- gen điều hoà operator
G AATTC C T T A A
5.3- MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VECTOR CHUYỂN GEN
- Một ứng dụng đầu tiờn là để tiến hành một quỏ trỡnh được gọi là sự tỏch dũng nhằm khuếch đại lượng lớn bản sao DNA xỏc định.
- Nghiờn cứu sự biểu hiện của một đoạn DNA chưa biết.
- Đưa gen mà con người cần nghiờn cứu vào tế bào chủ. - Sản xuất protein từ gen được tạo dũng.
- Sản xuất RNA với khối lượng lớn từ DNA tạo dũng. 5.4- CÁC VẬT CHỦ THU NHẬN CÁC VECTOR CHUYỂN GEN
Mọi thao tỏc với DNA và việc tạo dựng cỏc phõn tử DNA tỏi tổ hợp
được thực hiện trong ống nghiệm. Nhưng việc tạo dũng một gen momg muốn phải được thực hiện trong tế bào sống. Do vậy, việc biến nạp, tiếp nhận và thể
hiện gen trong tế bào sống là cực kỳ quan trọng trong quỏ trỡnh nghiờn cứu. Tế bào nhận gen tỏi tổ hợp phải là một cơ thể phự hợp với gen đú và phải cú những biện phỏp chọn lọc cỏc tế bào chủ đó tiếp nhận gen.
Ngày nay, người ta đó biết cú bốn loại vật chủ thu nhận cỏc vector chuyển gen là:
- Vật chủ là vi khuẩn E. Coli và cỏc vi khuẩn khỏc, - Vật chủ là nấm men và nấm mốc,
- Vật chủ là tế bào thực vật bậc cao, - Vật chủ là tế bào động vật cú vỳ. 5.5- CÁC LOẠI VECTOR CHUYỂN GEN
Sự biểu hiện
mRNA DNA tỏi tổ hợp
Sự tỏch dũng
UUHỡnh 5-1: Những ứng dụng DNA tỏi tổ hợp
Dựa vào nguồn gốc người ta phõn ra: - Cỏc vector là những plasmid,
- Cỏc vector là phage,
- Cỏc vector lai nhõn tạo như: cosmid, bluescript. Dựa vào chức năng người ta phõn ra:
- Vector tỏch dũng (cú kốm theo sự biểu hiện hoặc khụng biểu hiện của
protein - Hỡnh 5-1),
- Vector biểu hiện (vector tổng hợp). 5.5.1-VECTOR CHUYỂN GEN LÀ PLASMID
Cỏc plasmid là những mẫu DNA nhỏ, ngắn, dạng vũng (khộp kớn), sợi
đụi nằm ngoài nhiễm sắc thể, được tỡm thấy đầu tiờn trong tế bào một số vi khuẩn. Chỳng sao chộp được là nhờ một số enzyme cú mặt trong tế bào vi khuẩn và khụng phụ thuộc vào sự sao chộp nhiễm sắc thể vi khuẩn. Tựy cỏc kiểu của plasmid mà số bản sao plasmid bởi vi khuẩn sẽ khỏc nhau. Một số
plasmid chỉ cú một bản sao duy nhất vỡ chỳng tự tỏi bản chỉ một lần trong mổi lần phõn bào. Một số khỏc cú số bản sao lớn vỡ chỳng tỏi bản được nhiều lần trong mỗi chu kỳ phõn bào. Những plasmid cú từ 10 đến 100 bản sao trong tế
bào chủ được xem như plasmid cú bản sao cao. Plasmid khỏc cú từ 1 đến 4 bản sao trong tế bào chủ, được xếp vào nhúm cú bản sao thấp. Trong sinh vật eucaryote, plasmid chỉ cú trong tế bào nấm men.
Mỗi plasmid đều cú một chuỗi mó di truyền (sequence) mang chức măng tự tỏi bản DNA. Nếu khụng cú vị trớ khởi đầu phiờn mó (ori) này, DNA khụng thể tự tỏi lập trong tế bào chủ. Với tớnh chất tự tỏi bản, plasmid là một vector chuyển gen để nhõn dũng DNA cần thiết.
Do kớch thước nhỏ nờn plasmid chỉ chứa rất ớt gen chọn lọc, thường đặc tớnh chọn lọc là khỏng khỏng sinh. Từ khi được phỏt hiện đến nay, cỏc plasmid khụng ngừng được cải tiến và ngày càng được cú thờm nhiều đặc tớnh quớ cho việc tạo dũng.
Trong phũng thớ nghiệm, người ta sử dụng cỏc plasmid nhõn tạo mà
được tạo ra từ cỏc plasmid tự nhiờn và cài thờm một số chuỗi DNA. 5.5.1.1- Cỏc plasmid thế hệ thứ nhất
Thế hệ đầu tiờn đú là cỏc plasmid tỡm thấy trong tự nhiờn pSC101 (Stalay-Cohen), ColE1 đó gúp phần đầu tiờn vào lịch sử tạo dũng. Tuy vậy cỏc plasmid này cú rất ớt những đặc tớnh cần thiết. Sau này, cỏc nhà nghiờn cứu đó tỡm ra cỏc plasmid nhõn tạo thế hệ hai, ba bằng cỏch tập trung nhiều
đặc tớnh quớ của nhiều plasmid tự nhiờn vào một cấu trỳc duy nhất. 5.5.1.2- Plasmid thế hệ thứ hai
pBR322 - là plasmid được sử dụng rất phổ biến vào những năm 1980 để
nhõn dũng trong tế bào E. Coli. Nú được tỡm ra vào năm 1977 bởi Bolivar Rodrigues.
Cỏc plasmid thế hệ thứ 2 được cấu tạo phức tạp hơn bắt nguồn từ
plasmid nhỏ và được cấu tạo thờm nhiều đoạn gen quớ (Hỡnh 5-2).
Ori AmpR 4 điểm nhận biết 6 điểm nhận biết 6 điểm nhận biết 3 điểm nhận biết TetR pBR322
Hỡnh 5-2: Cấu tạo plasmid pBR322
pBR322 cú kớch thước 4.363bp và hai gen khỏng thuốc, một chống chịu
được ampicilline (ampR) và một chống chịu được tetracycline (tetR)
Cú nhiều điểm nhận biết bởi enzyme cắt hạn chế và trong số đú cú nhiều điểm nhận biết nằm trong gen khỏng khỏng sinh.
Vớ dụ, gen khỏng ampicilline cú ba trỡnh tự nhận biết bởi ba enzyme cắt hạn chế là PstI, PvuI, ScaI. Cũn gen khỏng tetracycline cú sỏu điểm nhận biết là: EcoRV, BamHI, SphI, SlaI, XmaIII, NnuI.
Việc cài DNA lạ được tiến hành một trong hai gen khỏng thuốc. Nếu chỉ cũn một gen khỏng với khỏng sinh là do một trong hai gen đó khụng nhận
đoạn cài. Điều này cho phộp để chọn lựa cỏc plasmid tỏi tổ hợp.
Một ứng dụng nữa của pBR322 là chỳng cú số bản sao lớn. Thực nghiệm cho thấy cứ 15 plasmid tỏi tổ hợp được biến nạp trong E. Coli, số
lượng này cú thể tăng lờn từ 1.000 đến 3.000 bản sao trong điều kiện nuụi cấy tốt.
5.5.1.3- Cỏc plasmid thế hệ ba
Đõy là cỏc plasmid mạnh và đa năng, tiện sử dụng cho nhiều loại RE khỏc nhau với hàng chục trỡnh tự nhận biết của chỳng được nối tiếp nhau thành một đoạn dài gọi là polylinker. Kớch thước nhỏ, sao chộp nhanh trong tế
bào vi khuẩn, tạo số lượng bản sao lớn.
Cỏc plasmid thế hệ 3 được chia làm 3 nhúm lớn: - Dóy pUC như: pUC18, pUC19 (Hỡnh 5-3)
- Dóy Gemini: Plasmid pGEM3 , Plasmid pCR 2.1 - Nhúm cỏc plasmid Bluescript
1,- Dóy pUC:
pUC là plasmid của University California, cú kớch thước 2,6kb và cú một số đặc trưng sau:
- Cú một mảnh operon lacZ, cỏc vi khuẩn chủ yếu sử dụng với pUC dựng
để tổng hợp enzyme β-galactosidase.
- Cú vựng polylinker với 13 vựng giới hạn của 13 enzyme cắt hạn chế. - Ở pUC18 , vựng hạn chế (EcoRI, SacI, KnpI, XmaI, BamHI, XbaI, SalI, HindI, AccI, BspmI, PstI, SphI, Hind III).
- Ở pUC19 , vựng polylinker cú trỡnh tự ngược lại (Hind III ...EcoRI). - Cú một gen bền với ampicilline, gen này mó hoỏ cho protein (enzyme) vốn được tiết ra trong khoảng ngoại biờn màng sinh chất của vi khuẩn.
Polylinker
pUC18
pUC19
Gen kháng
ampicilline Operonlac
Hỡnh 5-3: Cấu tạo plasmid pUC
Sự hiện diện của lacZ tạo thuận lợi cho vector tỏi tổ hợp bằng cỏch quan sỏt cỏc vi khuẩn trờn thạch để chọn vi khuẩn cú khả năng tiếp nhận một plasmid. Sự cú mặt của gen khỏng ampicilline cho phộp pUC được tiến hành nuụi cấy trờn mụi trường cú ampicilline (Hỡnh 5-3).
Ưu điểm: Kớch thước nhỏ, dễ biến nạp vào tế bào vi khuẩn. Vựng polylinker cho phộp gắn xen bất kỳ trỡnh tự DNA lạ nào, hoặc cú thể cho phộp tạo dũng đoạn DNA cú hai đầu dớnh khỏc nhau mà khụng cần chất gắn.
2,- Plasmid pGEM3 : (Hỡnh 5-4) pGEM3 EcoRI Hind III R N A R N A 6 G en A p Promotor T
Hỡnh 5-4: Cấu tạo plasmid pGEM3 (Gemini)
Kớch thước khoảng 3kb, mang gen khỏng ampicilline (AmpR) và vựng polylineker gồm 13 trỡnh tự nhận biết bởi 13 enzymee cắt hạn chế tương tự
như vựng polylineker của pUC19.
Hai promotor đặc trưng cho RNA-polymerase Sp6 và T7 ở hai bờn vựng polylinker. Vỡ vậy cú ưu điểm là cho phộp phiờn mó đoạn DNA gắn trong vector thành nhiều RNA, mà cỏc RNA này thường được dựng làm mẫu dũ, hoặc dựng trong nghiờn cứu cấu trỳc chức năng của RNA.
3,- Nhúm cỏc plasmid bluescript:
Bluescrip là vector lai nhõn tạo phage sợi và plasmid vỡ vậy nú được kết hợp tất cả những ưu điểm của cỏc phage và ưu điểm của cỏc plasmid, cú thể xem đú là nhúm cú tiềm năng nhất hiện nay.
Cấu tạo: Bluescript cú cấu tạo dạng vũng khộp kớn, kớch thước vào khoảng 2.961bp (Hỡnh 5-5), bao gồm: BssH II 619 Nae I 330 Ssp I 19 Ssp I 442 Pvu I 2416 Sca I 2526 Xmn I 2645 Ssp I 2850 pBluescript II SK (+/-) 2961 bp Afl III 1153 Pvu II 977 BssH II 792 Sac I 759 la cZ T7 T3 Kpn I 657 Vùng polylinker SK C E o f f 1 1 (+) (-) 1 l A n ll cii i mp k ở h ầ u đ i k ở h ầ u đ i k ở h ầ u đ i
Hỡnh 5-5: Cấu tạo pBluescript SK (+/-)
- Một mảnh lacZ ở đầu 5’ của gen này cú cài sẵn polylinker gồm 21 vựng giới hạn: KpnI, ApaI, DraII, XhoI, AccI, HindII, SalI, ClaI, HindIII, EcoRV,
EcoRI, PstI, SmaI, BamHI, SpeI, XbaI, NotI, XmaI, SacII, BstXI, SacI hoặc ngược lại. Ở vựng polylinker người ta cũn tỡm thấy một vựng nhận biết tương
đối hiếm (NotI) mà khụng cú ở dóy pUC. Với 2 promoter T3 và T7 để thu
được đoạn cài RNA cựng chiều hoặc ngược chiều qua việc sử dụng RNA- polymerase của phage T3 nhận biết promoter T3 hoặc ngược lại.
- Một mảnh DNA của phage tựy mục đớch sử dụng cú thể là phage M13 hoặc phage f1 .Vựng này sẽ sử dụng khi người ta muốn DNA tỏi bản dưới dạng sợi đơn hoặc sợi đụi, ngoài ra ở vựng này cũn chứa điểm khởi đầu cho sự tỏi bản (ori). Song sự tỏi bản chỉ cú thể xảy ra bởi sự đồng gõy nhiễm với một virus trợ giỳp (virus helper). Virus này sẽ bổ khuyết những chức năng thiếu bằng cỏch mang đến những gen mó húa cỏc enzyme cần thiết cho sự tỏi bản. Phụ thuộc vào sự cài đặt của mảnh DNA này so với chiều của gen lacZ, người ta sẽ cú vector bluescipt + hoặc −. Cặp này cho phộp nhận được sợi cựng chiều hoặc ngược chiều.
Một gen chống chịu được ampicilline, gen này cho phộp chọn lựa tất cả
những vi khuẩn đó sỏt nhập một bluescript.
Trong vector bluescript cũn cú điểm khởi đầu sao chộp colEI ori, chuỗi này cho phộp nhõn bản của phagemid (bluenscript) ở trong E. Coli như
plasmid. Giống gốc E. Coliđược sử dụng thường là XL1Blu, trong bộ mỏy di truyền của chỳng cú chứa gen mó húa tổng hợp tetracycline. Điều này cho phộp dễ dàng chọn lựa những vector đó sỏt nhập vào vi khuẩn.
Ứng dụng: Tựy theo điều kiện thao tỏc người ta cú thể sử dụng bluescript để nhõn bản một đoạn DNA sợi đơn hoặc sợi kộp hoặc sao chộp RNA invitro để sản xuất đầu dũ lai húa hoặc tạo ngõn hàng cDNA.