Bài 11. Hệ gene, công nghệ gene và ứng dụng (LT) ThS. Nguyễn Ngọc Cảnh Tel (Zalo): 0358.969.708 – Email:
[email protected] 01 Chủ đề 3: Ứng dụng di truyền học I. HỆ GENE 1. Khái niệm hệ gene - Hệ gene (genome) 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 NST trong nhân tế bào và trong các bào quan như ti thể, lạp thể (thực vật) hoặc plasmid (nấm men).) - Đặc điểm: + 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. + Các loài sinh vật nhân sơ có kích thước hệ gene và số lượng gene nhỏ hơn các loài sinh vật nhân thực, kích thước hệ gene cũng có sự biến động giữa các sinh vật trong cùng một nhóm loài. + Hệ gene chứa các gene mã hoá RNA, protein. Phần lớn gene ở sinh vật nhân thực không mã hóa cho các phân tử RNA hoặc protein. 2. Thành tựu và ứng dụng của giải mã hệ gene người a) Dự án hệ gene người - Dự án giải trình tự hệ gene người được khởi động vào năm 1990 và kết thúc vào năm 2003 (~ 92% hệ gene ngưởi được xác định). - Mục tiêu: 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. b) Ứng dụng của giải mã hệ gene người Lĩnh vực Thành tựu và ứng dụng Ví dụ Nghiên cứu tiến hoá - So sánh trình tự nucleotide trong hệ gene của nhiều loài sinh vật có thể cho biết mối quan hệ tiến hoá giữa các loài, tiến hoá loài người. - Các loài có cấu trúc hệ gene càng giống nhau thì càng có quan hệ họ hàng gần gũi vì chúng mới được phân tách chưa có nhiều thời gian tích luỹ đột biến tạo nên sự khác biệt lớn. So sánh thông tin từ hệ gene người hiện đại với các hệ gene người cổ → mối quan hệ họ hàng giữa người hiện đại với người Neanderthal, Denisovans, H. heidelbergensis, H. ecratus. Y học và bảo vệ sức khoẻ - Phát hiện các đột biến gene gây bệnh di truyền, qua đó đưa ra biện pháp phòng và trị bệnh, tư vấn di truyền. - Giải trình tự hệ gene của mỗi người có thể biết được người này mang loại gene ung thư nào để lựa chọn sử dụng thuốc đặc trị ức chế sản phẩm của gene đó (thuốc hướng đích), làm tăng hiệu quả điều trị. - Người mang gene đột biến sẽ được tư vấn các thông tin về bệnh, khả năng mắc bệnh ở thế hệ sau, từ đó người mang gene bệnh đưa ra các quyết định kết hôn, sinh con phù hợp. Bài 11 \ HỆ GENE, CÔNG NGHỆ GENE VÀ ỨNG DỤNG
Bài 11. Hệ gene, công nghệ gene và ứng dụng (LT) ThS. Nguyễn Ngọc Cảnh Tel (Zalo): 0358.969.708 – Email:
[email protected] 02 Lĩnh vực Thành tựu và ứng dụng Ví dụ - Phát triển thuốc Phát hiện oncogene → Phát triển thuốc chứa tyrosine kinase có khả năng nhận biết protein sinh ra bởi oncogene điều trị ung thư máu. - Ứng dụng trong ngành pháp y. Ứng dụng trong ngành pháp y để tìm ra thủ phạm trong các vụ án, danh tính nạn nhân trong các vụ tai nạn hoặc xác định mối quan hệ họ hàng. II. CÔNG NGHỆ GENE VÀ ỨNG DỤNG 1. Công nghệ DNA tái tổ hợp a) Khái niệm - DNA tái tổ hợp là phân tử DNA hình thành từ sự nối hai hay nhiều đoạn DNA cùng nguồn hoặc khác nguồn. - Công nghệ DNA tái tổ hợp (công nghệ gene) là quy trình kĩ thuật dựa trên nguyên lí tái tổ hợp DNA và nguyên lí biểu hiệu gene, tạo ra các phân tử DNA tái tổ hợp và protein tái tổ hợp b) Nguyên lí (1) Nguyên lí tái tổ hợp DNA: Thu nhận đoạn DNA → Sử dụng cùng loại enzyme giới hạn (restriction endonuclease/restrictase xúc tác cắt DNA tại những vị trí nhận biết đặc hiệu) cắt đoạn DNA ngoại lai và vector → Gắn đoạn DNA ngoại lai vào vector nhờ enzyme nối (DNA ligase) để tạo vector tái tổ hợp → Đưa vector tái tổ hợp vào tế bào nhận bằng biến nạp hoặc tải nạp. - Vector tái tổ hợp là vector nhân dòng mang đoạn DNA ngoại lai có thể xâm nhập vào tế bào nhận và nhân lên độc lập hoặc cài đoạn DNA ngoại lai vào NST của tế bào nhận. - Biến nạp: dùng muối CaCl2 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. - Tải nạp: cho thể thực khuẩn (virus xâm nhiễm vi khuẩn) mang gene cần chuyển xâm nhập vào tế bào vật chủ. (2) Nguyên lí biểu hiện gene: DNA ngoại lai được gắn vào vector biểu hiện (vector chứa các trình tự điều hoà cho phép gene được biểu hiện tạo sản phẩm) và đưa vào tế bào nhận, gene được biểu hiện tạo RNA hoặc protein tái tổ hợp. c) Một số thành tựu Lĩnh vực ứng dụng Thành tựu và ứng dụng Bảo vệ/xử lí môi trường Tạo chủng vi khuẩn tái tổ hợp có khả năng phân huỷ chất độc. Công nghiệp và nông nghiệp Tạo các sinh vật chuyển gene mang các tính trạng/đặc tính tốt cho ra năng suất cao, khả năng sinh trưởng, chống chịu tốt,... Sản xuất các chế phẩm sinh học Tạo chủng vi khuẩn, vi nấm tái tổ hợp để sản xuất các protein tái tổ hợp (enzyme, kháng thể, hormone, ... ). Dược phẩm và y học - Sản xuất vaccine phòng bệnh, kháng thể đơn dòng. - Chữa trị các rối loạn di truyền. 2. Thực vật và động vật biến đổi gene Thực vật biến đổi gene Động vật biến đổi gene Khái niệm Cơ thể thực vật mang gene chuyển được biểu hiện ra kiểu hình thành tính trạng phù hợp với các mục đích khác nhau. Cơ thể động vật mang gene chuyển được biểu hiện ra kiểu hình thành tính trạng phù hợp với các mục đích khác nhau.
Bài 11. Hệ gene, công nghệ gene và ứng dụng (LT) ThS. Nguyễn Ngọc Cảnh Tel (Zalo): 0358.969.708 – Email:
[email protected] 03 Thực vật biến đổi gene Động vật biến đổi gene Nguyên lí Chuẩn bị gene ngoại lai → tạo vector tái tổ hợp → biến nạp DNA tái tổ hợp vào tế bào thực vật hoặc biến nạp vào vi khuẩn Agrobacterium và cho lây nhiễm vào tế bào thực vật (có thể chuyển gene trực tiếp) → tạo dòng tế bào mang DNA tái tổ hợp hoặc tạo cây chuyển gene hoàn chỉnh. Chuẩn bị gene ngoại lai → tạo vector tái tổ hợp → sử dụng vi tiêm đưa DNA tái tổ hợp mang gene ngoại lai vào tế bào trứng đã thụ tinh → nuôi cấy hợp tử chứa gene ngoại lai tạo thành phôi → chuyển phôi vào tử cung động vật mang thai hộ. Một số thành tựu - Tạo ra các loại cây trồng biến đổi gene có khả năng kháng sâu, bệnh, thuốc diệt cỏ. - Sản xuất vaccine dựa trên thực vật. - Thực vật chuyển gene được sử dụng để sản xuất các loại protein dung trong công nghiệp hoặc y học. - Tạo ra một số động vật biến đổi gene có một số tính trạng mong muốn như tốc độ sinh trưởng nhanh. - Sử dụng động vật biến đổi gene để sản xuất một số hợp chất phục vụ cho y học. - Sử dụng các động vật mang DNA tái tổ hợp làm mô hình nghiên cứu một số bệnh ở người. 3. Sản xuất, sử dụng sinh vật biến đổi gene và đạo đức sinh học Lợi ích Nguy cơ/rủi ro - Giống vật nuôi, cây trồng có tính trạng tốt. - Giúp đảm bảo an ninh lương thực, thực phẩm. - Nâng cao giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. - Cung cấp các hoạt chất, vaccine dùng trong y, dược học. - Giảm sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ. - Giảm nguy cơ dị ứng từ các hợp chất tự nhiên. - Tăng khả năng làm sạch môi trường của sinh vật. - Có nguy cơ tiềm ẩn gây hại sức khoẻ người sử dụng. - Có nguy cơ phát tán gene không mong muốn. - Tăng khả năng kháng kháng sinh. - Có thể kích hoạt phản ứng miễn dịch và dị ứng. - Gây suy giảm đa dạng sinh học. - Có nguy cơ gây hại môi trường - Sinh vật biến đổi gene và sản phẩm của chúng có nhiều lợi ích nhưng luôn tiềm ẩn các rủi ro mà con người chưa đánh giá hết được. Vì vậy, cần tuân thủ đầy đủ các quy tắc đạo đức cũng như quy định của pháp luật trong nghiên cứu về sinh vật biến đổi gene, sản xuất và sử dụng sản phẩm biến đổi gene.
English