Xem mẫu
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene 9
Hình 1.6: Sao chép và dịch mã
Trong 64 codon, ta có thể kể:
Ba codon UAA, UAG, UGA là các “codons non sens”, không đƣợc dịch thành
amino acid; chúng là dấu hiệu chấm dứt sự đọc, nên còn đƣợc gọi là “codon
stop”.
61 codon còn lại mã hóa 20 amino acid. Trừ Met và Trp chỉ đƣợc mã hóa bởi 1
codon, các amino acid khác đƣợc mã hóa bởi nhiều codon. Nhƣ vậy có nhiều
codon cùng nghĩa.
Hình 1.7: Mã di truyền của nhân (các codon của mRNA)
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene 10
I.1.3.3. Ba đặc tính quan trọng của mã di truyền
Phổ biến (universal): Mã di truyền cơ bản giống nhau cho mọi sinh vật
(động vật, thực vật, vi khuẩn hay virus). Chính vì thế từ điển mã di truyền ra
đời là bằng chứng thuyết phục về nguồn gốc tiến hóa chung của sinh vật.
Suy biến (degenerate): nhiều codon mã hóa cho một amino acid. Trong phần
lớn các trƣờng hợp, các bộ ba mã hóa cho một amino acid chỉ khác nhau ở
base thứ ba, thí dụ: UUU và UUC (Phe), CAA và CAG (Gln)…
Không gối nhau: Mã di truyền đƣợc đọc tuần tự từ “bộ ba” này đến “bộ ba”
kế tiếp, liên tục trong một chuỗi, từ điểm khởi đầu cho đến kết thúc.
a) Giả thuyết về base “dao động”
*Thế nào là base “dao động”
Mã di truyền chung (có tính phổ biến) là điều hết sức lý thú để hiểu về sinh vật.
Tuy nhiên, Sanger (1980) đã đặt lại vấn đề, vì có vài codon khác biệt trong ti thể. Và
vì Met và Trp đƣợc mã hóa bởi hai codon thay vì một.
Hình 1.8: Mã di truyền ty thể ngƣời
Sau phát hiện này, ngƣời ta còn thấy những codon khác ở nấm men,
Paramecium,…Thí dụ UAA của mRNA tế bào chất của Paramecium không phải là
codon Stop, mà là Gln.
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene 11
Mã di truyền có 61 codon mã hóa cho 20 amino acid. Do đó ta có thể nghĩ rằng
có 61 tRNA (qui tắc bổ sung codon-anticodon). Tuy nhiên, thực tế một mRNA nhận
biết nhiều codon mã hóa cho cùng một amino acid. Nói cách khác không cần phải có
đủ 61 tRNA để vận chuyển acid amin trong quá trình dịch mã (nhƣng một tRNA
không bao giờ nhận biết hai amino acid khác nhau).
Theo giả thuyết base “dao động” (Crick, 1966), hai nucleotide đầu tiên của một
codon (mRNA) bổ sung một cách nghiêm chỉnh với anticodon của t-RNA, nhƣng base
thứ ba của codon bắt cặp với base thứ nhất của anticodon theo cách tƣơng đối lỏng lẻo.
b) Ích lợi của tính suy biến mã di truyền và base “dao động”
Có ba điều lợi chính:
Sự suy biến mã di truyền tạo nên một hệ thống bảo vệ đối với các đột biến có
thể sinh ra, sự thay đổi base thứ ba thƣờng không gây hậu quả, vì codon đột
biến không làm thay đổi tRNA.
Các nối wobble cho phép tế bào tiết kiệm vật chất và năng lƣợng: không cần 61
tRNA để nhận biết 61 codon.
Cầu nối yếu hơn giữa base thứ nhất của anticodon và base thứ base của codon
giúp các tRNA phân ly dễ hơn, và do đó sự tổng hợp protein nhanh hơn.
Hình 1.9: Các kiểu wobble trong tế bào chất (ở các hữu nhũ)
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene 12
I.1.4. Cấu trúc căn bản của một gene eukaryote
Chiều dài và cấu trúc một gene rất thay đổi. Gene là các trình tự DNA đƣợc sao
chép, các trình tự này có thể ở trên sợi này hay sợi kia của phân tử DNA. Geneome là
toàn bộ các gene và các trình tự không mã hóa của một cá thể.
(A)
(B)
Hình 1.10: Các trình tự đƣợc sao chép của DNA (gene).
(A) sự sao chép của một sợi DNA
(B) sự không liên tục của gene
Gene eukaryote không liên tục, mà bao gồm:
Các exon là các trình tự mang thông tin di truyền sẽ đƣợc biểu hiện.
Các intron là các trình tự nằm xen kẽ với các phần mang thông tin di truyền,
đƣợc sao chép nhƣng không đƣợc dịch.
Gene ở phần lớn prokaryote có phần ghi mã liên tục, không có intron.
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 13
I.2. Cơ sở sinh học về chuyển gene
Hình thức cơ bản nhất trong cải biến di truyền (Genetic transformation) là đƣa
những gene chuyển (transgenes) vào trong sinh vật bằng cách nào đó mà các gene này
có thể đƣợc biểu hiện. Kỹ thuật này còn đƣợc gọi là kỹ thuật di truyền.
Mục tiêu cuối cùng của kỹ thuật di truyền hay kỹ thuật DNA tái tổ hợp là sự biểu
hiện bền vững và có thể di truyền của tính trạng mới trong bộ phận hay cơ thể khác.
Điều này đạt đƣợc thông qua cấu trúc vector mang gene chuyển. Plasmid, retrovirus
(RNA virus) và bacteriophage là các vector quan trọng đặc biệt trong chuyển thông tin
di truyền. Trong quá trình chuyển gene, kỹ thuật di truyền cắt và sắp xếp lại các đoạn
DNA tạo ra cấu trúc gene chuyển chèn vào vector.
Hình 1.11: Cắt DNA Plasmid sử dụng enzyme cắt giới hạn
Hình 1.12: Gắn gene chuyển vào vector (Plasmid)
Hebert Boyer và Stanley Cohen đã đạt đƣợc thành tựu chuyển gene đầu tiên vào
năm 1973, khi đó họ đã tạo ra gene với các phần DNA từ vi khuẩn và lƣỡng cƣ, biểu
hiện gene kháng kháng sinh. Với sự thành công trong việc sử dụng enzyme và vector,
các nhà khoa học này đã tiên phong trong việc sử dụng kỹ thuật di truyền và chuyển
thông tin di truyền. Nghiên cứu của họ đã đặt nền móng cho nhiều công việc ngày nay
trong công nghệ sinh học.
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 14
I.2.1. Các vấn đề chủ yếu trong việc cải biến di truyền
Thuật ngữ genetically modified thƣờng xuyên đƣợc dùng để mô tả những sinh
vật đƣợc chuyển gene hay đƣợc biến đổi di truyền. Khoa học của kỹ thuật di truyền
đƣợc phát triển với mục tiêu xây dựng các gene phục vụ cho chuyển gene. Hệ thống
chuyển gene gồm ba vấn đề chính:
Kỹ thuật đƣa DNA lạ vào tế bào đích.
Tế bào hay mô bền vững với điều kiện chuyển gene.
Các phƣơng pháp cho phép xác định và chọn lọc tế bào hay bộ phận chuyển
gene.
Một trong những giới hạn của cải thiện di truyền truyền thống là sự không hòa
hợp giữa các loài.
Ví dụ: Đậu là loài giàu amino acid chứa sunfur. Tuy nhiên đậu lại thiếu lysine.
Mặt khác lúa giàu lysine nhƣng thiếu amino acid chứa sunfur. Vì không thể lai giữa
hai loài này với nhau, vì thế ngƣời trồng trọt truyền thống không thể phát triển loại đậu
mới giàu lysine hay lúa giàu thành phần amino acid chứa sunfur.
Chuyển gene cho phép trao đổi các gene giữa các sinh vật mà không hòa hợp giới
tính. Với kỹ thuật di truyền và chuyển gene có thể cho phép ta chuyển gene giữa vi
khuẩn, động vật, thực vật và virus.
Công cụ cơ bản trong chuyển gene là enzyme cắt giới hạn, đƣợc dùng để cắt
DNA tại những vị trí đặc biệt, và các enzyme ligase mà xúc tác cho việc nối các đoạn
DNA. Sử dụng đúng enzyme cắt giới hạn có thể cắt đƣợc DNA plasmid vòng của vi
khuẩn thành dạng thẳng. Dùng ligase có thể gắn thêm đoạn DNA khác chứa gene quan
tâm vào plasmid bị cắt. Plasmid mới có thể đƣợc đƣa vào vi khuẩn thông qua quá trình
gọi là “xung điện” (electroporation), vi khuẩn có thể đƣợc dùng để chuyển gene
chuyển vào (sinh vật đích). Nếu plasmid DNA đƣợc tích hợp vào trong genome của
sinh vật nhận và gene chuyển đƣợc biểu hiện, cá thể đó đƣợc xem nhƣ đã đƣợc chuyển
gene (transgenic).
I.2.2. Các phương pháp chuyển gene
Có nhiều phƣơng pháp chuyển gene, nhƣng bốn phƣơng pháp đạt kết quả cao
nhất là: Chuyển gene thông qua Agrobacterium, bắn gene, vi tiêm, và chuyển trực tiếp.
Mỗi phƣơng pháp có ƣu và nhƣợc riêng và đƣợc sử dụng trong những trƣờng hợp đặc
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 15
biệt. Ở thời điểm này không có một phƣơng pháp nào phù hợp cho tất cả các trƣờng
hợp.
Chuyển gene thông qua Agrobacterium
Vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens có khả năng nhận ra vết thƣơng trên thực
vật, kích thích việc chuyển plasmid vi khuẩn vào thực vật. Plasmid có khả năng tích
hợp vào DNA tế bào chủ gây ra sự tăng trƣởng không kiểm soát ở thực vật hình thành
bƣớu. Khả năng này của A. tumefaciens làm nó có vai trò quan trọng trong giai đoạn
sớm của chuyển gene.
A. tumefaciens là vector đầu tiên đƣợc dùng để chuyển gene lạ vào tế bào thực
vật, đƣợc dùng cho cả thực vật hai lá mầm và thực vật một lá mầm. Một loại vi khuẩn
đất khác Agrobacterium rhizogenees, kích thích tạo rễ thứ cấp sau khi nhiễm cũng đã
đƣợc dùng cho chuyển gene thực vật.
Cơ bản của phƣơng pháp này dựa vào plasmid vi khuẩn có khả năng tích hợp
bộ gene cây chủ. Phần quan trọng của plasmid là vùng đảm nhận tr ách nhiệm cho việc
chuyển gene vào trong bộ gene thực vật. Phần này gọi là DNA chuyển (T -DNA), và
phần DNA này là phần chủ yếu gây tăng trƣởng bƣớu của thực vật nhiễm. Vùng này
nằm giữa vai phải và vai trái của plasmid cho phép vi khuẩn chuyển gene mới vào
trong thực vật nhận.
Hình 1.13: Plasmid dùng trong chuyển gene đậu nành
Chuyển gene nhờ vi khuẩn A. tumefaciens thƣờng là sử dụng đĩa lá. Đĩa lá có
đƣờng kýnh khoảng 6 mm đƣợc nuôi cấy trên đĩa môi trƣờng chứa A. tumefaciens
mang plasmid chứa gene chuyển. Sau khoảng thời gian ủ khoảng một tháng trong môi
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 16
trƣờng nuôi cấy mô, chồi bắt đầu phát triển trên đĩa lá. Thông qua các phƣơng pháp
chọn lọc, chồi chuyển gene đƣợc xác định và đƣợc tái tạo thành cây hoàn chỉnh.
Hình 1.14: Chuyển gene thông qua môi trƣờng Agrobacterium tumefaciens
Bắn gene (biolistics)
Phƣơng pháp bắn gene sớm đƣợc sử dụng nhiều ngay sau khi ra đời để chuyển
gene vào cây ngũ cốc. Phƣơng pháp này dựa trên sự bắn các vi hạt (tungsten hoặc
vàng) bọc DNA vào mô nhờ lực đẩy của không khí, khí helium hoặc dòng điện.
Christou và ctv (1991) là những tác giả đầu tiên nhận đƣợc cây chuyển gene từ phôi
non của một số giống lúa qua sử dụng thiết bị bắn ACCELLR. Sau đó, Cao và ctv
(1992) thông báo việc tạo cây chuyển gene từ tế bào huyền phù nhờ thi ết bị PDS1000/
He BiolisticTM. Từ đó, phƣơng pháp này đƣợc sử dụng phổ biến để tạo cây chuyển
gene. Phƣơng pháp này có thể áp dụng trên bất cứ loại mô nào có khả năng tái sinh
cây, không cần sử dụng tế bào trần và loại mô đã qua giai đoạn mô sẹo lâu dài do đó
giảm thiểu đƣợc sự biến dị.
Hình 1.15: Súng bắn gene đƣợc dùng trong chuyển gene
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 17
Phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là chi phí cao và sự tích hợp vào cây chủ rất
phức tạp cho nên nhiều nhóm nghiên cứu đã giảm thiểu sử dụng phƣơng pháp này.
Vi tiêm (Microinjection)
Phƣơng pháp này đƣợc phát triển cho chuyển gene ở động vật nhƣng cũng đƣợc
mở rộng cho thực vật. Mặc dù rất khó và tốn nhiều công sức, sự vi tiêm DNA cũng đã
đem lại nhiều kết quả dƣơng tính và đã đƣợc dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm.
Hình 1.16: Chuyển gene thông qua vi
Trong kỹ thuật này, ống vi mao quản đƣợc dùng để đƣa DNA trực tiếp vào tế
bào. Mỗi tế bào chuyển phải đƣợc thao tác riêng lẽ. Một thuận lợi của phƣơng pháp
này là tối ƣu hóa lƣợng DNA đƣợc đƣa vào trong tế bào đích, giúp tố i ƣu khả năng
tích hợp. Kết quả dƣơng tính đã thu đƣợc ở các loài nhƣ bắp, lúa mì, đậu nành, thuốc
lá, lúa và trong động vật nhƣ cá hồi, gia súc và heo.
Chuyển gene trực tiếp
Chuyển gene trực tiếp đã đƣợc hoàn thành sớm sau phƣơng pháp dùng
Agrobacterium. Các phƣơng pháp này dùng tế bào trần (protoplast) là tế bào đích cho
chuyển gene. Phƣơng pháp này đơn giản là thêm một lƣợng lớn plasmid chuyển gene
vào môi trƣờng nuôi cấy tế bào trần, đảm bảo rằng một lƣợng nhỏ tế bào trần sẽ bắt
đƣợc plasmid. Tỷ lệ tích hợp sẽ tăng lên khi dùng thêm polyethylene glycol (PEG) hay
sử dụng xung điện. Không có rào cản thực sự nào đối với phƣơng pháp này, do đó
ngƣời ta cho rằng phƣơng pháp này đƣợc sử dụng cho hầu hết các loài. Vấn đề khó
khăn là tái tạo lại toàn bộ cây trồng từ tế bào trần. Vì thế phƣơng pháp này không đƣợc
dùng rộng rãi nhƣ các phƣơng pháp khác.
I.2.3. Những khó khăn trong chuyển gene.
Nuôi cấy mô đƣợc xác định là trở ngại lớn nhất trong sự phát triển của sản phẩm
cây chuyển gene. Cần thiết phải có phƣơng pháp để tái tạo lại toàn bộ cá thể từ tế bào
hay mô đƣợc chuyển gene. Một trong những khó khăn đối với các nhà khoa học là tính
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 18
lặp lại của công việc thông thƣờng chỉ đƣợc một số chứ không đƣợc cho tất cả các
loài. Điều này giới hạn phổ cá thể có thể đƣợc chuyển gene. Trong nhiều trƣờng hợp,
phải dùng phƣơng pháp chuyển gene chuyển thông qua phƣơng pháp lai truyền thống.
Một ví dụ cho trƣờng hợp này là chuyển gene ở lúa mì. Chuyển gene ở hầu hết lúa mì
thì rất khó vì gặp khó khăn trong nuôi cấy mô. Giống Bobwhite không nằm trong
trƣờng hợp trên, và phƣơng pháp chuyển gene đã đƣợc phát triển cho giống lúa mì
này. Khi gene đã đƣợc chuyển thành công trong Bobwhite, nó có thể chuyển sang các
giống khác thông qua lai giống truyền thống.
Một khó khăn liên quan đến sử dụng nuôi cấy mô trong chuyển gene là các loại
dòng tế bào soma. Các cây trồng tạo ra trong nuôi cấy mô có tỉ lệ đột biến cao và xuất
hiện những giống bất thƣờng. Điều này bởi tính nhạy cảm của tế bào trong nuôi cấy
mô. Nhiều trƣờng hợp, cây trồng nuôi cấy mô gặp vấn đề trong nuôi cấy tế bào chứ
không từ sự tích hợp của gene chuyển.
Các phƣơng pháp chuyển gene gần đây hứa hẹn tạo ra cuộc cách mạng trong việc
chuyển gene vào cây trồng. Một vài phƣơng pháp đã đƣợc sử dụng trong Arabidopsis
thaliana. Một phƣơng pháp là ngâm chồi trong dung dịch chứa plasmid mang gene
chuyển. Một phƣơng pháp khác, vẫn đang trong giai đoạn phát triển là chuyển gene
vào hạt thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. Mặc dù các phƣơng pháp này
đã đƣợc sử dụng thành công trong Arabidopsis, nhƣng vẫn chƣa có công bố đối với
cây trồng. Vấn đề mấu chốt của hai phƣơng pháp này là sự chuyển gene không cần
phải thực hiện tái tạo cây qua nuôi cấy mô. Các phƣơng pháp này thú vị bởi vì sự
chuyển gene thực hiện trên hạt mà có thể trồng để xác định cá thể chuyển gene.
I.2.4. Sản phẩm của kỹ thuật di truyền
Chuyển gene đã phát triển nhiều sản phẩm mới với nhiều tác động lên xã hội, từ
thuốc tới thực phẩm với dinh dƣỡng cao cấp. Thành công thƣơng mại lớn nhất của kỹ
thuật di truyền là insulin trong vi khuẩn chuyển gene năm 1980. Sau đó nhiều sản
phẩm khác cũng đã đƣợc công bố.
Giống cây trồng đƣợc thƣơng mại hóa đầu tiên là cà chua Flavr Savr, đƣợc phát
triển bởi công ty Calgene, California. Sản phẩm này đƣợc thƣơng mại ngày 21 tháng 5
năm 1994, với hai gene mới đƣợc chuyển vào cây cà chua. Gene thứ nhất là bản sao
ngƣợc của gene polygalactonurase (reverse copy of the polygalactonurase gene), mã
hóa cho enzyme phá hủy cellulose. Chuyển gene ở hình thức ngƣợc, gọi là antisense,
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 19
tạo ra lƣợng enzyme polygalactonurase thấp. Kết quả, những quả cà chua chín không
mất đi sự cứng cáp của nó, bởi vì thành tế bào cà chua là cellulose không bị phân hủy
nhanh chóng nhƣ cà chua thông thƣờng. Gene thứ hai đƣợc chuyển vào giống Flavr
Savr mã hóa cho tính kháng với kháng sinh kanamycin. Gene này đƣợc chuyển vào
cây nhƣ chỉ thị (marker) cho nhận biết cây chuyển gene.
Bảng sau bao gồm danh sách các cây trồng chuyển gene. Các tính trạng phần lớn
là kháng thuốc trừ cỏ, kháng côn trùng, và chất lƣợng dinh dƣỡng.
Bảng 1.1: Một số loài sinh vật đã đƣợc chuyển gene
Thực vật Động vật
Cải dầu Lúa Bò
Bắp Đậu nành Khỉ
Bông vải Hƣớng dƣơng Chuột
Cây khuynh diệp Thuốc lá Heo
Cà chua Cá hồi
Nho
Đu đủ Lúa mì
Khoai tây Củ cải đƣờng
I.2.5. Tiềm năng của chuyển gene
Mục đích của phát triển giống thông qua công nghệ sinh học cũng giống nhƣ cải
thiện theo di truyền cổ điển. Tất cả các tính trạng mong muốn đƣợc cải thiện năng
suất, tăng sức sống, kháng côn trùng, và chất lƣợng dinh dƣỡng. Tuy nhiên, công nghệ
sinh học còn cho phép phát triển giống với những tính trạng mà không thể phát triển
qua lai giống cổ điển.
Ví dụ:
Trƣờng hợp giống lúa giàu lysine và đậu nành giàu amino acid sunfur đƣợc đề
cập ở phần trên.
I.2.5.1. Các chức năng mới được thêm vào trong cải biến di truyền thực vật
Thay đổi hình dạng của enzyme (Altered Forms of Enzymes)
Chuyển gene mã hóa cho enzyme có cấu trúc đƣợc bổ sung làm nó không nhạy
cảm với điều kiện hóa chất và môi trƣờng. Ví dụ, gene mã hóa cho enzyme EPSP (5 -
enolpyruvyl-shikimate-3-phosphate synthase) biến đổi cấu trúc đem lại tính kháng
thuốc diệt cỏ glyphosate.
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 20
Tổng hợp tăng cƣờng protein (overproduction of proteins)
Chuyển vào nhiều bản sao của gene hay sử dụng promoter mạnh đem lại kết quả
tăng cƣờng sản phẩm protein. Vấn đề này có thể đƣợc áp dụng cho tính trạng dinh
dƣỡng hay cho tính kháng bệnh.
Ức chế gene nội sinh (Silencing of Endogeneous Genes)
Ức chế một phần hay toàn bộ sự biểu hiện gene có thể đạt đƣợc qua kỹ thuật
RNA antisense. Kỹ thuật này chuyển gene có chiều ngƣợc lại với gene ban đầu. Khi
sao mã, sản phẩm này bổ sung với gene ban đầu. mRNA của gene quan tâm lại bổ
sung đối với gene chuyển, kết quả tạo thành RNA kép ngăn cản quá trình dịch mã. Về
mặt lý thuyết, mRNA antisense có thể đƣợc dùng để ức chế sự biểu hiện của bất kỳ
gene nào.
I.2.5.2. Các tính trạng mới (News traits)
Các gene ở các loài khác có thể đƣợc chuyển vào sinh vật đích, làm cho tính
trạng của loài này cũng có trong loài khác. Gồm các khả năng sau:
Trao đổi chất (Metabolism): chuyển gene từ loài cố định nitơ.
Kháng côn trùng sinh học (Biopesticides): gene Bt đƣợc chuyển từ vi khuẩn
Bacillus thuringiensis tới bắp, bông vải, và các cây trồng khác.
Kháng bệnh (Disease Resistance)
Một ví dụ là lúa mạch kháng đối với Barley Yellow Dwarf Virus (BYDV), kết quả
của việc chuyển gene mã hóa protein vỏ của virus BYDV vào lúa mạch.
Khử đực (Male sterility)
Chuyển gene khử đực để có thể tăng tỉ lệ thụ phấn chéo trong các loài tự thụ phấn.
Xử lý sinh học (Bioremediation)
Chuyển các gene mã hóa cho các chất hấp thụ kim loại nặng hay khả năng xử lý
chất thải ô nhiễm đó là những ứng dụng trong xử lý sinh học.
Dƣợc liệu (Pharmaceutical)
Chuyển các gene mã hóa các chất có đặc tính chữa bệnh đƣợc dùng trong y khoa
Thay đổi các đặc tính bản chất (Alteration in the Individual’s
Architecture)
Thay đổi thời gian ra hoa, cấu trúc cây, hay màu sắc đối với các thực vật dùng cho
trang trí.
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 21
I.2.5.3. Sự biểu hiện gene
Tất cả tế bào đều chứa số lƣợng nhiễm sắc thể đặc trƣng cho loài. Nhƣng không
phải tất cả các gene đều biểu hiện trong mỗi tế bào. Ví dụ, các gene mã hóa cho sản
phẩm chlorophyll đƣợc biểu hiện ở lá và các thành phần xanh khác của cây. Tuy nhiên
chúng lại không biểu hiện ở rễ.
Sự điều hòa gene là một quá trình phức tạp, chịu sự chi phối của hàng loạt các
yếu tố. Hiện tƣợng chung xảy ra trong kỹ thuật di truyền là sự không có quá trình biểu
hiện gene sau khi gene đã đƣợc chuyển vào sinh vật. Vì vậy, hiểu cơ chế biểu hiện
gene là điều cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật di truyền.
Trong vi khuẩn, một số gene đƣợc kích hoạt trong khi đó một số gene khác lại bị
bất hoạt phụ thuộc vào môi trƣờng mà vi khuẩn tăng trƣởng. Ví dụ, vi khuẩn
Escherichia coli có thể sử dụng hai loại nguồn cacbon khác nhau, lactose và glucose
tạo ra năng lƣợng. Vi khuẩn cần tổng hợp ra enzyme đặc biệt phân hủy cacbohydrate
thành năng lƣợng. Các enzyme này cũng giống nhƣ các protein khác, đƣợc mã hóa bởi
gene. Khi E.coli đƣợc nuôi cấy trong môi trƣờng với cả hai glucose và lactose (ƣa
thích glucose hơn), nó trao đổi chất. Gene mã hóa cho enzyme trao đổi glucose vì thế
đƣợc biểu hiện trƣớc. Trao đổi chất lactose đòi hỏi thêm enzyme khác và chỉ đƣợc
hoạt hóa khi môi trƣờng cạn kiệt glucose và lactose trở thành nguồn năng lƣợng có
sẵn. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là điều hòa gene.
Biểu hiện gene trong cơ thể phức tạp vẫn chƣa đƣợc hiểu biết hoàn toàn.
Biểu hiện gene không chỉ là chức năng bên trong cơ thể mà còn chịu sự kích
thích của môi trƣờng.
Cơ chế điều hòa gene liên quan đến gene điều hòa. Các trình tự DNA này không
mã hóa cho bất kỳ protein nào. Chức năng của chúng là đẩy mạnh sự kích hoạt hay ức
chế gene.
Một phần quan trọng của gene điều hòa là promoter. Promoter là trình tự DNA
đứng trƣớc gene, chứa trình tự điều hòa để kiểm soát tỉ lệ RNA sao mã. Promoter kiểm
soát khi trong tế bào có gene đƣợc biểu hiện. Thông qua xử lý trên promoter có thể tạo
ra biểu hiện quá mức, quá thấp hoặc ức chế.
Một số promoter mang tính cơ bản (constitutive) trong khi đó một số khác mang
tính có thể chi phối (inducible). Trong số các promoter này, một số có thể bị chi phối
bởi chất hóa học, số khác đƣợc kích hoạt bởi nhiệt, ánh sáng hay hormon. Một số
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 22
promoter hoạt động trong một số mô hay cơ quan nhất định, không hoạt động trong
phần khác. Trong trƣờng hợp này, chúng đƣợc xem là promoter đặc biệt của mô.
Sau đây giới thiệu một số promoter thƣờng đƣợc dùng trong kỹ thuật di truyền:
Loại cơ bản
UBI từ bắp
35SCaMV từ virus khảm suplơ (cauliflower)
Loại mô đặc biệt
Phaseolina promoter (promoter đặc biệt của hạt từ đậu phộng).
Vicillin promoter (promoter đặc biệt của hạt từ đậu Hà Lan).
Glutamine promoter (promoter đặc biệt của nội nhũ từ lúa mì).
Loại kích thích
Rubisco 5S promoter ( kích hoạt bởi ánh sáng).
Bên cạnh promoter, các yếu tố di truyền khác cũng quan trọng trong sự biểu hiện
gene phù hợp. Mặc dù mã di truyền có tính toàn bộ, nó cũng đƣợc xem là thoái hóa.
Mỗi sinh vật ƣa thích các codon đặc biệt mã hóa amino acid trong suốt quá trình tiến
hóa, điều này cũng tác động đến sự biểu hiện gene. Đó là trƣờng hợp của gene Bt từ vi
khuẩn Bacillus thuringiensis chuyển trong bắp. Ban đầu biểu hiện gene đó của vi
khuẩn trong bắp rất thấp, tuy nhiên khi gene chuyển đƣợc xử lý lại sử dụng các codon
ƣa thích của bắp, sự biểu hiện gene xảy ra bình thƣờng.
Nhiều yếu tố khác có thể ảnh hƣởng sự biểu hiện của gene chuyển, nhƣ sự hiện
diện của các peptide tín hiệu, vị trí sự tích hợp của gene trong bộ gene, số lƣợng bản
sao tích hợp, và sự tái sắp xếp gene chuyển trong suốt quá trình tích hợp. Tích hợp
gene chuyển vào trong tế bào cây chủ nhìn chung xảy ra ngẫu nhiên, nghĩa là nó có th ể
xảy ra bất kỳ trên nhiễm sắc thể nào của tế bào và bất kỳ vị trí nào trong nhiễm sắc thể.
Tuy nhiên, hầu hết các tính trạng chuyển gene, gene chuyển thƣờng nằm ở vị trí cuối
của nhiễm sắc thể. Nhiều bản sao của gene chuyển đƣợc tích hợp cùng nhau một các h
đặc thù.
I.2.6. Locus chuyển gene
Cấu trúc gene đƣợc dùng trong chuyển gene có promoter, vùng mã hóa, và trình
tự cuối. Trong hình, vicillin promoter, đặc biệt cho sự biểu hiện trong hạt, chi phối sự
biểu hiện gene của gene UDP 6-glucose dehydrogenease theo chiều antisen. Trong cấu
trúc cũng có trình tự kết thúc NOS (noplaine synthase), đánh dấu vị trí kết thúc của sự
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene 23
sao chép. Ngoài gene quan tâm, nhìn chung gene reporter đƣợc chuyển đồng thời để
dễ dàng cho sự xác định và chọn lọc cá thể chuyển gene.
Hình 1.17: Ví dụ cấu trúc di truyền đƣợc dùng ức chế gene UDP 6-glucose
dehydrogenease trong đậu nành.
Thông thƣờng gene reporter cũng nằm trong cấu trúc gene chuyển. Chức năng
của reporter cho phép sự chọn lọc có thể thấy đối với các tế bào chuyển gene.
Chuyển gene cá thể là nhiệm vụ khó khăn. Tính khoa học ẩn sau các phƣơng
pháp thì chỉ có thể hiểu ở mức cơ bản, còn kết quả của các phƣơng pháp thì không
luôn luôn theo dự định. Trình tự các gene đặc biệt cần để kích thích sự biểu hiện của
gene chuyển và các gene cần cho sự xác định cá thể chuyển gene.
Chuyển gene vẫn đang tiếp tục đƣợc cải thiện để biểu hiện chính xác hơn các tính
trạng mong muốn trong các sinh vật khác nhau. Hiểu đƣợc sự phức tạp của chuyển
gene là mấu chốt để mở rộng những ứng dụng trong công nghệ sinh học.
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Hiện trạng chuyển Gene 24
I.3. Hiện trạng sản xuất cây trồng chuyển gene trên thế giới
Từ 1986-1997 đã có khoảng 25.000 cuộc thử nghiệm ngoài đồng về cây
chuyển gene, đƣợc tiến hành ở 45 quốc gia với hơn 60 cây trồng và 10 đặc tính.
Trong số 25.000 cuộc thử nghiệm thì 60% đƣợc tiến hành từ năm 1986-1995, còn
lại đƣợc tiến hành vào 2 năm 1996-1997. Năm 1997, chỉ có 46 sản phẩm chuyển
gene của 12 cây trồng với 6 đặc tính đã đƣợc thƣơng mại hóa.
Bảng 1.2: Bảng thống kê danh sách các tính trạng đƣợc chuyển vào cây trồng.
Tính trạng Yếu tố di truyền Nguồn
STT
Delta(12)-fatty acid Glycine max
1 Fatty acid composition dehydrogenease
2 Fatty acid composition Fatty acid desaturase NULL
3 Fatty acid composition Thioesterase Umbellularia californica
Barnase ribonuclease Bacillus
4 Fertility restoration inhibitor amyloliquefaciens
5-enolpyruvylshikimate-3- Agrobacterium
5 Herbicide tolerance phosphate synthase tumefaciens CP4
5-enolpyruvylshikimate-3- Z. mays
6 Herbicide tolerance phosphate synthase
Acetolactate synthase chimera of 2 resistant
7 Herbicide tolerance AHAS genes (S4-Hr4)
Acetolactate synthase chlorsulfuron tolerant
8 Herbicide tolerance line of A. thaliana
Acetolactate synthase chlorsulfuron tolerant
9 Herbicide tolerance Nicotiana tabacum
10 Herbicide tolerance Glyphosate oxidoreductase Ochrobactrum anthropi
Nitrilase Klebsiella pneumoniae
11 Herbicide tolerance subspecies ozanae
Phosphinothricin N- S. hygroscopicus
12 Herbicide tolerance acetyltransferase
Phosphinothricin N- S. viridochromogenes
13 Herbicide tolerance acetyltransferase
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Hiện trạng chuyển Gene 25
Tính trạng Yếu tố di truyền Nguồn
STT
Cry1Ab delta-endotoxin (Btk Bacillus thuringiensis
14 Insect resistance HD-1) subsp. kurstaki (Btk)
Cry1Ac delta-endotoxin Bacillus thuringiensis
15 Insect resistance subsp. kurstaki (Btk)
Cry1F delta-endotoxin Bacillus thuringiensis
16 Insect resistance var. aizawai
17 Insect resistance Cry2Ab delta-endotoxin Bacillus thuringiensis
Cry3A delta-endotoxin Bacillus thuringiensis
18 Insect resistance subsp. Tenebrionis
Cry3Bb1 delta-endotoxin Bacillus thuringiensis
19 Insect resistance subsp. kumamotoensis
Cry9c delta-endotoxin Bacillus thuringiensis
20 Insect resistance subsp. Tolworthi
21 Insect resistance Protease inhibitor S. tuberosum
22 Lepidopteran resistance Cry1F delta-endotoxin Bacillus thuringiensis
Barnase ribonuclease Bacillus
23 Male sterility amyloliquefaciens
24 Male sterility DNA adenine methylase Escherichia coli
25 Modified color Dihydroflavonol reductase Petunia hybrida
Flavonoid 3p, 5p Petunia hybrida
26 Modified color hydroxylase
Flavonoid 3p, 5p Viola sp.
27 Modified color hydroxylase
28 Mutations Acetolactate synthase Brassica napus
29 Mutations Acetolactate synthase Helianthus annus
30 Mutations Acetolactate synthase Lens culinaris
31 Mutations Acetolactate synthase Oryza sativa
32 Mutations Acetolactate synthase Triticum aestivum
33 Mutations Acetolactate synthase Z. mays
34 Mutations Acetyl-CoA-carboxylase Z. mays
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Hiện trạng chuyển Gene 26
Tính trạng Yếu tố di truyền Nguồn
STT
Nicotinate-nucleotide Nicotiana tabaccum
pyrophosphorylase
35 Nicotine reduced (carboxylating)
1-amino-cyclopropane -1- Dianthus caryophyllus L.
36 Ripening delayed carboxylic acid synthase
1-amino-cyclopropane-1- Pseudomonas
37 Ripening delayed carboxylic acid deaminase chlororaphis
Aminocyclopropane cyclase Tomato
38 Ripening delayed synthase
39 Ripening delayed Polygalacturonase Tomato
S-adenosylmethionine E. coli bacteriophage T3
40 Ripening delayed hydrolase
Helicase potato leafroll luteovirus
41 Virus resistance (PLRV) orf 2
Replicase (RNA dependent potato leafroll luteovirus
42 Virus resistance RNA polymerase) (PLRV) orf 1
Viral coat protein Cucumber mosaic
43 Virus resistance cucumovirus
Viral coat protein papaya ringspot
44 Virus resistance potyvirus (PRSV)
Viral coat protein potato potyvirus Y (PVY)
45 Virus resistance strain O (common strain)
Viral coat protein Watermelon mosaic
46 Virus resistance potyvirus 2
Viral coat protein Zucchini yellow mosaic
47 Virus resistance potyvirus
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Hiện trạng chuyển Gene 27
Đến năm 2004, diện tích trồng cây chuyển gene tăng 40 lần, từ 1,7 triệu ha lên
đến 80 triệu ha, đặc biệt là ở các nƣớc đang phát triển.
Hình 1.18: Bản đồ một số nƣớc chính có cây trồng chuyển gene lớn trên thế giới
Hình 1.19: Diện tích cây trồng chuyển gene các nƣớc trên thế giới.
Hình 1.20: Biểu đồ tỷ lệ các loại gene kháng đƣợc chuyển vào cây trồng trên thế giới
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
- PHẦN B: TỔNG QUAN – Giới thiệu Bioinformatics – Khái niệm 28
II. Giới thiệu về Bioinformatics
II.1. Khái niệm về Bioinformatics
Bioinformatics là sự kết hợp giữa Công nghệ sinh học và Công nghệ thông tin
với mục tiêu giúp hiểu biết và khám phá những nguyên lý trong sinh học.
Bioinformatics sử dụng máy tính để giải quyết những vấn đề của khoa học sự sống,
chủ yếu là các vấn đề về cơ sở dữ liệu (CSDL) đa dạng của bộ gene, CSDL về trình tự
protein, ... Đây còn là môn học giải quyết những vấn đề về kỹ thuật nhƣ mô hình cấu
trúc ba chiều của phân tử và các hệ thống sinh học.
Bioinformatics là sự phối hợp giữa toán học, thống kê và kỹ thuật máy tính nhằm
phân tích thông tin sinh học, sinh lý, sinh hóa, di truyền. Bioinformatics liên quan đến
những phƣơng pháp nhƣ lƣu trữ, tìm kiếm và phân tích dữ liệu sinh học nhƣ nucleic
acid, trình tự protein; nghiên cứu cấu trúc, chức năng, con đƣờng và những ảnh hƣởng
di truyền.
Bioinformatics đã thực sự trở thành một công cụ nghiên cứu mới, trợ giúp đắc lực
và hiệu quả để đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học.
Ba nhiệm vụ cơ bản của Bioinformatics là:
Xây dựng, bổ sung, tổ chức quản lý và khai thác cơ sở dữ liệu đa dạng
và toàn diện trên quy mô toàn cầu liên quan đến sinh học và các ngành khoa học liên
quan.
Xây dựng và phát triển các chƣơng trình xử lý dữ liệu ứng dụng, dƣới
dạng các chƣơng trình xử lý độc lập hay đƣợc tích hợp ngay trên các thiết bị phân
tích hiện đại.
Đào tạo và cập nhật thƣờng xuyên cho các nhà sinh học kỹ năng tƣ duy
và năng lực khai thác hai nội dung trên vào hoạt động khoa học và công nghệ nhằm
tạo ra bƣớc chuyển đột phá trong cách tiếp cận nghiên cứu sinh học.
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
nguon tai.lieu . vn