Các đặc điểm di truyền học sinh vật Các đặc điểm di truyền học sinh vật Bởi: Nguyễn Lân Dũng PGS TS Phạm Thành Hổ Nghiên cứu trực tiếp cấp độ tế bào cấp độ phân tử Di truyền học cổ điển sử dụng mô hình đối tượng đậu Hà Lan Pisum sativum, bắp (ngô) Zea mais, ruồi giấm Drosophila melanogaster chuột nhắt Mus musculus, sinh vật đa bào mà biểu tính trạng phải trải qua trình phát triển phức tạp kèm theo biệt hóa Ví dụ, tế bào hồng cầu động vật có vú chuyên sản xuất hemoglobin Dĩ nhiên biểu sống liên quan đến tế bào, quan sát đối tượng gián tiếp Trong đó, nhiều đối tượng vi sinh vật vi khuẩn Escherichia coli, nấm men Saccharomyces cerevisiae sinh vật đơn bào nên quan sát thực trực tiếp mức tế bào Ví dụ, môi trường tối thiểu với lượng muối hữu glucoz cho trước, tế bào E coli tổng hợp tất hợp chất cần thiết cho tăng trưởng, sống sót sinh sản Nếu tế bào bị đột biến khả tổng hợp chất loại axit amin không mọc môi trường tối thiểu Trên môi trường có bổ sung thuốc kháng sinh có tế bào đề kháng mọc Hơn nữa, tế bào vi sinh vật có nhu cầu dinh dưỡng đơn giản dễ kiểm soát thành phần môi trường nuôi, dễ nuôi cấy, dễ nhân giống, dễ dàng thu nhận nhiều loại đột biến phục vụ cho nghiên cứu trực tiếp nhanh chóng cấp độ tế bào, phân tử Do vậy, chúng đối tượng lý tưởng cho nghiên cứu di truyền học phân tử Dòng tế bào Đặc điểm tế bào vi sinh vật nhỏ bé, phải nhìn kính hiển vi thấy Do khó quan sát tế bào riêng lẻ, nữa, cách không ghi nhận tính trạng biến dưỡng, tính đề kháng nhiều tính trạng khác Do vậy, di truyền vi sinh vật không nghiên cứu tế bào riêng lẻ mà dòng tế bào, tức tập hợp nhiều tế bào bắt nguồn từ tế bào ban đầu nhờ sinh sản vô tính Thông thường, tế bào vi sinh vật cấy lên môi trường thạch đặc, trải để 1/4 Các đặc điểm di truyền học sinh vật tế bào nằm rời xa tế bào mọc lên thành cụm rời gọi khuẩn lạc (colony) Mỗi khuẩn lạc dòng tế bào (clone) gồm tế bào bắt nguồn tự phân chia tế bào ban đầu Khuẩn lạc (colony) vi sinh vật Mỗi khuẩn lạc dễ nhìn thấy mắt thường, có tối thiểu 107 (mười triệu) tế bào Như vậy, tính trạng vi sinh vật ghi nhận qua quần thể gồm hàng trăm triệu, hàng tỉ tế bào Dòng tế bào mang đặc tính di truyền gọi chủng (strain) Ví dụ: chủng vi khuẩn tạo nhiều vitamin B12 hay chủng vi khuẩn khả tổng hợp axit amin Các tính trạng Các đột biến vi sinh vật thường phát theo biến đổi tính trạng sau: a Hình thái: kích thước, hình dạng tế bào hay khuẩn lạc, có màng nhân hay không, khả di động b Sinh hóa: diện sắc tố, màu sắc đặc trưng c.Nuôi cấy: kiểu hô hấp, kiểu dinh dưỡng (khuyết dưỡng - auxotroph) nhu cầu đòi hỏi nhân tố tăng trưởng d.Tính đề kháng: kháng thuốc, kháng phage, chịu nhiệt e.Miễn dịch: phản ứng kháng thể, kháng nguyên Các đột biến xuất ngẫu nhiên hay gây tạo nhờ tác nhân gây đột biến Mỗi gen có tần số đột biến đặc trưng Các tính trạng vi sinh vật kí hiệu chữ tắt tiếng Anh chữ hoa Kèm theo kí hiệu thêm dấu + – chữ tắt để giải thích rõ thêm tính trạng Ví dụ: lac–để khả tổng hợp lactoz; his+ - tổng hợp histidin; strS – nhạy cảm (Sensible) với Streptomycin, strR – đề kháng (Resistant) với Streptomycin 2/4 Các đặc điểm di truyền học sinh vật Để hai giới tính khác không dùng hai kí hiệu ♀ ♂ thay vào chữ mt (+), mt (-) (mating typ) (ở Chlamydomonas reinhardi), A, a (ở Neurospora crassa) hay a α (vi nấm) Tảo đơn bào Chlamydomonas Cấu trúc gen ADN diện gen (Genome) tất loại tế bào từ vi khuẩn đến người Giữa sinh vật nhân sơ Prokaryota nhân chuẩn Eukaryota có khác đáng kể kích thước, thành phần cấu tạo tổ chức ADN tế bào Bộ gen vi khuẩn E coli đa số sinh vật nhân sơ phân tử ADN có dạng vòng tròn kín Khái niệm nhiễm sắc thể dùng cho vi khuẩn, nên nói nhiễm sắc thể vi khuẩn ta hiểu sợi ADN Ty thể lục lạp có ADN riêng, mà cấu trúc gen tương tự vi khuẩn Đa phần ADN Eukaryota nấm sợi, nấm men, vi tảo tổ chức thành nhiều nhiễm sắc thể nhân tế bào Mỗi nhiễm sắc thể chứa phân tử ADN thẳng mạch kép kèm theo số protein histon Các nhiễm sắc thể có số lượng hình dạng đặc trưng cho tế bào loài sinh vật nhân chuẩn Các virut có gen đa dạng: ADN mạch đơn kép, ARN mạch đơn kép, loại phân tử Kiểu sinh sản Các nấm sợi, nấm men, vi tảo có trình sinh sản vô tính hữu tính giống sinh vật bậc cao, thực qua nguyên phân giảm phân Các vi khuẩn chế nguyên phân giảm phân, phân chia tế bào theo chế trực phân, có sinh sản vô tính trao đổi thông tin di truyền tương tự sinh sản hữu tính gọi trình cận hữu tính Các virut sinh sản tế bào chủ sống với nhiều chế khác phụ thuộc kiểu virut Vấn đề biến dị vi sinh vật Mãi đến năm 40, G Beadle E.Tatum lần sử dụng vi nấm Neurospora crassa vào nghiên cứu di truyền học Việc sử dụng chậm trễ đối tượng vi sinh vật vào nghiên cứu di truyền, phần lớn vấn đề biến dị Trong thực vật, động vật di truyền tính tập nhiễm (do luyện tập hay bị nhiễm đời sống cá thể) 3/4 Các đặc điểm di truyền học sinh vật khẳng định vi sinh vật vấn đề hiểu ngược lại: chúng biến đổi trực tiếp tác động môi trường Nhiều tượng thực tế tạo cảm giác vi sinh vật biến đổi tác động trực tiếp môi trường Ví dụ, tượng vi sinh vật nhờn thuốc hay chất độc Lúc đầu thuốc kháng sinh sử dụng với liều thấp, vi sinh vật nhờn thuốc nên phải sử dụng liều cao Trước quan niệm phổ biến vi sinh vật biến đổi theo quy luật di truyền khác Có thể nói vấn đề biến dị vi sinh vật thành trì cuối chủ nghĩa Lamack (công nhận di truyền tính tập nhiễm) Max Delbruck, Nobel 1969 với A.D.Hershey S Lurila Tuy nhiên số nhà di truyền học cho biến dị vi sinh vật tuân theo quy luật di truyền chung Hiện tượng quen thuốc giải thích phần lớn tế bào nhạy cảm bị diệt, số bị đột biến kháng thuốc sống sót nhờ sinh sản nhanh tạo quần thể với kiểu gen kháng thuốc nên gây cảm giác “nhờn thuốc” Tiếp theo nhiều thí nghiệm xác đáng chứng minh biến dị vi sinh vật xuất đột biến ngẫu nhiên Đó thử nghiệm dao động (fluctuation test) P.Luria M.Delbruck (1943) đặc biệt phương pháp inhay đóng dấu E Lederberg (1952) Cho đến nay, thực tế cho thấy liệu nghiên cứu di truyền phân tử từ ADN, ARN, protein trình khác thu từ đối tượng vi sinh vật hoàn toàn áp dụng cho sinh vật bậc cao Hơn nữa, thiếu nghiên cứu mức độ đơn giản đối tượng khó hiểu chế phức tạp nhiều sinh vật bậc cao 4/4 ... cá thể) 3/4 Các đặc điểm di truyền học sinh vật khẳng định vi sinh vật vấn đề hiểu ngược lại: chúng biến đổi trực tiếp tác động môi trường Nhiều tượng thực tế tạo cảm giác vi sinh vật biến đổi... Neurospora crassa vào nghiên cứu di truyền học Việc sử dụng chậm trễ đối tượng vi sinh vật vào nghiên cứu di truyền, phần lớn vấn đề biến dị Trong thực vật, động vật di truyền tính tập nhiễm (do luyện... hợp lactoz; his+ - tổng hợp histidin; strS – nhạy cảm (Sensible) với Streptomycin, strR – đề kháng (Resistant) với Streptomycin 2/4 Các đặc điểm di truyền học sinh vật Để hai giới tính khác không