Y khoa Ykhoa, y học, y tế, kiến thức, lâm sàng, cận lâm sàng, chẩn đoán, điều trị, phác đồ, diễn đàn y khoa, hệ sinh thái y khoa online, mới nhất và đáng tin cậy.
Nhiễm sắc thể của vi khuẩn là một phân tử ADN kép, và chúng nối hai đầu lại với nhau tạo thành một vòng tròn lớn. Vì chúng chỉ là một bản sao chép từ một phần của mỗi tế bào nên vi khuẩn tồn tại ở trạng thái đơn bội. Vi khuẩn không có màng nhân để bao quanh ADN.
Trong chương này sẽ không trình bày hết tất cả chi tiết về sự di truyền của vi khuẩn chẳng hạn như là sự sao chép, phiên mã, dịch mã. Thay vào đó, chương nào sẽ trình bày bao gồm các cơ chế trao đổi thông tin di truyền của vi khuẩn. Ở sinh vật nhân sơ chưa có bộ phận di truyền hoàn chỉnh khi đó nó không thể liên kết di truyền với vi khuẩn khác. Nó thực hiện giai đoạn sao chép gen hình thành một bản sao giống như bộ gen của chúng, sao đó chúng tách ra làm 2 phần để thực hiện sao chép với mỗi nữa phần đó (nhị phân phân hạch – binary fission). Còn ở tế bào cao hơn (sinh vật nhân thực) là một hợp tử được hợp thành từ giao tử đực và giao tử cái mẹ cho nên nó đảm bảo được tính đa dạng di truyền. Vậy, làm thế nào để các sinh vật có sự hạn chế về di truyền (sexless) vẫn có những thay đổi di truyền cần thiết cho sự sinh tồn ?
Một cơ chế rất đơn giản đó là sự đột biến (mutation). Tuy nhiên, sẽ rất là hiếm hoi để cho một đột biến điểm lại có thể thay đổi một cách hữu hiệu cho một cả vi sinh vật. Đột biến điểm này thường có không có ý nghĩa (nonsense) hoặc không đúng mục đích (missense) (vậy thứ này có lợi ?). Có 4 cách để vi khuẩn có thể trao đổi các đoạn di truyền (genetic fragment):
1) Biến nạp (Transformation)
2) Tải nạp (Transduction)
3) Tiếp hợp (Conjugation)
4) Chèn transposon (Transposon insersion)
Việc trao đổi vật liệu di truyền cho phép chia sẻ các gen mã hóa protein, những thứ đó giống như người cung cấp sức đề kháng kháng sinh, ngoại độc tố, enzym, và những yếu tố độc lực khác (pili, tiên mao, vỏ). Các nhà khoa học có thể tận dụng những ưu thế trong cơ chế trao đổi đó để áp dụng vào những kỹ thuật di truyền và lập bản đồ di truyền. Để đọc được nó thì chỉ khi nào bạn qua 21 tuổi.
BIẾN NẠP
Mảnh ADN trần, được tách ra từ quá trình phân giải tế bào, gắn lên vách tế bào của vi khuẩn khác. Vi khuẩn nhận phải ở trạng thái khả biến (competent), nghĩa là cấu trúc trên vách tế bào của vi khuẩn nhận có thể tiếp nhận các mảnh ADN trần và đưa chúng vào bên trong nội bào. Vi khuẩn tiếp nhận khả biến thường là những loài tương tự như những vi khuẩn cho nạp. ADN sau khi đã được đưa vào bên trong thì sẽ kết hợp với hệ gen của vi khuẩn nhận nếu như nó có sự tương đồng giữa các sợi (đó cũng là một lý do tại sao sự biến nạp chỉ xảy ra giữa các loài có sự tương đồng với nhau).
Một ví dụ nổi tiếng đại diện cho sự trao đổi vật liệu di truyền đó là thí nghiệm được tiến hành bởi nhà khoa học Frederick Griffith vào năm 1928. Ông sử dụng vi khuẩn Streptococcus pneumoniea, là vi khuẩn được chia thành nhiều loại khác nhau dựa trên vỏ tế bào của chúng. Griffth đã sử dụng phế cầu có lớp vỏ nang trơn láng và làm cho chuột bị chết do bị viêm phổi cấp tính, trong khi đó ông lại sử dụng phế cầu có vỏ nang trơn láng đó và không làm cho chuột bị chết. Sau đó, Griffth đã giết chiết các phế cầu có lớp vỏ nang bằng nhiệt và tiêm chúng cùng với phế cầu không có lớp vỏ nang vào chuột. Đoán xem kết quả thế nào ? Tất nhiên là con chuột xấu số kia cũng đã chết, và khi ông lấy máu của con chuột kia để nuôi cấy thì ông chỉ có thể tìm thấy những phế cầu có nang trơn láng kia. Các gen mã hóa hình thành lớp vỏ nang trơn đã được chuyển từ các vi khuẩn đã bị diệt bằng nhiệt đã được tích hợp vào các vi khuẩn không có vỏ nang trơn kia. Vì vậy các vi khuẩn có vỏ nang đã truyền tính độc lộc vào các vi khuẩn không có vỏ nang trơn còn sống kia. Hiện nay, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp này rộng rãi để chèn ADN tái tổ hợp và lập bản đồ gen trên nhiễm sắc thể.
TẢI NẠP
Sự tải nạp xảy ra khi một virus gây nhiễm cho vi khuẩn, được gọi là thực khuẩn thể (bacteriophage), mang một mảnh ADN của vi khuẩn này đến vi khuẩn khác. Để hiểu về vấn đề này, hãy cùng lạc đề một chút để nói về bacteriophage.
3.1. Thực khuẩn thể cũng giống như hầu hết các virus khác đó là có một lớp vỏ protein được gọi là capsid, lớp vỏ đó bao quanh một phân tử ADN hoặc ARN. Nó nhìn rất giống một con nhện với những “cái chân” dài.
Phage sẽ liên kết với các thụ thể trên bề mặt tế bào vi khuẩn bằng những cái chân dài đó, đó được gọi là sự hút bám (adsorption). Sau đó, phage sẽ thực hiện sự xâm nhập (penetration). Giống như con nhện đang ngồi xổm và đâm cái ngòi xuống để nó có thể đẩy cái ống rỗng dài (sheath) xuyên qua lớp vách tế bào và màng nguyên sinh. ADN chứa trong phần đầu (head) của phage sẽ được tiêm qua cái ống rỗng và đi vào trong tế bào.
3.2. Sau khi hút bám và xâm nhập vào vi khuẩn, ADN đã được tiêm vào sẽ giành quyền kiểm soát ARN polymerase của vi khuẩn chủ để phiên mã ADN của phage để tạo ra ARN thông tin (mARN). Vỏ capsid, ADN, enzym mới được tạo thành và sau đó các tế bào vi khuẩn được phủ đầy bởi các phage mới. Tại một thời điểm nào đó, tế bào không thể chứa nhiều phage hơn được nữa và sẽ bị phân giải để giải phóng các phage.
Để làm cho mọi việc bớt đơn giản hơn, chúng lại chia ra thành 2 loại: phage độc lực (virulent phage) và phage ôn hòa (temperate phage).
Sự vận hành của phage độc lực như đã được trình bày ở mục 3.2 đó là lây nhiễm trên vi khuẩn, thực hiện việc tái tạo, sau đó là phân giải và giết chết vi khuẩn. Mặt khác, ở phage ôn hòa thì có “đức tính” tốt hơn và không lập tức phân giải vi khuẩn bị lây nhiễm. Các phage ôn hòa cũng trải qua giai đoạn bám hút và xâm nhập như phage độc lực, nhưng sau đó ADN của phage ôn hòa không thực hiện sự phiên mã ADN để tích hợp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn và ADN của nó lại chờ một lệnh để kích hoạt.
3.3. Bộ gen tích hợp của phage ôn hòa được gọi là tiền phage (prophage). Vi khuẩn có tiền phage tích hợp vào bộ nhiễm sắc thể của nó thì được gọi là vi khuẩn tiềm tan (lysogenic) bởi vì vào một thời điểm nào đó, phage đang bị kiềm chế có thể được kích hoạt và trở thành dạng hoạt động. Sau khi được kích hoạt, tiền
phage khởi động quá trình sản xuất các phage mới, bắt đầu một chu kỳ mới bằng cách phân giải tế bào vi khuẩn. Cho nên phage ôn hòa, mặc dù có “tính tình” khá ôn hòa hơn phage độc lực, nhưng thực chất nó cũng giống như một quả bom di truyền nhỏ đã được hẹn giờ.
Miễn dịch tiềm tan (Lysogenic immunity) là một thuật ngữ dùng để mô tả khả năng ngăn chặn sự tích hợp của tiền phage lên những thực khuẩn thể tương tự đến sau nó. Đầu tiên, khi phage ôn hòa lây nhiễm lên vi khuẩn thì sản xuất ra một loại protein kiềm hãm. Chính “sự tồn tại của những ông thợ lắp ráp” này là khả năng thích ứng để đảm bảo rằng phage ôn hòa là “người sở hữu” vi khuẩn đầu tiên nhất.
Vậy là chúng ta đã hiểu đôi nét về thực khuẩn thể, giờ hãy cũng thảo luận về cách thức là làm thế nào mà các thực khuẩn thể có thể mang ADN từ một vi khuẩn này sang một vi khuẩn khác.
Quá trình này được gọi là sự tải nạp (transduction). Cũng như có 2 loại phage thì cũng sẽ có 2 cách tải nạp. Phage độc lực thực hiện sự tải nạp chung (generalized) và phage ôn hòa thì thực hiện sự tải nạp đặc hiệu (specialized).
Tải Nạp Chung
Sự tải nạp chung xảy ra như sau: Đó là khi các phage xâm nhập vào trong vi khuẩn chủ thì ADN của phage sẽ được sao chép, nhân rộng, và được chuyển đổi thành các capsid và các enzym. Cũng trong thời điểm đó, ADN của vi khuẩn sẽ bị kiềm chế và cuối cùng là bị phá hủy. Đôi khi, có những mảnh ADN sót lại vẫn còn nguyên vẹn. Nếu những mảnh ADN đó có kích thước tương tự như ADN của phage thì những mảnh ADN đó có thể vô tình được bao bọc lại và chuyển vào trong đầu capsid của phage. Sau khi phân giải tế bào và giải phóng các phage, thì những phage có chứa trong đầu capsid mảnh ADN của vi khuẩn lại lây nhiễm cho các vi khuẩn khác. Nó sẽ tiêm những mảnh ADN của vi khuẩn mà nó đã “vô tình” mang theo. Nếu như có một vài sự tương đồng giữa các sợi mới được tiêm vào và bộ gen của vi khuẩn vừa mới “bị” nhận thì các mảnh có thể kết hợp lại. Các gen trên mảnh ADN đó có thể mã hóa một loại protein và vật nhận trước đó không có, chẳng hạn như protein bất hoạt một loại kháng sinh. Trong tải nạp chung, các thực thể khuẩn chỉ mang ADN vi khuẩn, cho nên các tế bào vi khuẩn nhận vẫn sẽ tồn tại (vì không có mặt các gen virus mã hóa để nhân rộng và phân giải). Đây là phương thức chuyển gen có hiệu quả hơn là biến nạp bởi vì các mảnh ADN di truyền được lớp vỏ capsid của phage bảo vệ khỏi sự phá hủy trong quá trình vận chuyển.
3.4. Tải nạp chung
A. Khi xảy ra sự bám hút và xâm nhập. ADN của virus có dạng như một sợi mỏng, và ADN của vi khuẩn có dạng như là một vòng tròn dày
B. Phá hủy ADN của vi khuẩn, chỉ để lại một số mảnh ADN còn nguyên vẹn. ADN của phage trải qua quá trình tái tạo (replication)
C. Capsid được biến đổi và được bao bọc. Trong số đó được bao bọc cùng với mảnh ADN vi khuẩn
D. Xảy ra sự phân giải tế bào, giải phóng các phage bao gồm cả những phage có chứa mảnh ADN
Tải Nạp Đặc Hiệu
Tải nạp đặc hiệu xảy ra ở phage ôn hòa. Hãy nhớ lại rằng khi các phage ôn hòa xâm nhập tế thì sau đó các ADN của nó trở nên tích hợp vào nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Nó được gọi là tiền phage, và vi khuẩn đó trở thành các vi khuẩn tiềm tan (mục 3.3). Bình thường, các tiền phage này không hoạt động, nhưng về cuối nó có thể trở nên hoạt động. Nếu nó trở nên hoạt động, các ADN tiền phage đã được nối ghép vào nhiễm sắc thể sẽ được tái tạo, biến đổi, và bao bọc thành capsid.
Đôi khi xảy ra lỗi trong quá trình ghép nối, và một mảnh ADN vi khuẩn nằm cạnh bên tiền phage sẽ cắt, biến đổi và bao bọc cùng với ADN phage. Điều này dẫn tới sự vận chuyển mảnh ADN của vi khuẩn này sang vi khuẩn khác.
3.5. Sự tải nạp đặc biệt xảy ra với phage kiểu lambda (λ) ở Escherichia coli. Điểm gắn của tiền phage lambda nằm giữa 2 gen tổng hợp biotin và tổng hợp galactose của Escherichia coli. Nếu có sự sai sót xảy ra, thì hoặc gen biotin (BIO) hoặc gen galactose (GAL) (nhưng không thể là cả hai, vì những mảnh ADN chỉ chứa một lượng có giới hạn) sẽ được tổ hợp cùng với ADN của phage và được bao bọc. Vậy nên, những gen để tổng hợp nên biotin giờ có thể chuyển qau những vi khuẩn khác, những loại vi khuẩn mà trước đó không có khả năng này. Chúng ta thường sẽ nghe về hình thức thu nhận gen, nó được gọi là sự biến đổi vi khuẩn tiềm tan (lysogenic conversion). Ví dụ, các gen ngoại độc tố của vi khuẩn bạch hầu cũng được thu nhận theo cách biến đổi vi khuẩn tiềm tan này.
TIẾP HỢP
Tiếp hợp là kiểu di truyền tốt nhất ở vi khuẩn: nồng nàn và kịch liệt ! Trong đó, ADN tiếp hợp được truyền trực tiếp bằng cơ chế tế bào đến tế bào (cell to cell), dẫn đến kết quả là một sự chuyển giao thông tin di truyền (genetic information) rất hiệu quả. Việc chuyển giao này có thể xảy ra giữa các vi khuẩn không có mối quan hệ với nhau và là cơ chế chính cho việc chuyển giao sự đề kháng kháng sinh. Để sự tiếp hợp xảy ra, một vi khuẩn phải có một plasmid tự di truyền
3.6. Plasmid tự di truyền (plasmid F) có một gen mã hóa các enzym và các protein, nó giống như là “dương vật” của vi khuẩn, đó là pili giới tính (sex pili).
Cấu trúc protein này nhô dài ra từ bề mặt tế bào của vi khuẩn cho F(+) giúp các vi khuẩn cho plasmid có thể liên kết và đâm xuyên qua màng tế bào của vi khuẩn nhận (bọn này cũng biết đi tìm cái lý thú đấy!). Bây giờ, một cầu giao phối (conjugal bridge) đã hình thành, một enzym nuclease làm tách một phần ADN plasmid F, và sợi đơn ADN này đi qua pili giới tính (cầu giao phối) để đến vi khuẩn nhận.
3.7. Trái với sợi ADN được truyền qua cầu giao phối, các sợi còn lại được ghép nối với các nucleotid mới. Điều đó cũng xảy ra tương tự ở các sợi đi qua các tế bào khác. Vào lúc kết thúc quá trình liên kết giới tính (sex union), cầu giao phối đứt ra và cả hai vi khuẩn đều có plasmid mạch vòng dạng kép F. Tế bào nhận F (–) trở thành F (+).
3.8. Hiếm khi nào mà plasmid F ở bên ngoài nhiễm sắc thể lại trở nên tích hợp vào nhiễm sắc thể của các vi khuẩn lân cận nhiều như vậy mà lại trong cùng một cách như ở phage ôn hòa. Tế bào vi khuẩn khi đó còn được gọi là tế bào Hfr (High Frequency of Chromosomal Recombenant). Sự tích hợp này có thể dẫn tới 2 cơ chế vận chuyển ADN độc đáo:
1) Plasmid F cùng với toàn bộ vòng ADN của vi khuẩn tiếp hợp bình thường với một tế bào F (–). Bộ nhiễm sắc thể vi khuẩn (bao gồm luôn cả plasmid F đã được tích hợp) sẽ được vận chuyển từ tế bào Hfr đến tế bào nhận.
2) Plasmid F đã được tích hợp trong tế bào Hfr có thể lại bị tách bỏ khỏi vị trí từ sự tích hợp đó. Điều đó có thể dẫn tới việc plasmid F đó cũng có chứa một đoạn ADN của nhiễm sắc thể. Những plasmid đó được gọi là plasmid F’. Sự tiếp F’ cũng tương tự như tải nạp đặc hiệu vì cả hai trạng thái đó đều “vô tình nhặt được” một đoạn ADN của nhiễm sắc thể ở gần đó và có thể được vận chuyển cho các tế bào vi khuẩn khác.
Một vài plasmid không phải là loại plasmid tự di truyền. Những plasmid đó không có những gen cần thiết để chi phối sự tiếp hợp. Tuy nhiên, chúng thực hiện sự sao chép ở bên trong vi khuẩn chủ, và được chuyển qua vi khuẩn thông qua sự phân chia trong nhị phân phân hạch.
Tóm lại, plasmid có vai trò rất quan trọng trong y học. Một số plasmid mã hóa các enzym thủy phân kháng sinh (penicillinase), hoặc tạo ra các yếu tố độc lực (như là fimbriae và ngoại độc tố).
TRANSPOSON
3.9. Transposon là những yếu tố di truyền lưu động. Có thể mường tượng chúng như là mảnh ADN có 2 cái chân. Những mảnh ADN đó có thể tự chèn vào một nhiễm sắc thể mà không cần phải có sự tương đồng ADN. Nó có thể mang gen quy định tính kháng kháng sinh hoặc các yếu tố độc lực.
Transposon có thể chèn vào ADN của phage, các plasmid, và nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Nó không sao chép một cách độc lập nhưng được sao chép trong suốt cả quá trình phiên mã ADN của vật chủ. Khi transposon tách khỏi ADN mà chúng kết hợp, đoạn bị tách đó thường là những đoạn khác thường và transposon có thể mang đoạn ADN mới tới vùng khác. Sự quan trọng của transposon trên lâm sàng đó là một transposon có mang gen kháng thuốc đặc hiệu có thể chuyển sang plasmid của các loại vi khuẩn khác nhau, dẫn tới sự lây lan nhanh chóng của các chủng kháng thuốc.
Bài viết được dịch từ sách ”Clinical Microbiology made ridiculously simple”.
