Nội dung

GIÁO TRÌNH SINH HỌC BIẾN ĐỔI GEN 1 Chương 1 Các vector sử dụng trong công nghệ chuyển gen ở động vật và thực vật I. Vector Trong sinh học, vector là một phân tử DNA có khả năng mang một đoạn DNA ngoại lai và khi xâm nhập vào loại tế bào chủ thích hợp thì có khả năng tự tái bản không phụ thuộc vào sự sao chép của hệ gen tế bào chủ. Nói cách khác, vector là một phương tiện truyền thông tin di truyền trong cơ thể hoặc giữa các cơ thể khác nhau. Tế bào chủ thường được sử dụng là vi khuẩn E.coli. Phần lớn các vector là các phân tử DNA dạng vòng nhỏ (plasmid) hoặc là bacteriophage. Vector có thể được cắt ở một vị trí xác định bằng một enzym hạn chế và được nối với một đoạn DNA tương hợp khác được cắt bởi cùng enzym. Trong tạo dòng phân tử, vector là rất cần thiết bởi vì thực tế cho thấy rằng một đoạn DNA chứa gen không thể làm gì trong tế bào chủ. Vì nó không phải là một bộ phận của genome bình thường của tế bào, cho nên nó sẽ không được tái bản khi tế bào phân chia, không được biểu hiện và có khả năng bị phân huỷ khá nhanh. Trong kỹ thuật di truyền, vector là công cụ có khả năng nghiên cứu genome người và genome các loài khác và sự sử dụng chúng trong nghiên cứu đang trở nên ngày càng phổ biến một cách rộng rãi. II. Các đặc tính của vector - Vector phải đủ lớn để mang DNA ngoại lai nhưng không quá lớn. - Vector phải chứa các trình tự kiểm soát (control sequences) như khởi điểm tái bản (origin of replication), promoter. 2 - Vector phải mang một hoặc nhiều vị trí nhận biết của enzym hạn chế. - Vector phải mang các gen marker chọn lọc (thường là các gen kháng chất kháng sinh). Vì vậy các tế bào chứa chúng có thể được phát hiện một cách dễ dàng. III. Các bước trong tạo dòng phân tử - Nối vector và đoạn DNA ngoại lai cần được tạo dòng trong ống nghiệm để tạo DNA tái tổ hợp nhờ sự xúc tác của enzym ligase. - Biến nạp DNA tái tổ hợp vào một dòng tế bào chủ. Chọn lọc thể biến nạp trên môi trường agar trong đĩa petri có chất kháng sinh. - Tách dòng DNA tái tổ hợp bằng cách sử dụng mẫu dò (probe). IV. Các vector sử dụng để chuyển gen ở động vật và thực vật 1. Các vector sử dụng để chuyển gen ở động vật 1.1. Vector sử dụng để thêm gen Phần lớn các vector sử dụng hiện nay để tạo động vật chuyển gen bằng cách thêm gen được xây dựng để được hợp nhất vào genome. Các phương pháp đang được sử dụng hoặc nghiên cứu để tăng tần số hợp nhất của gen ngoại lai hoặc duy trì chúng như là các nhiễm sắc thể nhỏ độc lập. 1.1.1. Vector thẳng tối thiểu (Minimum linear vectors) Ở đại đa số trường hợp, các nhà nghiên cứu sử dụng các đoạn genome chứa một hoặc hai gen hay chuẩn bị các cấu trúc gen hoạt động chức năng từ các yếu tố khác nhau. Các đoạn của vector chứa các vùng phiên mã và điều hòa từ plasmid. Thực vậy, các vector vòng hợp nhất với tần số thấp hơn nhiều so với các đoạn DNA thẳng và trình tự plasmid thường phá hủy các gen chuyển đã liên kết. Ðiều này đúng đối với các vector khác nhau như plasmid, cosmid, phage, BAC và YAC. Tuy nhiên một số nghiên cứu cho thấy rằng vector BAC vòng hợp nhất vào genome với hiệu quả giống như bản sao mạch thẳng của chúng. Nói cách khác, các vector mang các đoạn 3 Hình 1.1: : Tạo dòng bằng vector plasmid 4 DNA genome dài ít nhạy với hiệu quả câm của các trình tự của prokaryote. Ðiều này là thích hợp nhất nhờ sự hiện diện của các yếu tố cách ly ở các đoạn genome dài hoặc nhờ một hiệu quả khoảng cách đơn giản. Các đoạn DNA không chứa các trình tự đặc biệt hợp nhất vào genome với tần số tương đối thấp. Một số DNA xen vào tạo ra số động vật chuyển gen nhiều hơn so với các DNA khác. Ðiều này có thể xuất hiện từ sự có mặt của các trình tự trong đoạn xen mà nhận biết thường xuyên các trình tự genome (Hình 1). Một số các đoạn xen vào có thể chứa các trình tự ưu tiên cho sự phiên mã của chúng và sự duy trì của chúng trong phôi, tăng cường sự hợp nhất xảy ra. 1.1.2. Vector chứa các trình tự lặp lại Cơ chế của sự hợp nhất được mô tả ở hình 1 bao hàm sự nhận biết giữa các trình tự của đoạn xen và của genome. Tần số của sự hợp nhất được tăng lên nhờ sự có mặt ở cả hai đầu của các đoạn xen các trình tự lặp lại cao trong genome chủ ngay cả khi chúng bị thoái hóa nhiều hoặc ít. Ở bò, một trình tự có mặt nhiều ở tâm động làm tăng thêm các đoạn xen đã tăng tần số hợp nhất. Ở trường hợp đặc biệt này, các gen chuyển vẫn không hoạt động. Ðiều này là do tâm động là vùng không phiên mã của genome phá hủy gen chuyển. Một phương pháp tương tự đã được tiến hành ở chuột, sử dụng các trình tự Alu. Các trình tự này là các yếu tố lặp lại. Các trình tự Alu chứa 200-300 nucleotid là có nhiều trong genome động vật có vú và đặc biệt là ở các vùng lân cận hoặc ở trong các vùng phiên mã. Một số trình tự Alu được phiên mã bởi RNA polymerase III, làm cho chức năng của RNA không rõ ràng và có thể không tồn tại. Các thí nghiệm đã cho thấy rằng tần số hợp nhất được tăng lên đối với các đoạn xen chứa trình tự Alu. 1.1.3. Vector transposon Transposonlà một đoạn DNA có khả năng tự tái bản một cách độc lập và xen vào một vị trí mới trong cùng nhiễm sắc thể hoặc một nhiễm sắc thể khác (Hình 1.2). Với tiến bộ của kỹ thuật di truyền transposonđã được sửa đổi, thiết kế thành các công cụ di truyền với mục đích đặc biệt. 5 Hình 1.2: Cấu trúc của transposon Kích thước của transposon nói chung là không dài hơn 2kb. Nhiều bản sao của transposon có mặt trong genome tại các vị trí ngẫu nhiên một cách rõ ràng. Transposon được phiên mã thành RNA, RNA được phiên mã ngược thành DNA sợi kép. DNA sợi kép này hợp nhất vào genome với hiệu quả cao. Sự hợp nhất được điều khiển bởi gen transposase mã hóa transposon và các trình tự lặp lại đảo ngược ITR (inverted repeated sequence). Các trình tự lặp lại đảo ngược có mặt ở cả hai đầu của transposon (Hình 1.3). Cơ chế này cho phép transposon trải rộng ra một cách nhanh chóng và tỏa khắp genome, bao gồm cả sự bất hoạt gen trong một số trường hợp. Sự lan tỏa của transposon bị giới hạn bởi cơ chế tế bào làm bất hoạt sự phiên mã của transposon. Transposon là vector có tiềm năng đối với sự hợp nhất gen ngoại lai vào genome. Ðể làm được điều này, một phần lớn vùng phiên mã của transposon bị mất đi, tạo ra khoảng trống đối với gen ngoại lai và ngăn cản transposon trải rộng một cách tự chủ và không kiểm soát trong genome. DNA tái tổ hợp chứa gen ngoại lai không có khả năng đặc biệt để tự hợp nhất vào genome. Sự có mặt của gen transposase là cần thiết đối với mục đích này. Tiêm đồng thời transposon mang gen ngoại lai và plasmid vòng có khả năng biểu hiện gen transposase cho phép transposon hợp nhất với hiệu quả có ý nghĩa, khoảng 1-5 % số phôi được tiêm (Hình 1.3). Protocol này được áp dụng trước tiên cho Drosophila, sử dụng transposon P và sau đó đã được sử dụng rộng rãi để tạo sinh vật chuyển gen (Kayser, 1997). Transposon thủy thủ (mariner) đã tỏ ra có hiệu quả đối với tế bào cá medaka, gà và động vật có vú. Các sửa đổi khác nhau của transposon này làm cho nó có thể mang một vector hiệu quả và an toàn đối với liệu pháp gen (Hackett, 2001). 6 Các vector khác được sử dụng để tạo côn trùng chuyển gen như Aedes aegypti hoặc tằm (Tamura, 1999). Gần đây transposon đã được sử dụng để tạo chuột chuyển gen (Dupuy, 2002). Hình 1.3: Sử dụng vector transposon để chuyển DNA ngoại lai Gen transposase được thay thế bằng gen mong muốn. Transposon tái tổ hợp được tiêm vào tế bào. Vector điều khiển sự tổng hợp enzyme gắn (intergrase) được cùng tiêm vào. Transposon được hợp nhất bằng cách sử dụng các trình tự lặp lại đảo ngược ITR của chúng Trong tất cả các trường hợp, transposon và plasmid mã hóa cho transposase phải được tiêm vào tế bào chất của phôi dưới các điều kiện khác nhau tùy thuộc từng loài. Về phương diện này, gà là khác với hầu hết các loài khác. Việc tiêm gen có thể được thực hiện ở giai đoạn phôi một tế bào mà không thể đưa trở lại vào con mẹ nuôi dưỡng như trường hợp đối với thú. Phôi tiêm gen phải được đưa vào noãn hoàng của một trứng không mang phôi. Sau vài tuần ấp trứng dưới các điều kiện được kiểm soát tốt, gà chuyển gen được sinh ra với một tỉ lệ thành công có thể chấp nhận (Shermann, 1998). 7 Vì vậy, vector transposon cho phép tạo ra các động vật chuyển gen đối với các loài mà vi tiêm DNA thông thường không thành công. Vector này cũng được xem là an toàn. Vector transposon thủy thủ ngay cả khi thiếu gen transsposae của nó cũng có thể tái bản và hợp nhất vào genome chủ với tần số thấp. Ðiều này là do sự có mặt của transposase nội sinh của tế bào chủ. Vấn đề này có thể giới hạn sự sử dụng transposon trong một số trường hợp. Trong khi đó, transposon BAC lợn con đã được sử dụng để tạo ra tằm chuyển gen ổn định hoàn toàn sau một số thế hệ. Transposon chỉ có thể mang các đoạn DNA ngoại lai với chiều dài giới hạn. Các cấu trúc phức tạp được sử dụng để biểu hiện gen ngoại lai rõ ràng cũng là một hạn chế. Ngoài ra các cơ chế tế bào phá hủy transposon có thể ức chế sự biểu hiện của gen chuyển trong một số trường hợp. 1.1.4. Vector retrovirus a. Cấu trúc của retrovirus Retrovirus là loại virus RNA, có vỏ bọc bên ngoài. Sau khi xâm nhiễm, genome virus được sao chép ngược thành DNA sợi kép, hợp nhất vào genome tế bào chủ và biểu hiện thành protein. Retrovirus đặc trưng bởi chu kỳ tái bản của chúng, được mô tả lần đầu tiên vào đầu thập niên 1900 (Ellermann và Bang.O, 1908). Hạt retrovirus có kích thước, hình dạng có thể thay đổi đôi chút nhưng đường kính khoảng 100nm. Vỏ của virus là glycoprotein, tạo thành các gai ở màng (Hình 1.4A). Protein trưởng thành này được chia làm hai loại polypeptid (Hình 1.4B): - Glycoprotein vỏ bên ngoài (SU), kháng nguyên chủ yếu của virus, có chức năng bám vào thụ quan. - Glycoprotein màng (TM), bám vào protein SU ở vỏ, chịu trách nhiệm đối với sự dung hợp màng. 8 A B Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc cắt ngang của retrovirus A. Cấu trúc cắt ngang B. Cấu trúc protein vỏ Bên trong màng là protein cơ bản (MA), không định hình. Protein này bao lấy capsid (CA). CA là protein phong phú nhất trong hạt virus (chiếm khoảng 33 % trọng lượng tổng số), có hình khối 20 mặt. Bên trong capsid là lõi, thường có hình nón, bao gồm: RNA genome, protein nucleocapsid (NC), enzym phiên mã ngược (reverse transcriptase = RT) và enzyme hợp nhất (intergrase = IN). Genome retrovirus bao gồm hai bản sao của phân tử RNA sợi đơn, mạch thẳng, có cap ở đầu 5’ và đuôi poly A ở đầu 3’ (tương đương với mRNA). Genome retrovirus có kích thước khoảng 811kb. Retrovirus được chia làm hai loại là retrovirus đơn giản và retrovirus phức tạp. RNA của retrovirus đơn giản chứa 3 nhóm gen chủ yếu: - Gen gas mã hóa protein lõi, capsid và nucleoprotein. - Gen pol mã hóa enzyme phiên mã ngược và enzyme hợp nhất. - Gen env mã hóa protein trong cấu trúc vỏ của virus. Trật tự của các nhóm gen này ở tất cả các retrovirus là không thay đổi: 5’ – gag – pol – env – 3’ 9 Ngoài ra còn có nhóm gen pro mã hóa enzyme protease viruss. Các retrovirus đơn giản bao gồm hầu hết các virus gây ung thư như viruss bạch cầu chuột Moloney Mo-MLV (Moloney, 1960), virus ung thư tuyến vú chuột (mouse mammary tumor virus = MMTV) (Bittner, 1936 ). Các retrovirus phức tạp, ngoài ba nhóm gen chủ yếu gag, pol và env còn có các gen khác như tat, rev ở HIV-1. Nhóm virus này bao gồm các lentivirus kể cả virus HIV-1, spumavirus, HFV (human foamy virus) và SFV (simian foamy virus). Ở mỗi đầu của genome là các đoạn lặp dài tận cùng (LTR) chứa tất cả các tín hiệu cần thiết cho sự biểu hiện gen của virus. Một đoạn LTR gồm có 3 vùng: U3, R và U5. Vùng U3 bao gồm các yếu tố kiểm soát sự phiên mã, promoter và gen tăng cường (enhancer). Ðây là vùng không mã hóa có kích thước 75-250 nucleotid, là phần đầu tiên của genome được phiên mã ngược, tạo ra đầu 3’ của genome provirus. Vùng R thường là trình tự có kích thước ngắn chỉ khoảng 18-250 nucleotid tạo thành đoạn lặp trực tiếp ở cả hai đầu của genome. Vùng U5 là vùng không mã hóa có kích thước 2001.200 nucleotid tạo nên đầu 5’ của provirus sau khi phiên mã ngược. vùng U5 mang vị trí poly A và cùng với vùng R xác định sự gắn thêm đuôi poly A vào. Cả hai vùng U3 và U5 đều mang vị trí gắn att cần thiết cho sự hợp nhất genome của virus vào genome chủ. Mặt khác, genome virus còn có đoạn dẫn đầu (leader), vị trí bám primer (primer binding site = PBS) và vùng polypurine (polypurine tract = PPT). Ðoạn dẫn đầu không được dịch mã, khá dài, có kích thước khoảng 90-500 nucleotid, xuôi theo vị trí khởi đầu phiên mã, nằm giữa vùng U3 và R, ở phía đầu 5’ của tất cả các virus mRNA. PBT dài 18 nucleotid bổ sung với đầu 3’ của primer tRNA đặc hiệu được virus sử dụng để bắt đầu phiên mã ngược. PTT ngắn chỉ khoảng 10 A hoặc G có chức năng khởi đầu sự tổng hợp sợi (+) trong quá trình phiên mã ngược. Hình 1.5 : Sơ đồ cấu trúc genome của retrovirus