Title 5. ỨNG DỤNG DI TRUYỀN HỌC.docx ✅

CHUYÊN ĐỀ 5: ỨNG DỤNG DI TRUYỀN HỌC CHỦ ĐỀ I. HỆ GEN, CÔNG NGHỆ GEN VÀ ỨNG DỤNG A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT I. KHÁI NIỆM HỆ GENE - Hệ gene là toàn bộ lượng vật chất di truyền trong tế bào của sinh vật. - Ở sinh vật nhân sơ, hệ gene là phân tử DNA vòng trong vùng nhân và plasmid - Ở sinh vật nhân thực, hệ gene gồm tập hợp phân tử DNA trên nhiễm sắc thể trong nhân tế bào và trong các bào quan như ti thể, lạp thể (thực vật) hoặc plasmid (nấm men).  - Hệ gene chứa các gene mã hoá các RNA, protein cần cho các hoạt động sống của sinh vật.  II. THÀNH TỰU VÀ ỨNG DỤNG CỦA VIỆC GIẢI MÃ HỆ GENE NGƯỜI 1. Một số thành tựu của việc giải trình tự hệ gene người - Dự án giải trình tự hệ gene người được khởi động vào năm 1990 và kết thúc vào năm 2003. - Mục tiêu của dự án là xác định bản đồ gene đầy đủ của hệ gene người, từ đó biết được vị trí và chức năng của hầu hết các gene của người. - Đến năm 2022, hệ gene người được giải trình tự hoàn chỉnh với kích thước 3 055 triệu cặp nucleotide, với 63494 gene, trong đó có 19696 gene mã hoá protein. - Trên thế giới, nhiều phiên bản hệ gene người ở các đối tượng khác nhau đã được giải trình tự. - Bên cạnh hệ gene trong nhân, hệ gene ti thể cũng đã được giải trình tự trên nhiều cá thể người khoẻ mạnh cũng như người mắc bệnh di truyền.  2. Một số ứng dụng của việc giải trình tự hệ gene người a. Nghiên cứu tiến hoá  Thông tin di truyền từ hệ gene người được ứng dụng trong nghiên cứu sự tiến hoá loài người. b. Bảo vệ sức khoẻ con người  - Trình tự hệ gene người được sử dụng để phát hiện các đột biến gene gây bệnh di truyền, từ đó đưa ra phương pháp điều trị thích hợp. - Liệu pháp gene được sử dụng để đưa gene lành mã hoá ADA vào cơ thể người bệnh giúp tế bào miễn dịch hoạt động bình thường.  - Các thông tin về các đột biến có thể được sử dụng trong tư vấn di truyền, giúp các cặp vợ chồng đưa ra quyết định phù hợp về các lựa chọn sinh con. - Một số loại thuốc điều trị ung thư tác động đến gene hoặc protein để tiêu diệt hoặc ức chế tế bào ung thư đã được phát triển nhờ thành tựu giải mã hệ gene người.
2 III. CÔNG NGHỆ DNA TÁI TỔ HỢP 1. Khái niệm công nghệ DNA tái tổ hợp - DNA tái tổ hợp gồm một gene (gene chuyển) và DNA dùng làm vector. - Công nghệ DNA tái tổ hợp (công nghệ gene) 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.  2. Nguyên lí của công nghệ DNA tái tổ hợp Công nghệ DNA tái tổ hợp được thực hiện dựa trên 2 nguyên lý: (1) Nguyên lý tái tổ hợp DNA là sự dung hợp giữa 2 hay nhiều đoạn DNA gắn với nhau tạo thành phân tử DNA tái tổ hợp. (2) Nguyên lý biểu hiện gene: Là thông tin mã hóa cho trình tự amino acid trên gene được biểu hiện thành protein trong tế bào sống thông qua cơ chế phiên mã và dịch mã. 3. Các bước của công nghệ DNA tái tổ hợp Bước 1. Tách dòng vector và gene cần chuyển/gene ngoại lai - Tách đoạn DNA/gene mã hoá protein mong muốn/ngoại lai (lấy từ tế bào cho hoặc tổng hợp nhân tạo) - Tách lấy vetor từ nhiều nguồn khác nhau như: plasmid từ vi khuẩn (phổ biến nhất), DNA của virus (phage), nhiễm sắc thể nhân tạo ở nấm men,... Bước 2. Tạo DNA tái tổ hợp Các loại enzyme: - Enzyme cắt giới hạn (restrictase/endonuclease): cắt hai mạch của phân tử DNA của tế bào cho/DNA ngoại lai/ gene ngoại lại và thể truyền (vector)→ tạo đầu dính (có trình tự nucleotide bổ sung) - Enzyme nối (ligase): nối DNA tế bào cho với thể truyền → DNA tái tổ hợp (DNA TTH ) Bước 3. Chuyển DNA tái tổ hợp vào tế bào nhận Có hai phương pháp được sử dụng để chuyển DNA tái tổ hợp vào tế bào chủ: - Phương pháp biến nạp: dùng muối CaCl 2 hoặc xung điện để làm dãn 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. 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. Biểu hiện gene và phân tích biểu hiện gene Tế bào chủ/TB nhận mang DNA tái tổ hợp được nuôi cấy trong môi trường thích hợp nhằm tạo điều kiện cho gene chuyển được biểu hiện → sản phẩm mRNA hay protein tái tổ hợp (mRNA hay protein tái tổ hợp được tách chiết từ các dòng tế bào chủ và được kiểm tra bằng phương pháp điện di. 4. Một số thành tựu của công nghệ DNA tái tổ hợp - Công nghệ DNA tái tổ hợp được sử dụng để tạo các sinh vật chuyển gene mang các tính trạng tốt như có năng suất và giá trị dinh dưỡng cao, sức chống chịu tốt hơn với các yếu tố môi trường vô sinh cũng như hữu sinh bất lợi. Ví dụ: Giống ngô NK66Bt/GT là giống được chuyển gene Bí và gene GT nên có khả năng kháng sâu đục thân và kháng thuốc diệt cỏ. - Công nghệ DNA tái tổ hợp giúp chuyển gene mã hoá insulin của người vào vi khuẩn E. coli. Vi khuẩn E. coli tái tổ hợp có thể sản xuất lượng lớn insulin dùng trong điều trị bệnh tiểu đường. (Năm 1979, công ty Eli Lilly đã sản xuất và bán ra thị trường thuốc insulin người được tạo ra nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp. Gene quy định hormone
3 insulin của người đã được tách chiết và loại bỏ intron, sau đó được gắn vào vector là plasmid rồi chuyển vào tế bào vi khuẩn. Vi khuẩn chuyển gene đã sản xuất được hormone insulin của người. Sau đó, sản phẩm của gene được tách chiết từ các tế bào vi khuẩn và được xử lí hóa học để tạo ra insulin có chức năng điều trị bệnh tiêu đường.) - Công nghệ DNA tái tổ hợp giúp sản xuất vaccine phòng bệnh viêm gan B, vaccine phòng bệnh do virus gây u nhú ở người (HPV), vaccine phòng bệnh COVID-19,... Một số loại kháng thể đơn dòng dùng điều trị giảm đau và sung do viêm khớp, điều trị ung thư vú, ung thư hạch không Hodgkin, bệnh bạch cầu lympho mạn tính cũng được sản xuất nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp.  - Công nghệ DNA tái tổ hợp giúp chữa trị các rối loại di truyền. Ví dụ: Bệnh suy giảm miễn dịch thể kết hợp trầm trọng (SCID) do đột biến gene mã hoá enzyme adenosine deaminase (ADA) được chữa khỏi bằng cách đưa gene lành vào cơ thể người bệnh nhờ công nghệ DNA tái tổ hợp → giúp chữa trị các rối loại di truyền. IV. THỰC VẬT VÀ ĐỘNG VẬT BIẾN ĐỔI GEN 1. Khái niệm sinh vật biến đổi gen Sinh vật biến đổi gen là các sinh vật có hệ gene đã được biến đổi (chứa gene ngoại lai – gene mới) trong hệ gene, được tạo ra nhờ kĩ thuật chuyển gene. Nguyên lý tạo động vật và thực vật biến đổi gene: Tạo thực vật và động vật chyển gene đều dựa trên công nghệ DNA tái tổ hợp. Tuy vậy, để tạo động vật chuyển gene cần có thêm công nghệ thụ tinh nhân tạo, còn tạo cây chuyển gene cần thêm công nghệ nuôi cấy tế bào để tái sinh tế bào chuyển gene thành cây chuyển gene 2. Tạo thực vật biến đổi gene a) Nguyên lí: - Thực hiện theo nguyên lí chung tạo sinh vật biến đổi gene. - Đối với thực vật, vector tái tổ hợp thường được biến nạp vào vi khuẩn A. tumefaciens hoặc A. rhizogenesis, sau đó vi khuẩn Agrobacterium được cho lây nhiễm vào tế bào thực vật nhận gene. - Vector tái tổ hợp cũng có thể được chuyển vào tế bào thực vật bằng phương pháp trực tiếp như súng bắn gene, xung điện, qua ống phấn, ..  b) Thành tựu: - Tạo ra các loại cây trồng biến đổi gene có khả năng kháng sâu, bệnh, thuốc diệt cỏ. Ví dụ: giống bông Bt biến đổi gene có khả năng tạo ra độc tố Bt và kháng một số loại sâu. - Sản xuất vaccine dựa trên thực vật: Một số cây trồng như khoai tây, cà chua được chuyển gene mã hoá protein kháng nguyên của virus, từ đó sản phẩm được sử dụng trực tiếp hoặc làm nguyên liệu sản xuất vaccine.  - Thực vật chuyển gene được sử dụng để sản xuất các loại protein dùng trong công nghiệp hoặc y học. 3. Tạo động vật biến đổi gene a) Nguyên lí: - Thực hiện theo nguyên lí chung tạo sinh vật biến đổi gene. - Đối với động vật, vector tái tổ hợp mang gene ngoại lai được chuyển trực tiếp vào tế bào động vật nhận nhờ phương pháp vi tiêm hoặc gián tiếp nhờ vector có nguồn gốc từ virus (retrovirus, lentivirus,....), tế bào trứng, tinh trùng, tế bào gốc phôi. - Ở động vật có vú, trứng ở giai đoạn tiền nhận thích hợp nhất với sự biến nạp. Phối mang gene ngoại lai sẽ được đưa vào tử cung của con
4 vật mang thai hộ, từ đó sinh ra cả thể động vật chuyển gene  b) Thành tựu: - Tạo ra một số động vật biến đổi gene có một số tính trạng mong muốn như tốc độ sinh trưởng nhanh. Ví dụ: cá hồi chuyển gene mã hoá hormone sinh trưởng - Sử dụng động vật chuyển gene để sản xuất một số hợp chất phục vụ cho y học (ví dụ: bò chuyển gene mã hoá fibrinogen) - Sử dụng các động vật mang DNA tái tổ hợp làm mô hình nghiên cứu một số bệnh ở người. Ví dụ: dùng chuột chuyển gene APP của người để nghiên cứu bệnh Alzheimer,... B. BÀI TẬP VẬN DỤNG PHẦN 1. CÂU HỎI NHIỀU LỰA CHỌN * NHẬN BIẾT Câu 1: Hệ gene của virus là A. DNA hoặc RNA. B. DNA, RNA, protein. C. RNA, protein. D. Nucleocapsite. Câu 2: Hệ gene của vi khuẩn là A. DNA hoặc RNA. B. DNA, RNA, protein. C. DNA, plasmid. D. Nucleocapsite. Câu 3: Hệ gene của Nấm men là A. DNA hoặc RNA. B. DNA và plasmid. C. RNA, protein. D. Nucleocapsite. Câu 4: Hệ gene của thực vật là A. DNA hoặc RNA. B. DNA, RNA, protein C. RNA, protein D. DNA. Câu 5: Giải mã trình tự toàn bộ các phân tử DNA của tế bào giúp tìm ra được A. thành phần hóa học của hệ gene. B. trình tự các nucleotid trên phân tửu DNA trong hệ gene. C. cấu trúc không gian và chức năng của DNA. D. thành phần cấu trúc của mỗi loại nucleotid. Câu 6: Quy trình tạo ra những tế bào hoặc sinh vật có gene bị biến đổi, có thêm gene mới, từ đó tạo ra các cơ thể với những đặc điểm mới được gọi là A. công nghệ tế bào. B. công nghệ sinh học. C. công nghệ gene. D. công nghệ vi sinh vật. Câu 7: Một trong các ứng dụng của việc giải mã trình tự hệ gene của người? A. vector chuyển gene. B. Nghiên cứu sự tiến hóa của loài người C. gene đột biến. D. Tạo DNA tái tổ hợp. Câu 8: Enzyme nối sử dụng trong kĩ thuật tạo DNA tái tổ hợp có tên là A. restrictase. B. ligase. C. DNA-pôlimerase. D. RNA-pôlimerase. Câu 9: Plasmid là DNA vòng, mạch kép có trong A. nhân tế bào các loài sinh vật. B. nhân tế bào tế bào vi khuẩn. C. tế bào chất của tế bào vi khuẩn. D. nhân, ti thể, lục lạp. Câu 10: Tập hợp đầy đủ tất cả trình tự DNA của một sinh vật được gọi là A. gene. B. nhiễm sắc thể. C. vốn gene. D. hệ gene. Câu 11: Trong công nghệ gene, phân tử DNA hình thành từ sự nối hai hay nhiều đoạn DNA cùng nguồn hoặc khác nguồn gọi là A. thao tác trên gene. B. công nghệ tạo DNA tái tổ hợp. C. kĩ thuật chuyển gene. D. thao tác trên plasmid. Câu 12: Một trong những đặc điểm rất quan trọng của các chủng vi khuẩn sử dụng trong công nghệ gene là A. có tốc độ sinh sản nhanh. B. dùng làm vector thể truyền. C. có khả năng xâm nhập và tế bào. C. phổ biến và không có hại.