Tài liệu CÔNG NGHỆ CHUYỂN GEN (ÐỘNG VẬT, THỰC VẬT) ppt

4
Cho đến nay, trên thế giới người ta đã thành công trong việc
tạo ra nhiều thực vật, động vật chuyển gen. Ở động vật, không chỉ
đối với động vật mô hình (chuột), vật nuôi (bò, lợn, dê, cừu, thỏ, gà,
cá ) mà cả những loài động vật khác như khỉ, muỗi và một số côn
trùng

3. Gen chuyển
Gen chuyển (transgene) là gen ngoại lai được chuyển từ một
cơ thể sang một cơ thể mới bằng kỹ thuật di truyền.
Các gen chuyển được sử dụng để tạo động vật, thực vật
chuyển gen có nguồn gốc từ các loài sinh vật khác nhau: động vật,
thực vật, vi sinh vật và cả con người. Ví dụ: gen của người được đưa
vào chuột và các vật nuôi khác như lợn, bò, cừu, chim


II. Mục đích chuyển gen
Nói chung, mục đích của chuyển gen là thêm một thông tin di
truyền ngoại lai vào genome, cũng như để ức chế một gen nội sinh.
Trong một số trường hợp, sự thay thế một gen hoạt động chức năng
bằng một gen hoạt động chức năng khác là cần thiết. Gen ngoại lai
có thể là một thể đột biến của gen nội sinh hoặc một gen hoàn toàn
khác.
Sự thêm gen có thể được thực hiện để cung cấp sinh vật mang
protein mới. Sự thêm gen cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu
cơ chế hoạt động của một promoter trong toàn cơ thể. Sự kết hợp
của gen reporter với promoter là nguyên tắc chung của phương pháp
này.
Sự thay thế gen được sử dụng chủ yếu để làm bất hoạt một
gen đã biết. Trên thực tế, nó bao gồm sự thay thế gen nội sinh bằng
một thể đột biến bất hoạt. Phương pháp này được dùng để cho thông
tin về chức năng sinh học của gen như ở trường hợp thêm gen. Thực
vậy cả thêm gen và bất hoạt gen có thể gây ra các biến đổi ở sinh vật
chuyển gen, mà các biến đổi này có thể được quan sát hoặc đánh giá.
Các thể đột biến của gen thay thế có thể cung cấp thông tin bằng một
cách thức tinh vi hơn.
Sự thay thế một gen bằng một gen có chức năng khác nhau
hoàn toàn là khó hơn nhưng có thể thực hiện để đưa một marker

5
hoặc một gen chọn lọc vào genome. Vị trí hợp nhất vào genome có
thể được chọn lọc đối với khả năng chứa của nó để biểu hiện gen
ngoại lai bằng một cách chắc chắn.

III. Nguyên tắc cơ bản trong việc tạo động (thực vật)
chuyển gen
Nguyên tắc cơ bản trong việc tạo động vật (thực vật) chuyển
gen là đưa một hoặc vài gen ngoại lai vào động vật (thực vật) (do
con người chủ động tạo ra). Các gen ngoại lai này phải được truyền
thông qua dòng mầm vì vậy mọi tế bào kể các tế bào mầm sinh sản
của động vật (thực vật) đều chứa vật chất di truyền đã được sửa đổi
như nhau.

IV. Cơ chế hợp nhất của DNA ngoại lai vào genome
Trong tất cả các trường hợp, sự hợp nhất của đoạn DNA
ngoại lai vào genome được thực hiện với sự tham gia của các cơ chế
sửa sai DNA của tế bào. Các protein liên quan với các cơ chế này
nhận ra các cấu trúc DNA không bình thường, có thể là sự ghép đôi
không tương ứng của hai sợi đơn DNA, các vùng sợi đơn hoặc các
vị trí mà DNA ngoại lai liên kết với DNA chủ.
Khi DNA ngoại lai không có trình tự chung với genome chủ,
sự nhận biết giữa hai DNA chỉ bao gồm các trình tự DNA ngắn
tương đồng ít hoặc nhiều. Sự nhận biết này là cần thiết cho các cơ
chế sửa sai hoạt động. Sau đó DNA ngoại lai hợp nhất vào genome
nhờ quá trình tái tổ hợp không tương đồng (Hình 1). Sự kiện này là
khá hiếm và xảy ra ở các vị trí khác nhau trong genome.
Khi DNA ngoại lai đóng góp một trình tự dài tương đồng với
genome chủ thì trình tự này sẽ được nhận biết một cách chính xác.
Các cơ chế sửa sai gây ra tái tổ hợp tương đồng nghiêm ngặt làm
thay thế gen nội sinh đích bằng DNA ngoại lai. Nếu gen sau bị đột
biến thì gen nội sinh được thay thế bằng một gen đột biến (Hình 2).
Trong điều kiện tốt nhất, tái tổ hợp tương đồng ít xảy hơn 100 lần so
với tái tổ hợp không tương đồng. Sở dĩ như vậy là do số vị trí đối với
sự nhận biết không chính thức là lớn hơn nhiều so với sự nhận biết
tương đồng. Thông thường sự nhận biết tương đồng là duy nhất
trong mỗi genome đơn bội.

6
DNA ngoại lai phải đến nhân tế bào để hợp nhất vào genome
của nó. Số phận của DNA ngoại lai không giống nhau và phụ thuộc
vào việc nó đã xâm nhập vào tế bào chất hoặc vào nhân một cách
trực tiếp.
DNA biến nạp vào tế bào nuôi cấy nói chung là dạng plasmid
vòng. Plasmid vòng bị phân cắt bởi DNAse của tế bào chất tại các vị
trí ngẫu nhiên. Phần lớn DNA bị phân hủy trong tế bào chất. Một
phần nhỏ đi đến nhân và có thể được phiên mã. Ở dạng này, DNA
ngoại lai không ổn định và nó sẽ bị loại trừ khi tế bào phân chia. Một
tỉ lệ nhỏ DNA ngoại lai hợp nhất vào genome. Trong quá trình di
chuyển từ tế bào chất đến nhân, các đoạn DNA ngoại lai liên kết với
nhau để tạo ra dạng polymer gọi là đoạn trùng lặp (concatemer).
Trong tế bào chất, các liên kết đồng hóa trị xảy ra một cách ngẫu
nhiên giữa các đoạn DNA ngoại lai làm cho các gen sắp xếp lại ở
dạng nối tiếp.
Khi DNA được xâm nhập vào nhân một cách trực tiếp, các
đoạn DNA này cũng tạo thành các đoạn trùng lặp nhưng thông qua
quá trình tái tổ hợp tương đồng. DNA ngoại lai bị phân cắt một cách
ngẫu nhiên, tạo ra các đoạn trùm gối lên nhau và tái kết hợp tạo ra
một đoạn trùng lặp mà ở đó các gen được xây dựng lại rất tốt. Sau
đó các bản sao khác nhau của các đoạn DNA ngoại lai được cấu tạo
chủ yếu ở dạng nối tiếp.
Khi các đoạn DNA khác nhau được xâm nhập đồng thời vào
một tế bào, chúng tạo thành các đoạn trùng lặp chứa một vài bản sao
của mỗi đoạn. Các đoạn trùng lặp lai (hybrid concatemers) này được
hợp nhất vào genome. Vì thế đến bốn gen khác nhau có thể được
chuyển đồng thời vào một tế bào.
Nói chung, DNA ngoại lai được hợp nhất dưới dạng đoạn
trùng lặp có kích thước khoảng 100kb, thường chứa từ một đến
mười bản sao của đoạn DNA gốc. Ðiều thú vị là khi các đoạn DNA
lớn được chuyển vào, đoạn trùng lặp hợp nhất vào thường chứa số
bản sao ít hơn mặc dù kích thước tối ưu để hợp nhất vào genome là
vào khoảng 100kb.


7


Hình 1: Các cơ chế hợp nhất ở một vị trí ngẫu nhiên của DNA ngoại
lai tiêm vào nhân của tế bào
DNA tiêm vào được cắt ra một cách ngẫu nhiên. Các đoạn DNA này lệ
thuộc vào quá trình tái tổ hợp tương đồng tạo ra các polymer (các đoạn
trùng lặp) của gen tiêm vào xếp nối tiếp nhau. Các đầu của đoạn trùng lặp
bị phân hủy bởi DNAse, tạo ra các vùng sợi đơn ngắn nhận biết các vị trí
bổ sung trong genome. Trong quá trình tái bản DNA, các cơ chế sửa sai
hợp nhất DNA ngoại lai.

8


Hình 2: Cơ chế thay thế gen bằng tái tổ hợp tương đồng
DNA nhận biết các trình tự tương đồng trong genome một cách chính xác.
Cơ chế sửa sai của tế bào gây ra sự thay thế đặc hiệu vùng genome đích
bằng các đoạn DNA ngoại lai. Trình tự định vị giữa hai vùng tương đồng
được hợp nhất trong khi trình tự nằm bên ngoài các vùng tương đồng lại bị
loại ra.

DNA vi tiêm vào nhân hay tế bào chất là ở dạng thẳng bằng
cách cắt plasmid ở vị trí chọn trước. Ðiều này làm giảm cơ hội cắt
plasmid tại các vị trí ngẫu nhiên dẫn đến tạo thành các đoạn trùng
lặp chứa các gen bị cắt xén bớt.
Các đoạn DNA sử dụng cho chuyển gen được làm thẳng còn
do các lý do khác. Cách này làm cho có thể loại bỏ các trình tự
plasmid (giàu GC) mà có thể phá hủy các gen chuyển (transgenes).
Mặt khác, DNA vòng tiêm vào nhân được hợp nhất với tần số thấp
hơn nhiều so với DNA thẳng.
Vì vậy nguy cơ của DNA ngoại lai cơ bản là giống nhau khi
chúng được chuyển vào tế bào chất bằng vi tiêm (microinjection),
chuyển nhiễm (transfection) với các tác nhân hóa học hoặc biến nạp
bằng xung điện (electroporation). Tiêm DNA vào nhân là khó hơn
nhưng kết quả là tần số hợp nhất cao hơn nhiều và tình trạng nguyên
vẹn của DNA ngoại lai được duy trì tốt hơn. Tiêm DNA vào nhân
của phôi không phải luôn luôn có thể thực hiện, đặc biệt là đối với
các loài không phải là thú.

9
Tất cả những phân tích ở trên cho thấy:
- Một gen ngoại lai có thể được tách chiết và sửa đổi bằng kỹ
thuật di truyền.
- Gen ngoại lai có mặt trong tế bào cơ thể bao gồm cả tế bào
mầm sinh sản có thể truyền lại cho thế hệ sau.



























10
Chương 1

Các vector sử dụng trong công nghệ
chuyển gen ở động vật và thực vật

I. Vector
Trong sinh học, vector là một phân tử DNA có khả năng mang
một đoạn DNA ngoại lai và khi xâm nhập vào loại tế bào chủ thích
hợp thì có khả năng tự tái bản không phụ thuộc vào sự sao chép của
hệ gen tế bào chủ.
Nói cách khác, vector là một phương tiện truyền thông tin di
truyền trong cơ thể hoặc giữa các cơ thể khác nhau.
Tế bào chủ thường được sử dụng là vi khuẩn E.coli. Phần lớn
các vector là các phân tử DNA dạng vòng nhỏ (plasmid) hoặc là
bacteriophage.
Vector có thể được cắt ở một vị trí xác định bằng một enzym
hạn chế và được nối với một đoạn DNA tương hợp khác được cắt
bởi cùng enzym.
Trong tạo dòng phân tử, vector là rất cần thiết bởi vì thực tế
cho thấy rằng một đoạn DNA chứa gen không thể làm gì trong tế
bào chủ. Vì nó không phải là một bộ phận của genome bình thường
của tế bào, cho nên nó sẽ không được tái bản khi tế bào phân chia,
không được biểu hiện và có khả năng bị phân huỷ khá nhanh.
Trong kỹ thuật di truyền, vector là công cụ có khả năng nghiên
cứu genome người và genome các loài khác và sự sử dụng chúng
trong nghiên cứu đang trở nên ngày càng phổ biến một cách rộng rãi.

II. Các đặc tính của vector
- Vector phải đủ lớn để mang DNA ngoại lai nhưng không quá
lớn.
- Vector phải chứa các trình tự kiểm soát (control sequences)
như khởi điểm tái bản (origin of replication), promoter.

11
- Vector phải mang một hoặc nhiều vị trí nhận biết của enzym
hạn chế.
- Vector phải mang các gen marker chọn lọc (thường là các gen
kháng chất kháng sinh). Vì vậy các tế bào chứa chúng có thể được
phát hiện một cách dễ dàng.

III. Các bước trong tạo dòng phân tử
- Nối vector và đoạn DNA ngoại lai cần được tạo dòng trong
ống nghiệm để tạo DNA tái tổ hợp nhờ sự xúc tác của enzym ligase.
- Biến nạp DNA tái tổ hợp vào một dòng tế bào chủ. Chọn lọc
thể biến nạp trên môi trường agar trong đĩa petri có chất kháng sinh.
- Tách dòng DNA tái tổ hợp bằng cách sử dụng mẫu dò
(probe).

IV. Các vector sử dụng để chuyển gen ở động vật và thực
vật
1. Các vector sử dụng để chuyển gen ở động vật
1.1. Vector sử dụng để thêm gen
Phần lớn các vector sử dụng hiện nay để tạo động vật chuyển
gen bằng cách thêm gen được xây dựng để được hợp nhất vào
genome. Các phương pháp đang được sử dụng hoặc nghiên cứu để
tăng tần số hợp nhất của gen ngoại lai hoặc duy trì chúng như là các
nhiễm sắc thể nhỏ độc lập.

1.1.1. Vector thẳng tối thiểu (Minimum linear vectors)
Ở đại đa số trường hợp, các nhà nghiên cứu sử dụng các đoạn
genome chứa một hoặc hai gen hay chuẩn bị các cấu trúc gen hoạt
động chức năng từ các yếu tố khác nhau. Các đoạn của vector chứa
các vùng phiên mã và điều hòa từ plasmid. Thực vậy, các vector
vòng hợp nhất với tần số thấp hơn nhiều so với các đoạn DNA thẳng
và trình tự plasmid thường phá hủy các gen chuyển đã liên kết. Ðiều
này đúng đối với các vector khác nhau như plasmid, cosmid, phage,
BAC và YAC. Tuy nhiên một số nghiên cứu cho thấy rằng vector
BAC vòng hợp nhất vào genome với hiệu quả giống như bản sao
mạch thẳng của chúng. Nói cách khác, các vector mang các đoạn

12


Hình 1.1: : Tạo dòng bằng vector plasmid

13
DNA genome dài ít nhạy với hiệu quả câm của các trình tự của
prokaryote. Ðiều này là thích hợp nhất nhờ sự hiện diện của các yếu
tố cách ly ở các đoạn genome dài hoặc nhờ một hiệu quả khoảng
cách đơn giản.
Các đoạn DNA không chứa các trình tự đặc biệt hợp nhất vào
genome với tần số tương đối thấp. Một số DNA xen vào tạo ra số
động vật chuyển gen nhiều hơn so với các DNA khác. Ðiều này có
thể xuất hiện từ sự có mặt của các trình tự trong đoạn xen mà nhận
biết thường xuyên các trình tự genome (Hình 1). Một số các đoạn
xen vào có thể chứa các trình tự ưu tiên cho sự phiên mã của chúng
và sự duy trì của chúng trong phôi, tăng cường sự hợp nhất xảy ra.


1.1.2. Vector chứa các trình tự lặp lại
Cơ chế của sự hợp nhất được mô tả ở hình 1 bao hàm sự nhận
biết giữa các trình tự của đoạn xen và của genome. Tần số của sự
hợp nhất được tăng lên nhờ sự có mặt ở cả hai đầu của các đoạn xen
các trình tự lặp lại cao trong genome chủ ngay cả khi chúng bị thoái
hóa nhiều hoặc ít. Ở bò, một trình tự có mặt nhiều ở tâm động làm
tăng thêm các đoạn xen đã tăng tần số hợp nhất. Ở trường hợp đặc
biệt này, các gen chuyển vẫn không hoạt động. Ðiều này là do tâm
động là vùng không phiên mã của genome phá hủy gen chuyển.
Một phương pháp tương tự đã được tiến hành ở chuột, sử
dụng các trình tự Alu. Các trình tự này là các yếu tố lặp lại. Các trình
tự Alu chứa 200-300 nucleotid là có nhiều trong genome động vật có
vú và đặc biệt là ở các vùng lân cận hoặc ở trong các vùng phiên mã.
Một số trình tự Alu được phiên mã bởi RNA polymerase III, làm
cho chức năng của RNA không rõ ràng và có thể không tồn tại. Các
thí nghiệm đã cho thấy rằng tần số hợp nhất được tăng lên đối với
các đoạn xen chứa trình tự Alu.

1.1.3. Vector transposon
Transposon là một đoạn DNA có khả năng tự tái bản một
cách độc lập và xen vào một vị trí mới trong cùng nhiễm sắc thể
hoặc một nhiễm sắc thể khác (Hình 1.2). Với tiến bộ của kỹ thuật di
truyền transposonđã được sửa đổi, thiết kế thành các công cụ di
truyền với mục đích đặc biệt.

Xem chi tiết: Tài liệu CÔNG NGHỆ CHUYỂN GEN (ÐỘNG VẬT, THỰC VẬT) ppt