Công nghệ tạo động vật chuyển gen

CHUYÊN ĐỀ

CÔNG NGHỆ TẠO ĐỘNG VẬT
CHUYỂN GEN

THẦY HƯỚNG DẪN: ĐÀO XUÂN TÂN
HỌC VIÊN THỰC HIỆN: NGÔ THỊ HỒNG THUÝ



I. Khái niệm chung
1. Ðộng vật chuyển gen
Ðộng vật chuyển gen là động vật có gen ngoại lai (gen chuyển) xen vào trong DNA genome của nó. Gen ngoại lai này phải được truyền lại cho tất cả mọi tế bào, kể cả các tế bào mầm. Việc chuyển gen ngoại lai vào động vật chỉ thành công khi các gen này di truyền lại cho thế hệ sau.
2. Sự phát triển của khoa học chuyển gen ở động vật
Vào thập kỷ 1970, các thí nghiệm nghiên cứu đã được thực hiện với các tế bào ung thư biểu bì phôi và các tế bào ung thư quái thai để tạo nên chuột thể khảm (Brinster,1974; Mintz và Illmensee, 1975; Bradley, 1984). Trong các động vật thể khảm này, các tế bào nuôi cấy lấy từ một dòng chuột được đưa vào phôi của một dòng chuột khác bằng quần tụ phôi trực tiếp (direct embryo aggregation) hoặc bằng cách tiêm vào phôi ở giai đoạn phôi nang (blastocyst).
Bước phát triển tiếp theo của kỹ thuật chuyển gen được thực hiện bằng cách tiêm retrovirus vào các phôi chuột đã được nuôi cấy trước (Jeanish và Mintz, 1974; Jeanish, 1976). Thông tin di truyền của virus được chuyển một cách hiệu quả vào genome của động vật nhận và sau đó ít lâu kỹ thuật sử dụng retrovirus làm vector cho các đoạn DNA ngoại lai đặc biệt đã được phát triển (Stuhmann, 1984). Sử dụng retrovirus như là vật truyền trung gian đối với việc chuyển gen đã tạo nên hiện tượng khảm ở mức độ cao.
Trong những năm gần đây, một số kỹ thuật tạo động vật chuyển gen khác đã được công bố: phương pháp chuyển gen bằng cách sử dụng tế bào gốc phôi (Grossler,1986), phương pháp chuyển các đoạn nhiễm sắc thể nguyên (ví dụ như chuột “transomic“, Richa và Lo, 1988), chuyển gen trực tiếp vào tinh trùng kết hợp với thụ tinh in vitro (Lavitrano, 1989). Tuy nhiên, phương pháp vi tiêm DNA vào tiền nhân của hợp tử là phương pháp có hiệu quả nhất, được sử dụng rộng rãi nhất để tạo động vật chuyển gen.
Sử dụng phương pháp này, các gen chuyển có chiều dài trên 50 kb của virus, sinh vật tiền nhân , thực vật, động vật không xương sống hoặc động vật có xương sống có thể được chuyển vào genome của động vật có vú và chúng có thể được biểu hiện ở cả tế bào sinh dưỡng và tế bào sinh sản.

II. Công nghệ tạo động vật chuyển gen
Công nghệ tạo động vật chuyển gen là một quá trình phức tạp và ở những loài khác nhau có thể khác nhau ít nhiều nhưng nội dung cơ bản gồm các bước chính sau: tách chiết, phân lập gen mong muốn và tạo tổ hợp gen biểu hiện trong tế bào động vật; tạo cơ sở vật liệu biến nạp gen; biến nạp gen vào phôi động vật; nuôi cấy phôi và cấy truyền hợp tử (đối với động vật bậc cao); phân tích đánh giá tính ổn định và sự biểu hiện của gen lạ và tạo ra dòng động vật chuyển gen gốc một cách liên tục, sản xuất động vật chuyển gen.
Hình 4.1: Sơ đồ tạo động vật chuyển gen
1. Tách chiết, phân lập gen mong muốn và tạo tổ hợp gen biểu hiện trong tế bào động vật
1.1. Tách chiết, phân lập gen mong muốn
Một gen ngoại lai trước khi được chuyển vào genome của tế bào vật chủ để tạo ra động vật chuyển gen phải được phân lập và tinh chế hay nói cách khác là nó phải được tạo dòng. Các công cụ sử dụng để tạo dòng bao gồm các enzyme đặc biệt có hoạt tính cắt và nối DNA (enzyme hạn chế và ligase), các mẫu dò (probe), vector và tế bào vật chủ. Tế bào vật chủ thường được sử dụng là tế bào vi khuẩn E.coli và vector thường được sử dụng là plasmid.
Việc tách chiết một gen riêng lẻ là rất phức tạp bởi vì DNA mẫu chứa hàng triệu gen. Do đó để thực hiện điều này, DNA mẫu chứa gen mong muốn và vector plasmid phải được cắt bởi cùng một loại enzyme hạn chế. Các đoạn DNA mẫu sau khi được cắt có mang gen mong muốn sẽ được xen vào vector plasmid và các đầu của các đoạn DNA mẫu này và các đầu của vector plasmid sẽ được nối với nhau nhờ ligase tạo thành plasmid tái tổ hợp. Sau đó các plasmid tái tổ hợp được biến nạp vào các tế bào vi khuẩn E.coli và các tế bào vi khuẩn tiến hành sinh trưởng.
Vào thời điểm này, các tế bào vi khuẩn chứa plasmid mang gen mong muốn sẽ được phát hiện bằng mẫu dò. Chúng được nuôi cấy trong môi trường thích hợp để sinh trưởng phát triển tạo ra hàng triệu bản sao của vector chứa gen này. Vector chứa gen này sẽ được tách ra khỏi tế bào vi khuẩn và gen mong muốn sẽ được tách chiết. Phương pháp này có thể tạo ra hàng triệu bản sao của gen mong muốn mà không bị nhiễm bởi các gen khác. Gen chuyển có nguồn gốc từ genome này chứa các đoạn exon mã hoá và các đoạn intron không mã hoá (Hình 4.2).
Hình 4.2: So sánh hai dạng gen chuyển
Người ta cũng có thể phân lập được gen mong muốn từ sản phẩm biểu hiện của nó như mRNA hoặc protein. Từ mRNA dưới tác động của enzyme sao chép ngược sẽ tổng hợp ra DNA bổ sung mạch đơn (single strand complement DNA-ss cDNA), tiếp theo là DNA bổ sung mạch kép (double strand complement DNA- ds cDNA). DNA bổ sung (complement DNA- cDNA) này khác với DNA gốc là không chứa các intron mà chỉ bao gồm các exon (Hình 4.2). Hoặc từ sản phẩm protein, có thể suy ra trình tự nucleotid của gen cấu trúc trên cơ sở trình tự các axit amin trong phân tử protein. Sau đó có thể thiết kế cặp mồi (primer) để dò tìm đoạn gen mong muốn.
1.2.Tạo tổ hợp gen chuyển biểu hiện trong tế bào
động vật
Ðể tạo tổ hợp gen chuyển biểu hiện trong tế bào động vật, các vùng chức năng khác nhau của gen có nguồn gốc từ các loài khác nhau có thể được kết hợp lại với nhau trong ống nghiệm bằng cách sử dụng enzyme hạn chế và ligase. Tất cả các thành phần của gen có thể được tách chiết và tái tổ hợp để tạo thành một cấu trúc gen chuyển biểu hiện (Hình 4.3).
Ở các đầu của cấu trúc đầy đủ này có thể được sửa đổi bằng cách bổ sung các trình tự polylinker chứa một số vị trí nhận biết các enzyme hạn chế khác nhau. Trình tự polylinker cho phép có thể xen vào cấu trúc này một vector để kiểm tra và tạo dòng.
Gen chuyển được đi kèm với các trình tự không mã hoá có vai trò điều hoà sự biểu hiện của gen. Các yếu tố điều hoà cũng có thể nằm ở trong đoạn intron. Yếu tố điều hoà ở gần đầu 5’ của gen là promoter, có vai trò quyết định trong việc điều hoà sự biểu hiện của gen.

Promoter ở tế bào động vật có nguồn gốc hoặc từ động vật như methallothionein (MT), thymidine kinase, ß-actin, amylase, insulin, ß-lactoglobulin, adiposite P2 ... hoặc từ virus động vật như Simian virus (SV40), Rous sarcoma virus (RSV)...
Hình 4.3: Sơ đồ cấu trúc gen chuyển biểu hiện
enhancer: gen tăng cường
ATG: vị trí khởi đầu phiên mã
SIG: trình tự tín hiệu
AAA: đuôi polyA
2. Tạo cơ sở vật liệu biến nạp gen
Ở động vật có vú thì giai đoạn biến nạp gen thích hợp nhất là trứng ở giai đoạn tiền nhân (pronucleus), giai đoạn mà nhân của tinh trùng và trứng chưa dung hợp (fusion) với nhau. Ở giai đoạn này tổ hợp gen lạ có cơ hội xâm nhập vào genome của động vật nhờ sự tái tổ hợp DNA của tinh trùng và của trứng. Do tế bào phôi chưa phân chia và phân hoá nên tổ hợp gen lạ được biến nạp vào giai đoạn này sẽ có mặt ở tất cả các tế bào kể cả tế bào sinh sản của động vật trưởng thành sau này.
Ðối với động vật có vú, trứng chín được thu nhận bằng phương pháp sử dụng kích dục tố theo chương trình đã được xây dựng cho mỗi loài hoặc bằng phương pháp nuôi cấy trứng trong ống nghiệm. Sau đó thụ tinh nhân tạo để tạo ra trứng tiền nhân.
Ðối với cá, giai đoạn biến nạp thích hợp là phôi ở giai đoạn 1-4 tế bào. Giai đọan này được tạo ra bằng thu nhận trứng, tinh dịch bằng phương pháp sử dụng kích dục tố (kích thích tố trong nhau thai của người (HCG) hoặc não thuỳ thể cá chép...), rồi thụ tinh nhân tạo.

3. Chuyển gen vào động vật

Hiện nay có nhiều phương pháp khác chuyển gen nhau đang được sử dụng để tạo động vật chuyển gen: vi tiêm, chuyển gen bằng cách sử dụng các tế bào gốc phôi, chuyển gen bằng cách sử dụng vector virus...
4. Nuôi cấy phôi trong ống nghiệm (đối với động vật bậc cao)
Tế bào trứng tiền nhân sau khi vi tiêm được nuôi cấy trong ống nghiệm để phát triển đến giai đoạn phôi dâu (morula) hoặc túi phôi (blastocyst). Ở giai đoạn này màng trong (pellucida) bị bong ra và phôi có thể làm tổ được ở dạ con. Những phôi này được cấy chuyển vào con nhận đã được gây chửa giả (pseudopregnant) để phát triển thành cá thể con.
Ðối với động vật bậc thấp như cá không cần giai đoạn này.
Tuy nhiên ở cá, trứng sau khi thụ tinh màng thứ cấp (chorion) dày lên, rất dai và dính gây trở ngại cho việc định vị chính xác mũi kim tiêm vào vị trí mong muốn để có thể đưa được DNA vào trứng (Hình 4.4A). Mặt khác giai đoạn phôi một tế bào ở cá rất ngắn trong khi đó việc vi tiêm đòi hỏi nhiều thao tác tỉ mỉ và chính xác. Ðể khắc phục các nhược điểm này, người ta có thể tiến hành loại màng thứ cấp (Hình 4.4B), kéo dài giai đoạn phôi 1-4 tế bào và ấp nhân tạo phôi trần để tạo cá bột.

Hình 4.3: Trứng cá chạch (Misgurnus anguillicaudatus) trước và sau khi khử màng thứ cấp (chorion)

A
B
A.Trứng cá chạch chưa khử màng thứ cấp
B.Trứng cá chạch đã được khử màng thứ cấp
5. Kiểm tra động vật được sinh ra từ phôi chuyển gen
Ðể khẳng định động vật có được chuyển gen lạ vào hay không, người ta phải kiểm tra xem gen lạ có xâm nhập được vào bộ máy di truyền của động vật trưởng thành hay không và sản phẩm của gen lạ có được tổng hợp ra hay không.
Ðối với vấn đề thứ nhất người ta sử dụng phương pháp lai phân tử trên pha rắn (Southern blot, Northern blot...) hoặc PCR.
Ðối với vấn đề thứ hai, sản phẩm của gen lạ được đánh giá ở hai mức độ: phiên mã và dịch mã. Sản phẩm phiên mã được đánh giá bằng phương pháp RT-PCR, sản phẩm dịch mã được đánh giá bằng phương pháp Western blot, ELISA hoặc kỹ thuật miễn dịch phóng xạ (RIA) để phát hiện protein lạ trong động vật.
Theo dõi các thế hệ sau của động vật chuyển gen (F1, F2, F3, ...) để xác định gen lạ có di truyền hay không.
6. Tạo nguồn động vật chuyển gen một cách liên tục

Sau khi kiểm tra thấy gen ngoại lai đã được di truyền ổn định, tiến hành lai tạo và chọn lọc để tạo dòng động vật chuyển gen.
III. Một số thành tựu trong lĩnh vực tạo động vật chuyển gen:

Bằng kỹ thuật vi tiêm DNA vào tiền nhân người ta đã tạo ra nhiều động vật chuyển gen như chuột, thỏ, lợn, cừu, bò, gà, cá... Tuy nhiên, sự thành công này đã bị hạn chế bởi sự tốn kém, mất nhiều thời gian, khó khăn về kỹ thuật, không hiệu quả của phương pháp này khi áp dụng đối với các loài động vật ngoại trừ chuột. Ðối với cừu và trâu bò thì việc cung cấp trứng là rất hạn chế. Một vấn đề nữa là ở động vật nuôi chỉ khoảng 1% hợp tử vi tiêm phát triển thành động vật chuyển gen, trong khi đó ở chuột là 10%.
2. 1. Chuột chuyển gen
Vào năm 1982, Palmiter và Brinster đã thành công trong việc tạo ra động vật chuyển gen đầu tiên trên thế giới, bằng cách chuyển gen của loài chuột này sang phôi loài chuột khác. Gen chuyển đã biểu hiện ở chuột chuyển gen và các thế hệ con cháu của chúng.
Hình 4.6:
Chuột chuyển gen horrmone sinh trưởng
(bên phải)
và chuột đối chứng (bên trái)
2. 2. Thỏ chuyển gen
Việc tạo ra thỏ chuyển gen thành công đã được công bố vào năm 1985 với gen chuyển là hormone sinh trưởng có cấu trúc MT-hGH (Hammer, 1985; Brem, 1985).
Vào năm 2001, Eduardo Kac, giáo sư thuộc Học viện Nghệ thuật Chicago, Mỹ đã kết hợp với các nhà Di truyền học Pháp đã tạo một con thỏ chuyển gen có khả năng phát ra ánh sáng màu lục ở trong tối bằng cách vi tiêm gen mã hoá protein huỳnh quang màu xanh lá cây có nguồn gốc từ sứa vào hợp tử thỏ (Hình 4.7).
Hình 4.7: Elba, thỏ chuyển gen protein
huỳnh quang màu xanh lá cây
2. 3. Lợn chuyển gen
Khác với chuột, các hợp tử của lợn phải được ly tâm để nhìn thấy tiền nhân. Sau khi ly tâm, khoảng 50% hợp tử phát triển in vivo đến giai đoạn phôi dâu (morula) hoặc phôi nang (blastocyst). Các hợp tử vi tiêm, 10 - 20% phát triển đến các giai đoạn phôi khác nhau. Trong số các hợp tử vi tiêm thì 5,6 - 11% số hợp tử đã phát triển và tạo thành lợn con. Tỉ lệ hợp nhất gen ngoại lai vào DNA của con chủ là khoảng 10%. Các gen hormone sinh trưởng sử dụng trong các thí nghiệm đầu tiên đã cho tỉ lệ biểu hiện 50%.
Hình 4.8: Lợn chuyển gen siêu nạc
2.4. Khỉ chuyển gen
Bằng phương pháp vi tiêm tinh trùng mang plasmid tái tổ hợp một cách trực tiếp vào tế bào chất của trứng (intracytoplasmic sperm injection =ICSI), các nhà khoa học thuộc Trường Ðại học Khoa học Sức khoẻ Oregon, Mỹ đã tạo ra các phôi biểu hiện gen chuyển ở khỉ rhesus. Plasmid tái tổ hợp được sử dụng trong thí nghiệm bao gồm gen marker mã hoá protein huỳnh quang màu xanh lá cây GFP (green fluoenscent protein) kết hợp với promoter CMV (cytomegalovirus). Gen GFP được tách chiết lần đầu tiên từ các con sứa có màu sắc sặc sỡ và là gen được các nhà nghiên cứu ưa chuộng vì khi GFP được tạo ra với số lượng đầy đủ chúng sẽ phát ra ánh sáng màu xanh. Các phôi biểu hiện GFP đã được tạo ra bằng phương pháp ICSI mặc dù không thông qua thụ tinh nhân tạo. Tinh trùng của khỉ rhesus vẫn mang plasmid tái tổ hợp sau khi vi tiêm vào trong khỉ thành thục sinh dục. Sự biểu hiện GFP thể khảm đã được phát hiện ở giai đoạn 1-4 tế bào. Số lượng tế bào phôi và tỉ lệ % phôi biểu hiện ngày càng tăng lên trong sự phát sinh phôi cho tới giai đoạn túi phôi. Cả khối tế bào phôi bên trong và ngoại phôi bì dinh dưỡng (trophectoderm) đều cho thấy huỳnh quang màu xanh của GFP.
Hình 4.10: ANDi - chú khỉ rhesus
chuyển gen được chào đời
vào ngày 2 tháng 10 năm 2000
2. 5. Gà chuyển gen
Gà chuyển gen được phát triển nhằm các mục đích chủ yếu: phát triển, cải tiến các phương pháp và kỹ thuật thí nghiệm; sản xuất dược phẩm và các protein khác trong trứng để sử dụng trong y học người và vật nuôi; nhận biết và khai thác các tính trạng sinh học có lợi cho sản xuất thịt gia cầm; nghiên cứu sự phát triển phôi.
Hình 4.9: Gà chuyển gen để nghiên
cứu quá trình phát triển phôi








2.6. Cá chuyển gen
Có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển gen cho động vật nói chung và cá nói riêng. Phương pháp có hiệu quả nhất là vi tiêm trực tiếp DNA vào phôi.
Inoue (1992) đã chuyển gen vào phôi và cá bột thành công bằng phương pháp xung điện. Zuoyan Zhu (1993) c ũng đã thành công trong việc chuyển gen ngoại lai vào cá bằng phương pháp biến nạp bằng xung điện : tổ hợp gen MThGH được chuyển vào trứng cá thụ tinh đã được loại bỏ màng chorion. Thông số biến nạp tối ưu là 250V / 22 µF / 20Ω / 1ms. Kết quả đạt được là khoảng 10% số trứng nở và phát triển cá thành cá chạch chuyển gen. Muller và cộng sự (1993) đã dùng gen luciferase đom đóm và lacZ của E. coli, cả hai gen này đều được gắn với promoter CMV-IE1, để chuyển vào trứng thụ tinh đã loại bỏ màng chorion của cá trê Châu Phi và cá mú vằn bằng phương pháp xung điện. Kết quả đạt được khoảng 25 - 50% phôi đã phát triển thành cá chuyển gen.







4.13:
Sơ đồ qui trình
tạo cá mang
gen hormone
sinh trưởng
bằng vi tiêm

Hình 4.14: Cá chép (Common carp) chuyển gen hormone sinh trưởng
Hình 4.15: Cá trê Châu Phi (Channel catfish) chuyển gen hormone sinh trưởng
Hình 4.16: Cá hồi chuyển gen hormone sinh trưởng (phải)
và cá hồi đối chứng (trái)