Bài giảng Các cơ chế gây biến đổi DNA

Chương V Các cơ chế gây biến đổi DNA Đột biến Đặc điểm của đột biến Đột biến là những thay đổi đột ngột có khả năng di truyền trong vật chất di truyền (DNA), đột biến bao gồm cả 2 nội dung là những thay đổi trong vật chất di truyền và quá trình làm thay đổi nó. Một cơ thể sinh vật có biểu hiện kiểu hình khác thường do kết quả của đột biến gọi là thể đột biến (mutant). Thay đổi kiểu gen bao gồm thay đổi số lượng nhiễm sắc thể, cấu trúc nhiễm sắc thể, nhóm gen liên kết và nhỏ nhất là thay đổi trong 1 gen. Chúng ta sẽ đề cập đến đột biến gen, nhiều đột biến do thay đổi 1 cặp bazơ, thay cặp này bằng cặp khác, lặp lại, tăng hoặc mất chỉ 1 vaì nu(đột biến điểm). Đột biến là nguyên nhân chính tạo ra tất cả các biến dị di truyền, làm cơ sở cho tiến hóa. Nếu không có đột biến thì tất cả các gen chỉ tồn tại ở một dạng, sẽ không có tồn tại nhiều alen, bởi vậy việc phân tích di truyền sẽ không thể tiến hành được và một điều vô cùng quan trọng là sinh vật sẽ không thể tiến hóa, không thể thích ứng được với sự thay đổi của môi trường. Đột biến tự nhiên (spontaneous mutation) là đột biến xảy ra không rõ nguyên nhân, do sai sót trong tái bản DNA. Đột biến nhân tạo (induced mutation) xảy ra do cơ thể sinh vật được tiếp xúc với các tác nhân gây đột biến do con người xử lý như: tia phóng xạ ion, tia tử ngoại, những hóa chất phản ứng t­¬ng t¸c với DNA và RNA. Tần số sai sót nhận thấy từ các nucleotit khi tái bản dự đoán khoảng 10-5, 1 chu kỳ ®äc sửa sai (proofreading) nhờ hoạt tính exonuclease 3’-5’ của DNA polymerase sẽ giảm tần số sai sót xuống còn 10-10 (10-5x10-5). Thêm một số cơ chế khác có thể làm giảm tỷ lệ sai sót xuống hơn nữa. Tần số đột biến ở vi khuẩn trong tự nhiên từ 10-8 -10-10 nu/1 thế hệ, còn ở sinh vật nhân thật là từ 10-7 – 10-9 nu/1 thế hệ. Đột biến xảy ra ngẫu nhiên không định hướng theo môi trường (tác nhân gây đột biến), mặc dầu chúng ta quan sát nhiều quẩn thể sinh vật ngày một trở lên chống lại thuốc trừ sâu như loại ruồi nhà chống lại DDT, vi sinh vật chống lại kháng sinh nếu dùng liên tục. Điều đó không phải do môi trường định hướng đột biến mà trong quần thể ngẫu nhiên có đột biến chống chịu, đột biến này sẽ tồn tại, sinh sôi nảy nở và tạo thành quần thể thế hệ sau. Việc chọn lọc chủng vi khuẩn kháng kháng sinh streptomicine từ quần thể vi khuẩn được xử lý streptomicine là một ví dụ minh chứng cho điều đó. Cách làm như sau: pha loãng từng tế bào nuôi trong Streptomicine, số ít tế bào có đột biến kháng sẽ sống còn phần lớn sẽ chết. Biểu hiện của đột biến thể hiện từ rất nhỏ đến biến đổi cả hình thái hoặc làm sinh vật chết. Gen là một đoạn DNA mã hóa một chuỗi polypeptide, bất kỳ đột biến nào xảy ra trong nội bộ gen sẽ tạo thành dạng mới hoặc alen mới của gen rồi có thể tạo ra protein mới. Những gen chứa những đột biến nhỏ muốn phát hiện phải dùng kỹ thuật đặc biệt gọi là (isoallele). Đột biến có thể trội hoặc lặn, ở cơ thể đơn bội như virus, vi khuẩn thì cả 2 dạng trội và lặn đều được biểu hiện ra kiểu hình, còn ở cơ thể nhị bội đột biến trội hoặc lặn chỉ được phát hiện ra qua phân tích quần thể đời sau hoặc chuyển được chúng về trạng thái đồng hợp tử, hầu hết đột biến lặn ở nhị bội không thể biểu hiện trừ một số đột biến nằm trên nhiễm sắc thể giới tính. Dạng đột biến dễ phân tích nhất là đột biến gây chết có điều kiện, chúng chết trong môi trường này nhưng tồn tại trong môi trường khác. Có 3 dạng đột biến này là: + Đột biến dinh dưỡng thụ động là đột biến xảy ra ở vi sinh vật làm cho nó chỉ sống được trong môi trường tối thiểu. + Đột biến mẫn cảm nhiệt độ là đột biến chỉ biểu hiện trong một phạm vi nhiệt độ nhất định, có sản phẩm gen nhưng không bền ở ngoài ngưỡng nhiệt độ trên. Cũng có thể đột biến ở điều kiện nhiệt độ này thì bình thường nhưng ở điều kiện khác thì biểu hiện đột biến. + Đột biến mẫn cảm ức chế là đột biến bù lại cho những đột biến khác dẫn đến trở thành bình thường hoặc gần bình thường khi cùng có thêm 1 đột biến nữa. Hầu hết các đột biến biểu hiện hiệu quả kiểu hình là do kết quả của hoạt tính sản phẩm gen bị giảm đi hoặc do không có hoạt tính sản phẩm của gen. Điều này do hiệu quả chọn lọc lâu đời tính thích ứng tối ưu của dạng dại (allele dại). Đột biến có thể xảy ra ở bất kỳ tế bào hoặc trạng thái nào trong chu kỳ tế bào, nếu xảy ra ở tế bào soma, tế bào này không sinh giao tử thì chỉ có ở mô đó, và có thể được truyền qua sinh sản vô tính như ví dụ đối với giống táo Delicious và giống cam navel. Nếu đột biến trội xảy ra trong tế bào phôi thì hiệu quả của đột biến có thể được biểu hiện ngay ở con cháu, tuy nhiên nếu là đột biến lặn thì vẫn không biểu hiện ra. Đột biến hemoglobin. Hemoglobin là một đại phân tử có mặt trong hồng cầu có nhiệm vụ vận chuyển oxy từ phổi đến tất cả các mô khác nhau của cơ thể. Có 2 kiểu hemoglobin ở người là dạng F khi trong trạng thái trẻ sơ sinh (new born) và dạng A khi người đã trưởng thành. Hemoglobin A gồm 2 chuỗi a giống nhau và 2 chuỗi b, còn dạng F gồm 2 chuỗi b và 2 chuỗi g . Mỗi chuỗi được mã hóa bởi 1 gen đặc trưng. Chuỗi a chứa 141 axit amin, chuỗi b và g chứa 146 axit amin, các chuỗi này khá giống nhau về trình tự chuỗi axit amin, cho nên người ta cho rằng chúng đều xuất phát từ 1 gen chung. Có nhiều biến dạng hemoglobin được phát hiện chủ yếu là từ Hemoglobin A. Một trong chúng là đột biến tế bào hồng cầu lưỡi liềm là Hemoglobin S (alen S, Hbsb/HBsb) là một dạng biến đổi của chuỗi b. Phân tử này kết tủa khi bị thiếu oxy, hình thành lên thể ác tính làm biến đổi hình thái tế bào hồng cầu tạo thành hình lưỡi liềm (h×nh 1.5). H×nh 1.5. §ét biÕn hång cÇu thµnh h×nh l­ìi liÒm 2. Cơ sở phân tử của đột biến Watson và Crick đã mô tả chuỗi xoắn kép DNA, đề xuất cơ chế sao chép DNA bán bảo toàn trên cơ sở ghép cặp đặc thù bazơ để giải thích quá trình truyền đạt trung thành thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Hai ông còn đề xuất một cơ chế giải thích đột biến tự nhiên và cấu trúc bazơ nitơ không bất biến. Nguyên tử hydro có thể rời từ ví trí NH2 hoặc chuyển đến ví trí 0 của 1 purine hoặc pyrimidine để tạo thành bazơ hiếm, thí dụ nguyên tử H từ nhóm amin trở thành NH hoặc H đến kết hợp với O thành OH trong vòng nitơ, quá trình này gọi là (tautomeric –shift, sự trôi dạt nguyên tử H (h×nh 2.5). Thí dụ Thymine và Guanine dạng bình thường là dạng keto khi chuyển thành trạng thái hiếm enol, chúng có thể lần lượt được kết hợp với dạng keto của Guanine và Thymine bằng 3 liên kết hydro. Có 3 dạng đột biến điểm: Tương tự adenine và cytosine bình thường ở dạng amino khi trở thành dạng hiếm imino chúng có thể lần lượt kết hợp với dạng amino của cytosine và adenine bằng 2 liên kết hydro (h×nh 3.5). Điều này trái với bình thường là T=A, GºC. Các trạng thái tautomeric thường tồn tại một thời gian ngắn, tuy nhiên nếu xuất hiện vào lúc tái bản, thì quá trình nhận nhầm và đột biến dễ xảy ra. Kết quả có thể tạo ra sự thay thế một bazơ purine hoặc pyrimidine dạng này bằng bazơ purine hoặc pyrimidine khác (đây gọi là quá trình transition, quá trình chuyển tiếp hay quá trình quá độ (hoán vị). Hình 2.5. Trạng thái tautomeric chuyển từ trạng thái bình thường keto, amino thành dạng hiếm enol và imino của 4 bazơ nitơ Quá trình thay thế cặp bazơ liên quan đến việc thay thế 1 purine bằng 1 pyrimidine và ngược lại gọi là quá trình transversion (sự chuyển qua). Thêm hoặc bớt một vài cặp bazơ gọi là đột biến thay đổi khung đọc mã (frame shift mutation) (h×nh 4.5). Hình 3.5. Hiện tượng ghép cặp đôi nhầm của các bazơ hiếm có thể sẽ dẫn đến ghép bất bình thường A = C và G º T. Hình 4.5. Sơ đồ do đột biến thêm 1 cặp bazơ làm thay đổi khung đọc mã và tạo ra chuỗi protein bị biến đổi - Cã thÓ tãm t¾t mét sè kh¶ n¨ng biÕn ®æi lµm thay thÕ c¸c nu trong ph©n tö DNA t¸i b¶n tr×nh bÇy ë h×nh 5.5. Hình 5.5. Sơ đồ các khả năng biến đổi bazơ xẩy ra, mũi tên đường liền là giữa bazơ Pu –Pu và giữa Py-Py, đường đứt giữa Pu - Py và ngược lại 3. HËu qu¶ cña ®ét biÕn DNA - HËu qu¶ cña ®ét biÕn tuú thuéc vµo n¬i xÈy ra ®ét biÕn vµ kiÓu ®ét biÕn xÈy ra. - §ét biÕn ®iÓm xÈy ra ë ®o¹n DNA phiªn m· sÏ: + Lµm biÕn ®æi thµnh codon kh¸c nh­ng m· ho¸ cïng mét acid amin so víi tr­íc gäi lµ ®ét biÕn c©m (Synonymous or silent mutation). + BiÕn ®æi thµnh codon kh¸c råi m· ho¸ mét acid amin kh¸c (missense mutation) + BiÕn ®æi codon tõ m· ho¸ cho mét acid amin thµnh mét codon dõng dÞch m· sÏ t¹o ra protein ng¾n l¹i (nonsense mutation). - §ét biÕn xÈy ra ë ®o¹n kh«ng phiªn m· gåm c¸c vïng mµ enzyme RNA polymerase vµ nh÷ng protein kh¸c bäc lÊy míi cho phÐp qu¸ tr×nh phiªn m· tiÕn hµnh sÏ ¶nh h­ëng ®Õn c­êng ®é phiªn m·, l­îng mRNA vµ protein sinh ra. D­íi gãc ®é RNA th× c¸c vïng bÞ ¶nh h­ëng bao gåm: + vÞ trÝ bäc ribosome cña mRNA vi khuÈn. + vÞ trÝ c¾t 5’ vµ 3’ ®Ó kÕt nèi c¸c exon cña mRNA sinh vËt nh©n chuÈn. + nh÷ng vÞ trÝ ®iÒu hoµ qu¸ tr×nh dÞch m· vµ ®Þnh vÞ mRNA trong tÕ bµo. C¸c d¹ng ®ét biÕn nµy rÊt khã ph¸t hiÖn so víi nh÷ng ®ét biÕn xÈy ra ë vïng m· ho¸ vµ ¶nh h­ëng kh«ng nhiÒu ®Õn biÓu hiÖn kiÓu h×nh sinh vËt. 4. Ung th­ lµ hËu qu¶ cña ®ét biÕn U ¸c tÝnh hay u ung th­ lµ tËp hîp c¸c tÕ bµo ®­îc sinh ra tõ mét tÕ bµo gèc bÊt b×nh th­êng. TÕ bµo ung th­ kh¸c víi tÕ bµo b×nh th­êng bëi nhiÒu ®Æc tÝnh nh­: tèc ®é ph©n chia nhanh h¬n, x©m lÊn l·nh ®Þa cña nh÷ng tÕ bµo míi kh¸c, cã tèc ®é trao ®æi chÊt cao h¬n vµ cã h×nh d¹ng bÊt th­êng. Nguyªn nh©n lµ do mét sè yÕu tè ®iÒu khiÓn sù ph¸t triÓn cña tÕ bµo b×nh th­êng trong tÕ bµo ung th­ bÞ biÕn ®æi. RÊt nhiÒu lo¹i tÕ bµo cã kh¶ n¨ng trë thµnh tÕ bµo ung th­. Mét sè ®­îc truyÒn tõ cha mÑ qua dßng tÕ bµo ph«i, nh­ng hÇu hÕt lµ do ®ét biÕn tÕ bµo soma g©y lªn. Cã nhiÒu t¸c nh©n g©y ra tÕ bµo ung th­ vµ cã 2 lo¹i ®ét biÕn g©y ung th­ lµ ®ét biÕn nh÷ng gen trùc tiÕp sinh ra ung th­ vµ ®ét biÕn nh÷ng gen øc chÕ ®Æc tÝnh g©y ung th­. Lo¹i ®Çu cã 2 ®Æc ®iÓm lµ th­êng gen ®ét biÕn ung th­ sinh ra protein ung th­ trong tÕ bµo khèi u vµ chØ cÇn mét alen ®ét biÕn còng g©y lªn khèi u. Cßn ®ét biÕn gen mÊt chøc n¨ng øc chÕ ung th­ lµ ®ét biÕn lÆn, t¹o ra protein lµm mÊt mét phÇn hoÆc mÊt hÕt kh¶ n¨ng øc chÕ ung th­. §ång thêi ®Ó ph¸t triÓn thµnh ung th­ th× cÇn ph¶i cã c¶ 2 alen cña locus gen cïng bÞ ®ét biÕn Lo¹i ®ét biÕn tiÒn ung th­ (proto-oncogene) chia ra lµm 2 lo¹i: lo¹i 1 chØ g©y ung th­ nÕu s¶n phÈm protein cña nã ®­îc ho¹t ho¸ khi cã mÆt cña mét tÝn hiÖu ®iÒu hoµ phï hîp nh­ chÊt nhËn yÕu tè sinh tr­ëng, protein truyÒn tÝn hiÖu vµ chÊt ®iÒu hoµ phiªn m·. Lo¹i 2 s¶n phÈm gen ®ét biÕn ho¹t ®éng øc chÕ kh¶ n¨ng ph¸ huû nh÷ng tÕ bµo bÞ sai hong, kÕt qu¶ lµ g©y tÕ bµo ung th­. B×nh th­êng cã mét sè gen cã chøc n¨ng ®iÒu khiÓn chu kú ph©n chia tÕ bµo b×nh th­êng, nh÷ng gen nµy bÞ ®ét biÕn dÉn ®Õn tÕ bµo ph©n chia bÊt th­êng vµ g©y ra ung th­. 5. Tác nhân lí hóa gây đột biến a. Tác nhân vật lý Tia phóng xạ, tia X quang, tia g, tia vũ trụ, tia cực tím, phóng xạ ion như X quang, có bước sóng 0.1-1nm, có năng lượng cao dùng trong chẩn đoán y học vì chúng có khả năng xuyên qua mô. Trong quá trình xuyên, chúng va đập vào các nguyên tử, giải phóng ra electron tạo ra các ion tích điện dương, những ion này đập vào phân tử khác lại giải phóng ra electron (điện tử). Tia cực tím (UV) có năng lượng thấp được hấp thụ bởi các bazơ purine và pyrimidine biến nó thành dạng hoạt hóa và kích động. Vì năng lượng của tia này thấp nên khả năng đâm xuyên vào mô chậm chạp thường chỉ xuyên được vào lớp bề mặt tế bào của sinh vật đa bào, nên nó thướng có tác dụng gây đột biến đối với sinh vật đơn bào. DNA hấp phụ tối đa tia UV ở bước sóng 254 nm và tại bước sóng này gây tần số đột biến cao. Cơ chế hấp phụ UV và gây tạo chất dễ hoạt hóa (h×nh 6.5), khi cytosine + UV + H2O sẽ tạo thành cytosine hydrat, khi có 2 thymine nằm gần cạnh nhau + UV sẽ tạo thành thymine C5= C5 Thymine (thymine dimer), dạng này gây lên quá trình ghép nhầm hoặc làm chấm dứt quá trình tái bản. Hình 6.5. Tác động của tia UV làm biến đổi bazơ pyrimidine thành dạng hiếm b. Tác nhân hóa học chia làm 5 nhóm Hơi độc hoặc hơi sulfur (mustard gas hoặc sulfur mustard) (b¶ng 1.5), có tác dụng alkyl hoá bazơ. Bảng 1.5. Hơi độc có tác dụng gây biến đổi các bazơ cua DNA Bazơ tương đồng như: 5 BU (5 Bromouracil) và 2AP (2 aminopurine), tác dụng làm tăng tần số ghép cặp nhầm, 5 BU là bazơ tương đồng với thymine, còn Br ở vị trí C5 tương tự như nhóm –CH3 ở C5 trong thymine. Sự có mặt Br làm thay đổi phân bố điện tích, làm tăng khả năng chuyển vị nguyên tử hydro. Ở trạng thái keto bền, 5 BU ghép cặp với Adenine, sau khi có chuyển vị hydro thành dạng enol thì 5BU lại ghép cặp với Guanine (Hình 3.5). Hiệu quả gây đột biến của 5BU tương tự như quá trình tautomeric shift (h×nh 7.5). Hình 7.5. Cơ chế tạo đột biến điểm do hiện tượng trôi dạt tautomeric tạo bazơ hiếm gây quá trình ghép cặp đôi nhầm. Nếu 5BU tồn tại ở trạng thái hiếm enol như một Nu 3 phosphate tại thời điểm nó gắn nhập vào mạch DNA, nó sẽ gắn vào guanine mạch gốc và gây ra hiện tượng transition (hoán vị) từ GCà AT (h×nh 8.5). Nếu 5BU kết gắn với Adenine dạng keto, sau khi tautomeric shift sẽ biến thành dạng enol, quá trình sao chép sau đó sẽ tạo ra hoán vị từ A-T thành GC (hình 11.26b). Do vậy 5BU gây ra quá trình hoán vị theo 2 hướng AT« GC, nên có thể tạo ra cả 2 hướng đột biến trên. Hình 8.5. Sơ đồ tác động của dạng enol 5BU kèm theo quá trình tái bản DNA gây nên đột biến HNO2 tác động vào DNA trong cả lúc tái bản và không tái bản, bằng cách oxy hóa khử gốc amin của các bazơ, A, G, và C (h×nh 9.5). Thí dụ làm adenine biến thành hypoxanthine, chất này sẽ ghép cặp với cytosine hơn là với thymine, còn cytosin đảo thành uracine sẽ ghép cặp với adenine thay vì bình thường ghép với guanine. Quá trình khử amin của Guanine sẽ biến thành xanthine, chất này ghép cặp với cytosine giống như Guanine. Do vậy khử amin của Guanine không tạo được đột biến giống như đối với adenine và cytosine. HNO2 gây đột biến hoán vị theo 2 hướng AT«GC. Thuốc nhuộm acridine là proflavin và hàng loạt các hợp chất có tên gọi là ICR-170, ICR-191 là những chất có tác dụng gây đột biến rất mạnh, có thể tạo ra các đột biến thêm mất cặp bazơ. ICR có chứa phần acridine gồm những chuỗi có kích thước khác nhau, các chất này thường là tác nhân alkyl hóa. Acridine tích điện dương tự xen vào giữa cặp bazơ xếp chồng nhau (h×nh 10.5), làm tăng độ cứng chắc và thay đổi tính ổn định của chuỗi xoắn kép, tạo ra những thắt nút nhẹ trong phân tử DNA. Khi phân tử DNA có chứa acridine xen vào mà tái bản sẽ xẩy ra tăng thêm hoặc mất đi cặp bazơ kết quả sẽ tạo ra đột biến. Hình 9.5. Cơ chế gây đột biến do tác động của HNO2: a) biến đổi adenine thành hypoxanthine làm cặp AT biến thành GC; b) biến đổi cytosine thành uracine làm cặp GC biến thành AT; biến đổi guanine thành xanthine dẫn đến là AT biến thành GC và ngược lại. Hình 10.5. Quá trình chèn xen của acridine proflavin vào chuỗi xoắn kép DNA tại đó cặp bazơ có thể được tăng thêm hoặc mất đi dẫn đến đột biến. Tác nhân alkyl hóa và hydroxyl hóa như: MMS, EMS (methyl và ethyl methane sulfonate, nitroguanidine (NTG), chúng có tác dụng gây đột biến mạnh bằng cách chuyển gốc methyl và ethyl vào bazơ làm quá trình ghép cặp bình thường bị đảo lộn dẫn đến đột biến thay thế bazơ của purine hoặc pyrimidine bằng bazơ khác cùng nhóm. Thí dụ: Ethyl hóa tại vị trí 7N vào 6-O do chất EMS tạo thành 7 ethyl guanine sẽ ghép cặp với thymine(h×nh 11.5 vµ 12.5). Hình 11.5. Giả thuyết gây đột biến do EMS (a) làm Guanine ghép nhầm với Thymine; (b)do NH2OH làm Adenine ghép nhầm với Cytosine Sản phẩm alkyl hóa các bazơ khác có tác dụng hoạt hóa quá trình sửa chữa giống như tạo thành 2 thymine. Những sai sót hiếm hoi này xảy ra trong quá trình sửa chữa sẽ tạo thành đột biến kiểu transverion và frameshift. Một số hợp chất có 2 nhóm alkyl hoạt hóa gây bắt chéo (cross-link) sợi đơn DNA hoặc phân tử ADN làm nhiễm sắc thể bị gẫy, tạo ra đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể. Alkyl hóa ít gây đột biến đặc thù như chất tương đồng và HNO2 hoặc acridine. Nó có thể tạo ra tất cả các kiểu đột biến với tần xuất rất khác nhau, phụ thuộc vào hóa chất và nồng độ. Nitrosoguanidine (NTG) gây lên hàng loạt các đột biến liên kết gần nhau trong 1 mẩu nhiễm sắc thể đang tái bản trong khi bị xử lý, nên ít được sử dụng trong nghiên cứu di truyền. Hydroxylamine NH2OH, ngược với nhóm alkyl có tác dụng gây đột biến đặc thù, tuy nhiên cơ chế chính xác vẫn chưa rõ, nó hydroxyl hóa nhóm amin của cytosine (h×nh 11.5 b) tạo thành hydroxylaminocytosine, chất này ghép cặp với adenine tạo thành đột biến hóan vị GCà AT. Những đột biến do HNO2 và bazơ tương đồng gây lên đột biến kiểu transition, có thể chia ra làm 2 loại: loại 1 là những thể có cặp AT ở tại nơi bị đột biến, sẽ không bị đột biến đảo ngược bởi hydroxylamine, loại thứ 2 có cặp GC tại điểm đột biến sẽ bị đảo ngược bởi hydroxylamine. Bởi vậy hydroxylamine được dùng để xác định tính đặc thù của đột biến xảy ra từ ATà GC hoặc GCà AT hoán vị. Hình 12.5. Cơ chế tác động gây đột biến của một số tác nhân alkyl hoá. a) Tác động của EMS (ethyl methanesulfonate) biến guanine thành 7-ethylguanine sẽ ghép cặp bất thường với thymine; b) Tác động của NH2OH (hydroxylamine) biến cytosine thành hydroxylaminocytosine sẽ ghép nhầm với adenine. II. Các nguyên nhân gây biến đổi DNA ë vi sinh vËt Tái tổ hợp ở E.coli tạo biến đổi DNA Thông tin di truyền của vi khuẩn được tàng trữ trong 1 nhiễm sắc thể chính, trung bình dài khoảng 5 Mb, chứa vài nghìn gen và có thể có hoặc không cã thể di truyền ngoài nhiễm sắc gọi là episome hoặc plasmid. Plasmid biến động theo kích thước dài từ 1 – 200 kb, có tu 3 gen đến hàng trăm gen. Có tế bào vi khuẩn chứa đến 11 loại plasmid khác nhau. Episome là nhân tố di truyền ngoài nhiễm sắc thể của vi khuẩn như thùc khuÈn thÓ lamda (phage lambda) hoặc yếu tố giới tính F. Episome có thể tái bản độc lập với nhiễm sắc thể ký chủ hoặc là mét đơn vị thành phần gắn vào nhiễm sắc thể ký chủ. Nhiễm sắc thể cña vi khuẩn khác với nhiễm sắc thể sinh vật nhân thật ở chỗ nó chỉ gồm các nucleoid. Nucleoid là vùng chứa DNA, thường chứa hơn 2 bản nhiễm sắc thể vi khuẩn giống hệt nhau. Tái tổ hợp DNA ở vi khuẩn xảy ra qua 3 quá trình: a. Biến nạp ở vi khuẩn (transformation) Là quá trình những gen, dưới dạng một đoạn DNA hòa tan, được chuyển từ dòng tế bào vi khuẩn này sang dòng tế bào vi khuẩn khác, các đoạn DNA này có thể từ tế bào sống hoặc đã chết. Các đoạn DNA này được hòa tan trong môi trường ngoài có thể thâm nhập vào tế bào chỉ khi tế bào vi khuẩn nhận có vùng tiếp nhận trên bề mặt màng (competent cell). Khi vào bên trong, các đoạn này thường thay thế bằng cách tái tổ hợp với vùng DNA ngắn tương đồng của tế bào chủ. Quá trình biến nạp được chia thành các bước (h×nh 13.5) nh­ sau: + Gắn sợi DNA kép nạp vào bề mặt vị trí tế bào tiếp nhận. + Hấp thụ DNA cho, lúc này DNA cho có khả năng chống lại DNase. + Biến đổi sợi DNA kép cho, thành sợi đơn DNA nhờ enzym phân rã exonuclease. + Gắn (cộng hóa trị) toàn bộ hoặc một phần sợi đơn DNA cho vào thay thế đoạn tương ứng trong nhiễm sắc thể nhận, tạo sợi DNA lai có 2 sợi đơn cơ bản có trình tự tương đồng nhau trừ trình tự gen a/a+, ở chỗ này gọi là DNA dị hợp kép (heteroduplex) là trạng thái trung gian quan trọng trong quá trình đột biến, tái tổ hợp và sửa chữa DNA, chúng phân ly trong quá trình tái bản. Phân ly và biểu hiện kiểu hình của những gen cho gắn vào hoặc những gen tái tổ hợp. Ở các thế hệ tế bào sau sẽ tạo ra một số biến đổi DNA hoặc thể biến nạp. Hình 13.5. Sơ đồ biểu diễn hai bước chính hấp thụ và kết gắn đoạn gen ngoại trong quá trình chuyển nạp gen ở vi khuẩn Pneumococus. a) Hấp thụ DNA trên bề mặt màng tại đây nhờ enzyme exonuclease liên kết màng hoặc DNA translocase kéo một sợi đơn DNA ngoại vào trong tế bào sử dụng năng lượng tạo ra nhờ quá trình phân rã sợi đơn DNA còn lại. Đoạn DNA ngoại mang chỉ thị di truyền a+; Nhiễm sắc thể tế bào chủ chỉ chứa một đoạn DNA mang chỉ thị alen a. b) Sợi đơn DNA ngoại gắn xen vào nhiễm sắc thể và đẩy một sợi đơn DNA của nhiễm sắc chủ ra ngoài. Sợi đơn ngoại ghép cặp bazơ bổ sung với hầu hết các bazơ của đoạn sợi đơn chủ tiếp nhận trừ vị trí a. Sự ghép lỗi xảy ra tại vị trí a+/a tạ