Ứng dụng của kỹ thuật gen - MỘT SỐ ỨNG DỤNG CHỦ YẾU CỦA CÔNG NGHỆ GEN

PHẦN III
MỘT SỐ ỨNG DỤNG CHỦ YẾU
CỦA CÔNG NGHỆ GEN
CHƯƠNG VIII
ỨNG DỤNG KỸ CÔNG NGHỆ
GEN TRONG Y HỌC VÀ CHẨN
ĐOÁN

I. Kỹ thuật gen trong sản xuất chế
phẩm sinh học
1. Sản xuất insulin tái tổ hợp
1.1 Lược sử nghiên cứu insulin
-
Do các tế bào beta của tuyến tụy sản
xuất, đóng vai trò chuyển hóa đường
-
Bệnh tiểu đường (Diabetes) do thiếu hụt
insulin.
-
Từ năm 1922 đã tách chiết insulin từ tụy
bò và lợn để điều trị tiểu đường

-
Cấu trúc phân tử insulin người được phát
hiện vào năm 1926. Năm 1955 Sanger và
cộng sự đã giải trình tự và sắp xếp acid
amin
-
1963-1965 đã tổng hợp nhân tạo bằng
con đường hóa học ⇒ đắt, không phù hợp

-
1967, phát hiện cấu trúc proinsulin
-
1969, phát hiện 3 dạng cấu trúc
-
1978, sản xuất insulin tái tổ hợp trong
E.coli
-
1982, insulin được phép lưu hành ở châu
Ậu. Bán ở Mỹ năm 1983


1.2 Cấu trúc gen mã hóa insulin ở
người
•
Gen mã hóa insulin (IND) nằm trên NST
số 11, trên cánh ngắn (11p)
•
Vùng không mã hóa chia làm 3 cụm gen
ký hiệu I, II và III
•
Vùng mã hóa có kích thước 1430 bp.
Trong vùng mã có 2 intron.
•
Đoạn gen mã hóa cho 4 peptid của phân
tử insulin: Chuỗi peptid tín hiệu (leader),
chuỗi B, chuỗi C và chuỗi A

Preproinsulin
is difficult for E.coli

to produce
Contains a signal
sequence
+ A,B, C sections of
protein
Signal sequence is
removed after targeting
to RER
Translation continues
on RER (forming
proinsulin)
Removal of 33 amino
acids at Golgi
and S-S joining of A
and B chains to form
insulin

Insulin
Insulin is made up of 2 chains = 51 amino acids total
A chain = 21 amino acids
B chain = 30 amino acids

In reality both chains are present in
the same protein

1.3 Công nghệ sản xuất insulin tái
tổ hợp
Nguyên lý chung bao gồm:
-
Tách chiết và tính sạch RNA thông tin mã

hoá preproinsulin
-
Thực hiện kỹ thuật phiên mã ngược
-
Sử dụng enzym giới hạn loại bỏ gen mã
hóa chuỗi C, tách dòng riêng từng đoạn
gen mã hóa chuỗi A và B
-
Tạo vector biểu hiện gen đoạn A và B

- Biến nạp riêng mỗi loại vector trong E.coli
-
Thực hiện quá trình lên men thu protein chuỗi A-
lacZ và B-lacZ
-
Thu riêng từng loại protein lai và thực hiện phản
ứng cắt với cyanur bromid giữa a.a cuối cùng
của insulin và a.a của β-galactosidase
-
Tách và tinh sạch chuỗi A và B, sau đó tạo hỗn
hợp chuỗi A và B, hình thành cầu nối disulfit và
thu insulin thành phẩm

Sản xuất insulin tái tổ hợp

Human Insulin Production by Bacteria
6) join the plasmid and human fragment
and cut with a restriction enzyme

Human Insulin Production by Bacteria

Mix the recombinant plasmid with
bacteria.
Screening bacterial cells to learn which contain the human insulin gene is the
hard part.

Route to the Production by Bacteria of Human Insulin
A fermentor used to grow
recombinant bacteria.
This is the step when gene cloning takes place.
The single recombinant plasmid replicates within a cell.
Then the single cell with many recombinant plasmids produces trillions of
like cells with recombinant plasmid – and the human insulin gene.
One cell with the
recombinant plasmid

Route to the Production by Bacteria of Human Insulin
The final steps are to collect the bacteria, break open the cells, and purify the
insulin protein expressed from the recombinant human insulin gene.

Route to the
Production by
Bacteria of
Human Insulin
Overview of gene
cloning.
Cloning animati
on

2. Sản xuất hormon sinh trưởng tái
tổ hợp

2.1 Lịch sử nghiên cứu hormon sinh trưởng
-
Hormon sinh trưởng người (hGH – Human
Growth Hormone) phát hiện năm 1920. Năm
1950 đã tách chiết hGH từ tuyến yên người.
-
1956, hGH tách từ não bò, cừu, … dùng để
chữa bệnh lùn ở trẻ em.
-
1972, cấu trúc phân tử của hGH được xác định
-
1985, hãng Genetech sản xuất thành công hGH
có tên Protropin.

•
Hormon sinh trưởng người hiện nay chủ yếu sản
xuất bằng phương pháp tái tổ hợp gen. Có
nhiều sản phẩm thương mại giúp điều trị bệnh
hay giúp cho phát triển cơ bắp.
•
hGH là protein nhỏ, có 191 a.a. Trong phân tử
có 2 liên kết disulfit
•
Các gen mã hóa hGH của người, bò… chuyển
vào động vật như cá, lợn,…tạo động vật chuyển
gen phát triển nhanh.

Human Growth Hormone (HGH)
(somatotropin)
•

HGH promotes overall body growth
by increasing amino acid uptake by cells, protein synthesis and fat
utilization for energy
Insufficient production of HGH by the pituitary gland = dwarfism
–
Chubby face
–
“Baby fat” around waist
–
Unusual body properties as an adult
–
~ 4 feet tall only
–
IQ = Normal
HGH helps undersized children reach their normal height and size
/>
2.2 Cấu trúc gen mã hóa hormon
sinh trưởng người
•
Họ gen có 5 gen mã hóa, nằm trên cánh dài
NST thứ 17, kích thước 66 kb
•
Gen mã hóa hGH bị đột biến hoặc rối loạn, dẫn
đến thiếu hụt hormon sinh trưởng, gây hội
chứng lùn bẩm sinh
•
Gen hGH có đoạn trình tự mã hóa chuổi peptid
tín hiệu không tương thích promoter của E.coli,
do đó biểu hiện gen hGH tái tổ hợp trong E.coli
rất yếu hoặc không hoạt động

2.3 Công nghệ sản xuất hormon
sinh trưởng người TTH
Bao gồm các bước
-
Tách chiết và tinh sạch mRNA từ tế bào thùy trước
tuyến yên và thực hiện kỹ thuật phiên mã ngược
-
Sử dụng enzym giới hạn cắt bỏ đoạn gen mã hóa 23-24
a.a của chuỗi peptid tín hiệu
-
Chuyển gen mã hóa hGH vào vector biểu hiện thích hợp
-
Biến nạp vector TTH vào E.coli, nuôi cấy, thu sinh khối,
tách chiết và tinh sạch hGH
-
Tế bào biểu hiện: vi khuẩn, baculovirus, nấm men, tế
bào trứng chuột

Pressure to use HGH to stimulate growth
in youngsters who have no deficiency
but whose parents want them to grow up tall.
In the summer of 2003, the U.S. FDA approved
the use of human growth hormone (HGH) for

•
boys predicted to grow no taller than 5′3″ and
•
for girls, 4′11″
even though otherwise perfectly healthy.

If adult suffers with hypopituitarism,
HGH therapy is also available
as normally payable under an insurance policy.

Pre-recombinant era of HGH
production
HGH could be purified from cadaver (tử thi) pituitary glands
8 cadavers/year for 8 – 10 years per patient
Creutzfeldt-Jacob Disease (CJD) is one of the risk of using brain tissue
24 cases reported by 1993 in France from cadaver HGH

Protropin (Genentech) and
Humatrope (Eli Lilly)
Native human GH contains signal peptide
needed to direct nascent polypeptide to RER in
eukaryotes
Signal peptide is bad for E.coli
(it can not synthetize this protein)
Signal sequence removed be EcoRI cleavage
Coding sequence for first 24 aa also lost in the
process of removal
24 amino acids added back by synthetic DNA linker
Expressed in E. coli successfully
hGH therapy is very expensive, costing anywhere from $800 to $2,500 a month

3. Sản xuất interferon tái tổ hợp
3.1 Lược sử nghiên cứu interferon
- Năm 1930, phát hiện gia súc nhiễm bệnh do một
loại virus này, ít bị nhiễm loại virus khác. Isaacs
và Linderman (1957) khi nuôi cấy phôi gà đã

phát hiện 1 loại protein mới gây ức chế tái bản
virus, gọi là interferon (IFN)
- Trước năm 1980, sản xuất IFN từ tế bào bạch
cầu người, lây nhiễm virus, sau đó nuôi trong
phôi gà để tế bào bạch cầu sinh IFN ⇒ Giá
thành đắt