Bài 4. Hệ gene, đột biến gene và công nghệ gene
Nội dung lý thuyết
I. HỆ GENE
1. Khái niệm hệ gene
Hệ gene là toàn bộ trình tự các nucleotide trên DNA có trong tế bào của cơ thể sinh vật. Tuỳ theo số lượng nhiễm sắc thể trong tế bào mà hệ gene được chia thành hệ gene đơn bội và hệ gene lưỡng bội. Các loài sinh vật khác nhau có hệ gene đặc trưng về kích thước hệ gene và số lượng gene.
Tổ chức hệ gene ở các loài sinh vật cũng có sự khác nhau về sự phân bố các gene trên DNA, hoạt động và cơ chế điều hoà hoạt động gene. Trong hệ gene của vi khuẩn, các gene phân bố trên phân tử DNA vùng nhân và DNA plasmid; phần lớn gene trên DNA mã hoá cho các phân tử RNA hoặc protein; một số ít trình tự DNA làm nhiệm vụ điều hoà; vùng mã hoá của gene cấu trúc không chứa các đoạn intron; các gene liên quan về chức năng thường tập trung thành cụm (operon).
Hệ gene ở sinh vật nhân thực gồm các gene nằm trên nhiễm sắc thể trong nhân tế bào và các gene trong ti thể, lục lạp. Phần lớn gene ở sinh vật nhân thực không mã hoá cho các phân tử RNA hoặc protein; DNA chứa nhiều trình tự nucleotide có chức năng điều hoà, vùng mã hoá ở các gene cấu trúc có chứa các đoạn intron, các gene khác nhau có thể nằm ở các vị trí khác nhau trên cùng một nhiễm sắc thể hoặc trên các nhiễm sắc thể khác nhau.
@9164156@
2. Thành tựu và ứng dụng của giải mã hệ gene người
Dự án Hệ gene người được bắt đầu vào năm 1990 và hoàn tất vào năm 2006. Trong dự án này, bằng nhiều phương pháp giải trình tự khác nhau, các nhà sinh học phân tử đã giải được trình tự toàn bộ 3,1 tỉ cặp nucleotide trong bộ nhiễm sắc thể đơn bội của
Thông qua phân tích trình tự nucleotide, các nhà khoa học có thể đưa ra bản đồ chi tiết về toàn bộ các gene trong hệ gene ở người, từ đó, có thể xác định các gene liên quan đến nhiều bệnh di truyền, đồng thời là cơ sở để nghiên cứu các phương pháp chẩn đoán và điều trị bệnh. Bên cạnh đó, thành tựu giải mã hệ gene người cũng được ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm từ gene, cung cấp thông tin phục vụ cho các nghiên cứu di truyền.
II. ĐỘT BIẾN GENE
1. Khái niệm đột biến gene
Đột biến gene là những biến đổi xảy ra trong cấu trúc của gene, có thể liên quan đến một cặp nucleotide (đột biến điểm) hoặc một số cặp nucleotide.
Đột biến gene có tính thuận nghịch, có thể xảy ra một cách ngẫu nhiên với tần số thấp hoặc do sự tác động của các tác nhân gây đột biến với tần số cao hơn. Sự phát sinh đột biến có thể xảy ra ở tất cả các loài sinh vật, các gene trong tế bào soma hoặc tế bào sinh dục. Các cá thể mang gene đột biến đã biểu hiện thành kiểu hình được gọi là thể đột biến.
Đa số đột biến gene thường là đột biến lặn và có thể có hại cho sinh vật do làm giảm sức sống, phát sinh các bệnh và tật di truyền, có thể gây chết ở thể đột biến.
2. Các dạng đột biến gene
Dựa trên sự thay đổi trình tự nucleotide trên gene, đột biến điểm được chia thành các dạng: mất hoặc thêm một cặp nucleotide, thay thế cặp nucleotide này bằng cặp nucleotide khác.
Đột biến thay thế một cặp nucleotide: Một cặp nucleotide trong gene được thay thế bằng một cặp nucleotide khác, có thể làm thay đổi trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide và thay đổi chức năng của protein.
Đột biến mất hoặc thêm một cặp nucleotide: Đột biến làm cho gene bị mất hoặc thêm một cặp nucleotide sẽ làm thay đổi khung đọc mã di truyền từ vị trí xảy ra đột biến trở về sau (đột biến dịch khung) dẫn đến làm thay đổi trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide và thay đổi chức năng của protein.
Tuỳ theo mức độ ảnh hưởng của đột biến lên chuỗi polypeptide mà đột biến gene có thể diễn ra theo các hướng:
- Đột biến đồng nghĩa (đột biến im lặng): Đột biến làm cho codon này bị biến đổi thành một codon khác nhưng mã hoá cùng một loại amino acid.
- Đột biến sai nghĩa: Đột biến làm cho codon mã hoá amino acid này bị biến đổi thành codon mã hoá cho amino acid khác.
- Đột biến vô nghĩa: Đột biến làm cho codon mã hoá amino acid trở thành codon kết thúc.
3. Nguyên nhân và cơ chế phát sinh đột biến gene
a. Nguyên nhân phát sinh đột biến gene
Đột biến gene có thể phát sinh do các nguyên nhân:
- Do những rối loạn sinh lí, hoá sinh của tế bào dẫn đến sai sót trong quá trình nhân đôi DNA, gây biến dạng DNA hoặc biến đổi cấu trúc hoá học của các nucleotide.
- Do sự tác động của các tác nhân gây đột biến gồm:
+ Tác nhân vật lí: tia phóng xạ, tia tử ngoại (tia UV), nhiệt,...
+ Tác nhân hoá học: ethyl methanesulfonate (EMS), 5-bromouracil (5-BU), N-Nitroso-N-methylurea (NMU),...
+ Tác nhân sinh học: một số virus như viêm gan B, HPV,... cũng có thể gây nên các đột biến gene.
b. Cơ chế phát sinh đột biến gene
Thông thường, sự thay đổi một nucleotide nào đó dẫn đến sự sai khác trên một mạch của phân tử DNA được gọi là tiền đột biến. Khi các tiền đột biến tiếp tục nhân đôi, sự lắp ráp các nucleotide theo mạch khuôn sai sẽ làm phát sinh các gene đột biến. Trường hợp các sai sót trong quá trình
- Đột biến gene tự phát: chủ yếu do sự biến đổi cấu trúc từ nucleotide dạng thường thành nucleotide dạng hiếm có vị trí liên kết hydrogen bị thay đổi dẫn đến sự bắt cặp nucleotide sai trong quá trình nhân đôi DNA.
- Đột biến gene cảm ứng: do sự tác động của các tác nhân gây đột biến dẫn đến sai sót trong quá trình nhân đôi DNA.
4. Vai trò của đột biến gene
Đối với tiến hoá: Đột biến gene cung cấp nguồn nguyên liệu cho quá trình tiến hoá của sinh vật.
Đối với chọn giống: Đột biến gene cung cấp nguồn nguyên liệu cho quá trình chọn, tạo giống. Con người chủ động sử dụng các tác nhân đột biến nhằm tạo ra các giống vi sinh vật và thực vật mang những đặc tính mong muốn.
Đối với nghiên cứu di truyền: Các thể đột biến gene tự nhiên hoặc nhân tạo được các nhà khoa học dùng trong nhiều nghiên cứu di truyền nhằm xác định các quy luật di truyền, cơ chế điều hoà biểu hiện gene, cơ chế phát sinh đột biến gene, xây dựng bảng mã di truyền, làm sáng tỏ mối quan hệ giữa gene và protein,...
@9164247@
III. CÔNG NGHỆ GENE
Công nghệ gene là các quy trình kĩ thuật liên quan đến việc nghiên cứu về sự biểu hiện gene, chỉnh sửa gene và chuyển gene, từ đó, có thể tạo ra các tế bào, cơ thể sinh vật có hệ gene biểu hiện những tính trạng mong muốn. Hiện nay, công nghệ gene đang được sử dụng phổ biến là công nghệ DNA tái tổ hợp.
1. Công nghệ DNA tái tổ hợp
a. Khái niệm
Công nghệ DNA tái tổ hợp là quy trình kĩ thuật dựa trên nguyên lí tái tổ hợp DNA và biểu hiện gene, tạo ra sản phẩm là DNA tái tổ hợp và protein tái tổ hợp với số lượng lớn phục vụ cho đời sống con người. DNA tái tổ hợp có thể được lưu trữ trong thư viện gene hoặc cDNA.
Công nghệ DNA tái tổ hợp đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tạo protein tái tổ hợp phục vụ cho y học hoặc xử lí ô nhiễm môi trường, nghiên cứu chức năng của gene,...
b. Nguyên lí
Công nghệ DNA tái tổ hợp được thực hiện dựa trên: (1) nguyên lí tái tổ hợp DNA là sự dung hợp giữa hai hay nhiều đoạn DNA gắn với nhau tạo ra phân tử DNA tái tổ hợp, (2) nguyên lí biểu hiện gene là thông tin mã hoá trình tự amino acid trên gene được biểu hiện thành protein trong tế bào sống thông qua cơ chế phiên mã và dịch mã. Quy trình công nghệ DNA tái tổ hợp gồm ba bước:
(1) Tách dòng và tạo DNA tái tổ hợp
Nguyên liệu được sử dụng trong bước này là đoạn DNA hoặc gene mã hoá protein mong muốn được phân lập từ mô sống hoặc tổng hợp nhân tạo. Trong tách dòng và tạo DNA tái tổ hợp, các nhà khoa học có thể dùng vector tách dòng từ nhiều nguồn khác nhau như: plasmid từ vi khuẩn, DNA của virus (phage), nhiễm sắc thể nhân tạo ở nấm men,... Trong đó, plasmid là loại vector được sử dụng phổ biến. Để tạo DNA tái tổ hợp, các nhà khoa học đã sử dụng các loại enzyme:
- Enzyme cắt giới hạn (restrictase): có khả năng cắt hai mạch của phân tử DNA của tế bào cho và tế bào nhận tại các trình tự nucleotide xác định (vị trí nhận biết) tạo nên các đầu dính có trình tự nucleotide bổ sung, tạo điều kiện cho việc bắt cặp giữa hai đoạn DNA với nhau.
- Enzyme nối (ligase): có chức năng xúc tác hình thành liên kết phosphodiester nối hai đoạn DNA với nhau.
Sau khi được tạo thành, DNA tái tổ hợp sẽ được chuyển vào tế bào nhận như E. coli, B. subtilis, S. cerevisiae, A. oryzae,... Có hai phương pháp được sử dụng để chuyển DNA tái tổ hợp vào tế bào chủ:
- Phương pháp biến nạp: dùng muối CaCl, hoặc xung điện để làm dẫn màng sinh chất của tế bào, tạo điều kiện cho DNA tái tổ hợp xâm nhập vào tế bào.
- Phương pháp tải nạp: cho thể thực khuẩn (virus xâm nhiễm vi khuẩn) mang gene cần chuyển xâm nhập vào tế bào vật chủ.
(2) Biểu hiện gene và phân tích biểu hiện gene
Để gene chuyển có thể biểu hiện trong tế bào chủ, các nhà khoa học sử dụng vector biểu hiện gene trong quy trình tạo DNA tái tổ hợp. Tế bào chủ mang DNA tái tổ hợp được nuôi cấy trong môi trường thích hợp nhằm tạo điều kiện cho gene chuyển được biểu hiện.
Để nhận biết được tế bào vi khuẩn nào có chứa DNA tái tổ hợp, có thể phân tích sự có mặt và hợp nhất của gene chuyển trong tế bào chủ bằng kĩ thuật PCR hoặc lai phân tử. Sau quá trình biểu hiện gene, protein tái tổ hợp được tách chiết từ các dòng tế bào chủ và được kiểm tra bằng phương pháp điện di.
(3) Sản xuất protein tái tổ hợp
Sau khi được thu nhận, người ta tiến hành đánh giá chất lượng protein tái tổ hợp về đặc tính và chức năng so với protein tự nhiên. Cuối cùng, protein tái tổ hợp được đưa vào sản xuất ở các quy mô công nghệ khác nhau.
c. Một số thành tựu
Công nghệ DNA tái tổ hợp đã tạo được các dòng vi sinh vật tái tổ hợp ứng dụng để sản xuất các sản phẩm như chế phẩm sinh học và thuốc chữa bệnh, xử lí chất thải, chẩn đoán bệnh di truyền, định danh và xác định quan hệ họ hàng giữa các loài sinh vật,... Ứng dụng công nghệ DNA tái tổ hợp giúp tiết kiệm được chi phí cũng như phù hợp với các nguyên lí về đạo đức sinh học trong việc sử dụng sinh vật để nghiên cứu, sản xuất.
2. Tạo thực vật và động vật biến đổi gene
a. Khái niệm
Sinh vật biến đổi gene (sinh vật chuyển gene) là các sinh vật chứa gene ngoại lai (gene có nguồn gốc từ một cá thể khác, có thể cùng loài hoặc khác loài) trong hệ gene, gene ngoại lai có thể gắn vào những vị trí khác nhau trên nhiễm sắc thể. Ở sinh vật biến đổi gene, gene chuyển phải có mặt trong tất cả các tế bào của cơ thể, được biểu hiện thành protein tái tổ hợp có chức năng sinh học và được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.
Để tạo sinh vật biến đổi gene, người ta áp dụng kĩ thuật chuyển gene. Chuyển gene (biến nạp di truyền) là kĩ thuật biến nạp DNA tái tổ hợp mang gene ngoại lai vào dòng tế bào mô chủ, sau đó cho dòng tế bào mô chủ tái sinh thành sinh vật biến đổi gene.
b. Nguyên lí
Quy trình tạo thực vật và động vật biến đổi gene ngoài việc dựa trên nguyên lí chung của công nghệ gene còn có những nguyên lí đặc trưng.
Để chuyển gene vào cơ thể thực vật, vector được sử dụng phổ biến là Ti plasmid (đã làm mất khả năng gây bệnh) có nguồn gốc từ vi khuẩn đất Agrobacterium tumefaciens. Trên plasmid của vi khuẩn này có một đoạn T-DNA có thể gắn với DNA của tế bào chủ. Bên cạnh đó, để chuyển gene vào thực vật có thể dùng súng bắn gene, chuyển gene trực tiếp qua ống phấn, vi tiêm ở tế bào trần, dùng virus,...
Việc chuyển plasmid tái tổ hợp vào tế bào thực vật có thể tiến hành theo hai phương pháp: (1) biến nạp vào tế bào thực vật nuôi cấy nhờ xung điện, (2) chuyển plasmid tái tổ hợp vào trở lại vi khuẩn A. tumefaciens rồi cho vi khuẩn lây nhiễm vào tế bào thực vật nuôi cấy hoặc trực tiếp vào cây.
Trong chuyển gene ở động vật, người ta có thể dùng phương pháp vi tiêm hoặc sử dụng virus, tế bào trứng, tinh trùng, tế bào gốc phôi,... như một loại vector để chuyển gene. Ở động vật, việc chuyển gene có thể tiến hành ở tế bào soma hoặc tế bào sinh dục, tuy nhiên, hiện nay chỉ mới áp dụng ở tế bào soma vì chuyển gene vào tế bào sinh dục có thể ảnh hưởng đến khả năng sinh sản.
(4) Phân tích sinh vật chuyển gene: Chọn lọc các cơ thể chuyển gene nhờ sử dụng các kĩ thuật như PCR, lai phân tử,...
@9164343@
c. Một số thành tựu
Nhờ kĩ thuật chuyển gene, con người đã đưa vào sản xuất nhiều giống thực vật và động vật biến đổi gene mang những tính trạng có giá trị như tăng khả năng kháng bệnh, chống chịu với các điều kiện bất lợi; có năng suất và chất lượng sản phẩm cao; có thể sản xuất các loại thuốc chữa bệnh cho con người. Ví dụ:
- Ở thực vật: Tạo giống cà chua chuyển gene kháng virus, giống lúa vàng chuyển gene tổng hợp B-carotene, sâm đất chuyển gene sản xuất nhóm chất flavonoid được dùng để điều trị bệnh,...
- Ở động vật: Tạo giống cừu chuyển gene tổng hợp được huyết thanh và a-1-antitrypsin (một loại protein có chức năng bảo vệ phổi khỏi sự tác động của enzyme) ở người chữa bệnh khí thủng phổi (emphysema); dê chuyển gene sản xuất sữa chứa protein CFTR chữa bệnh u xơ nang;...