 |
| Space-filling model of a section of DNA molecule(nguồn http://en.wikipedia.org/wiki/DNA) |
Khái niệm và phân loại plasmid đại cương (Phần 1)
Mở đầu và khái niệm về plasmid
Cũng như nhiều loại vi sinh vật, vi khuẩn là một loại vi sinh đơn bào, trong đó hệ gen của chúng chứa nhiều gen chịu trách nhiệm tổng hợp nhiều loại sản phẩm khác nhau cho quá trình sống, sinh trưởng và phát triển của chúng. Điều hết sức đặc biệt là có rất nhiều gen cực kỳ quan trọng của vi khuẩn lại không nằm trong hệ gen của chúng mà định vị trên những vòng ADN tách biệt, nằm rải rác trong nguyên sinh chất của vi khuẩn gọi là các plasmid (Hình 1). Plasmid là một phần tử ADN có cấu trúc khép lại thành vòng tròn độc lập, có khả năng tồn tại và nhân lên một cách độc lập với hệ gen của tế bào chủ và tương tác hoạt động một cách vững bền với tế bào chủ. Giữa chúng và hệ gen tế bào chủ có những sự tương tác cộng sinh chi phối lẫn nhau. Do vậy plasmid của loại vi khuẩn nào chỉ thích ứng với loại vi khuẩn đó. Tương tự, vi khuẩn chỉ tiếp nhận những loại plasmid mà chúng là tế bào chủ của các loại plasmid đó. Một vài phagiơ (bacteriophage) cũng có thể được coi là plasmid, nếu xét về mặt cấu trúc, bởi chúng cũng là những vòng ADN khép kín, độc lập, nhưng xét về mức độ cộng sinh (tức là hai bên đều có lợi), thì phagiơ không đáp ứng được điều này. Phagiơ khi xâm nhập vào vi khuẩn chỉ tồn tại trong thời gian ngắn đủ để chúng nhân lên và sau đó phá hủy tế bào chủ mà chúng xâm nhập, rồi tiếp tục gây nhiễm tế bào khác. Vậy chúng không phải là những plasmid theo đúng nghĩa của nó.  | Hình 1: Một tế bào vi khuẩn có chứa plasmid và ảnh kính hiển vi điện tử phóng đại hệ gen của plasmid. Đó là một vòng ADN khép kín và thường xoắn cuộn vào nhau. |
Plasmid có vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực y-sinh-nông-dược và môi trường, bởi chúng có những chức năng hết sức đa dạng và tối cần thiết. Chúng là chủ nhân chứa các gen sản xuất kháng sinh, đồng thời cũng là chủ nhân của gen sản xuất sản phẩm kháng lại kháng sinh của một số vi sinh vật gây bệnh ở người và động vật, và chúng cũng là chủ nhân chứa một số gen sản xuất độc tố và các protein có hoạt tính cao có chức năng tăng cường độc lực cho vi khuẩn. Rất nhiều plasmid là loại có lợi. Ví dụ như loại plasmid có trong vi khuẩn ở nốt sần của cây họ Đậu, có khả năng tạo cho các vi khuẩn nốt sần thu nhận nitơ khí trời để sản xuất protein. Plasmid còn có nhiều loại chứa những gen sản xuất kháng sinh mà chúng ta có thể tận dụng để sản xuất kháng sinh chữa bệnh cho người và động vật. Rất nhiều loại plasmid có chứa những gen sản xuất các loại men rất đặc biệt để phân giải các hợp chất hữu cơ độc, các chất thải công nghiệp, các hóa chất, thuốc trừ sâu, chất sát trùng... bảo vệ môi trường. Trong số đó, có các loại plasmid sản xuất men phân hủy 2,4-D (2,4-diphenoxyacetic acid), một loại chất cực kì độc hại và nhiều hợp chất gây độc khác. Chúng tôi không có ý định tìm hiểu quá sâu các loại plasmid khác ở thực vật, mà chỉ cung cấp những thông tin cơ bản về những loại plasmid cộng sinh trong vi khuẩn gây bệnh, tạo nên sự đề kháng cho vi khuẩn, trong đó có sự đề kháng kháng sinh rất tai hại cho người và động vật, và một số plasmid có lợi có trong môi trường thiên nhiên. Xét về mặt chuyển giao gen trong môi trường, plasmid là những phương tiện hết sức linh hoạt vận chuyển ADN từ cá thể này sang cá thể khác. Người ta coi plasmid là các phương tiện dẫn truyền gen trong thiên nhiên. Khai thác các đặc tính sinh học của plasmid, ngày nay plasmid được ứng dụng một cách rộng rãi trong công nghệ sinh học và di truyền. Nhiều loại plasmid (chủ yếu là của E. coli) được thu nhận từ thiên nhiên, thiết kế lại hệ gen và được sử dụng như là những plasmid dẫn truyền (cloning vector) và vector biểu thị (expression vector) gen và các ADN ngoại lai. Chúng tôi cũng mong muốn dành phần cuối trong cuốn sách này giới thiệu những nét cơ bản về nguyên lí và ứng dụng plasmid trong kỹ thuật tái tổ hợp ADN và biểu thị các sản phẩm tái tổ hợp.
Phân loại plasmid dựa vào nhiều phương pháp khác nhau. Một trong những phân loại phổ biến nhất hiện nay là dựa vào đặc tính của plasmid mà các thành viên trong nhóm đều có một đặc tính chung tương đối thuần nhất. Có thể tạm thời chia ra làm 5 nhóm plasmid chính:
1.Nhóm plasmid Col: là các loại plasmid chứa các gen sản xuất protein (gọi là colicin) giúp cho vi khuẩn chủ chống lại vi khuẩn khác.
2.Nhóm plasmid R (resistant plasmids): là loại plasmid chứa một hay nhiều gen có khả năng sản xuất các loại protein (chủ yếu là các enzym) kháng lại kháng sinh và dược chất.
3. Nhóm plasmid phân giải (degradative plasmids): chứa nhiều gen mã hóa cho các enzym trao đổi chất, có tác dụng phân giải các hợp chất khác nhau.
4. Nhóm plasmid độc lực (virulent plasmids): có tác dụng hỗ trợ tăng cường độc lực cho vi khuẩn bằng nhiều cách khác nhau.
5. Nhóm plasmid nhân tạo: Đó là các plasmid được tạo ra bằng cách thiết kế từng thành phần lấy từ các plasmid có nguồn gốc trong tự nhiên. Tùy theo hướng sử dụng mà người ta thiết kế, với mục đích phục vụ công nghệ ADN và protein tái tổ hợp, cụ thể bao gồm plasmid dẫn truyền hay còn gọi là vector dẫn truyền (cloning vector), và plasmid biểu thị hay còn gọi là vector biểu thị (expression vector). Chúng tôi sẽ giới thiệu trong một phần riêng biệt ở cuối cuốn sách (xem phần 4). Mỗi một thành viên của từng nhóm (từ nhóm 1 - 4) có thể tìm thấy trong các vi sinh vật khác nhau. Ngoài một số tính chất chung mà chúng có, có rất nhiều đặc tính riêng biệt của từng plasmid có tính chất đặc trưng riêng, mà các thành viên trong cùng một nhóm không có. Một plasmid do vậy có thể là thành viên của nhiều nhóm nói trên. Một số plasmid độc lực, ví dụ lại có khả năng kháng thuốc, hoặc nhiều plasmid kháng thuốc lại có khả năng sản xuất colicin. Một loại vi khuẩn chủ, thông thường có thể chứa hai hoặc nhiều loại plasmid cùng tồn tại. Nếu những plasmid trong cùng một tế bào chủ không gây ảnh hưởng lẫn nhau, như vậy chúng được coi là những plasmid tương hợp (compatible plasmids). Khi tế bào chủ phân chia, chúng cùng đồng thời phân chia và tồn tại vĩnh viễn. Ngược lại, những plasmid không tương hợp (incompatible plasmids) là những plasmid có thể tồn tại cùng nhau trong một vài thế hệ, sau đó trong quá trình phân chia, phát triển của vi khuẩn, một trong chúng bị thải loại. Muốn tương hợp trong cùng một tế bào chủ, các plasmid phải cùng chung nhau ở nhiều đặc tính trong quá trình tồn tại. Một trong những phương pháp cơ bản để xem xét phân loại plasmid là dựa vào đặc tính nhân lên và hoạt động sống của chúng: đó là sự tiếp hợp (conjugation). Có loại sử dụng và có loại không sử dụng sự tiếp hợp cho quá trình sống. Do vậy, có 2 loại: plasmid tiếp hợp (conjugative plasmids) và plasmid không tiếp hợp (non-conjugative plasmids). Plasmid tiếp hợp chuyển giao những bản sao ADN của chúng từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác qua con đường tiếp hợp, vì chúng có tổ hợp gen để sản xuất các ống protein, hay còn gọi là lông giới tính (sex pili) làm cầu nối giữa hai tế bào vi khuẩn chủ với nhau. ADN của plasmid, và thậm chí kể cả ADN của hệ gen vi khuẩn, thông qua ống protein như thế này để chuyển từ tế bào vi khuẩn “cho” sang tế bào vi khuẩn “nhận”. Các plasmid, ngoài việc chuyển giao ADN của riêng chúng, còn có khả năng chuyển giao một phần hay nhiều phần hệ gen tế bào chủ đến tế bào vi khuẩn “nhận” khác, do vậy, chúng được gọi là các yếu tố giới tính (sex factors) của vi khuẩn chủ. Chúng có vai trò quan trọng trong sự bảo tồn di truyền của vi khuẩn theo phương pháp này. Plasmid không tiếp hợp là loại không sử dụng sự tiếp hợp cho quá trình sống, thông thường là các plasmid có kích thước bé, tồn tại với một số lượng nhiều. Cơ chế nhân lên của chúng cũng hoàn toàn khác với plasmid tiếp hợp. Các thành phần đặc biệt
Có hai thành phần, cũng được coi là khái niệm mới, mới được phát hiện nằm trong thành phần cấu trúc của plasmid, có vai trò hết sức đặc biệt để plasmid thực hiện các chức năng của mình: đó là các tiểu phần gài-lắp (insertion sequences, hay còn gọi là IS) và các tiểu phần chuyển vị (transposon, hay còn gọi là Tn). Các loại tiểu phần như thế này, cũng tìm thấy trong hệ gen của vi khuẩn, hay trong hệ gen của phagiơ, của virut và cả trong nhiễm sắc thể của hệ gen của cơ thể bậc cao, như động vật và thực vật. Độ dài của các tiểu phần như thế này vào khoảng 1.000 - 20.000 nucleotit. Đặc tính cơ bản đặc trưng nhất của các tiểu phần đặc biệt này là chúng có thể tạo nên bản sao ADN giữa 2 đầu giới hạn của chuỗi nucleotit và thực hiện sự chuyển vị để gài lắp bản sao này vào một vị trí nào đó trong hệ gen của cùng tế bào, hoặc thậm chí chuyển vị vào một nơi hoàn toàn mới khác ở tế bào khác hay cơ thể khác. Tiểu phần chuyển vị (transposon), thành phần chính của hiện tượng chuyển vị ở vi khuẩn, chứa nhiều gen đặc biệt của plasmid, ví dụ như các gen kháng thuốc, gen sản xuất độc tố... Và do vậy, sự chuyển vị của transposon trong các loại plasmid của các vi khuẩn đồng loại hay khác loại, chính là cơ chế truyền lây các gen kháng thuốc cho các vi khuẩn trong cùng quần hệ, ở hệ tiêu hóa hay hô hấp chẳng hạn. Đây là vấn đề hết sức đáng quan tâm khi sử dụng thuốc kháng sinh ở những quần hệ có nhiều vi khuẩn gây bệnh khác nhau cùng tồn tại. Các tiểu phần gài-lắp (IS) cũng khá quan trọng, bởi chúng có thể tách khỏi plasmid để gài vào trong hệ gen của tế bào chủ, để tạo nên một bộ phận không tách rời trong thế hệ mới. Khác với tiểu phần chuyển vị là có thể dễ dàng tách và nhập vào các vị trí của hệ gen, tiểu phần gài-lắp, một khi đã được lắp vào nơi mới, thường định vị vĩnh viễn ở nơi đó. Tất cả các tiểu phần có khả năng như đã nói ở trên, đều được tìm thấy trong tất cả mọi loài, từ plasmid, vi khuẩn, virus đến các động vật bậc cao, chúng được gọi là các tiểu phần ADN lưu lạc (mobile DNA elements), và là thành phần của phức hợp ADN được gọi là ADN ích kỉ (selfish-DNA), chúng là nhân tố không thể thiếu được trong quá trình tiến hóa của các loài, ở mức độ phân tử. Như vậy, plasmid nói chung, có thể tồn tại độc lập với hệ gen tế bào, hoặc một phần hay toàn phần của chúng nhập vào hệ gen tế bào (integration). Chúng chính là các tiểu hệ gen ngoại lai, hay còn gọi là episome. Plasmid, do đặc tính cấu tạo và chức năng của chúng rất thuận lợi, nên được sử dụng làm phương tiện hết sức linh hoạt trong kỹ thuật gen của công nghệ gen và công nghệ sinh học nói chung. Chúng là các vectơ để dẫn truyền và biểu thị gen nói chung, và chúng cũng chính là các phương tiện chuyển tải các phân đoạn ADN ngoại lai, hay các gen ngoại lai, từ cá thể này sang cá thể khác. Các plasmid dùng làm vectơ dẫn truyền và biểu thị gen không phải là các plasmid nguyên thủy mà là các plasmid đã được thiết kế lại vòng ADN của chúng cho phù hợp từng mục đích của công nghệ gen. Từ một loại plasmid ban đầu chọn lọc được trong tự nhiên, cấu trúc vòng ADN của nó được sơ bộ thiết kế lại để làm plasmid nguyên thủy, hay plasmid tổ tiên (proto-type plasmid, wild-type plasmid, ancestral plasmid), rồi từ đó hàng chục hệ thống vectơ được tạo ra phù hợp với mục đích để dẫn truyền hay để biểu thị gen trong các loại tế bào chủ thích ứng. Ví dụ, hiện nay rất nhiều plasmid nhân tạo thuộc hệ thống plasmid pR322 hay hệ thống pUC của tế bào chủ E. coli
(xem Phần 2).
|
TRANG CHỦ
