biến nạp liên kết bằng cách
xác định tần số biến nạp kép (biến nạp đồng
thời hai gene, hay đồng biến nạp,
cotransformed) và so sánh nó với trị số kỳ
vọng khi hai gene được truyền đi một cách
độc lập. Trong thí nghiệm người ta xác định
sự liên kết gene bằng cách phát hiện hiệu
quả pha loãng DNA. Trong một giới hạn nào
đó của nồng độ DNA thì tần số biến nạp tỉ lệ
tuyến tính với nồng độ DNA. Nếu hai gene
nằm trên cùng một đoạn DNA thì sự biến
đổi tần số biến nạp kép (liên kết) sẽ giống
như biến nạp đơn. Còn nếu như biến nạp kép

là do hai đoạn DNA khác nhau cùng chui
vào tế bào (không liên kết) thì đường cong
biến đổi của tần số biến nạp kép sẽ có độ
dốc rõ rệt hơn so với biến nạp đơn.
Biến nạp chỉ được dùng để lập bản đồ gene
cho một số loài. DNA thể cho được tách ra
và làm đứt gãy thành những đoạn nhỏ. Đối
với những tế bào khả biến, tần số biến nạp
khoảng 1/ 10
3
tế bào. Nếu hai gene a và b xa
nhau trên nhiễm sắc thể thì nó thường nằm ở
2 đoạn bị đứt ra khác nhau. Khi đó tần số
biến nạp cả hai gene này vào thể cho sẽ
khoảng 1/10
3
x 1/10
3
= 1/10
6
. Nếu hai gene
này gần nhau thì tần số đồng biến nạp của
chúng xấp xỉ bằng biến nạp đơn: 1/10
3
.
Nghiên cứu khả năng đi kèm nhau của các
gene biến nạp có thể xác định được trật tự
của chúng.