Giáo trình -công nghệ di truyền - chương 1 docx

Chương 1 1 Chương I : TẠI SAO TẠO DÒNG GEN LẠI QUAN TRỌNG ? Cách đây hơn một thế kỷ, Gregor Mendel đã đưa ra quy luật để giải thích sự di truyền của những đặc tính sinh học. Giả thuyết nền tảng của những quy luật này là mỗi đặc tính di truyền của sinh vật được điều khiển bởi một nhân tố gọi là gen (gene). Việc khám phá lại những quy luật của Mendel năm 1900 đã đánh dấu sự ra đời của ngành di truyền học (genetics). 1.1 SỰ PHÁT TRIỂN SỚM CỦA NGÀNH DI TRUYỀN HỌC Trong 30 năm đầu tiên, ngành di truyền học phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc. Giả thuyết cho rằng gen nằm trong NST được đưa ra bởi W. Sutton năm 1903 và được củng cố bởi thí nghiệm của T. H. Morgan năm 1910. Sau đó, Morgan và những cộng sự của ông ta đã phát triển những kỹ thuật để lập bản đồ gen (gene mapping) và cho ra một phép phân tích toàn diện để xác định vị trí tương đối hơn 2000 gen của 4 NST trên ruồi dấm (fruit fly) có tên khoa học là Drosophila melanogaster vào năm 1922. Cho đến những năm 1940, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu rất rõ về di truyền nhưng người ta vẫn chưa thật sự hiểu cấu trúc tự nhiên của gen là gì. Chỉ sau khi những thí nghiệm của Avery, MacLeod, McCarty năm 1944; thí nghiệm Hershey và Chase năm 1952 được tiến hành, người ta mới tin rằng DNA là vật liệu di truyền của gen. Việc khám phá ra vai trò DNA giúp thúc đẩy những nghiên cứu về di truyền học và nhiều nhà sinh học nổi tiếng như Delbruck, Chargaff, Crick, Monod… đã có nhiều đóng góp to lớn cho giai đoạn thứ hai của di truyền học. Trong vòng 14 năm (1952-1966) có nhiều phát hiện quan trọng : xây dựng cấu trúc DNA, giải được mã di truyền và quá trình dịch mã - phiên mã được mô tả. 1.2 SỰ RA ĐỜI CỦA TẠO DÒNG GEN Cuối thập niên 1960, những kỹ thuật không đủ tinh vi để nghiên cứu gen một cách chi tiết hơn. Sau đó, từ 1971-1973, nghiên cứu di truyền được “sống lại” nhờ những thiết bị thí nghiệm và tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực này. Những phương pháp mới này đã nghiên cứu trong một khoảng thời gian trước khi được lên kế hoạch và đi vào thực tiễn vì việc áp dụng chúng sẽ khó khăn nếu chưa có những thành công nhất định trước đó. Những phương pháp này được ứng dụng cho kỹ thuật DNA tái tổ hợp (recombinant DNA technology) hoặc kỹ thuật di truyền (genetic engineering) và đóng vai trò hạt nhân cho tạo dòng gen. Điều này mở ra một hướng mới đầy triển vọng cho giai đoạn quan trọng thứ ba trong nghiên cứu di truyền. Chương 1 2 1.3 THẾ NÀO LÀ TẠO DÒNG GEN Những bước căn bản trong việc tạo dòng gen được liệt kê theo trình tự sau : 1. Một đoạn DNA chứa gen cần tạo dòng được chèn vào DNA mạch vòng (gọi là vector) để tạo thể ghép (chimaera) hoặc phân tử DNA tái tổ hợp (recombinant DNA molecular). 2. Vector này hoạt động như một vật mang chuyển gen vào tế bào chủ (thường là vi khuẩn) 3. Trong tế bào chủ, những vector này nhân lên với số lượng lớn để tạo số lượng lớn các bản sao chứa DNA của vector và gen nó mang. 4. Khi tế bào chủ phân chia, những bản sao cũng được phân chia cho thế hệ tế bào sau và quá trình tạo bản sao sẽ tiếp tục diễn ra. 5. Khi có một lượng lớn tế bào phân chia, một dòng vô tính (colony hay clone) của những tế bào giống y hệt nhau được tao thành. Mỗi tế bào trong dòng vô tính (clone) chứa một hoặc nhiều bản sao chép của phân tử DNA tái tổ hợp. Điều này có nghĩa là gen được mang bởi phân tử DNA tái tổ hợp cũng được tạo dòng. 1.4 TẠO DÒNG GEN ĐÒI HỎI NHỮNG CÔNG CỤ VÀ KỸ THUẬT CHUYÊN BIỆT 1.1.1. Vật mang (Vehicles) Vật mang là thành phần quan trọng của tạo dòng gen. Nó có trách nhiệm chuyển gen vào tế bào chủ và sao chép chính bản thân nó. Để thực hiện được điều đó, chúng phải có khả năng xâm nhập vào tế bào chủ và nhân lên nhiều bản sao. Ở đây có 2 dạng phânt tử DNA tự nhiên thỏa mãn yêu cầu trên: 1. Plasmid: chúng là phân tử DNA nhỏ dạng vòng được tìm thấy trong vi khuẩn và một số sinh vật khác, có thể tự nhân lên độc lập với NST của tế bào chủ. 2. NST của Virus (Virus chromosomes) : trong NST đặc biệt của thể thực khuẩn (bacteriophages), chúng là những virus lây nhiễm đặc biệt vào các vi khuẩn. Trong suốt quá trình xâm nhiễm, DNA của thể thực khuẩn tồn tại và nhân lên rất nhanh trong tế bào chủ. Chương 2 sẽ trình bày những điểm đặc trưng của plasmids, NST virus và cung cấp nền tảng cần thiết cho việc sử dụng chúng như một vật mang như thế nào. Hình 1.1 : Những bước cơ bản trong tạo dòng gen. Chương 1 3 1.4.2. KỸ THUẬT TIẾN HÀNH TRÊN DNA Plasmid và DNA của thể thực khuẩn có những đặc tính cơ bản đáp ứng được những đòi hỏi của một vật mang. Nhưng khả năng đó sẽ lãng phí nếu không có những kỹ thuật thí nghiệm để thao tác trên phân tử DNA trong phòng thí nghiệm. Những bước căn bản trong tạo dòng gen đã trình bày ở trang 4 và hình 1.1 đòi hỏi kỹ năng thao tác khéo léo. Thứ nhất, những mẫu DNA tinh sạch phải được chuẩn bị sẵn sàng (vật mang và gen cần tạo dòng). Phương pháp tinh sạch DNA được phác thảo sơ nét ở chương 3. Bảng 1.1: Những kỹ thuật cơ bản để ứng dụng cho thí nghiệm tạo dòng gen: 1. Chuẩn bị mẫu DNA tinh sạch Chương 3 2. Cắt phân tử DNA Chương 4 3. Phân tích kích thước mẫu DNA Chương 4 4. Nối các phân tử DNA Chương 4 5. Chuyển DNA vào tế bào chủ Chương 5 6. Xác định những tế bào chứa DNA tái tổ hợp Chương 5 – Chương 8 Để chuẩn bị mẫu DNA, cấu trúc DNA tái tổ hợp đòi hỏi vector được cắt ở những điểm riêng biệt và được sửa chữa giúp gen có thể chèn vào vật mang. Khả năng thao tác DNA bằng phương thức trên là điểm khởi đầu của nghiên cứu căn bản trong sự tổng hợp DNA và việc sửa đổi trong tế bào sống. Việc khám phá ra những enzyme có khả năng cắt hoặc nối phân tử DNA trong tế bào dẫn đến sự tinh sạch restriction endonucleases và ligases. Hiện nay chúng được sử dụng phổ biến để tạo ra DNA tái tổ hợp trong ống nghiệm. Những đặc tính enzyme và cách sử dụng chúng trong việc tạo dòng gen dược giới thiệu ở chương 4. Ngay khi một phân tử DNA tái tổ hợp được xây dựng, nó phải được chuyển vào tế bào chủ và nhân lên. Quá trình này có thể thực hiện nhờ khả năng hấp thụ tự nhiên của tế bào chủ đối với plasmid và phân tử DNA của virus (được trình bày ở chương 5). 1.4.3 Sự đa dạng của các vector tạo dòng Ngày nay vector sử dụng trong tạo dòng vô cùng đa dạng. Hầu hết chúng có nguồn gốc từ plasmid và virus trong tự nhiên. Phần lớn chúng được biến đổi bằng những cách thức khác nhau sao cho mỗi loại phù hợp với một dạng thí nghiệm tạo dòng riêng biệt. Chương 6 và chương 7 giới thiệu các dạng vector quan trọng và ứng dụng của chúng. Chương 1 4 1.5 TẠI SAO VIỆC TẠO DÒNG GEN LẠI QUAN TRỌNG Hình 1.1 cho ta thấy tạo dòng gen là một phương pháp tương đối đơn giản nhưng vì sao lại được thừa nhận là lĩnh vực quan trọng trong sinh học ? Đó là một câu hỏi lớn bởi tạo dòng có thể cung cấp mẫu tinh sạch của một gen chuyên biệt. Để hiểu chính xác công việc này, chúng ta hãy xem một thí nghiệm tạo dòng gen được diễn giải ở hình 1.2. Trong ví dụ, đoạn DNA được tạo dòng là một thành phần trong hỗn hợp có nhiều đoạn gen khác nhau. Mỗi đoạn DNA có thể mang một gen hoặc một phần của gen. Tập hợp các đoạn DNA trong hỗn hợp này có thể chứa toàn bộ thông tin di truyền của một sinh vật. Tất cả sẽ được chèn vào các vector khác nhau để tạo ra một hỗn hợp DNA tái tổ hợp, chúng mang gen mà ta quan tâm. Thông thường chỉ có một DNA tái tổ hợp sẽ được chuyển vào một tế bào chủ đơn bào nào đó. Vì vậy, mỗi dòng vô tính riêng biệt chỉ chứa một loại DNA mặc dù kết quả của tạo dòng gen có thể chứa nhiều phân tử DNA tái tổ hợp. Hình 1.2 : Tạo dòng gen cho phép những mẫu mẫu đặc trưng của DNA được tinh sạch. Trong thực tế, mấu chốt để đạt được thành công hay nhận lấy thất bại của thí nghiệm tạo dòng gen là khả năng xác định dòng vô tính đặc trưng cần quan tâm từ nhiều dòng vô tính khác nhau thu nhận được sau thí nghiệm. Như chúng ta biết bộ gen của E. coli chứa khoảng 4000 gen nên việc tìm ra gen mong muốn trong những dòng có khả năng rất khó khăn (hình 1.3). Vấn đề sẽ trở nên đơn giản hơn nếu chúng ta nhớ rằng hầu hết vi khuẩn là sinh vật có cấu tạo đơn giản và bộ gen người có lượng gen gấp 20 lần của chúng. Tuy nhiên đã giải thích ở chương 8, có thể sử dụng một loạt các chiến lược khác nhau để đảm bảo gen mong muốn sẽ được thu nhận ở giai đoạn cuối của thí nghiệm tạo dòng. Một vài chiến lược trên cần có sự thay đổi cho phương pháp tạo dòng cơ bản. Do đó, chỉ những tế bào chứa phân tử DNA tái tổ hợp mong muốn mới có thể phân chia và những dòng vô tính quan tâm được chọn lọc một cách tự động. Một vài phương pháp khác đòi hỏi những kỹ thuật để xác định dòng mong muốn từ hỗn hợp nhiều dòng khác nhau. Ngay khi một gen được tạo dòng cung cấp cho ta thông tin về cấu trúc phân tử cũng như biểu hiện gen không giới hạn. Tính hữu dụng của những vật liệu được tạo dòng thúc đẩy các phương pháp phân tích phát triển phục vụ cho nghiên cứu gen với nhiều kỹ thuật mới được đưa vào sử dụng trong suốt thời gian qua. Những phương pháp phục vụ cho việc nghiên cứu cấu trúc và biểu hiện gen sau tạo dòng được thảo luận ở chương 9 và chương 10. Chương 1 5 Hình 1.3 : Vấn đề chọn lọc là một khó khăn. 1.6 TẠI SAO PCR LẠI CÓ VAI TRÒ QUAN TRỌNG ? Cho đến cuối những năm 1990, tạo dòng gen chỉ đơn thuần là việc thu nhận mẫu gen đặc trưng nhưng không nhạy và tiện dụng như PCR (polymerase chain reaction). Ngày nay, PCR cung cấp cho các nhà sinh học phương pháp thứ hai để phân lập gen. Trong thí nghiệm PCR, một mẫu DNA được sao chép nhiều lần dẫn đến đoạn DNA đó được khuếch đại với số lượng lớn (hình 1.4). Thí nghiệm được thiết kế nhằm khuếch đại mẫu DNA như một vật mang gen cần quan tâm nên kết quả thu được giống như kỹ thuật tạo dòng. PCR là một kỹ thuật nhanh chóng và không phức tạp như tạo dòng, đồng thời có thể tạo hàng triệu bản sao chỉ từ một mẫu DNA ban đầu. Độ nhạy cao giúp PCR được sử dụng để phân lập gen từ những tế bào đơn hay từ những vật liệu khác như vết máu khô hoặc thậm chí từ mẩu xương của người chết trước đó rất lâu. PCR và sự khuếch đại của nó sẽ được khái quát ở chương 11. Hình 1.4 : PCR cho phép một mẫu gen đặc trưng được khếch đại. 1.7 ẢNH HƯỞNG CỦA KỸ THUẬT DNA TÁI TỔ HỢP ĐỐI VỚI NGHIÊN CỨU VÀ LĨNH VỰC CNSH Khả năng của gen tạo bước tiến xa trong công nghệ sinh học. Nhiều năm gần đây, vi sinh vật được ưu tiên sử dụng nhằm sản xuất những hợp chất hữu dụng. Ví du như sản xuất kháng sinh penicillin từ nấm Penicillium, kháng sinh streptomycin từ vi khuẩn Steptomyces gricus Tạo dòng gen đã cách mạng hóa công nghệ sinh học, đáng chú ý nhất là việc sản xuất protein của động vật hữu nhũ nhờ tế bào vi khuẩn. Một điểm đặc biệt của gen tạo dòng là chúng thường tạo ra chức năng mới vốn không tồn tại trong tế bào chủ. Ví dụ: chuyển một gen động vật vào vi khuẩn bằng cách tạo dòng và sau đó sửa đổi đôi chút để có thể làm việc như không có gì xảy ra (hình 1.5). Việc tìm và phân lập những gen đóng vai trò kiểm soát dược phẩm quan trọng như thuốc hay hormone từ các sinh vật trong tự nghiên sẽ mất nhiều thời gian, khó khăn và tốn chi phí lớn nhưng nếu chuyển được những gen này vào vi khuẩn giúp ta thu được lượng lớn dược phẩm một cách thuận lợi. Sản xuất insulin tái tổ hợp là thành tựu tiêu biểu nhất mà các nhà công nghệ sinh học đạt được trong lĩnh vực này. Sản xuất protein bằng gen tạo dòng được đề cập ở chương 12. Hình 1.5 : Khả năng sản xuất protein của động vật trong vi khuẩn nhờ tạo dòng gen. Chương 1 6 Các nghiên cứu trong ngành dược và ngành nông nghiệp cũng nhận được những bước tiến quan trong từ kỹ thuật tạo dòng gen. Một vài loại vaccin mới cung cấp khả năng kháng nhiều bệnh mà việc tiêm chủng trước đây không ngăn ngừa được. Ngày nay, những bệnh di truyền có thể chuẩn đoán trước khi đứa trẻ ra đời. Các nghiên cứu gần đây mở ra tia hy vọng có thể chữa trị sớm chứng xơ nang, ung thư vú, hở van tim… Đối với nông nghiệp, tạo dòng gen cũng cung cấp tầm quan trọng không kém là phát triển những cây trồng biến đổi di truyền nhằm chống lại sự phá hoại của sâu bệnh. Hai chương cuối của quyển sách này sẽ trình bày những phương thức ứng dụng tạo dòng gen vào các lĩnh vực nghiên cứu. Người dịch: cùng dịch ĐOÀN TRƯỜNG GIANG, MÃ PHẠM QUẾ MAI. . thứ hai của di truyền học. Trong vòng 14 năm (19 5 2 -1 966) có nhiều phát hiện quan trọng : xây dựng cấu trúc DNA, giải được mã di truyền và quá trình dịch mã - phiên mã được mô tả. 1. 2 SỰ RA ĐỜI. dòng được thảo luận ở chương 9 và chương 10 . Chương 1 5 Hình 1. 3 : Vấn đề chọn lọc là một khó khăn. 1. 6 TẠI SAO PCR LẠI CÓ VAI TRÒ QUAN TRỌNG ? Cho đến cuối những năm 19 90, tạo dòng gen chỉ. ĐỜI CỦA TẠO DÒNG GEN Cuối thập niên 19 60, những kỹ thuật không đủ tinh vi để nghiên cứu gen một cách chi tiết hơn. Sau đó, từ 19 7 1- 1 973, nghiên cứu di truyền được “sống lại” nhờ những thiết