Plasmid

Sinh học tế bào

Tế bào nhân sơ

Cấu tạo tế bào nhân sơ điển hình: Lông nhung Plasmid Ribosome Bào tương Màng sinh chất Thành tế bào Vỏ nhầy Vùng nhân Tiên mao

Figure 1: Sơ đồ minh họa một tế bào vi khuẩn với plasmid ở bên trong. (1) DNA-nhiễm sắc thể. (2) Plasmids

Plasmid (phát âm IPA: /plæs mɪd/, tiếng Việt: plasmit) là phân tử DNA vòng, nhỏ, không mang hệ gen chính của bộ gen.

Ở mỗi tế bào vi khuẩn thường có rất nhiều plasmid, nhưng chỉ định vị ngoài vùng nhân, còn vùng nhân chứa DNA-nhiễm sắc thể (hình 1).

Ở sinh vật có nhân thực (eukaryote), plasmid cũng khá phổ biến, chẳng hạn:

• ty thể của người có DNA vòng, gốc từ plasmid vi khuẩn, phục vụ hô hấp ty thể;
• lục lạp của cây xanh chứa hệ gen gốc là plasmid phục vụ quang hợp;
• đa bào bậc thấp như nấm men Saccharomyces cerevisiae có plasmid với đường kính tới 2 micrômet.

Kích thước plasmid thay đổi tuỳ loại, dao động trong khoảng một vài kbp đến hơn 400 kpb (kilobase pairs). Số lượng plasmid cũng rất thay đổi tuỳ loại và tuỳ tế bào chứa nó, thường có một vài cho tới vài trăm bản sao trong cùng một tế bào.

Hình 2: Dạng siêu xoắn và dạng vòng thường của plasmit có thể hoán đổi nhau.

Tuy plasmid là DNA vòng, nhưng chúng thường tồn tại ở dạng DNA siêu xoắn (hình 2).

Tính kháng kháng sinh

Hình 3: Sơ đồ plasmid với gene kháng kháng sinh (1&2) và một ori (3)

Plasmid thường chứa các gene hay nhóm gene (gene-cassettes) mang lại một ưu thế chọn lọc nào đó cho tế bào vi khuẩn chứa nó, ví dụ như khả năng giúp vi khuẩn kháng kháng sinh. Mỗi plasmid chứa ít nhất một trình tự DNA có vai trò vị trí bắt đầu sao chép (ori hay origin of replication), mang lại cho plasmid khả năng tự sao chép độc lập với DNA nhiễm sắc thể (hình 3).

Episomes

Hình 4: So sánh plasmid không gắn xen (trên) và episomes (dưới). 1 DNA nhiễm sắc thể. 2 Plasmids. 3 Phân bào. 4 DNA nhiễm sắc thể với plasmid đã gắn gen vào

Thuật ngữ episome lần đầu xuất hiện do François Jacob và Élie Wollman đề câp đến vào năm 1958, để chỉ vật liệu di truyền ngoài nhiễm sắc thể có thể sao chép tự động hoặc tích hợp vào nhiễm sắc thể. Tuy nhiên, kể từ khi thuật ngữ này ra đời, việc sử dụng nó đã thay đổi, vì plasmid đã trở thành thuật ngữ ưa thích để chỉ DNA ngoại nhiễm sắc thể sao chép tự động. Tại một hội nghị chuyên đề năm 1968 ở London, một số người tham gia đề nghị bỏ thuật ngữ episome, mặc dù những người khác vẫn tiếp tục sử dụng thuật ngữ này với sự thay đổi về nghĩa.

Episomes là những plasmid có khả năng gắn xen vào DNA nhiễm sắc thể của sinh vật chủ (Hình 3). Nhờ khả năng này, chúng có thể tồn tại trong một thời gian dài, được sao chép cùng lúc với DNA nhiễm sắc thể khi tế bào phân chia, và trở thành một phần trong bộ máy di truyền của tế bào. Thuật ngữ này không còn được dùng cho plasmid, vì giờ đây người ta đã biết trình tự tương đồng (homology) với nhiễm sắc thể trên plasmid, như transposon, biến plasmid thành episome (giúp plasmid gắn xen vào nhiễm sắc thể).

Vectors

Các plasmid nhân tạo có thể được sử dụng làm vector trong kỹ thuật di truyền. Các plasmid này đóng vai trò là công cụ quan trọng trong phòng thí nghiệm di truyền học và công nghệ sinh học, nơi chúng thường được sử dụng để sao chép và khuếch đại (tạo nhiều bản sao) hoặc biểu hiện các gen cụ thể. Nhiều loại plasmid có sẵn cho những mục đích sử dụng như vậy. Gen được sao chép thường được chèn vào một plasmid thường chứa một số tính năng để sử dụng. Chúng bao gồm một gen quy định khả năng kháng các loại kháng sinh cụ thể (ampicillin thường được sử dụng nhất cho các chủng vi khuẩn), một nguồn gốc sao chép để cho phép các tế bào vi khuẩn sao chép DNA plasmid và một vị trí thích hợp để nhân bản. (gọi là nơi nhân bản).

Các loại plasmid

Hình 5: Sơ đồ tiếp hợp ở vi khuẩn 1 DNA nhiễm sắc thể. 2 Plasmids. 3 Pilus.

Một cách để phân nhóm các plasmid là dựa vào khả năng truyền sang vi khuẩn khác của chúng

Plasmid tiếp hợp (conjugative) chứa các tra-genes, giúp thực hiện một quá trình phức tạp gọi là tiếp hợp (conjugation), chuyển một plasmid sang vi khuẩn khác (hình 5).

Plasmid không tiếp hợp là những plasmid không có khả năng tự thực hiện tiếp hợp, vì thế chúng chỉ có thể được chuyển sang một vi khuẩn khác khi có sự trợ giúp (ngẫu nhiên) của plasmid tiếp hợp.

Còn có một nhóm plasmid trung gian gọi là nhóm di chuyển được (mobilisable). Chúng chỉ mang các gene cần thiết cho việc di chuyển. Những plasmid này có thể chuyển với tần suất cao khi có mặt một plasmid tiếp hợp.

Nhiều loại plasmid khác nhau có thể cùng tồn tại trong một tế bào, đã có 7 plasmid khác nhau được tìm thấy trong E. coli. Mặt khác, những plasmid có họ hàng thường không thể cùng tồn tại - không tương hợp (incompatible), một trong số chúng sẽ bị loại khỏi tế bào. Vì thế, các plasmid còn được xếp vào các nhóm không tương hợp (incompatibility group), dựa vào khả năng cùng tồn tại của chúng trong một tế bào. Sự sắp xếp theo tính không tương hợp dựa vào cơ chế điều hòa những chức năng thiết yếu của plasmid.

Một cách khác để phân loại plasmid là dựa vào chức năng. Có 5 nhóm chính:

• Plasmid giới tính (Fertility-(F) plasmid), mang các tra gene, có khả năng tiếp hợp.
• Plasmid mang tính kháng (Resistance-(R) plasmid), mang các gene có khả năng kháng lại các thuốc kháng sinh hay các chất độc. Được biết dưới thuật ngữ R-factor trước khi phát hiện ra bản chất của nó là plasmid.
• Col-plasmid, chứa gene mã hóa cho sự tổng hợp colicin, một protein có thể giết chết các vi khuẩn khác.
• Plasmid phân hủy, giúp phân hủy các chất lạ như toluene hay salicylic acid.
• Plasmid mang độc tính, làm cho sinh vật trở thành sinh vật gây bệnh.

Một plasmid có thể thuộc một hoặc nhiều nhóm chức năng kể trên.

Những plasmid chỉ hiện diện với một hoặc một số ít bản sao trong vi khuẩn, khi tế bào vi khuẩn phân chia, sẽ có nguy cơ bị dồn về một trong hai tế bào con và tế bào con còn lại không còn bản sao nào của plasmid này. Để tránh bị mất đi sau phân bào, những plasmid một bản sao có các cơ chế để chủ động phân phối mỗi bản sao về một tế bào con.

Một số plasmid khác lại có cơ chế gây nghiện. Những plasmid này sản xuất ra một loại độc chất có thời gian phân hủy dài và một chất kháng độc có thời gian phân hủy ngắn. Những tế bào con nào còn giữ được một bản sao của plasmid sẽ sống sót, trong khi những tế bào con mất plasmid sẽ chết hoặc giảm sức sống do độc chất vẫn còn trong tế bào mà khả năng tạo chất kháng độc (nằm trên plasmid) đã không còn. Đây là một ví dụ về plasmid như là phân tử DNA ích kỉ (selfish DNA).

Các ứng dụng của plasmid

Plasmid đóng một vai trò quan trọng trong các phòng thí nghiệm di truyền và sinh hóa, nơi chúng được sử dụng để nhân bản hoặc biểu hiện các gene cần quan tâm. Có rất nhiều plasmid được thương mại hóa cho các ứng dụng trên. Đầu tiên, các gene cần quan tâm được gắn chèn vào plasmid. Plasmid này có chứa, ngoài gene quan tâm, một hay vài gene kháng kháng sinh. Plasmid này sau đó được đưa vào bên trong vi khuẩn bằng một quá trình gọi là biến nạp (transformation). Vi khuẩn sau đó được nuôi trên môi trường có chứa kháng sinh. Những vi khuẩn nhận được plasmid sẽ biểu hiện khả năng kháng kháng sinh (nhờ gene kháng kháng sinh nằm trên plasmid), do đó sống được trên môi trường nuôi cấy có chứa kháng sinh tương ứng. Kháng sinh trong môi trường, tuy nhiên, lại có khả năng tiêu diệt những vi khuẩn không nhận được plasmid vì chúng không mang gene kháng kháng sinh này. Nhờ vậy, vi khuẩn chứa plasmid được tách riêng ra, tăng sinh, thu lại và ly giải để phân lập plasmid.

Một ứng dụng quan trọng khác của plasmid là tạo ra protein với số lượng lớn. Trong trường hợp này, vi khuẩn chứa plasmid mang gene mong muốn cũng được nuôi cấy và chúng sẽ được kích hoạt để sản xuất ra số lượng lớn protein từ gene mong muốn nằm trên plasmid. Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để tạo ra một lượng lớn plasmid hoặc protein, như insulin hay cả các kháng sinh.

Plasmid - yếu tố di truyền ngoài thể nhiễm sắc ở vi khuẩn

Ở vi khuẩn và một số nấm men, ngoài các gen nằm trong genophore còn có các yếu tố di truyền ngoài thể nhiễm sắc, gọi là plasmid. Plasmid là những phân tử DNA mạch kép dạng vòng nằm ngoài thể nhiễm sắc, có kích thước rất nhỏ, có khả năng tự nhân lên độc lập với tế bào và được phân sang các tế bào con khi nhân lên cùng với tế bào. Số lượng plasmid trong tế bào phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, chất kháng sinh, các chất dinh dưỡng … Các plasmid có thể ở trạng thái cài vào thể nhiễm sắc, có khả năng tiếp hợp hoặc không, có thể có một hoặc nhiều bản sao cùng loại trong một tế bào. Các plasmid không phải là cấu tạo bắt buộc của tế bào nhưng sự có mặt của plasmid đem lại cho tế bào nhiều đặc tính quý như có thêm khả năng phân giải một số hợp chất, chống chịu với điều kiện nhiệt độ bất lợi, chống chịu với các chất kháng sinh… Trong công nghệ sinh học, người ta sử dụng plasmid làm vectơ để chuyển ghép gen từ tế bào cho sang tế bào nhận, từ đó nhân dòng tạo ngân hàng genophore hoặc cho gen biểu hiện thu sản phẩm protein có hoạt tính sinh học.

Cấu hình

Khi chạy điện di (electrophoresis), DNA plasmid có thể xuất diện dưới 5 dạng cấu hình như sau:

• "Siêu xoắn" (Supercoiled) (hay "Dạng vòng đóng bằng liên kết hóa trị"): DNA còn nguyên vẹn với cả hai mạch đều không bị cắt đứt.
• "Vòng tháo xoắn" (Relaxed Circular): DNA vẫn còn nguyên với hai mạch đều không bị cắt, nhưng plasmid đã được enzyme tháo xoắn.
• "Siêu xoắn biến tính" (Supercoiled Denatured): đây không phải là một dạng tự nhiên trong cơ thể. Nó thường hiện diện với số lượng nhỏ khi bị ly giải quá độ với kiềm, cả hai mạch đều không bị cắt nhưng bắt cặp bổ sung không chính xác, tạo nên cấu hình plasmid rất chặt.
• "Vòng mở" (Nicked Open-circular): có một mạch bị cắt.
• "Mạch thẳng" (Linear): hai mạch bị cắt ở cùng một vị trí.

Độ linh động điện di tương đối của các loại cấu hình này trên gel như sau:

• Vòng mở (chậm nhất)
• Mạch thẳng
• Siêu xoắn
• Siêu xoắn biến tính
• Vòng tháo xoắn (nhanh nhất)

Xem thêm

• Thể thực khuẩn
• DNA tái tổ hợp
• Gen nhảy

Đọc thêm

Tác phẩm tổng hợp

• Klein DW, Prescott LM, Harley J (1999). Microbiology. Boston: WCB/McGraw-Hill.
• Moat AG, Foster JW, Spector MP (2002). Microbial Physiology. Wiley-Liss. ISBN 978-0-471-39483-9.
• Smith CU (2002). “Chapter 5: Manipulating Biomolecules”. Elements of Molecular Neurobiology (ấn bản thứ 3). Chichester, West Sussex, England: Wiley. tr. 101–11. ISBN 978-0-470-85717-5.

Episomes

• Piechaczek C, Fetzer C, Baiker A, Bode J, Lipps HJ (tháng 1 năm 1999). “A vector based on the SV40 origin of replication and chromosomal S/MARs replicates episomally in CHO cells”. Nucleic Acids Research. 27 (2): 426–28. doi:10.1093/nar/27.2.426. PMC 148196. PMID 9862961.
• Bode J, Fetzer CP, Nehlsen K, Scinteie M, Hinrichsen BH, Baiker A, và đồng nghiệp (tháng 1 năm 2001). “The Hitchhiking principle: Optimizing episomal vectors for the use in gene therapy and biotechnology” (PDF). Gene Therapy and Molecular Biology. 6: 33–46. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 30 tháng 5 năm 2009.
• Nehlsen K, Broll S, Bode J (2006). “Replicating minicircles: Generation of nonviral episomes for the efficient modification of dividing cells” (PDF). Gene Ther Mol Biol. 10: 233–44. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 30 tháng 5 năm 2009.
• Ehrhardt A, Haase R, Schepers A, Deutsch MJ, Lipps HJ, Baiker A (tháng 6 năm 2008). “Episomal vectors for gene therapy”. Current Gene Therapy. 8 (3): 147–61. doi:10.2174/156652308784746440. PMID 18537590. Bản gốc lưu trữ ngày 26 tháng 9 năm 2011.
• Argyros O, Wong SP, Niceta M, Waddington SN, Howe SJ, Coutelle C, Miller AD, Harbottle RP (tháng 12 năm 2008). “Persistent episomal transgene expression in liver following delivery of a scaffold/matrix attachment region containing non-viral vector”. Gene Therapy. 15 (24): 1593–605. doi:10.1038/gt.2008.113. PMID 18633447.
• Wong SP, Argyros O, Coutelle C, Harbottle RP (tháng 8 năm 2009). “Strategies for the episomal modification of cells”. Current Opinion in Molecular Therapeutics. 11 (4): 433–41. PMID 19649988. Bản gốc lưu trữ ngày 17 tháng 9 năm 2011.
• Haase R, Argyros O, Wong SP, Harbottle RP, Lipps HJ, Ogris M, Magnusson T, Vizoso Pinto MG, Haas J, Baiker A (tháng 3 năm 2010). “pEPito: a significantly improved non-viral episomal expression vector for mammalian cells”. BMC Biotechnology. 10: 20. doi:10.1186/1472-6750-10-20. PMC 2847955. PMID 20230618.

Liên kết ngoài

• Hiệp hội sinh học plasmid quốc tế và các yếu tố di động khác
• Công nghệ sinh học là gì
• Lịch sử của Plasmid với dòng thời gian