Di truyền học vi sinh vật (Phần 1)

Chương 10 Di truyền học vi sinh vật (Phần 1) Di truyền là đặc tính chung của mọi sinh vật giữ lại những và truyền cho con cháu những đặc điểm về cấu tạo và phát triển của tổ tiên, hay nói cách khác, là hiện tượng các cá thể trong một gia đình có những thuộc tính cấu tạo và phát triển giống tổ tiên, với cha mẹ hoặc giữa con cái với nhau. Biến dị là đặc tính chung của mọi sinh vật có thể mang những sự khác biệt về nhiều chi tiết tính trạng so với bố mẹ của chúng và với các cá thể khác cùng loài. Đối tượng nghiên cứu của di truyền học không chỉ là hiện tượng di truyền mà cả hiện tượng biến dị. Tính biến dị có vẻ như độc lập với tính di truyền nhưng thực ra sự khác biệt giữa các cá thể trong một loài trong nhiều trường hợp liên quan đến sự biến đổi hoặc trong trường hợp khác đến sự phản ứng của vật chất di truyền của sinh vật. Ở vi sinh vật biến dị thể hiện ở mức độ lớn hơn ở vi sinh vật bậc cao nhờ số cá thể trong một quần thể lớn, đơn allele, sinh sản đồng loạt, giai đoạn sinh dưỡng ngắn, tần số đột biến và tái tổ hợp cao và có khả năng trao đổi di truyền ngoài loài. Dù cơ chế xuất hiện khác nhau nhưng ở phần lớn các trường hợp biến dị đều tạo ra những dòng hay tập đoàn có sự thích ứng tốt nhất với điều kiện ngoại cảnh vốn luôn biến động. I. Cơ sở vật chất di truyền ở vi sinh vật 1. Vật chất di truyền ở vi khuẩn Acid nucleic là cơ sở vật chất di truyền của tất cả các dạng sinh vật. Ở tất cả các sinh vật nhân sơ (prokaryote, còn gọi là sinh vật nhân sơ sơ, bao gồm các vi khuẩn) hay nhân chuẩn (eukaryote, còn gọi là sinh vật nhân chuẩn, bao gồm nấm, tức chân khuẩn, nguyên sinh động vật, tảo, thực vật và động vật bậc cao), trừ virus và các yếu tố sinh học đơn giản hơn như viroid và prion, tính trạng được mã hóa và tồn trữ dưới dạng mã hóa là trình tự thẳng của các nucleotide trong thành phần acid deoxyribonucleic (DNA). Vật chất di truyền này được thể hiện thành tính trạng của cá thể thông qua quá trình tổng hợp từ khuôn DNA thành phân tử RNA thông tin (quá trình phiên mã) và sau đó RNA thông tin này lại làm khuôn để tổng hợp protein (cấu trúc, enzyme, thụ thể, kích thích, kìm hãm,...) trong quá trình gọi là dịch mã (transcription) dẫn đến biểu hiện tính trạng. Vật chất di truyền được truyền từ thế hệ tế bào này sang thế hệ tế bào khác (và từ thế hệ này sang thế hệ khác) nhờ quá trình tự sao (replication) của phân tử DNA. Quy tắc này được gọi là quy tắc trung tâm biểu hiện di truyền. Ở vi khuẩn DNA có thể gặp ở hai dạng: DNA nhiễm sắc thể và DNA plasmid. Nhân (thể nhân) vi khuẩn là một nhiễm sắc thể vi khuẩn cấu tạo từ một phân tử DNA duy nhất xoắn kép (gồm hai mạch xoắn), khép kín (không có đầu tự do), phân bố trong tế bào chất. Mỗi tế bào vi khuẩn chỉ có một nhân (thể nhân) duy nhất, mặc dù trước khi phân bào số lượng nhân (nhiễm sắc thể) thường thấy là 2, 4 hoặc nhiều hơn do quá trình phân bào diễn ra chậm hơn quá trình phân nhân. Vì vậy, thông thường nhiễm sắc thể được mô hình hóa trong tế bào vi khuẩn dưới dạng một vòng tròn. Hình 10.1: Mô hình cấu trúc một đoạn phân tử DNA: một dẫn xuất purine liên kết qua cầu nối hyđrô với một dẫn xuất pyrimidine nên khoảng cách giữa hai sườn đường ribose - Acid phosphoric của hai chuỗi là không đổi, guanine luôn kết hợp với cytosine, adenine kết hợp với thymine của chuỗi song đối nên trình tự hai chuỗi không bao giờ giống nhau nhưng trình tự một chuỗi quy định trình tự của chuỗi kia, hơn nữa các sườn có nhiều nhóm ái thủy nên DNA tan tốt trong nước. Hai mạch xoắn của phân tử DNA thực chất là hai chuỗi polymer và có mối quan hệ chặt chẽ với nhau về thành phần hóa học cũng như trình tự sắp xếp của các monomer được gọi là một nucleotide. Mỗi chuỗi polymer được cấu tạo từ bốn loại monomer có cấu trúc tổng quát gồm ba thành phần: bazơ nitơ dị vòng (dẫn xuất purine hoặc pyrimidine), đường deoxyribose (C 5 ) và Acid phosphoric. Ở DNA, có bốn loại nucleotide: adenine (A), thymine (T), guanine (G) và cytosine (C) (hay xitôzin). Các nucleotide khác nhau bởi gốc bazơ khác nhau. Chuỗi polymer của mỗi mạch (sợi) DNA được hình thành nhờ liên kết phosphoester giữa Acid phosphoric và đường deoxyribose tạo nên bộ "sườn" của phân tử ((-P-C 5 -) n ). Còn các gốc bazơ nitơ gắn vào nguyên tử C 1' của phân tử đường deoxyribose. Phân tử Acid phosphoric trong một nucleotide gắn vào vị trí C 5' của phân tử đường deoxyribose, trong khi đó nguyên tử C 3' gắn với Acid phosphoric của nucleotide kế tiếp. Do trình tự hoạt động của các enzyme tổng hợp DNA từ đầu C 5' đến đầu C 3' của mỗi mạch DNA nên người ta quy ước mô tả mạch theo hướng C 5'→C 3'. Ví dụ, nếu không có chú giải khác thì mạch ATT CGC GCA TCA GCT cũng có nghĩa là 5'-ATT CGC GCA TCA GCT-3' hay 5'-ATT CGC GCA TCA GCT. Hai chuỗi của một phân tử DNA gắn kết với nhau nhờ các mối liên kết hyđrô giữa các gốc bazơ, một gốc purine được gắn kết với một gốc pyrimidine theo nguyên tắc "tương bù": adenine gắn với thymine bằng hai mối liên kết hyđrô, còn guanine gắn với cytosine bằng ba mối liên kết hyđrô. Hai chuỗi như vậy không đối xứng mà chạy ngược hướng (đối nghịch song song, hay song đối) từ 5'→3' hoặc ngược lại. Do một gốc purine của một chuỗi liên kết với một gốc pyrimidine của chuỗi kia nên khoảng cách giữa hai sườn (-P-C 5 -) n của phân tử DNA ở mọi điểm không đổi. Và nhờ vậy mà sườn này hướng ra phía ngoài và xoắn quanh trục tưởng tượng xuyên qua các lớp gốc bazơ nitơ vòng, nên với tính ái thủy của Acid phosphoric và đường deoxyribose, DNA là chất tan tốt trong nước và khá bền vững trong dung môi này. Do số lượng mối liên kết hyđrô giữa guanine (G) và cytosine (C) cao hơn nên DNA có nhiều G+C thường có mức nhiệt biến tính hay "nhiệt nóng chảy" (melting point) cao hơn hay bền vững hơn. Hơn nữa, bên cạnh cấu trúc xoắn phải (B-DNA) nêu trên, ở những vùng hàm lượng G+C cao DNA còn có cấu trúc xoắn trái (Z-DNA) là nơi DNA có sự gấp khúc mạnh và xuất hiện đoạn DNA xoắn chuỗi ba. Có thể những Z-DNA đóng vai trò quan trọng trong tái tổ hợp gen cũng như điều hòa hoạt động của gen. Một đoạn DNA mã hóa một RNA (như RNA ribosome, RNA vận chuyển) hay mã hóa một protein (qua RNA thông tin) được gọi là một gen. Gen mã hóa phân tử protein được gọi là gen cấu trúc. Ở vi khuẩn toàn bộ trình tự nucleotide gen cấu trúc được phiên mã thành RNA thông tin và sau đó dịch toàn bộ thành trình tự Acid amin trong phân tử protein. Mặc dù được cấu tạo bởi hai chuỗi nhưng ở vi khuẩn (cũng như ở sinh vật nhân chuẩn) gen chỉ có một mạch "hiệu lực", tức chỉ một mạch làm khuôn tổng hợp nên RNA thông tin. Hiệp hội sinh hóa quốc tế quy ước chuỗi làm khuôn để tổng hợp nên RNA thông tin (hay tổng hợp RNA hoạt động, như RNA ribosome,...) là chuỗi âm. Như vậy, chuỗi dương của một gen là chuỗi có trình tự nucleotide tương đương với trình tự nucleotide của RNA thông tin. Ngoài ra, do một polypeptide được khởi đầu tổng hợp với Acid amin methionine (mã AUG trên RNA thông tin), kết thúc bởi một trong những "mã dừng" (UAA, UAG và UGA) và chỉ có thể có thuộc tính protein nếu đủ lớn (dài hơn 50 Acid amin), đồng thời, thông tin di truyền được giải đọc từng "khung" bộ ba nucleotide (tức ba nucleotide liền kề nhau mã hóa cho một Acid amin trong sản phẩm protein) nên chỉ có những đoạn DNA bắt đầu từ bộ ba ATG (theo cả ba cách đọc của mỗi chuỗi DNA) đến một mã dừng (TAA, TAG, TGA) đủ dài (hơn 150 nucleotide) mới có thể là (nhưng không nhất thiết phải là) một gen cấu trúc. Đoạn DNA này được gọi là một "khung khả phiên" (hay một "khung đọc mở" - open reading frame). Ngoài ra, không phải tất cả các đoạn DNA đều mang gen cấu trúc, chức năng của nhiều đoạn còn chưa biết, đồng thời còn có các đoạn DNA đặc biệt tham gia vào điều hòa hoạt động của các gen cấu trúc. Nhờ vậy, các tính trạng quy định trong genome chỉ biểu hiện trong điều kiện môi trường nhất định, đồng thời quá trình tổng hợp các cơ chất nguyên liệu cho quá trình tổng hợp các thành phần tế bào cũng diễn ra và đình chỉ một cách hiệu quả và tiết kiệm. Ở sinh vật nhân sơ các gen cấu trúc (các cistron) được gắn liền nhau thành tập hợp và cùng chịu sự kiểm soát của các gen điều hòa gồm gen (hay vùng) khởi động (promotor - P), gen (hay vùng) điều hành (operator - O, còn gọi là gen chỉ huy) và gen điều hòa (regulator - R). Gen điều hòa (R) nằm ở vị trí nào đó trong nhiễm sắc thể xa với các gen cấu trúc và điều khiển việc tổng hợp một protein đặc biệt có tác động (phong tỏa hoặc giải tỏa) trực tiếp hoặc gián tiếp lên các vùng P hoặc O. Cả tập hợp bao gồm các vùng khởi động, vùng điều hành và các gen cấu trúc tạo thành một đơn vị hoạt động gọi là operon. RNA gồm ba loại khác nhau: RNA ribosome là thành phần chủ yếu cấu tạo nên ribosome, có chức năng hoạt động như một enzyme tức xúc tác quá trình sinh tổng hợp protein. (Những RNA xúc tác phản ứng sinh học thường được gọi là ribozyme). RNA thông tin được sao chép từ chuỗi âm của gen có vai trò sao mã di truyền từ nhiễm sắc thể cho RNA ribosome giải mã thành phân tử protein có mạch polypeptide có thành phần và trình tự Acid amin xác định. Tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein còn có nhóm các RNA vận chuyển. Đây là những phân tử RNA tương đối ngắn có tác dụng hoạt hóa Acid amin nguyên liệu và vận chuyển Acid amin này đến RNA thông tin cũng đã được hoạt hóa nhờ gắn kết với ribosome. Trình tự RNA thông tin quyết định trình tự Acid amin trong thành phần polypeptide, nhưng quá trình nhận biết trình tự Acid amin mã hóa trong RNA thông tin là nhờ RNA vận chuyển. Mỗi Acid amin được mã hóa bởi một bộ ba nucleotide trên RNA thông tin, và bộ ba này tương bù với trình tự bộ ba nucleotide nhận biết của RNA vận chuyển. Nhờ mỗi Acid amin có loại RNA vận chuyển riêng nên trình tự mã bộ ba được dịch một cách chính xác. Bảng 10.1 : Mã di truyền trên nhiễm sắc thể (biểu hiện trên mRNA, chiều 5' đến 3') Chữ thứ hai của mã Đầu 5' U C A G Chữ thứ ba của mã (đầu 3') UU U Ph e UC U Se r UA U Tyr UG U Cys U UU C Ph e UC C Se r UA C Tyr UG C Cys C UU A Le u UC A Se r UA A Sto p UG A Sto p A U UU G Le u UC G Se r UA G Sto p UG G Trp G Ch ữ th ứ nh ất củ a m ã (đ ầu 5') C CU Le CC Pr CA His CG Arg U U u U o U U CU C Le u CC C Pr o CA C His CG C Arg C CU A Le u CC A Pr o CA A Gl n CG A Arg A CU G Le u CC G Pr o CA G Gl n CG G Arg G AU U Ile AC U Th r AA U As n AG U Ser U AU C Ile AC C Th r AA C As n AG C Ser C AU A Ile AC A Th r AA A Ly s AG A Arg A A AU G M et AC G Th r AA G Ly s AG G Arg G GU U Va l GC U Al a GA U As p GG U Gly U G GU C Va l GC C Al a GA C As p GG C Gly C GU A Va l GC A Al a GA A Gl u GG A Gly A GU G Va l GC G Al a GA G Gl u GG G Gly G Khác với DNA, các RNA đều cấu tạo chỉ từ một chuỗi nucleotide. Ngoài ra, trong thành phần của các RNA còn có những điểm khác biệt khác: uracine thay thế thymine, đường deoxyribose được thay thế bởi ribose trong sườn của mạch polymer cũng như sự có mặt một số bazơ dẫn xuất khác của purine và pyrimidine. Chính vì có thêm một gốc -OH ở vị trí C 2' (của đường ribose) mà cầu nối phosphoester giữa nguyên tử C 3' và Acid phosphoric của nucleotide tiếp theo thường yếu hơn so với cầu nối C 3' với Acid phosphoric trong DNA. RNA, vì vậy, cũng kém bền vững hơn DNA. Tuy cấu tạo từ chỉ một chuỗi nucleotide nhưng cấu trúc không gian của các loại RNA lại ổn định nên chức năng của chúng cũng ổn định. Tính ổn định của cấu trúc có được nhờ các mối liên kết hyđrô xuất hiện giữa hai đoạn trình tự tương bù ngược hướng của cùng chuỗi nucleotide. Hai đoạn có trình tự tương bù ngược hướng tạo thành một đoạn xoắn kép, trong khi đoạn nucleotide nằm giữa chúng hình thành một "thòng lọng" mạch đơn. Vì vậy, chẳng hạn, các phân tử RNA vận chuyển có dạng "lá ba chẽ" với chức năng đặc hiệu. Bên cạnh DNA nhiễm sắc thể ở vi khuẩn còn có thể gặp cơ sở vật chất di truyền ngoài nhiễm sắc thể gọi là plasmid. Về bản chất hóa học, plasmid cũng là một phân tử DNA xoắn kép, khép kín, nhưng có phân tử lượng thấp hơn nhiều (khoảng 10 6 - 10 8 Dalton, hay khoảng 1/100 đến 1/200 lần nhiễm sắc thể vi khuẩn). Một vi khuẩn có thể không mang, hoặc mang một hoặc một số plasmid. Plasmid có thể phân bố trong tế bào chất ở trạng thái tự do và có thể sao chép một cách độc lập với nhiễm sắc thể hoặc nằm trong nhiễm sắc thể (tái tổ hợp), khi đó plasmid được gọi là episome. Ở trạng thái tái tổ hợp trong nhiễm sắc thể (hay episome) plasmid thường được sao chép đồng thời với nhiễm sắc thể và được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác của vi khuẩn. Tuy vậy, trong nhiều trường hợp (như chủng Hfr) plasmid tái tổ hợp lại có thể điều khiển sao chép độc lập, làm cho bản thân plasmid hoặc một đoạn plasmid kèm theo một đoạn DNA nhiễm sắc thể được tổng hợp đồng loạt với tần suất cao. Có loại plasmid có số phiên bản cao (high-copy plasmid), trong khi đó có loại plasmid có số phiên bản thấp (low-copy plasmid). Hình 10.2: Bản đồ enzyme hạn chế của plasmid pBR322, là một plasmid được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật DNA tái tổ hợp. Plasmid cải biến nhân tạo này mang hai gen kháng thuốc (tet R đề kháng tetracycline và amp R đề kháng ampicillin) và một loạt vị trí cắt của enzyme hạn chế trong đó mỗi enzyme này chỉ có một vị trí phân cắt, nhờ vậy plasmid vector này áp dụng được với nhiều DNA khác nhau. Thêm hoặc mất một plasmid thường dẫn đến mất hoặc bớt một hoặc một số tính trạng, mặc dù nhiều plasmid không thể hiện tính trạng (plasmid "câm"). Tính trạng mà các plasmid điều khiển đa dạng nhưng nhìn chung plasmid không phải là yếu tố thiết yếu đối với sự sống còn của vi khuẩn. Dựa vào sự tương hợp của các sản phẩm của plasmid mà người ta chia các plasmid thành một số nhóm: plasmid giới tính, plasmid đề kháng, plasmid điều khiển sinh tổng hợp (nhóm chất nào đó),... và thường liên quan đến tính gây bệnh của các vi khuẩn. Ví dụ, đã xác định được rằng một số loài (hoặc còn được coi là dạng huyết thanh học) vi khuẩn Salmonella có được độc tính nhờ mang plasmid. Bảng10.2 : Plasmid độc tính đặc hiệu một số loài (dạng huyết thanh) Salmonella Salmonella Độ lớn (kb) Biểu hiện tính gây bệnh chủ yếu S. typhimurium 90 Độc tính gây chết, giảm thiểu tính thẩm thấu của các chất kỵ thủy S. dublin 75 Độc tính gây chết, tính đề kháng huyết thanh, năng lực tăng trưởng trong tế bào hệ lưới nội bì S. naestved 75 Giống như plasmid ở S. dublin ( hay serovar Dublin) S. enteritidis 54 Độc tính gây chết S. choleraesuis 50 Độc tính gây chết, gây chứng máu nhiễm khuẩn ở chuột S. gallinarum- pullorum 85 Độc tính gây chết Plasmid giới tính còn gọi là yếu tố sinh dục hay yếu tố F (fertility factor), là plasmid điều khiển sự hình thành các pili giới tính (nhung mao giới tính), sự tiếp hợp và sự vận chuyển thông tin di truyền (gen plasmid hay gen nhiễm sắc thể) một chiều từ tế bào cho sang tế bào nhận. Trong trường hợp này tế bào mang plasmid F là tế bào cho thường được gọi là tế bào đực hay tế bào F+, còn tế bào nhận được gọi là tế bào cái hay tế bào F-. Yếu tố F có thể nằm ở trạng thái tự do trong tế bào chất hay ở trạng thái liên kết với nhiễm sắc thể hay trạng thái episome. Trong trường hợp sau quá trình vận chuyển thông tin di truyền thường diễn ra với tốc độ và tần suất cao nên những chủng vi khuẩn này thường được gọi là chủng Hfr (bắt nguồn từ tiếng Anh: high frequency of recombination). Yếu tố đề kháng, hay yếu tố kháng thuốc, hay plasmid R (resistance factor), là plasmid điều khiển sự đề kháng của vi khuẩn đối với các chất kháng sinh và thuốc chống vi khuẩn khác. Cơ chế đề kháng này là sự điều khiển việc tổng hợp các enzyme (như penicillinase,...) phân hủy thuốc kháng sinh thành các sản phẩm vô hoạt hoặc ức chế sự xâm nhập của thuốc kháng sinh vào tế bào (như chặn các lỗ khổng trên màng tế bào chất đối với tetracycline hoặc thuốc kháng sinh họ macrolide,...). Yếu tố R lan truyền được (transmissible R factor) là yếu tố F kháng thuốc, gồm hai miền gen. Một miền gen điều khiển sự đề kháng. Số lượng yếu tố bị đề kháng có thể là 1 đến 10 hoặc nhiều hơn nữa, trường hợp sau thường gọi là plasmid đề kháng đồng loạt. Miền gen thứ hai (miền RTF) là gen điều khiển sự vận chuyển các plasmid vào tế bào khác. Thông thường sự vận chuyển các plasmid này có tốc độ cao, nhưng yếu tố vận chuyển cũng có thể tự ức chế hoặc bị ức chế bởi yếu tố khác. Yếu tố R không lan truyền được (non- transmissible R factor) chỉ mang miền gen điều khiển tính đề kháng. Các plasmid này không tự vận chuyển sang tế bào khác mà chỉ làm cho tế bào mang chúng có tính đề kháng thuốc kháng sinh. Chúng có thể tồn tại và phổ biến trong quần thể vi khuẩn nhờ quá trình sinh sản của vi khuẩn hoặc nhờ các quá trình vận chuyển vật chất di truyền qua dịch thể tức quá trình biến nạp (transformation) hoặc sự vận chuyển của virus của vi khuẩn (phage, hay thực khuẩn thể) tức nhờ quá trình tải nạp (transduction). 2. Vật chất di truyền ở virus Khác với các sinh vật khác, virus chỉ mang một trong hai loại Acid nucleic (hoặc DNA hoặc RNA), có loại virus mang genome dưới dạng DNA (tương tự genome của vi khuẩn, động vật và thực vật) nhưng có loại lại mang genome dưới dạng RNA. Hầu hết các virus thực vật có genome RNA, còn hầu hết virus của vi khuẩn có genome DNA, trong khi các virus động vật có genome hoặc loại này hay loại khác. Cũng như bản chất hóa học, cấu trúc genome của virus rất đa dạng, có loại virus mang DNA một sợi (chuỗi) âm hoặc dương, có loại DNA hai sợi, có loại mang RNA một sợi âm hoặc dương hoặc lưỡng nghĩa (ambisense RNA: có đoạn âm có đoạn dương, hay đồng thời với khung khả phiên một gen cấu trúc còn mang khuôn của một khung khả phiên một gen khác ngược hướng). Genome nhiều virus là một sợi acid nucleic duy nhất nhưng cũng có loại virus genome bao gồm một số đoạn. Thông tin di truyền trên genome của virus cũng có sự khác biệt khác so với genome vi khuẩn. Đó là hiện tượng gen chồng lặp (overlapping genes): có thể có hai RNA thông tin khác nhau được sao chép từ một đoạn genome. Dưới đây trình bày ngắn gọn về cấu trúc genome một số virus. Genome các virus thuộc chi Parvovirus là virus chứa DNA một sợi âm nhưng cũng thấy khoảng 1 - 50% số virion chứa DNA một sợi dương. Ở các chi Dependovirus và Densovirus thì số lượng virion chứa DNA chuỗi âm và virion chứa DNA chuỗi dương tương bù về căn bản tương đương nhau. Genome của các Adenovirus (họ Adenoviridae) là một phân tử DNA 2 sợi chuỗi thẳng. Genome các virus họ Papillomaviridae là một phân tử DNA hai sợi chuỗi vòng khép kín, phân tử lượng khoảng 5 kbp . Genome của các baculovirus (họ Baculoviridae) rất lớn, tương đương genome của các tế bào côn trùng, là một phân tử DNA duy nhất hai sợi, trong đó có chứa một gen cho tiểu đơn vị lớn của enzyme ribonucleotide reductase (RR1). Genome của các hepadnavirus (họ Hepadnaviridae) là một phân tử DNA mạch vòng, có vùng gồm 2 sợi, có vùng chỉ một sợi. Sợi DNA âm là sợi đầy đủ, có chiều dài toàn bộ là 3,0 - 3,2 kb có khấc (nick) đặc hiệu ở một số chỗ. Còn sợi DNA dương thì có độ dài không hoàn toàn và không ổn định, thường từ 1,7 đến 2,8 kb. Genome của các orthomyxovirus (họ Orthomyxoviridae) là RNA một sợi gồm 8 phân đoạn (riêng virus cúm C có 7 phân đoạn). Các bunyavirus (họ Bunyaviridae) có genome gồm 3 phân tử RNA một sợi âm có kích thước khác nhau (gọi là các RNA L, M và S). Riêng RNA S của chi Phlebovirus có một đoạn có cơ năng của sợi dương, nên thường gọi "RNA lưỡng nghĩa (ambisense RNA"). Genome các arenavirus (họ Arenaviridae) có 2 phân tử RNA một sợi. Ngoài ra, bên trong virion còn có các RNA 28 S, 18 S, 4 - 6 S có nguồn gốc từ tế bào ký chủ. Các RNA 4 - 6 S chứa RNA thông tin dưới genome (subgenomic mRNA) mã hóa protein Z có thể là nhân tố điều tiết sao chép. RNA genome cũng lưỡng nghĩa (ambisense). Genome picornavirus (họ Picornaviridae) cấu tạo từ 1 phân tử RNA một sợi dương chuỗi thẳng, phân tử lượng 2,4 - 2,7 x 10 6 (khoảng 7,5 - 8,5 kb), có chuỗi poly-A ở đầu 3', còn đầu 5' kết hợp cộng hóa trị với phân tử protein VPg có phân tử lượng khoảng 2.400 Da. Genome của các birnavirus (họ Birnaviridae) là phân tử RNA hai sợi, gồm hai đoạn (đoạn A có kích thước 3,1 kbp và đoạn B 2,9 kbp). 3. Vật chất di truyền ở vi sinh vật nhân chuẩn Ở vi sinh vật nhân chuẩn (eukaryote) vật chất di truyền cũng có bản chất hóa học là acid nucleic DNA, RNA. Chức năng hai loại acid này tương tự ở tế bào nhân sơ. DNA mang mật mã thông tin di truyền trong khi RNA tham gia chuyển hóa mật mã này thành protein mà thể hiện tính trạng. Quá trình tự sao chép DNA cũng là cơ sở di truyền từ thế hệ tế bào này sang thế hệ tế bào khác hay thế hệ này sang thế hệ khác. Điểm khác biệt lớn giữa sinh vật nhân chuẩn và sinh vật nhân sơ là nhân chuẩn có màng nhân và genome thường gồm hai bộ (lưỡng bội) hoặc đôi khi nhiều hơn nhiễm sắc thể (ở thực vật: tam bội, tứ bội, đa bội) cũng cấu tạo từ DNA xoắn kép nhưng không khép kín (có đầu tự do). Tuy nhiên ở nhiều nấm và thực vật còn tồn tại chu trình đơn bội, khi đó trong tế bào nhân chỉ chứa một bộ nhiễm sắc thể. Thể đơn bội này ở nhiều nấm tồn tại song song với thể lưỡng bội và dạng tế bào song nhân có hai nhân đơn bội riêng rẽ. Ở các nấm chuyển hình hoàn toàn (holomorphous fungi) thể lưỡng bội thường là điểm khởi đầu của sự hình thành cơ quan sinh bào tử hữu tính từ đó sản sinh các bào tử đơn bội. Còn ở các nấm chuyển hình không hoàn toàn (imperfect fungi) không có giai đoạn lưỡng bội. Điểm khác biệt nữa là, DNA nhiễm sắc thể nhân chuẩn còn quấn quanh các phân tử protein histone. Tổ chức gen sinh vật nhân chuẩn còn có sự khác biệt khác so với sinh vật nhân sơ. Gen cấu trúc bao gồm nhiều đoạn và chỉ một số đoạn mã hóa cấu trúc protein. Trong quá trình phiên mã, gen trên nhiễm sắc thể được sao chép thành RNA thông tin sơ cấp trong nhân tế bào nhưng để trở thành RNA thông tin thành thục đặc hiệu thì RNA phải trải qua quá trình biến đổi. Một số đoạn của RNA thông tin sơ cấp bị cắt bỏ khỏi đoạn RNA thông tin (trong quá trình gọi là splicing - "cắt xén", hay "tách ghép"), đồng thời đầu 5' được methyl hóa, còn đầu 3' được bổ sung đoạn dài adenine (poly-A). Methyl hóa đầu 5' làm cho RNA thông tin có thể nhận biết đối với ribosome, còn quá trình poly-A hóa RNA thông tin góp phần đẩy RNA này ra khỏi lỗ khổng màng nhân mà đi vào tế bào chất. Phần gen tương ứng phần còn lại của RNA thông tin thành thục là phần được biểu hiện thành tính trạng nên được gọi là exon, phần bị cắt bỏ gọi là intron. Đoạn DNA mã hóa RNA thông tin sơ cấp được gọi là một đơn vị gen. Cấu trúc gen không liên tục này đóng vai trò quan trọng đối với sự biệt hóa tổ chức trong quá trình sinh trưởng của cá thể. Ngoại lệ có thể gặp là gen histone và interferon không có intron. (Ngoài ra, genome nhiễm sắc thể ở động vật bậc cao còn có trình tự lặp giàu G+C ở đầu nhiễm sắc thể, gọi là telomer, thường bị ngắn dần sau mỗi lần phân bào do đoạn RNA mồi không được tổng hợp bù đắp bằng DNA, có thể liên quan đến quá trình lão hóa của cơ thể). Bên cạnh genome nhiễm sắc thể (ở trong nhân), ở các eukaryote còn có hệ thống tín hiệu di truyền khác là DNA trong các ty thể và lạp thể. Bộ gen này điều khiển sự tổng hợp một số protein của các cơ quan này và có bản chất tương tự bộ gen ở sinh vật nhân sơ (DNA cũng có cấu tạo mạch xoắn kép, khép kín) nhưng được cắt bớt đi nhiều. Ở sinh vật sinh sản hữu tính (hợp tử hình thành từ giao tử đực và giao tử cái) bộ gen này ở mọi cá thể đều có nguồn gốc từ mẹ do trong quá trình thụ tinh giao tử đực không truyền được các ty thể (và lạp thể ở thực vật) vào giao tử cái. Genome của các tiểu cơ quan (ty thể và lạp thể) được phiên mã thành RNA thông tin tương ứng với quá trình diễn ra tương tự ở tế bào nhân sơ. Gen nhảy (transposon) là đoạn DNA đặc biệt gặp cả ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, không có vị trí ổn định trong nhiễm sắc thể. Đoạn này có thể tách rời khỏi vị trí vốn có của nó và di chuyển đến một vị trí khác của cùng nhiễm sắc thể hoặc sang nhiễm sắc thể khác. Tuy không phải là gen cấu trúc nhưng transposon ảnh hưởng rất lớn đến quá trình biểu hiện tính trạng. Nó có thể khống chế hoặc giải phóng một gen cấu trúc nào đó dẫn đến việc mất tính trạng hoặc xuất hiện tính trạng quy định bởi gen đó. Quá trình khống chế có thể diễn ra khi một gen nhảy chèn vào khoảng giữa gen khởi động (promoter) và gen cấu trúc cũng như chèn vào giữa gen cấu trúc làm cho quá trình phiên