Các hướng nghiên cứu và khả năng ứng dụng động vật chuyển gen

Các hướng nghiên cứu và khả năng ứng dụng động vật chuyển gen

Các h ớng nghiên cứu và Khả n ng Ăng ứng dụng động vật chuyển gen

Ngoài chuột là đối t ợng mô hình của công nghệ gen động vật, nghiên cứu chuyển gen còn đ ợc tiến hành trên nhiều loại động vật khác: gia súc (bò, cừu, dê, lợn), gia cầm (gà, chim cút), cá (cá hồi, cá vằn, cá

chép ), côn trùng (muỗi, sâu) Bên cạnh các nghiên cứu cơ bản, động vật chuyển gen có khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực:

Sản xuất nông nghiệp

Y tế

Bảo vệ môi tr ờng

Trong sản xuất nông nghiệp

• Tăng tr ởng: làm tăng tốc độ sinh tr ởng và chất l ợng thành phần cơ thể động vật thông qua chuyển các gen điều hoà hocmon tăng

tr ởng

• Kháng bệnh: Xác định và chuyển các gen có thể tác động đến tính kháng bệnh ở vật nuôi (gen kháng bệnh chuyên biệt, gen

receptor tế bào T, gen mã hoá lymphokine, …))

• Cải tiến chất l ợng, thành phần sản phẩm: chuyển gen làm giảm

tỷ lệ mỡ, làm giảm hàm l ợng lactose trong sữa, tăng hàm l ợng cystein để gia tăng sự phát triển lông

Trong y tế

• Tạo mô hinh động vật bị bệnh của ng ời để tim

hiểu cơ chế gây bênh, kiểm tra liệu pháp trị bệnh mới (chuột chuyển gen)

• Sản xuất protein tái tổ hợp phục vụ y d ợc

• Sản xuất mô, cơ quan phục vụ di cấy ghép

• Kiểm soát bệnh dich sốt rét bằng muỗi chuyển gen

Bảo vệ môi tr ờng

• Chuyển gen phytase cho gia súc, gia cầm để giảm thiểu ô nhiễm phốt pho

3.2.Bò, cừu, dê, lợn chuyển gen

Tăng khả năng sinh tr ởng

• Là h ớng nghiên cứu làm tăng hiệu quả sản

xuất thịt bằng cách chuyển gen tạo hocmon

sinh tr ởng của ng ời, cừu, bò lợn cho thỏ,

lợn, cừu, bò bằng ph ơng pháp vi tiêm vào

nhân con của trứng đã thụ tinh

• Đã thu đ ợc vật nuôi chuyển gen có biểu hiện

của gen chuyển nạp.Ví dụ: cừu chuyển gen

hocmon sinh tr ởng ngoại lai tăng kích th ớc

và l ợng sữa 18%, lợn chuyển gen có hàm l

ợng hocmon tăng tr ởng trong máu cao gấp

50 lần và khối l ợng tăng 28% so với đối

chứng

• Tuy nhiên, cũng có báo cáo về sự phát sinh

một số bệnh: viêm phổi, tiểu đ ờng, loét dạ

dày, …) mất khả n ăng sinh sản ở các gia súc

chuyển gen hocmon sinh tr ởng th ờng

Chuột chuyển gen hoocmon sinh tr ởng (phải) và chuột đối chứng

The larger GM sheep is on the right of

the picture, with normal-sized control

A group of GM sheep in the field.

Sheep expressing the extra growth hormone gene

The original GM growth hormone sheep were produced by Kevin Ward, Bruce Brown and others at CSIRO's former research laboratory in Prospect, New South Wales.

Source - CSIRO Division Livestock Industries

3.2.Bò, cừu, dê, lợn chuyển gen (tiếp)

Tăng khả năng kháng bệnh

 Chuyển gen kháng bệnh chuyên biệt:

• Mx là một trong các gen kháng sự nhiễm virus Chuột mang allele trội Mx1+ kháng vi rus cúm A và B, nếu mang allele lăn Mx1- không kháng đ ợc sự xâm nhiễm của virus cúm

• Chuyển gen Mx1+ cho lợn nhằm kháng virut cúm

Orthomyxovirus

 Biểu hiện gen sản xuất kháng thể đơn dòng trong động vật

chuyển gen tạo miễn dịch di truyền: chuyển gen mã hoá cho chuỗi α và  trong cấu trúc phân tử kháng thể cho chuột, cừu, lợn tạo l ợng lớn sản phẩm của gen (Lo và cs., 1991)

3.2.Bò, cừu, dê, lợn chuyển gen (tiếp)

Cải tiến chất l ợng sản phẩm

• Năm 1998 Ward và cs (CSIRO) đã chuyển 2 gen mã hoá cho 2 enzym của vi khuẩn vào cừu để biến đổi Serine thành Cystein nhằm tăng tốc độ mọc lông

 Tăng hàm l ợng casein trong sữa làm tăng chất l ợng sữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a

 Thay đổi thành phần các axit béo bằng chuyển gen FAD2 (fatty acid

desatunase 2) từ cây spinach vào lợn để tạo axit Linoleic là thành phần dinh

d ỡng thiết yếu(động vật có vú không có enzym này)

3.2.Bò, cừu, dê, lợn chuyển gen (tiếp)

Sản xuất protein tái tổ hợp ở tuyến sữa

Nguyên tắc: Tuyến sữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a là cơ quan sản xuất sinh học có chức năng sản xuất protein và bài tiết sữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a Để một protein nào đó đ ợc sản xuất trong quá trinh tạo sữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a thi gen cấu trúc của nó phải đ ợc gắn promoter điều khiển và mã hoá protein của tuyến sữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a

Lợi thế:

- Số l ợng protein đ ợc sản xuất trong tuyến sữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a lớn, sản l ợng

sữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a lớn( lợn:300l, cừu: 500l, dê:900l, bò: 10.000l/năm) nên có thể tạo l ợng lớn protein tái tổ hợp (35g protein/l, nếu protein

đạt 1g/l và hiệu xuất thu hồi 50%, có thể có 50kg protein tái tổ hợp/bò/năm)

- Sự biểu hiện gen ở tuyến sữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a rất chính xác về thời gian

- Sản phẩm thu hồi và tinh sạch dễ dàng

Protein động vật Sử dụng

Antithrombin III Dê Giảm l ợng máu cần thiết trong một số phẫu thuật

FactorVIII,

Lactoferrin Bò Kháng sinh tự nhiên dùng trong phẫu thuật thể vành

Spider silk

protein Dê Sản xuất vật liệu siêu nhẹ và siêu bền dùng trong y học và công nghiệp

sữa động vật chuyển gen (nguồn: Dove, 2000)

3.2.Bò, cừu, dê, lợn chuyển gen (tiếp)

• Chuyển gen tạo Lysostaphin: kháng khuẩn gây bệnh viêm vú

• Chuyển gen sản xuất Factor VIII (ng ời): yếu tố đông máu

 1 antitrypsin – antitrypsin (ng ời): chất ức chế proteinase, chuyển gen 1-

antitrypsin của ng ời với promotor  -lactoglobulin vào cừu và cho kết quả rất khả quan, hàm l ợng 1- antitrypsin đạt đ ợc 35g/lít sữa, chiếm 50% tổng l ợng protein s ữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a.

• Chuyển gen cho dê Alpine để sản xuất sữa chứa protein đặc hiệu điều trị

ung th có tên là BR96

• Chuyển gen vào cừu, bò để sản xuất albumin- thành phần chính cấu tạo

nên máu từ s ữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a cừu ở Mỹ đang kết hợp kỹ thuật nhân bản động vật với

kỹ thuật gen để tạo ra các bò sản xuất albumin cao trong s ữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a (80 kg

albumin/bò/n m) ăm).

• Chuyển gen -globin globin kết hợp gen α-1-globin và gen -A-globin tạo đ ợc lợn chuyển gen sản xuất hemoglobin của ng ời

Sơ đồ chuyển gen để sản xuát Factor VIII trong s ữ a lợn

Bò Herman mang gen Lactoferin của người

(Pharming Group N.V – 1990)

Picture Number: 10319243

Credit: Science Museum/Science & Society Picture Library

Caption:

Tracy (1990-1997) was a transgenic ewe that had been

genetically modified by the Roslin Institute, near

Edinburgh, Scotland, so that her milk produced a human

protein called alpha antitrypsin, a potential treatment for

the disease cystic fibrosis The Roslin Institute is of the

world's leading centres for animal research It has

internationally recognised programmes on genetics,

genomics, early development, reproduction, animal

behaviour and welfare, and has pioneered methods for

the genetic modification and cloning of farm animals It

produced the first ever cloned animal, known as Dolly the

sheep Dolly was part of a project to reproduce reliably

animals with the genes of Tracy.

Cõu mang gen -antitrypsine cña

ng êi

This transgenic ewe has been give the human gene that

causes the production of a protein called antitrypsin in the

sheep's milk Her lamb (in the foreground) is also transgenic

for this protein

Dê sản xuất TPA (tissue plasminogen activator ) của người

Dª mang gen anthibrombin cña

ng êi

This goat, engineered by GTC Biotherapeutics, has a single gene in her DNA that prompts her to produce a human protein in her milk The protein, called antithrombin, is normally found in human blood Harry M Meade, senior vice- president for research and development at GTC and one of the pioneers of transgenics, first began working in the area at Biogen.

Lợn sản xuất Hemoglobin của người

3.2.Bò, cừu, dê, lợn chuyển gen (tiếp)

Fig 1 Number of kidney transplants and patients waiting to receive a transplant in Austria, Belgium, Germany and Netherlands (data from Eurotranplant)

Chuyển gen ng ời

vào động vật nhằm

sản xuất mô, cơ

quan cấy ghép

3.2.Bò, cừu, dê, lợn chuyển gen (tiếp)

Chuyển gen ng ời vào động vật nhằm sản xuất mô, cơ quan cấy ghép

• Dị ghép (Xenotransplantation): ghép mô tế bào từ loài này sang loài khác

• Cản trở lớn nhất khi dị ghép là sự đào thải mạnh cơ quan cấy

ghép do sự liên kết giữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a các kháng thể có sẵn của cơ thể chủ với các epitor cacbohydrat (α-Gal) Gal) trên bề mặt tế bào cơ quan ghép

• Nếu con vật cho cơ quan ghép mang 1 hay hơn nữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a cac gen mã hoá cho protein ức chế bổ thể của ng ời thì cơ quan ghép sẽ đ ợc bảo vệ

• Tạo lợn chuyển genđã loại bỏ gen mã hoá α-Gal) Gal v mang các gen

ức chế bổ thể ng ời (CD55, CD59) để cung cấp cơ quan cấy ghép

Fig 4 Survival of pig to baboon heart transplant

Control vs DAF transgenic pigs (from Bhatti FNK et al., 1999)

Fig 2 Synthesis of the Gala1-3Galb1 in

pig tissues (a) and a transgenic

strategy (b) that blocks its synthesis

(from Parker et al., 1996)

N m 1992, lần đầu tiên các nhà khoa học ởTr ờng đại học ăm).

Cambridge đã tạo ra lợn chuyển gen có tim đ ợc bao bọc bởi protein

ng ời có thể ghép cho ng ời mà không gây phản ứng đào thải.

Ngoài sử dụng cơ quan cấy ghép, chiến l ợc sử dụng các mô khác của lợn chuyển gen trị liệu cho ng ời (mô thần kinh chia Parkinson, tế bào tuyến tuỵ đảo chia tiểu đ ờng ) đang đ ợc tập trung nghiên cứu

HYPERACUTE REJECTION of a

pig organ transplanted into a

patient would very likely

occur in minutes It ensues

after antibodies bind to the

linear sugar chains lining pig

blood vessels (left)

But tissues from pigs genetically engineered

to carry the angular sugar groups found in people with type O blood should not elicit such reactions (nght)

Porcine Endogenous Retroviruses (PERVs) have been detected in pig cells This is one of the main

reasons why people are sceptical

of xenotransplantation

3.2.Bò, cừu, dê, lợn chuyển gen (tiếp)

Chuyển gen phytase tạo enviro-pig

 Lơn và gia cầm thải l ợng lớn phospho do không đồng hóa đ ợc phytat inositol hexakisđihydrogen orthophosphat hay axit phytic) là dạng phospho dự trữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo chủ yếu trong nguồn thức n thực vật bởi chúng không có phytase ă

(myo- Phytase cắt phosphat từ phytat để tạo inossitol- 2 monophosphat hay inositol là các dạng mà lợn và gia cầm có thể đồng hóa đ ợc.

Phytase

Phytat Inositol

3.1.Bß, cõu, dª, lîn chuyÓn gen (tiÕp)

How the Enviropig™ works These phytase-enzyme-producing pigs will reduce phosphorus in manure by up to 75% (Courtesy of University of Guelph.)

3.3 Gia cầm chuyển gen

Một số đặc điểm sinh sản của gia cầm làm cho

việc tiêm ADN vào trứng thụ tinh khó khăn:

-Nhiều tinh trùng xâm nhập vào một trứng và

không xác định đ ợc nhân tinh trùng nào sẽ thụ tinh

-Ngay lập tức sau thụ tinh trứng đ ợc bao bằng l ợng

lớn lòng trằn, 2 lớp màng vỏ và vỏ vôi

-Tiêm AND vào tế bào chất của trứng đã thụ tinh

sẽ không cài nhập vào bộ gen

Do đó th ờng dùng ph ơng pháp vi tiêm tế bào gốc

phôi đã chuyển gen vào vùng d ới đĩa phôi (sơ đồ

bên) hoặc tiêm AND vào vùng đĩa tế bào chất chứa

nguyên nhân đực và nguyên nhân cái (đĩa này đ ợc

tạo thành tr ớc khi hình thành màng bao) Sau vi

tiêm AND, trứng đ ợc nuôi cấy in vitro đến hình

thành phôi, sau đó nó đ ợc đ a vào trứng thay thế để

ấp nở

Day-Glo Chicks

A handful of companies, including Viragen, are engineering chickens that make human proteins in their eggs The chicken on the left has a gene that makes it glow green This fluorescent marker allows the scientists to confirm that their technology for inserting transgenes is working.

3.3. Gia cầm chuyển gen (tiếp)

Chuyển gen kháng bệnh

 T o miễn dịch nội bào: chuyển gen mã hoá protein ạo miễn dịch nội bào: chuyển gen mã hoá protein

virus hay các dạng đột biến của các protein này để tạo

sự bảo vệ với chính virus đó Ví dụ: chuyển gen mã hoá protein của chủng Avian Leucokis virus cho gà để

kháng chính virus này

3.3 Gia cầm chuyển gen (tiếp)

Chuyển gen tổng hợp protein tái tổ hợp trong trứng

• So với vật nuôi cho sữa Con bò này tên là BuBu do Danny Lactaire tạo a, gà sinh trửơng nhanh, dễ nuôi số l ợng lớn trong diện tích nhỏ Hàng loạt protein đ ợc tổng hợp trong lòng trắng trứng

• Sự biểu hiện gen chuyển trong các tế bào tuyến sinh dục của gà

mái (nơi sản xuất albumin trứng) dẫn đến tích tụ protein đ ợc mã hoá bởi gen chuyển và chúng sẽ đ ợc gói trong vỏ trứng

• Các nhà khoa học của Viện Roslin và hai công ty công nghệ sinh

học Oxford Biomedica and Viragen (Scotland) sử dụng vector

lentivirus chuyển gen mục tiêu vào tế bào gốc phôi và vi tiêm vào xoang d ới phôI của phôi nhận để tạo gà sản xuất interferon 1-a, kháng thể đơn dòng miR-24 và mới đây nhất là interferon  2-a của

ng ời Hiện nay Viện Roslin gây tạo đ ợc 500 gà chuyển gen dùng trị liệu và protein tái tổ hợp đ ợc đ ợc biểu hiện với hiệu suất

0,1g/trứng

3.4.Cá chuyển gen

Chuyển gen trên cá thuận lợi do kích th ớc tế bào trứng lớn, số l ợng trứng

nhiều, không cần cấy chuyển vào cơ thể mẹ và không đòi hỏi chế độ chăm sóc quá nghiêm ngặt

Kỹ thuật chuyển gen nhờ vi tiêm hay xung điện đã đ ợc áp dụng cho nhiều loại cá: cá hồi, cá hồi chấm hồng Bắc cực, cá chép, cá rô phi, …) Các nhân

nguyên của cá không nhìn thấy đ ợc sau khi trứng thụ tinh nên gen chuyển ở dạng ADN mạch thẳng đ ợc tiêm vào tế bào chất đã thụ tinh hay phôi bào giai

3.4 Cá chuyển gen

Gen chuyển cho cá tr ớc hết là gen mã hoa

hocmon t ng tr ởng Từ 1994 các nhà khoa ă

học Canada, Mỹ và Singapo đã nghiên cứu

chuyển gen hocmon t ng tr ởng cho cá hồi ă

bằng cách vi tiêm gen chuyển vào phôi và

đạt đ ợc tỷ lệ thành công 6,2% cá chuyển

gen Trong đó có dòng cá hồi chuyển gen

một năm tuồi tăng trọng gấp 11 lần so với

đối chứng ặc biệt, có dòng t ng trọng Đối tượng chính là gà ă

gấp 30 lần so với đối chứng và đ ợc gọi là

“Sumosalmon”

Ở Việt nam, bước đầu nghiờn cứu chuyển gien điều khiển húc mụn sinh trưởng ở cỏ chộp,

cỏ vàng, cỏ chạch, tạo được cỏ mang gien ngoại lai, cỏ chuyển gien thể hiện ưu thế sinh trưởng, tốc độ tăng trương so với đối chứng vượt 40%, mở ra triển vọng ứng dụng cụng nghệ chuyển gien tạo giống thuỷ sản cú cỏc đặc tớnh mới, ưu việt

Originally developed in 1999 by

Singapore scientist Zhihuan

Gong, GloFish have been

successfully sold throughout

the United States, despite being

illegal in California and — and

Canada and the European

Union, too

Transgenically growth enhanced tilapia (right) with controls (left), reared in parallel culture conditions

C¸ v»n chuyÓn gen GFP

GH Transgenic Fish

Common Carp Catfish

C¸c lo¹i c¸ ® îc chuyÓn gen

C¸ Northern pike Phytase (chuyÓn ho¸ phytat) Nauy

nhân tố linh hoạt th ờng đ ợc sử dụng nhất

Thiết kế vector chuyển gen gồm 2 plasmid:

-Plasmid mang gen chuyển, gen chọn lọc nằm giữa 2 trình tự kết thúc lặp đảo ng ợc (TIR)

- Plasmid trợ giúp mang gen mã hoá enzym transposase

Hai plasmid đ ợc vi tiêm vào phôi sớm có chứa tế bào mầm Chúng có thể tiếp nhận Plasmid tạo tế bào chuyển gen nhờ hoạt động của transporase chuyển gen mục tiêu từ plasmid cho vào genom tế bào chủ

Sơ đồ chuyển gen

nhờ nhân tố linh hoạt