Nhiễm sắc thể và Plasmid của Vi khuẩn

Một vi khuẩn thường mang hầu hết các gen của nó trên một nhiễm sắc thể đơn, thường có dạng vòng, được nén chặt vào một vùng dày đặc gọi là vùng nhân (nucleoid), và nó cũng có thể mang các plasmid, là các phân tử DNA nhỏ hơn tự nhân đôi độc lập. Nhiễm sắc thể chứa các gen cốt lõi mà tế bào cần để sống, trong khi plasmid thường mang các gen phụ trợ, bao gồm cả những gen kháng sinh và yếu tố độc lực, có thể di chuyển giữa các tế bào.

Definition

Nhiễm sắc thể vi khuẩn là bộ gen chính của tế bào, thường là một phân tử DNA vòng đơn được cô đặc thành vùng nhân; plasmid là một phân tử DNA nhỏ hơn, tự nhân đôi, mang các gen phụ trợ và khác biệt với nhiễm sắc thể.

Scope

Chủ đề này bao gồm cách bộ gen vi khuẩn được tổ chức và đóng gói, sự phân biệt giữa DNA nhiễm sắc thể và DNA ngoài nhiễm sắc thể (plasmid), sự nhân đôi và duy trì plasmid, cũng như vai trò của plasmid như các yếu tố di truyền phụ trợ, di động. Đây là một tổng quan tham khảo về cấu trúc và chức năng, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Nhiễm sắc thể vi khuẩn được tổ chức và cô đặc thành vùng nhân như thế nào?
• Điều gì phân biệt DNA nhiễm sắc thể với DNA plasmid?
• Plasmid nhân đôi và duy trì ổn định trong quần thể phân chia như thế nào?
• Plasmid thường mang những loại chức năng phụ trợ nào?

Key concepts

• Nhiễm sắc thể vi khuẩn dạng vòng
• Vùng nhân và sự cô đặc nhiễm sắc thể
• Siêu xoắn và các protein liên kết vùng nhân
• Plasmid và replicon
• Điểm khởi đầu nhân đôi
• Số lượng bản sao plasmid và sự không tương thích
• Hệ thống duy trì độc tố-kháng độc tố
• Các gen phụ trợ (kháng thuốc và độc lực)

Mechanisms

Hầu hết các bộ gen vi khuẩn được tổ chức dưới dạng một nhiễm sắc thể vòng đơn dài hơn tế bào vài bậc độ lớn, do đó nó được gấp lại thành các vòng siêu xoắn và được tổ chức bởi các protein liên kết vùng nhân (nucleoid-associated proteins) và bộ máy giống condensin vào vùng nhân, như được Wang và các cộng sự tổng quan. Plasmid là các replicon riêng biệt: mỗi plasmid mang điểm khởi đầu riêng và nhân đôi độc lập với nhiễm sắc thể, với số lượng bản sao và các nhóm không tương thích được xác định bởi hệ thống kiểm soát nhân đôi. Sự di truyền ổn định của các plasmid có số lượng bản sao thấp được củng cố bởi các hệ thống phân chia và bởi sự tiêu diệt sau phân tách thông qua các locus độc tố-kháng độc tố, mà Gerdes và các cộng sự mô tả là một cơ chế chọn lọc tiêu diệt các tế bào con bị mất plasmid. Plasmid và các yếu tố di động liên quan hoạt động như các bộ gen phụ trợ có thể lây lan các gen như các yếu tố quyết định kháng kháng sinh giữa các quần thể.

Clinical relevance

Plasmid là phương tiện chính để lây lan kháng kháng sinh và một số gen độc lực giữa các vi khuẩn, đó là lý do tại sao sinh học của chúng là trung tâm để hiểu dịch tễ học kháng thuốc. Mục này giải thích sinh học nhiễm sắc thể và plasmid ở cấp độ cơ chế và không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Thuật ngữ plasmid được Joshua Lederberg giới thiệu vào năm 1952 để chỉ các yếu tố di truyền ngoài nhiễm sắc thể, và các nghiên cứu sau đó đã xác định plasmid là các replicon tự chủ. Việc nhận ra rằng plasmid mang các gen kháng thuốc có thể chuyển giao, và sau đó là các nghiên cứu quy mô bộ gen và hình ảnh về tổ chức vùng nhân được Wang và các cộng sự tổng quan, đã tinh chỉnh bức tranh hiện đại về một nhiễm sắc thể có cấu trúc đi kèm với một bộ gen phụ trợ di động.

Key figures

• Joshua Lederberg
• Stanley Cohen
• Kenn Gerdes

Seminal works

• wang-2013
• smillie-2010
• frost-2005

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa nhiễm sắc thể và plasmid là gì?

Nhiễm sắc thể mang các gen cốt lõi thiết yếu cho sự sống và thường là một phân tử vòng lớn duy nhất, trong khi plasmid là một phân tử DNA nhỏ hơn, tự nhân đôi độc lập, mang các gen phụ trợ, thường có thể chuyển giao.

Tại sao plasmid lại quan trọng đối với khả năng kháng kháng sinh?

Nhiều gen kháng thuốc nằm trên plasmid có thể được sao chép và chuyển giao giữa các vi khuẩn, cho phép khả năng kháng thuốc lây lan nhanh chóng trong và giữa các quần thể vi khuẩn.