Hệ gene, đột biến gene và công nghệ gene SVIP

I. Hệ gene

1. Khái niệm hệ gene

Hệ gene (genome) 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 (sinh vật nhân sơ, giao tử của sinh vật nhân thực) và hệ gene lưỡng bội (tế bào sinh vật nhân thực).

Các loài sinh vật khác nhau có hệ gene đặc trưng về kích thước hệ gene (được tính bằng hàm lượng DNA) 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 vùng nhân mã hoá cho các phân tử RNA hoặc protein, một số ít trình tự DNA làm nhiệm vụ điều hoà (như trình tự promoter), 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 hệ 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.

2. Thành tựu và ứng dụng của giải mã hệ gene người

Dự án Hệ gene người (Human Genome Project - HGP) 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 người và xác định được số lượng gene cũng như nhiều đặc điểm của hệ gene người.

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 (gồm cả các gene mã hoá và những trình tự không mã hoá), 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: sự thay đổi trong cấu trúc của gene liên quan đến một/một số cặp nucleotide.
• Đột biến điểm: sự thay đổi một cặp nucleotide.
• Thể đột biến: sinh vật mang gene đột biến biểu hiện ra kiểu hình. 

Đột biến gene có thể xảy ra ở nhiều cặp nucleotide và có thể làm thay đổi kiểu hình hoặc không.

2. Các dạng đột biến gene

Dựa trên cơ chế phát sinh đột biến, chia đột biến điểm thành:

• Đột biến thay thế cặp nucleotide.
• Thêm/mất một cặp nucleotide.

Phân loại theo các tiêu chí khác: đột biến trội/lặn, có lợi/hại hay trung tính, có làm thay đổi trình tự amino acid hay không,... 

3. Nguyên nhân và cơ chế phát sinh đột biến gene

a. Nguyên nhân phát sinh đột biến gene

• Xảy ra một cách tự phát: do sai sót trong quá trình nhân đôi DNA.
• Do tác động của các tác nhân đột biến vật lí, hoá học và sinh học: chất 5 - bromouracil (5 - BrU), HNO₂, ethyl methane sulfonate (EMS), tia tử ngoại (UV),...

b. Cơ chế phát sinh đột biến gene

* Đột biến thêm/mất cặp nucleotide

Đột biến tự phát do sai sót trong quá trình tái bản DNA: 

• Một nucleotide được dùng làm khuôn hai lần → mạch mới tổng hợp mới thêm một nucleotide. 
• Một nucleotide không được dùng làm khuôn → mạch mới tổng hợp mất một nucleotide.
• Ở lần tái bản thứ hai, các mạch đột biến trên được dùng làm mạch khuôn → tạo ra DNA con thêm hoặc mất một cặp nucleotide. 

Đột biến do tác động của các tác nhân đột biến: 

• Tia UV làm hai T trên cùng một mạch dính với nhau → khi tế bào sửa chữa thường dẫn đến đột biến thêm hoặc mất một cặp nucleotide.
• Chất độc màu cam (acridine orange) và dioxin chèn vào DNA gây nên đột biến thêm hoặc mất cặp nucleotide.

* Đột biến thay thế cặp nucleotide
Trong quá trình tái bản DNA, một số chất có cấu trúc giống với base bình thường được gắn vào mạch mới tổng hợp có thể gây ra đột biến thay thế nucleotide.

Ví dụ: Chất 5 - bromouracil (kí hiệu B) có thể bắt cặp với adenine dẫn đến đột biến thay thế cặp A – T bằng G – C.

4. Vai trò của đột biến gene

a. Trong nghiên cứu di truyền

Chủ động gây đột biến gene, lai các dòng đột biến → xác định được vai trò, chức năng gene (trội/lặn, đột biến do một gene/hai gene quy định,...).

Ví dụ: Bố mẹ bị bệnh điếc bẩm sinh do đột biến gene lặn nhưng tất cả các con đều có thính lực bình thường → đột biến lặn ở bố mẹ thuộc hai gene khác nhau.

b. Trong chọn giống

Tạo và chọn lọc các thể đột biến để tạo giống mới đáp ứng nhu cầu của con người.

Ví dụ: Đột biến làm xuất hiện bộ ba kết thúc sớm khiến cho chồi cây cải phân nhánh thành các loại súp lơ trắng và súp lơ xanh. 

c. Trong tiến hoá

Đột biến tạo ra các allele mới, cung cấp nguồn nguyên liệu sơ cấp cho quá trình tiến hoá. 

Đột biến gene tạo nên các đặc điểm khác nhau giữa các loài. Ví dụ: Các đột biến làm thay đổi 2 trong số 715 amino acid của gene FOX2 ở các loài linh trưởng làm xuất hiện tiếng nói đặc trưng chỉ có ở loài người.

Đột biến ở một số gene thậm chí có thể dẫn đến hình thành loài mới. Ví dụ: Đột biến làm thay đổi chiều xoắn của vỏ ốc trong chi Bradybaena → ốc đột biến không thể giao phối với ốc bình thường → cách ly sinh sản → hình thành loài mới.

III. Công nghệ gene 

Công nghệ gene

• Là quy trình kĩ thuật sử dụng công nghệ DNA tái tổ hợp để thay đổi kiểu gene và kiểu hình của sinh vật, tạo ra các sản phẩm protein ứng dụng trong thực tiễn.
• Gồm công nghệ DNA tái tổ hợp và công nghệ tạo sinh vật biến đổi gene.

1. Công nghệ DNA tái tổ hợp

a. Khái niệm

Công nghệ DNA tái tổ hợp là quy trình kĩ thuật tạo ra phân tử DNA từ hai nguồn khác nhau (thường từ hai loài) rồi chuyển vào tế bào nhận.

DNA tái tổ hợp gồm một gene (gene chuyển) và DNA dùng làm vector. Đoạn DNA làm vector phải có khả năng tái bản cũng như đảm bảo cho gene chuyển được phiên mã và dịch mã tạo ra sản phẩm protein của gene chuyển trong tế bào nhận.

b. Nguyên lí

Nguyên lí tạo DNA tái tổ hợp là sử dụng các kĩ thuật di truyền tách chiết gene ra khỏi tế bào, kĩ thuật nhân bản gene, kĩ thuật cắt và ghép nối DNA → Mục tiêu: Gene khi đưa vào tế bào nhận tạo ra sản phẩm có chức năng.

Tóm tắt nguyên lí tạo sản phẩm bằng công nghệ DNA tái tổ hợp ở vi khuẩn E. coli: (1) Tạo DNA tái tổ hợp bằng cách cắt và ghép gene chuyển vào plasmid (vector) của vi khuẩn. (2) Plasmid mang gene chuyển được đưa trở lại vào tế bào vi khuẩn. (3) Tế bào vi khuẩn nhân lên hình thành một dòng các tế bào mang gene chuyển. (4) Tiến hành tách chiết dòng vi khuẩn thu được để thu nhận sản phẩm tùy vào mục đích ứng dụng. 

Các bước tạo DNA tái tổ hợp: (1) Sử dụng enzyme giới hạn cắt plasmid tại vị trí xác định, làm lộ ra các đầu dính. (2) Đoạn DNA mang gene cần chuyển được cắt bởi cùng một enzyme, mang đầu dính có trình tự bổ sung sẽ bắt cặp với trình tự đầu dính trên plasmid tạo thành DNA tái tổ hợp. (3) Các nucleotide được nối với nhau bởi enzyme nối DNA ligase. 

c. Một số thành tựu

Công nghệ DNA tái tổ hợp đạt được nhiều thành tựu quan trọng, đặc biệt là tạo ra các dòng vi sinh vật biến đổi gene đem lại nhiều ứng dụng trong nghiên cứu di truyền học và trong đời sống.

• Trong ngành dược phẩm: Sản xuất insulin - một hormone của người bằng cách tách gene quy định hormone đó, loại bỏ intron, gắn plasmid (vector) rồi chuyển vào tế bào vi khuẩn → Vi khuẩn tạo ra hormone insulin → Sử dụng làm thuốc chữa bệnh tiểu đường.

• Trong ngành công nghiệp và bảo vệ môi trường: Vi sinh vật biến đổi gene được sử dụng để sản xuất ethanol từ thực vật, xử lí nước thải, xử lí các hóa chất độc hại, tách chiết các kim loại nặng độc hại, tăng cường thu hồi dầu,...

• Trong nông nghiệp: Vi khuẩn biến đổi gene giúp cây trồng tăng cường hấp thụ nitrogen, ức chế các vi khuẩn và nấm gây bệnh.

2. Tạo thực vật và động vật biến đổi gene

a. Khái niệm

Sinh vật biến đổi gene là sinh vật có hệ gene đã được biến đổi, chủ yếu là có thêm gene mới từ loài khác.

Mục đích: tạo ra những sinh vật có các đặc điểm khác thường, phục vụ các nhu cầu khác nhau của con người.

b. Nguyên lí 

Dựa trên nguyên lí DNA tái tổ hợp, kết hợp với các công nghệ khác để tạo ra tế bào thực vật hoặc hợp tử động vật mang gene chuyển (thường là từ loài khác).

* Nguyên lí tạo động vật biến đổi gene

Sử dụng trứng vừa mới thụ tinh (khi nhân của tinh trùng và trứng chưa hòa nhập) dùng làm tế bào nhận gene chuyển. Khi tế bào trứng đủ lớn để có thể dùng kim tiêm bơm hàng trăm bản sao của gene chuyển vào trong tế bào. Gene chuyển sẽ tích hợp ngẫu nhiên vào hệ gene của tinh trùng hoặc của trứng. Hợp tử chuyển gene sau đó được nuôi cấy thành phôi rồi đưa vào tử cung của "mẹ nuôi" để mang thai và sinh ra cá thể mang gene chuyển.

Quy trình tạo động vật chuyển gene: (1) Gene chuyển được tiêm vào hợp tử khi nhân của tinh trùng và trứng chưa hòa nhập. (2) Hợp tử được nuôi cấy thành phôi sau đó cấy vào con cái mang thai hộ. (3) Dùng kĩ thuật kiểm tra sự có mặt của gene chuyển ở thế hệ con. (4) Lựa chọn các con mang gene chuyển, cho giao phối để tạo dòng thuần chủng.

* Nguyên lí tạo thực vật biến đổi gene

Dựa trên công nghệ DNA tái tổ hợp giống như ở vi khuẩn. Tế bào thực vật có thành tế bào nên việc chuyển DNA tái tổ hợp được thực hiện bằng súng bắn gene hoặc dùng virus. Tế bào chuyển gene sau đó được nuôi cấy thành các cây chuyển gene.

c. Một số thành tựu

* Đối với thực vật

Tạo giống "lúa vàng" có thêm gene tổng hợp tiền chất vitamin A.

Tạo giống cây bông có thêm gene lấy từ vi khuẩn tạo ra độc tố chống lại sâu hại,...

* Đối với động vật

Cừu chuyển gene đã được tạo ra có gene quy định protein antithrombin của người, được tách chiết dùng làm thuốc chống đông máu.

Cá hồi chuyển gene có thêm gene quy định hormone sinh trưởng có tốc độ sinh trưởng cao hơn nhiều so với cá hồi bình thường.

Một số vấn đề khi sử dụng sinh vật biến đổi gene: 

• Nguy cơ phát tán các gene chuyển vào tự nhiên. Ví dụ: Cây trồng có gene kháng thuốc diệt cỏ, kháng côn trùng, kháng virus lai được với các cây hoang dại → Tạo nên "siêu cỏ dại" kháng thuốc diệt cỏ.
• Có thể gây nên những vấn đề về sức khỏe như dị ứng hay các bệnh khác khi sử dụng lâu dài → Một số nơi yêu cầu thực phẩm cần ghi rõ là thực phẩm biến đổi gene.

  

• Ứng dụng công nghệ gene cũng gây quan ngại về vấn đề đạo đức sinh học. Việc sử dụng công nghệ DNA tái tổ hợp để chỉnh sửa hệ gene người được cho là vi phạm đạo đức và đang bị cấm nghiên cứu ở nhiều quốc gia.

1. Hệ gene (genome) là toàn bộ trình tự các nucleotide trên DNA có trong tế bào của cơ thể sinh vật. Mỗi sinh vật có hệ gene đặc trưng về kích thước, số lượng gene và tổ chức hệ gene.

2. Sự thành công của dự án Hệ gene người đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng nhằm bảo vệ sức khoẻ con người, nghiên cứu sự tiến hoá của sinh vật,...

3. Đột biến gene là những biến đổi trong cấu trúc của gene, liên quan đến một cặp nucleotide hoặc một số cặp nucleotide. Các dạng đột biến điểm gồm: mất hoặc thêm một cặp nucleotide, thay thế cặp nucleotide.

4. Đột biến gene có thể phát sinh do sai sót trong quá trình nhân đôi DNA hoặc sự tác động của các tác nhân gây đột biến.

5. Đột biến gene có vai trò quan trọng trong tiến hóa, chọn giống và nghiên cứu di truyền.

6. 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. Nhờ ứng dụng công nghệ DNA tái tổ hợp, con người có thể sản xuất được một lượng lớn các sản phẩm mong muốn (kháng thể, vaccine, enzyme,...).

7. Sinh vật biến đổi gene là các sinh vật chứa gene ngoại lai trong hệ gene, được tạo ra nhờ kĩ thuật chuyển gene. Chuyển gene (biến nạp di truyền) là kĩ thuật biến nạp 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.

8. Một số kĩ thuật chuyển gene:

• Tạo thực vật biến đổi gene: chuyển gene nhờ Ti plasmid, dùng súng bắn gene,...
• Tạo động vật biến đổi gene: vi tiêm, dùng tế bào gốc phôi, dùng tinh trùng làm vector chuyển gene,...

9. Ứng dụng kĩ thuật chuyển gene có thể tạo các giống sinh vật biến đổi gene mang các đặc tính có lợi cho con người như: tạo giống thực vật có khả năng kháng sâu bệnh, thuốc diệt cỏ, chống chịu với điều kiện môi trường bất lợi,...; tạo giống động vật sản xuất các chế phẩm sinh học, thuốc chữa bệnh cho con người,..