Nhân bản vô tính

Bài tiểu luận môn Sinh học phát triển phần Nhân bản vô tính

Nhân bản vô tính là một trong những lĩnh vực công nghệ sinh học hiện đại. Nó ra đời cuối thế kỷ XX nhưng phát triển rất mạnh. Đến nay đã đạt được nhiều thành tựu to lớn, hứa hẹn một tương lai về ứng dụng ngành công nghệ này vào y học, chăn nuôi, nghiên cứu cơ bản và kể cả tao ra những con người nhân bản phục vụ cho sự phát triển loài người. Trong vài thập kỷ gần đây, chúng ta đã được chứng kiến nhiều thành tựu quan trọng trong nghiên cứu về nhân bản cũng như những tranh cãi về tính đạo đức trong nghiên cứu lĩnh vực này. Nghiên cứu về nhân bản trang bị cho chúng ta những hiểu biết về quá trình hình thành cơ thể sinh vật từ một tế bào đơn lẻ và quá trình các tế bào khỏe mạnh thay thế các tế bào bị tổn thương trong các cơ thể trưởng thành, mang lại cho nhân loại hy vọng chữa được nhiều bệnh mãn tính và nan giải mà hiện nay chưa có biện pháp điều trị hiệu quả. Bên cạnh những thành công và triển vọng, nhân bản vô tính còn có nhiều vấn đề thách thức với loài người như trình độ khoa học, sự phản đối của xã hội và những vấn đề tiềm ẩn đáng sợ trong sinh vật nhân bản nói chung và con người nói riêng. I. Khái niệm nhân bản vô tính ở động vật Nhân bản vô tính động vật hay tạo dòng vô tính là thực hiện các kỹ thuật để tạo ra một hay một số cá thể động vật giống nhau về cấu trúc di truyện, không qua quá trình thụ tinh. Ở động vật có vú, nhân bản vô tính là quá trình kỹ thuật phức tạp và khó thực hiện hơn nhiều so với nhân bản vô tính động vật bậc thấp. Động vật có vú có thể được nhân bản vô tính bằng nhiều kỹ thuật khác nhau: Kỹ thuật tách chuyển phôi, kỹ thuật chuyển nhân tế bào phôi, kỹ thuật chuyển nhân tế bào sinh dưỡng Tùy thuộc mục đích của nhân bản động vật có vú, người ta phân lập thành hai kiểu: - Nhân bản vô tính tạo dòng động vật sinh sản là tập hợp các kỹ thuật sinh sản vô tính để tạo nên một hoặc một số động vật có các đặc điểm và vật chất di truyền giống nhau và giống động vật ban đầu. - Nhân bản động vật tạo dòng động vật cho trị liệu là thực hiện các kỹ thuật sinh sản vô tính để tạo nên một hay một số lượng nhất định động vật giống nhau nhằm lấy một cơ quan, bộ phận hoặc mô phục vụ cho việc cấy ghép chữa bệnh cho con người. 1 Nhân bản vô tính có thể thực hiện được với các tế bào có nhân lưỡng bội lấy từ phôi, thai, hoặc từ một động vật trưởng thành, thậm chí có thể từ các mô đông lạnh. II. Cơ sở khoa học - Tế bào động vật có tính toàn năng từ đó từ tế bào soma cũng có thể tạo nên một cơ thể hoàn chỉnh đồng thời tế bào động vật có thể nuôi cấy trên các loại môi trường dinh dưỡng tổng hợp bên ngoài cơ thể, chúng sing trưởng bằng cách tăng số lượng và kích thước tế bào. Nội dung tính toàn năng của tế bào: mỗi tế bào bất kỳ của cơ thể đều mang toàn bộ lượng thông tin di truyền cần thiết và đủ cho sinh vật đó. Khi gặp điều kiện thuận lợi mỗi tế bào đều có thể phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh. - Tính phân hóa và phản phân hóa: + Phân hóa là quá trình biệt hóa các tế bào phôi cho ra các tế bào có cấu trúc và đảm nhận các cấu trúc và chức năng. + Phản phân hóa là dạng chuyển về tế bào phôi và có khả năng phân chia tạo ra các bộ phận mới trong điều kiện thích hợp. - Mọi tế bào của một cơ thể đa bào đều xuất phát từ một tế bào hợp tử ban đầu qua phân bào nguyên nhiễm, do đó nhân của chúng hoàn toàn giống hệt nhau về mặt di truyền. Đảm bảo tính ổn định vật chất di truyền qua các thế hệ. III. Lịch sử nhân bản 1959 - Thỏ ra đời bằng kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm. 1968 - Edwards và Bavister thụ tinh trứng người trên in vitro. 1979 - Karl Illmensee công bố nhân bản được ba con chuột từ một phôi ban đầu. 1984 - Steen Willadsen nhân bản thành công cừu từ các tế bào phôi bằng kỹ thuật chuyển nhân tế bào phôi. 1986 - Steen Willadsen nhân bản một con bò từ các tế bào phôi một tuần tuổi đã biệt hóa. 1993 - Bò được tạo ra bằng cách chuyển nhân từ các tế bào phôi nuôi cấy 1996 - Ian Wilmut và Keith Campbell ở viện Roslin, Scotland nhân bản thành công cừu Dolly từ các tế bào tuyến vú của một con cừu mẹ. 1998 - Ryuzo Yanagimachi, Toni Perry, và Teruhiko Wakayama ở đại học Hawaii công bố đã nhân bản thành công 50 chuột từ các tế bào đã trưởng thành. Kỹ thuật nhân bản mới này do Wakayama phát triển và được chứng minh là hiệu quả hơn phương pháp dùng nhân bản cừu Dolly. 2 1999 - Khỉ Rhesus cái Tetra được nhân bản bằng phân chia các tế bào phôi sớm 2002 - Thỏ và mèo được nhân bản từ các tế bào trưởng thành. 2003 - Cừu Dolly chết ngày 14 tháng 2 năm 2003 vì bệnh phổi và khớp trầm trọng khi được 6 tuổi trong khi một con cừu bình thường sống được 12 năm. Việc nhân bản vấp phải vấn đề lão hóa Đến nay - Nhiều cá nhân và tổ chức gia tăng nghiên cứu nhằm tạo dòng tế bào gốc “cá thể hóa” bằng kỹ thuật chuyển nhân tế bào thân của người trưởng thành. Điều này mở ra tương lai hứa hẹn của nhân bản trị liệu (mục đích sản xuất ra các tế bào gốc phôi cá thể hóa) nhưng cũng làm hiện hữu nguy cơ xuất hiện các nghiên cứu nhằm nhân bản vô tính người. Nhiều tranh cãi về vấn đề đạo đức y sinh học và tôn giáo liên quan đến nghiên cứu tế bào gốc và nhân bản, một số nước cấm, một số nước cho phép. 3 4 IV. Kỹ thuật nhân bản Nhân bản phôi động vật (cloning) hiện nay dùng một trong 3 kỹ thuật sau: Phân tách các tế bào blastomere (blastomere separation), chia cắt phôi túi (blastocyst division) và kỹ thuật chuyển nhân tế bào thân (somatic cell nuclear transfer). 4.1. Nhân bản phôi bằng phân tách các tế bào blastomere (blastomere seperation): Đầu tiên trứng và tinh trùng được thụ tinh trong ống nghiệm tạo thành phôi. Phôi này được nuôi cấy cho phát triển đến giai đoạn 2 hoặc 4 tế bào (mỗi tế bào trong khối 2 hoặc 4 tế bào này được gọi là một blastomere). Đến giai đoạn này người ta tách bỏ màng bọc phôi và chuyển phôi vào một môi trường đặc biệt làm cho các blastomere tách rời nhau ra. Mỗi blastomere này sau đó được nuôi cấy riêng biệt cho phép hình thành nên một phôi. Phương pháp này có thể tạo ra tối đa là 4 phôi bản sao giống hệt phôi ban đầu về mặt di truyền. Mỗi phôi mới được tạo ra bằng phương pháp này sau đó có thể đem cấy vào tử cung một “mẹ nuôi” cho phép phôi phát triển thành thai nhi trong quá trình mang thai của “mẹ nuôi”. Trong kỹ thuật này, các cá thể “bản sao” vẫn mang bộ gen lưỡng bội có nguồn gốc từ hai bố- mẹ. 4.2 Nhân bản phôi bằng chia cắt phôi túi (blastocyst division): Đầu tiên trứng và tinh trùng cũng được thụ tinh trong ống nghiệm tạo thành phôi. Nhưng khác với kỹ thuật phân tách blastomere, phôi này được nuôi cấy cho phân chia tới khi tạo thành blastocyst. Lúc này người ta chia cắt blastocyst đó thành 2 phần và cấy vào hai nửa đó vào tử cung của một “mẹ nuôi”. Qua quá trình mang thai tự nhiên, hai nửa blastocyst này phát triển thành hai cá thể sinh đôi giống hệt nhau. Cũng như các “bản sao” được tạo ra bằng kỹ thuật phân tách blastomere, các “bản sao” được tạo ra trong kỹ thuật chia cắt blastocyst cũng mang bộ gen lưỡng bội có nguồn gốc từ hai bố-mẹ. 4.3.Nhân bản bằng chuyển nhân tế bào thân (Nuclear Transplanation): Để nhân bản bằng kỹ thuật chuyển nhân cần có hai tế bào, một tế bào trứng và một tế bào cho. Qua thực nghiệm thấy trứng chưa thụ tinh phù hợp nhất cho kỹ thuật này vì dường như nó dễ dàng dung nạp nhân cho hơn. Tế bào trứng phải được loại bỏ nhân, quá trình này làm mất đi hầu hết thông 5 tin di truyền của trứng. Bằng các kỹ thuật khác nhau, tế bào thân được đưa về giai đoạn G0 (pha không hoạt động) khi đó hoạt động sinh học của tế bào thân được “tắt” nhưng tế bào không chết. Ở trạng thái này nhân tế bào thân đã sẵn sàn được trứng chấp nhận. Đặt nhân tế bào cho vào trong tế bào trứng đã loại nhân. Sau đó tế bào trứng được kích thích phát triển thành phôi trên in vitro và được đưa vào tử cung “mẹ nuôi” cho phát triển thành thai. Nếu tất cả các khâu trong quá trình này được thực hiện một cách chính xác, một bản sao hoàn hảo của động vật cho nhân sẽ ra đời. Nếu trứng được dùng trong quy trình này được lấy từ cùng cá thể cho nhân tế bào thân, kết quả sẽ là một phôi vô tính thừa hưởng toàn bộ vật chất di truyền của cá thể đó (cả DNA nhân và DNA ty thể) bởi vì DNA ngoài nhân (DNA ty thể) có nguồn gốc từ bào tương tế bào trứng của cơ thể “mẹ”. Nhiều “bản sao” có thể được tạo ra bằng cách chuyển các nhân giống nhau vào các trứng lấy từ một cơ thể cho duy nhất. Nếu các nhân tế bào thân và trứng lấy từ các cá thể khác nhau, chúng sẽ không hoàn toàn giống cơ thể cho nhân vì các “bản sao” sẽ khác ở một số gen ty thể. Tóm tắt quy trình nhân bản bằng phương pháp chuyển nhân gồm các bước sau: - Lấy tế bào trứng (nhân đơn bội) của cơ thể “mẹ”, hút bỏ nhân đơn bội. - Lấy tế bào thân trưởng thành (máu, da …) của cá thể sẽ nhân bản, hút lấy nhân (2n). tế bào soma được lựa chọn để lấy nhân, thường là các tế bào ở giai đoạn tĩnh (G0) trong chu kỳ tế bào. - Đưa nhân lưỡng bội vào trong trứng đã hút bỏ nhân nói trên (bằng tiêm trực tiếp hoặc bằng kích thích xung điện) - Dung hợp tế bào: thực hiện các kỹ thuật xung điện hoặc hóa chất để dung hợp tế bào. Kích thích để “hợp tử” tiếp tục phát triển và phân chia tạo nên khối blastocyst. - Sau đó khối blastocyst này có thể được: +Nuôi cấy trong phòng thí nghiệm nhằm để lấy tế bào gốc, qua đó có thể tạo ra các bản sao tế bào gốc phôi mang gen giống với cơ thể cho tế bào thân (Mục đích nhân bản trị liệu) + Hoặc đem cấy vào tử cung của một “mẹ nuôi” để cho phát triển thành bào thai, qua đó có thể tạo nên một “bản sao” giống hệt cơ thể cho nhân tế bào thân (Mục đích nhân bản vô tính động vật/người) Như vậy, vật liệu của nhân bản phôi bằng kỹ thuật phân tách blastomere và phân chia blastocyst là phôi được thụ tinh bằng kỹ thuật thụ tinh trong ống nghiệm (có sự tham gia của trứng và tinh trùng) còn vật liệu của nhân bản bằng kỹ thuật chuyển nhân tế bào là các “phôi 6 vô tính” được tạo ra bằng cách chuyển nhân một tế bào thân sang một tế bào trứng đã hút bỏ nhân. Cả phôi thụ tinh nhân tạo và phôi được tạo ra bằng kỹ thuật chuyển nhân tế bào thân đều là các tế bào gốc toàn năng, có khả năng phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh. Khác với nhân bản bằng kỹ thuật phân tách blastomere và phân chia blastocyst, các động vật được nhân bản bằng kỹ thuật chuyển nhân tế bào thân chỉ mang vật liệu di truyền của một bố hoặc mẹ. V. Công nghệ chuyển nhân tế bào soma ở động vật có vú Nhân bản vô tính, còn gọi là nhân bản DNA trưởng thành, là một dạng sinh sản vô tính nhân tạo dựa trên kỹ thuật nhân bản. Kỹ thuật nhân bản vô tính được dùng với mục đích tạo ra một “bản sao” giống hệt một động vật hoặc một người đang tồn tại. Kỹ thuật này đã được dùng để nhân bản cừu và các động vật có vú khác. Công nghệ chuyển nhân tế bào soma được thực hiện theo ba nhóm kỹ thuật chủ yếu: kỹ thuật Roslin, kỹ thuật Honolulu và kỹ thuật Handmade. 5.1. Các kỹ thuật trong nhân bản vô tính động vật có vú Kỹ thuật Roslin hay kỹ thuật Dolly Do Ian Willmut và Keith Campbell ở viện Roslin (Scotland) dùng để nhân bản cừu Dolly. 7 Đầu tiên một tế bào (tế bào cho thông tin di truyền) được lấy ra từ tuyến vú của một cừu mẹ. Tế bào này sau đó được nuôi cấy nhân lên trên in vitro nhằm tạo ra nhiều bản sao nhân tế bào. Sau đó một tế bào được lấy ra khỏi nuôi cấy và đồng bộ hóa chu trình tế bào (synchronizing cell cycles) bằng cách để đói trong môi trường thiếu dinh dưỡng (lượng chất dinh dưỡng chỉ vừa đủ giữ cho tế bào không chết). Trong điều kiện này tế bào tắt tất cả các gen hoạt động tế và chuyển vào pha ngủ G0. Loại bỏ nhân của tế bào trứng chưa thụ tinh lấy từ một cừu “mẹ nuôi”, đặt tế bào trứng này sát vách tế bào cho (đã đưa về pha G0). Sau khi rút nhân trứng từ 1 đến 8 tiếng, cho một dòng điện chạy qua hai tế bào này, shock có tác dụng hòa tế bào trứng (đã bỏ nhân) và tế bào cho nhân với nhau, đồng thời khởi động tế bào mới tạo thành phát triển thành phôi. Nếu phôi đó sống, nó được cho phát triển trong khoảng 6 ngày và cuối cùng được đặt vào tử cung “mẹ nuôi” cho phát triển thành thai và sinh sản như bình thường. Kỹ thuật tạo ra cừu Dolly có tỷ lệ thành công là 1/277 Kỹ thuật Honolulu Kỹ thuật này được Teruhiko Wakayama và Ryuzo Yanagimachi ở đại học tổng hợp Hawai giới thiệu năm 1998. Các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật này trong nhân bản vô tính ở 8 chuột. Kỹ thuật của Honolulu hiệu quả hơn nhiều (thành công 3 lần trong mỗi 100 lần thực hiện) so với kỹ thuật của Roslin Wakayama thực hiện đồng bộ hóa chu trình tế bào bằng phương pháp khác với Wilmut. Wilmut dùng tế bào tuyến vú, một tế bào phải được đưa vào giai đoạn G0. Wakayama ban đầu dùng ba loại tế bào: các tế bào Sertoli (tế bào lát ống tinh hoàn), các tế bào não, và các tế bào gò trứng (cumulus cells). Bình thường trong cơ thể cả hai loại tế bào Sertoli và tế bào não đã được duy trì ở pha G0 và các tế bào gò trứng hầu như luôn ở pha G0 hoặc G1 (trạng thái ngủ hay tình trạng ẩn dật). Các trứng chuột chưa thụ tinh được dùng để nhận nhân cho. Sau khi loại bỏ nhân, đưa nhân tế bào cho vào trong tế bào trứng bằng tiêm nhân trực tiếp. Nhân của tế bào cho được lấy ngay trong vài phút khi tế bào thân được lấy từ cơ thể chuột. Khác với kỹ thuật Roslin, kỹ thuật Honolulu không nuôi cấy tế bào thân. Sau một giờ, tế bào trứng chấp nhận nhân mới. Trứng được để yên thêm 5-6 giờ nữa rồi đưa vào ủ trong môi trường nuôi cấy hóa học (có chứa chất cytochalasin B) để khởi động tế bào phân chia. Môi trường này có vai trò giống shock điện nhưng diễn ra êm ái hơn và ít gây tổn thương tế bào hơn. Sau khi được khởi động, trứng này sẽ phát triển thành phôi, phôi này sau đó được cấy vào tử cung “mẹ nuôi” cho mang thai và sinh nở bình thường. Kỹ thuật Honolulu thành công nhất với các tế bào gò trứng (cumulus cell), vì lý do này các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào sử dụng tế bào này. Kỹ thuật Honolulu được cho là ưu việt hơn kỹ thuật Roslin và đã được ứng dụng rộng rãi để nhân bản vô tính các động vật khác. Một số khác biệt giữa kỹ thuật Roslin và Honolulu Kỹ thuật Roslin Kỹ thuật Honolulu Tế bào cho: - Là tế bào tuyến vú, cần được đưa về giai đoạn G0. - Được nuôi cấy nhân lên ngoài cơ thể Tế bào cho: Là tế bào tự nhiên đã ở trạng thái ngủ (giai đoạn G0 hoặcc G1): các tế bào gò trứng, tế bào não, tế bào lát ống tinh hoàn Dùng ngay, không nuôi cấy ngoài cơ thể Đưa nhân tế bào cho vào tế bào nhận bằng shock điện Đưa nhân tế bào cho vào tế bào nhận bằng tiêm trực tiếp Đồng thời với nhận nhân trứng được dòng Trứng sau nhận nhân (“thụ tinh”) được để 9 điện hoạt hóa luôn. yên (không có kích thích nào khác) 5-6 giờ để cho phép chấp nhận nhận mới và có thời gian tái lập trình nhân tế bào Hoạt hóa tế bào phân chia phát triển thành phôi bằng shock điện Hoạt hóa tế bào phân chia phát triển thành phôi bằng ủ trong môi trường hóa học có chứa cytochalasin B. Tỷ lệ nhân bản thành công cừu Dolly thấp (1 trong số 277 lần làm) Tỷ lệ nhân bản thành công trên chuột rất cao (3 trong số mỗi 100 lần làm) Kỹ thuật Handmade Kỹ thuật này do Vajta G và cộng sự phát triển năm 2003, áp dụng trong nhân bản vô tính ở bò. Ký thuật Handmade là sử dụng kỹ thuật cắt trứng đã loại bỏ màng trong suốt để lấy một nửa trứng không chứa nhân, không có màng trong suốt. Sau đó thực hiện dung hợp nửa trứng không chứa nhân với nhân của tế bào cho để tạo hợp tử. 5.2. Quy trình nhân bản vô tính cừu Dolly - Tách và lấy nhân của tế bào tuyến vú của cứu cái Lựa chọn tế bào cho nhân là tế bào tuyến vú của cừu cái 6 tuổi giống Dorset. Trứng chưa thụ tinh lấy từ cừu cái mặt đen, giống Poll Dorset. Tách tế bào tuyến vú của cừu cái mặt trắng bằng kỹ thuật thông thường. Nuôi cấy các tế bào tuyến vú của giống cừu Dorset trong môi trường thiếu chất dinh dưỡng, để chuyển các tế bào tuyến vú vào pha tĩnh (G0) trước khi lấy nhân. Sau đó, tách lấy nhân (2n) của tế bào đang ở giai đoạn G0 của chu trình tế bào. - Tạo trứng rỗng để chuyển nhân Thu nhận trứng đã thành thục của cừu cái mặt đen. Thực hiện kỹ thuật hút bỏ nhân của trứng bằng hệ thống vi thao tác dưới kính hiển vi, tạo các trứng rỗng - Chuyển nhân và dung hợp nhân Chuyển nhân tế bào tuyến vú đã thu được vào trứng rỗng. Dung hợp nhân nhờ kỹ thuật xung điện, trong môi trường có ionomycin. Thực hiện quá trình hoạt hóa phôi và tái thiết lập chương trình phát triển phôi của trứng cừu đã được chuyển nhân. - Nuôi cấy phôi Nuôi cấy phôi trong tủ ấm với các điều kiện thích hợp, theo dõi sự phân chia và phát triển phôi. Khi phôi phát triển thành túi phôi, kiểm tra chất lượng phôi và chuẩn bị cấy phôi. 10 [...]... 11 Hiện tại nhân bản vô tính đang phải đối mặt với vấn đề lão hóa Trong khi đó nhân bản từ phôi không gặp phải vấn đề này VI Vai trò và ý nghĩa Với những thành tựu của nhân bản vô tính, trong tương lai việc phục hồi được một số động vật đã tuyệt chủng là khả năng có thể Nhân bản động vật cũng có tiềm năng to lớn trong ngành công nghiệp chăn nuôi, cho phép nhân bản các vật nuôi mang các đặc tính quý báu…... sinh, thử nghiệm thuốc… - Vai trò trong chọn giống động vật: + Sản xuất một lượng lớn động vật nhân bản vô tính từ các động vật có chất lượng cao, cho phép cái tạo về di truyền chọn giống + Nhân bản động vật cũng có tiềm năng to lớn trong nghành công nghiệp chăn nuôi, cho phép nhân bản các vật nuôi mang các đặc tính quý báu như lợn siêu nạc, bó siêu sữa, gà siêu trứng, … 12 ... có thể Nhân bản động vật cũng có tiềm năng to lớn trong ngành công nghiệp chăn nuôi, cho phép nhân bản các vật nuôi mang các đặc tính quý báu… - Về mặt khoa học: nó cung cấp một công cụ vô giá tìm hiểu nhiều vấn đề cơ bản của sinh học phát triển - Vai trò trong công nghệ sinh học: + Sản xuất dược phẩm: chủ yếu là sản xuất hoocmon sinh trưởng, chất kích thích sinh trưởng + Dị ghép: tạo các cơ quan không... “mẹ nuôi” Cừu “mẹ nuôi” mang thai hộ là một cừu cái mặt đen Sau thời gian mang thai, cừu cái này sinh ra cừu dolly Dolly là một cừu cái mặt trắng, mang vật chất di truyển giống hệt cừu cái mặt trắng cho nhân của tế bào tuyến vú Năm 2003 cừu Dolly chết do các căn bệnh của tuổi già (viêm khớp và viêm phổi nặng) khi nó được 6 tuổi, trong khi tuổi thọ của một cừu bình thường trung bình là 12 Các nhà khoa . trình phát triển phôi của trứng cừu đã được chuyển nhân. - Nuôi cấy phôi Nuôi cấy phôi trong tủ ấm với các điều kiện thích hợp, theo dõi sự phân chia và phát triển phôi. Khi phôi phát triển. thời gian tái lập trình nhân tế bào Hoạt hóa tế bào phân chia phát triển thành phôi bằng shock điện Hoạt hóa tế bào phân chia phát triển thành phôi bằng ủ trong môi trường hóa học có chứa cytochalasin. bào này, shock có tác dụng hòa tế bào trứng (đã bỏ nhân) và tế bào cho nhân với nhau, đồng thời khởi động tế bào mới tạo thành phát triển thành phôi. Nếu phôi đó sống, nó được cho phát triển trong