Giao nạp (Conjugation)
Vào năm 1946, J. Lederberg và E. Tatum chứng minh có trao đổi vật chất di truyền giữa các vi khuẩn sống. Sự trao đổi này gọi là giao nạp hay tiếp hợp (conjugation). Giao nạp ở vi khuẩn là sự kết hợp nhất thời của hai tế bào có kiểu bắt cặp ...
Vào năm 1946, J. Lederberg và E. Tatum chứng minh có trao đổi vật chất di truyền giữa các vi khuẩn sống. Sự trao đổi này gọi là giao nạp hay tiếp hợp (conjugation). Giao nạp ở vi khuẩn là sự kết hợp nhất thời của hai tế bào có kiểu bắt cặp đối nhau, được tiếp nối bằng sự chuyển một phần vật chất di truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận qua cầu tế bào chất, và sau đó các tế bào tách nhau ra (exconjugants). Giao nạp đòi hỏi sự tiếp xúc trực tiếp giữa 2 loại tế bào được khởi sự bằng ống giao nạp hay tính mao (pilus), một sợi ống nhỏ rất dài do tế bào cho (donor cell) tạo ra (hình dưới).
Hai tế bào vi khuẩn giao nạp qua cầu tế bào chất pilus
Chứng minh có hiện tượng lai ở vi khuẩn
Vào năm 1946, J.Lederberg và E.Tatum đã sử dụng các dòng đột biến khuyết dưỡng khác nhau ở E.coli để chứng minh có tái tổ hợp giữa các dòng vi khuẩn khác nhau. Cụ thể dòng A có kiểu gen met–bio–thr+leu+thi+ (có khả năng tổng hợp threonin, leuxin và vitamin B1 (thiamin) và không tổng hợp được metionin và biotin), còn ở dạng B thì ngược lại có khả năng tổng hợp metionin và biotin với kiểu gen met+bio+thr–leu– thi–. Trộn A và B trong ống nghiệm, sau đó cấy lên môt môi trường tối thiểu (Minimal medium -MM). Các khuẩn lạc mọc trên môi trường tối thiểu chứng tỏ có các dạng lai, chúng chỉ mọc lên được nhờ sự bù đắp cho nhau các nhu cầu dinh dưỡng. Dạng lai có kiểu gen met+bio+thr+leu+thi+ mọc được trên môi trường tối thiểu. Trong khi đó từng dạng A hoặc B riêng lẻ không mọc được trên MT tối thiểu (hình minh hoạ).
Dòng A = met–bio–thr+leu+thi+ dòng B= met+bio+thr–leu–thi–
Dạng lai met+bio+thr+leu+thi+ mọc thành khuẩn lạc, mỗi dạng riêng lẻ không mọc thành khuẩn lạc.
Sơ đồ lai vi khuẩn (MM: môi trường tối thiểu)
Sự phân hóa giới tính ở vi khuẩn
Năm 1953, Hayes đã phát hiện ở vi khuẩn có các dạng khác nhau tương tự giống “đực” và “cái”ở sinh vật bậc cao. Các dạng đó được kí hiệu F+và F– (từ chữ Fertility - hữu thụ). F+ tương tự giống đực có ở sinh vật bậc cao, nó truyền gen sang F–. Tần số lai F+ x F– khoảng 10–6 tức lai 1 triệu tế bào sẽ có 1 tế bào lai.
a) Epixom và plasmid
Khi tiếp xúc với F+ một thời gian tế bào F– trở thành F+. Về sau dạng Hfr (High frequency of recombination) được phát hiện, dạng này có tần số lai với F– cao hơn F+ có thể đến 104 lần.
Khi F+ tiếp xúc với F– một thời gian, F– biến thành F+ do nó nhận được một phần tử di truyền gọi là epixom. Epixom F+là phần tử di truyền ngoài nhiễm sắc thể, có thể tồn tại hoặc ở dạng phân tử ADN vòng tròn tự sao chép hoặc gắn vào phân tử ADN của tế bào chủ (ví dụ như phage λ). Epixom F+ được gọi là nhân tố giới tính (sex-factor).
Plasmidlúc đầu được định nghĩa là phân tử ADN vòng tròn nhỏ có khả năng sao chép độc lập với nhiễm sắc thể tế bào chủ và không có khả năng gắn vào nhiễm sắc thể tế bào chủ. Plasmidcó thể mang một số gen khác nhau như đề kháng thuốc (ví dụ, plasmid R đề kháng nhiều thuốc kháng sinh),... Hiện nay “plasmid” được dùng cho cả hai nghĩa là epixomlẫn plasmid. Các plasmid có thể tồn tại độc lập hoặc gắn vào bộ gen vi khuẩn. Về sau người ta phát hiện ở vi khuẩn còn có nhiều plasmid khác. Bản chất di truyền của các dòng F–, F+ và Hfr được xác định do các plasmid như sau:
– F– không chứa plasmid.
– F+ chứa plasmid ở dạng tự do không gắn vào bộ gen vi khuẩn.
– Hfr - plasmid được gắn vào bộ gen vi khuẩn (hình 20.20).
Quá trình chèn ADN plasmid vào ADN Nhiễm sắc thể tế bào vi khuẩn
Tế bào F+ Plasmid gắn với Nhiễm sắc thể Tế bào Hfr
b) Các nhân tố F’ và tính nạp (sexduction)
Sự cắt rời nhân tố F từ nhiễm sắc thể của dòng Hfr nhiều khi không chính xác và lúc đó một đoạn bộ gen của vi khuẩn thay thế một phần của F. Trong trường hợp này, nhân tố F’ được tạo thành và nó có khả năng chuyển gen của vi khuẩn một cách độc lập, nhưng với các tính trạng của tế bào cho. Hiện tượng này được gọi là tính nạp (sexduction), có nghĩa là sự chuyển gen kèm theo nhân tố giới tính. Nhờ tính nạp có thể nhận được các thể lưỡng bội từng phần (merodiploid) theo các gen được gắn vào F+. Do vậy, có thể nghiên cứu mối tương quan alen và các hiệu quả do sự gia tăng liều lượng gen ở vi khuẩn.
Tái tổ hợp
Muốn xảy ra tái tổ hợp thì 2 dòng vi khuẩn phải tiếp xúc với nhau (F+ x F- ) hoặc (Hfr x F-). Dòng tế bào mang nhân tố F+ được coi là tế bào “đực” và có khả năng tạo protein pilin, từ protein này tạo ống giao nạp là pilus. Sự co lại của pilusđang nối hai tế bào làm chúng tiếp xúc kề nhau. Tế bào F– được coi là cái (female). Sau khi giao nạp tế bào F– trở thành F+.
Việc chuyển gen chỉ thực hiện khi plasmid gắn vào bộ gen của vi khuẩn. Trong quá trình chuyển vật chất di truyền sang F– thì ADN của tế bào chủ sao chép và mạch mới có ori đi đầu và F ở cuối (hình 20.21). Quá trình chuyển ADN từ F+ sang F– có thể bị ngắt quãng.
. Sự truyền ADN từ thể cho sang thể nhận
Hfr X F – Sao chép ADN truyền cho F – Hfr F – tái tổ hợp
Các gen A, B, C được chuyển một chiều từ Hfr sang F–. Đọan gen thể cho bắt cặp với các gen tương đồng của ADN tế bào F– và diễn ra trao đổi chéo tạo tế bào F– tái tổ hợp (hình 20.22).
Dòng Hfr có tần số lai cao hơn nhiều vì plasmid đã nằm sẵn trong bộ gen. Còn F+ phải qua giai đoạn plasmid gắn vào bộ gen rồi mới chuyển gen.
Trong điều kiện thí nghiệm ở 37oC, nguyên bộ gen của tế bào E. coli được chuyển sang tế bào nhận trong vòng 90 phút. Thường sự giao nạp bị ngắt giữa chừng do các pilus bị gãy, nên ít khi bộ gen được chuyển nguyên vẹn vào tế bào nhận. Lúc đó tế bào F– vẫn là F–. Bằng cách ngắt quãng giao nạp bản đồ di truyền của E.coli được xây dựng và có dạng 1 vòng tròn.
Đoạn ADN từ thể cho trao đổi chéo
với ADN thể nhận tạo F
–
tái tổ hợp
