mở đầu và chuỗi DNA dùng làm khuôn. Nhờ lõi enzyme polymerase tiến hành tổng hợp chuỗi RNA bổ sung với chuỗi khuôn trên DNA. Quá trình tiếp diễn cho đến khi yếu tố rho ( ) nhận biết điểm kết thúc trên DNA và kết thúc quá trình tổng hợp chuỗi RNA bổ sung. RNA tách khỏi DNA khuôn tạo ra pro- RNA.
Từ proRNA qua nhiều biến đổi phức tạp để tạo mRNA trƣởng thành. - Nối thêm mũ; - Nối thêm đuôi; - Nhờ enzyme cắt ghép tiến hành cắt bỏ các đoạn không mã hoá intron (I) và nối các đoạn mã hoá exon (E) lại với nhau sẽ tạo ra mRNA. 18 Kết quả là từ 1 đoạn DNA (gene) tạo nên một phân tử mRNA. Thành phần trật tự các nucleotide trên các đoạn exon của DNA qui định thành phần, trật tự các ribonucleotide trên mRNA.
Phân huỷ acid nucleic Trong tế bào acid nucleic luôn biến đổi, nhất là các phân tử RNA. Đời sống các phân tử mRNA, tRNA rất ngắn. Chúng thƣờng xuyên bị phân huỷ để thay thế các loại mới. Sự phân huỷ acid nucleic xảy ra qua 3 giai đoạn: - Thủy phân acid nucleic thành nucleotide nhờ các nuclease tƣơng ứng xúc tác; - Thuỷ phân nucleotidee thành các đơn phân (base-nitrogene, đƣờng pentose và H3PO4) nhờ enzyme thuỷ phân nucleotidease xúc tác; - Biến đổi tiếp base-nitrogene, đƣờng pentose thành các sản phẩm khác nhau.
Trao đổi lipid 4. Tổng hợp lipid Trong tế bào lipid phổ biến nhất là chất béo. Chất béo đƣợc tổng hợp từ glycerin và các acid béo qua các bứơc: - Glycerin + ATP glycero-P + ADP - Glycero-P + acid béo 1 monoglyceric. - Monoglyceric + acid béo 2 diglyceric.
- Diglyceric + acid béo 3 Triglyceric + H3PO4. Phân huỷ lipid. Quá trình phân huỷ chất béo xảy ra qua 2 giai đoạn - Thuỷ phân acid béo thành glycerin và các acid béo. - Phân huỷ tiếp glycerin và các acid béo.
+ Glycerin + ATP glycero-P + ADP + Glycero-P AlGP đƣờng phân. Các acid béo phân huỷ bằng nhiều con đƣờng trong đó phổ biến nhất là phân huỷ theo con đƣờng -oxi hoá. Các acid béo phân huỷ theo con đƣờng -oxi hoá tạo nên các acetyl-CoA. Từ acetyl-CoA phân huỷ tiếp bằng chu trình Krebs.
Sự phân huỷ acid béo tạo ra năng lƣợng ATP khá lớn cho tế bào VSV. Ví dụ khi phân huỷ acid palmitic tạo ra đƣợc 130 ATP. CƠ SỞ DI TRUYỀN HỌC CỦA VI SINH VẬT CÔNG NGHIỆP *Khái niệm chung Vật liệu di truyền (genetic material) để chỉ các đại phân tử đóng vai trò lƣu giữ và truyền thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào, hoặc thế hệ cơ thể. Ở cấp độ tế bào, vật liệu di truyền là các nhiễm sắc thể 19 (chromosome).
Còn ở cấp độ phân tử thì đó là các phân tử DNA. Bộ gene hay hệ gene, genome là tập hợp chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền của một cơ thể sinh vật đƣợc mã hóa trong DNA (ở một số virus có thể là RNA). Bộ gen bao gồm ẽ minh hoạ vị trí những của cácvùng exon và intron chứa trong gene lẫnmột geneđoạn nhƣng. Thuật ngữ genome đƣợc Hans Winkler giới thiệu lần đầu tiên.
Intron là những đọan DNA bên trong một gene nhƣng không tham gia vào việc mã hoá protein. Những vùng còn lại của gene đƣợc gọi là exon. Các intron chủ yếu có mặt trong các tế bào eukaryote 1. Di truyền học virus 1.
Đặc điểm và cấu tạo của virus - Virus là các thể sống chƣa có cấu tạo tế bào, ký sinh nội bào bắt buộc. Mỗi kiểu virus có một phạm vi vật chủ nhất định. Chúng nhận diện tế bào chủ theo nguyên tắc “ổ khóa và chìa khóa” giữa các protein vỏ của nó với các điểm nhận trên bề mặt màng tế bào. Các virus của vi khuẩn gọi là bacteriophage (thể thực khuẩn), gọi tắt là phage.
- Virus không có hệ thống sinh năng lƣợng, không có ribosome, không có hệ thống biến dƣỡng riêng và do vậy các virus không tăng trƣởng. - Virus không tạo màng lipid riêng; Virus không có khung sƣờn tế bào; - Virus không bị tác động bởi các chất kháng sinh; - Mỗi hạt virus thƣờng gồm 1 phân tử acid nucleic ở trong, gọi là lõi, và lớp vỏ (capsid) bao bên ngoài là các protein (tổ hợp theo các đơn vị gọi là capsomere), có mang các thành phần kháng nguyên. Kết cấu cơ bản đó gọi là nucleocapsid. Hệ gene của virus rất đặc biệt (bảng 2.3), mỗi loại virus chỉ chứa một loại acid nucleic, hoặc là DNA hoặc là RNA, chuỗi đơn hay chuỗi kép, dạng sợi thẳng hay dạng vòng.
Virus bé nhất khoảng 4 gene và lớn nhất khoảng vài trăm gene. Một số virus ngoài vỏ protein còn có thêm vài lớp màng bao khác gồm (protein + phospholipid) bắt nguồn từ màng sinh chất tế bào chủ, hoặc cả (protein + glycoprotein) từ virus HIV, virus SARS, H5N1 là một ví dụ. Virus trần và virus có màng bao Bảng 2. Phân biệt quá trình truyền bệnh AIDS, SARS, CÚM GÀ Bệnh Acid Tên virus Vật chủ Phƣơng thức lan nucleic truyền -Qua máu AIDS RNA HIV1, HIV2 Ngƣời, khỉ -Quan hệ tình dục -Mẹ sang con SARS RNA SARS Cầy hƣơng, ngƣời -Hô hấp -Hô hấp, tiêu hóa CÚM GÀ RNA H5N1 Gia cầm Hình 2.
Virus và đƣờng truyền bệnh AIDS, SARS, CÚM GÀ (HIVgây hội chứng suy giảm miễn dịch mắc phải (HCSGMDMP); Virus SARS gây hội chứng viêm đƣờng hô hấp cấp (VĐHHC); H5N1 gây bệnh cúm gà) Bảng 2. Dạng acid nucleic và kích thƣớc hệ gene một số virus Kích thƣớc hệ gene Virus Vật chủ Dạng acid nucleic ( số cặp base) Phage MS2, f2, R17 E. coli RNA sợi đơn-thẳng 3.569 Virus TMV Thuốc lá “ ~ 6.000 Các Reovirus Thú RNA sợi kép-thẳng ~ 50. coli DNA sợi đơn-vòng 5.375 Virus SV40 Thú DNA sợi kép-vòng 5.243 Baculovirus Côn trùng “ (100-150)x103 Adenovirus Ad5 Ngƣời DNA sợi kép-thẳng ~ 36.000 Ghi chú: Các virus gây bệnh ở ngƣời và động vật có hệ gene chủ yếu là DNA sợi kép-thẳng, nhƣ: các virus thuộc họ Adenoviridae gây bệnh đƣờng hô hấp, họ Herpesviridae gây mụn rộp herpes ở ngƣời, bệnh đậu gà, họ Poxviridae gây đậu mùa, đậu bò.
Hoặc là RNA sợi đơn-thẳng, nhƣ các virus thuộc họ Retroviridae gây ung thƣ, AIDS, bạch cầu ., họ Paramyxoviridae gây sởi, quai bị, bệnh gà toi, họ Rhabdoviridae với bệnh dại, họ 21 Orthomyxoviridae với bệnh cúm, họ Picornaviridae với các bệnh viêm tủy xám, viêm gan A do virus, bệnh lở mồm long móng ở trâu bò. Phương thức sinh sản và vòng đời của virus Ở đây chúng ta sẽ tìm hiểu những nét chung nhất trong chu trình sống-sinh sản của virus qua đại diện là các phage ký sinh ở E. Thông thƣờng đƣợc chia làm 5 giai đoạn: Hấp thụ → Xâm nhập → Sao chép → Thành thục → Phóng thích, hoặc 3 giai đoạn nhƣ sau: (1) Phage bám bằng phần đuôi trên bề mặt tế bào vi khuẩn và tiết enzyme tiêu hủy vách tế bào; (2) Phage dùng phần đuôi để tiêm lõi acid nucleic (DNA) vào trong tế bào chủ; (3) Trong tế bào chủ, tùy loại DNA các phage khác nhau mà có thể diễn ra một trong hai trạng thái: gây tan hoặc tiềm tan. Chu trình hoạt động gây tan (lytic cycle) và tiềm tan (lysogenic cycle) của phage ở E.
+ Đối với các phage độc nhƣ T2 và T4, lúc này DNA của chúng sẽ sao chép nhiều lần và tổng hợp đủ các protein cần cho tạo vỏ và đuôi, để sau đó chúng lắp ráp với nhau tạo ra các phage thế hệ con. Sau đó, dƣới tác dụng của lysozyme làm tan tế bào chủ và phóng thích chừng 100-200 phage con. + Đối với virus thuộc nhóm retrovirus (virus gây ung thƣ, gây bệnh AIDS, gây bệnh bạch cầu tế bào T.) có chu trình sống điển hình (hình 2. Chu trình sống của virus nhóm retrovirus Ở đây cần để ý hai điểm quan trọng liên quan công nghệ gene: + Tái tổ hợp: Khi có nhiều virus nhiễm đồng thời tế bào chủ thì giữa chúng xảy ra sự trao đổi gene, tạo ra các thể tái tổ hợp.
Nhờ vậy có thể lập bản đồ di truyền ở virus. Dạng tái tổ hợp điểm đặc hiệu để gắn DNA phage vào nhiễm sắc thể vi khuẩn chủ và tách ra ( khi bị cảm ứng tia UV) đƣợc xúc tác bởi cặp enzyme tƣơng ứng là integrase và excisionase. Lợi dụng đặc điểm này, ngƣời ta sử dụng phage làm vector trong kỹ thuật gene. + Sao chép: Do vật liệu di truyền của các virus rất đa dạng, nên sự sao chép/sao chép của chúng cũng khác nhau, theo 3 con đƣờng: DNA → DNA; RNA→ RNA; và RNA → cDNA kép → RNA.
Trong đó, các retrovirus có hệ gene RNA gây ung thƣ, bệnh AIDS (HIV), bệnh bạch cầu tế bào T (HTLV-I).đều có chứa enzyme phiên mã ngƣợc (reverse transcriptase) để tổng hợp cDNA sợi đơn trên khuôn RNA của nó, rồi sau đó là cDNA sợi kép để có thể xen vào nhiễm sắc thể vật chủ ở trạng thái provirus ổn định. Lợi dụng enzyme này để tổng hợp và tạo dòng cDNA. Sơ đồ minh họa quá trình phiên mã ở một số virus 2. Di truyền học vi khuẩn 2.
Vật liệu di truyền của vi khuẩn 23 Vi khuẩn là một nhóm lớn của Prokaryote, có cấu trúc tế bào nhƣng chƣa có nhân điển hình. Bộ máy di truyền của vi khuẩn phức tạp hơn virus nhiều, thƣờng gồm 1 phân tử DNA sợi kép-vòng kích thƣớc lớn (ví dụ ở E. coli là 4,6 x106 cặp base). Trong dịch bào có rất nhiều phân tử DNA trần sợi kép, dạng vòng, kích thƣớc bé bằng khoảng 0,05-10% kích thƣớc nhiễm sắc thể vi khuẩn và có khả năng sao chép độc lập, gọi là các plasmid.
coli có nhiều loại plasmid với tính chất và số bản sao có mặt khác nhau trong tế bào, ở đây đề cập 2 loại: - Các plasmid kháng thuốc, gọi là plasmid R (R-resistance), thƣờng có mang nhiều gene mã hóa các enzyme có khả năng phân hủy chất kháng sinh tƣơng ứng có mặt trong môi trƣờng. Ví dụ, plasmid pBR322 (4362 cặp base) có 2 gene kháng ampicilline (AmpR) và tetracyline (TetR). Loại plasmid này thuộc loại sao chép mạnh, có thể tạo ra khoảng 50 bản sao (copies) trong một tế bào. Đó là những đặc điểm chính mà ngƣời ta lợi dụng nó làm công cụ đắc lực (vector) trong kỹ thuật di truyền.
- Các plasmid giới tính, tức plasmid F (F-fertility) có chứa các gene truyền và bắt buộc tham gia vào quá trình tiếp hợp ở E. Các tế bào vi khuẩn có mang plasmid F, ký hiệu F+ và tế bào không có F, ký hiệu F-. Nhân tố F có kích thƣớc lớn (khoảng 100.000 cặp nucleotide), đƣợc sao chép chỉ 1 lần trong chu kỳ tế bào (nhờ xen vào trong nhiễm sắc thể vi khuẩn) và phân ly về cả 2 tế bào con. Cho nên trong 1 tế bào F+ điển hình thƣờng có 1-2 bản sao của plasmid F.