Thu thập nguồn gene và tổ chức dữ liệu gene 2

PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
9

Hình 1.6: Sao chép và dịch mã
Trong 64 codon, ta có thể kể:
 Ba codon UAA, UAG, UGA là các “codons non sens”, không đƣợc dịch thành
amino acid; chúng là dấu hiệu chấm dứt sự đọc, nên còn đƣợc gọi là “codon
stop”.
 61 codon còn lại mã hóa 20 amino acid. Trừ Met và Trp chỉ đƣợc mã hóa bởi 1
codon, các amino acid khác đƣợc mã hóa bởi nhiều codon. Nhƣ vậy có nhiều
codon cùng nghĩa.

Hình 1.7: Mã di truyền của nhân (các codon của mRNA)

PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
10
I.1.3.3. Ba đặc tính quan trọng của mã di truyền
 Phổ biến (universal): Mã di truyền cơ bản giống nhau cho mọi sinh vật
(động vật, thực vật, vi khuẩn hay virus). Chính vì thế từ điển mã di truyền ra
đời là bằng chứng thuyết phục về nguồn gốc tiến hóa chung của sinh vật.
 Suy biến (degenerate): nhiều codon mã hóa cho một amino acid. Trong phần
lớn các trƣờng hợp, các bộ ba mã hóa cho một amino acid chỉ khác nhau ở
base thứ ba, thí dụ: UUU và UUC (Phe), CAA và CAG (Gln)…
 Không gối nhau: Mã di truyền đƣợc đọc tuần tự từ “bộ ba” này đến “bộ ba”
kế tiếp, liên tục trong một chuỗi, từ điểm khởi đầu cho đến kết thúc.
a) Giả thuyết về base “dao động”
*Thế nào là base “dao động”
Mã di truyền chung (có tính phổ biến) là điều hết sức lý thú để hiểu về sinh vật.
Tuy nhiên, Sanger (1980) đã đặt lại vấn đề, vì có vài codon khác biệt trong ti thể. Và

vì Met và Trp đƣợc mã hóa bởi hai codon thay vì một.

Hình 1.8: Mã di truyền ty thể ngƣời
Sau phát hiện này, ngƣời ta còn thấy những codon khác ở nấm men,
Paramecium,…Thí dụ UAA của mRNA tế bào chất của Paramecium không phải là
codon Stop, mà là Gln.
PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
11
Mã di truyền có 61 codon mã hóa cho 20 amino acid. Do đó ta có thể nghĩ rằng
có 61 tRNA (qui tắc bổ sung codon-anticodon). Tuy nhiên, thực tế một mRNA nhận
biết nhiều codon mã hóa cho cùng một amino acid. Nói cách khác không cần phải có
đủ 61 tRNA để vận chuyển acid amin trong quá trình dịch mã (nhƣng một tRNA
không bao giờ nhận biết hai amino acid khác nhau).
Theo giả thuyết base “dao động” (Crick, 1966), hai nucleotide đầu tiên của một
codon (mRNA) bổ sung một cách nghiêm chỉnh với anticodon của t-RNA, nhƣng base
thứ ba của codon bắt cặp với base thứ nhất của anticodon theo cách tƣơng đối lỏng lẻo.
b) Ích lợi của tính suy biến mã di truyền và base “dao động”
Có ba điều lợi chính:
 Sự suy biến mã di truyền tạo nên một hệ thống bảo vệ đối với các đột biến có
thể sinh ra, sự thay đổi base thứ ba thƣờng không gây hậu quả, vì codon đột
biến không làm thay đổi tRNA.
 Các nối wobble cho phép tế bào tiết kiệm vật chất và năng lƣợng: không cần 61
tRNA để nhận biết 61 codon.
 Cầu nối yếu hơn giữa base thứ nhất của anticodon và base thứ base của codon
giúp các tRNA phân ly dễ hơn, và do đó sự tổng hợp protein nhanh hơn.

Hình 1.9: Các kiểu wobble trong tế bào chất (ở các hữu nhũ)

PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học – Gene

NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
12
I.1.4. Cấu trúc căn bản của một gene eukaryote
Chiều dài và cấu trúc một gene rất thay đổi. Gene là các trình tự DNA đƣợc sao
chép, các trình tự này có thể ở trên sợi này hay sợi kia của phân tử DNA. Geneome là
toàn bộ các gene và các trình tự không mã hóa của một cá thể.

(A)

(B)
Hình 1.10: Các trình tự đƣợc sao chép của DNA (gene).
(A) sự sao chép của một sợi DNA
(B) sự không liên tục của gene
Gene eukaryote không liên tục, mà bao gồm:
 Các exon là các trình tự mang thông tin di truyền sẽ đƣợc biểu hiện.
 Các intron là các trình tự nằm xen kẽ với các phần mang thông tin di truyền,
đƣợc sao chép nhƣng không đƣợc dịch.
 Gene ở phần lớn prokaryote có phần ghi mã liên tục, không có intron.

PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
13
I.2. Cơ sở sinh học về chuyển gene
Hình thức cơ bản nhất trong cải biến di truyền (Genetic transformation) là đƣa
những gene chuyển (transgenes) vào trong sinh vật bằng cách nào đó mà các gene này
có thể đƣợc biểu hiện. Kỹ thuật này còn đƣợc gọi là kỹ thuật di truyền.
Mục tiêu cuối cùng của kỹ thuật di truyền hay kỹ thuật DNA tái tổ hợp là sự biểu
hiện bền vững và có thể di truyền của tính trạng mới trong bộ phận hay cơ thể khác.
Điều này đạt đƣợc thông qua cấu trúc vector mang gene chuyển. Plasmid, retrovirus
(RNA virus) và bacteriophage là các vector quan trọng đặc biệt trong chuyển thông tin

di truyền. Trong quá trình chuyển gene, kỹ thuật di truyền cắt và sắp xếp lại các đoạn
DNA tạo ra cấu trúc gene chuyển chèn vào vector.

Hình 1.11: Cắt DNA Plasmid sử dụng enzyme cắt giới hạn

Hình 1.12: Gắn gene chuyển vào vector (Plasmid)
Hebert Boyer và Stanley Cohen đã đạt đƣợc thành tựu chuyển gene đầu tiên vào
năm 1973, khi đó họ đã tạo ra gene với các phần DNA từ vi khuẩn và lƣỡng cƣ, biểu
hiện gene kháng kháng sinh. Với sự thành công trong việc sử dụng enzyme và vector,
các nhà khoa học này đã tiên phong trong việc sử dụng kỹ thuật di truyền và chuyển
thông tin di truyền. Nghiên cứu của họ đã đặt nền móng cho nhiều công việc ngày nay
trong công nghệ sinh học.
PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
14
I.2.1. Các vấn đề chủ yếu trong việc cải biến di truyền
Thuật ngữ genetically modified thƣờng xuyên đƣợc dùng để mô tả những sinh
vật đƣợc chuyển gene hay đƣợc biến đổi di truyền. Khoa học của kỹ thuật di truyền
đƣợc phát triển với mục tiêu xây dựng các gene phục vụ cho chuyển gene. Hệ thống
chuyển gene gồm ba vấn đề chính:
 Kỹ thuật đƣa DNA lạ vào tế bào đích.
 Tế bào hay mô bền vững với điều kiện chuyển gene.
 Các phƣơng pháp cho phép xác định và chọn lọc tế bào hay bộ phận chuyển
gene.
Một trong những giới hạn của cải thiện di truyền truyền thống là sự không hòa
hợp giữa các loài.
Ví dụ: Đậu là loài giàu amino acid chứa sunfur. Tuy nhiên đậu lại thiếu lysine.
Mặt khác lúa giàu lysine nhƣng thiếu amino acid chứa sunfur. Vì không thể lai giữa
hai loài này với nhau, vì thế ngƣời trồng trọt truyền thống không thể phát triển loại đậu
mới giàu lysine hay lúa giàu thành phần amino acid chứa sunfur.

Chuyển gene cho phép trao đổi các gene giữa các sinh vật mà không hòa hợp giới
tính. Với kỹ thuật di truyền và chuyển gene có thể cho phép ta chuyển gene giữa vi
khuẩn, động vật, thực vật và virus.
Công cụ cơ bản trong chuyển gene là enzyme cắt giới hạn, đƣợc dùng để cắt
DNA tại những vị trí đặc biệt, và các enzyme ligase mà xúc tác cho việc nối các đoạn
DNA. Sử dụng đúng enzyme cắt giới hạn có thể cắt đƣợc DNA plasmid vòng của vi
khuẩn thành dạng thẳng. Dùng ligase có thể gắn thêm đoạn DNA khác chứa gene quan
tâm vào plasmid bị cắt. Plasmid mới có thể đƣợc đƣa vào vi khuẩn thông qua quá trình
gọi là “xung điện” (electroporation), vi khuẩn có thể đƣợc dùng để chuyển gene
chuyển vào (sinh vật đích). Nếu plasmid DNA đƣợc tích hợp vào trong genome của
sinh vật nhận và gene chuyển đƣợc biểu hiện, cá thể đó đƣợc xem nhƣ đã đƣợc chuyển
gene (transgenic).
I.2.2. Các phương pháp chuyển gene
Có nhiều phƣơng pháp chuyển gene, nhƣng bốn phƣơng pháp đạt kết quả cao
nhất là: Chuyển gene thông qua Agrobacterium, bắn gene, vi tiêm, và chuyển trực tiếp.
Mỗi phƣơng pháp có ƣu và nhƣợc riêng và đƣợc sử dụng trong những trƣờng hợp đặc
PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
15
biệt. Ở thời điểm này không có một phƣơng pháp nào phù hợp cho tất cả các trƣờng
hợp.
Chuyển gene thông qua Agrobacterium
Vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens có khả năng nhận ra vết thƣơng trên thực
vật, kích thích việc chuyển plasmid vi khuẩn vào thực vật. Plasmid có khả năng tích
hợp vào DNA tế bào chủ gây ra sự tăng trƣởng không kiểm soát ở thực vật hình thành
bƣớu. Khả năng này của A. tumefaciens làm nó có vai trò quan trọng trong giai đoạn
sớm của chuyển gene.
A. tumefaciens là vector đầu tiên đƣợc dùng để chuyển gene lạ vào tế bào thực
vật, đƣợc dùng cho cả thực vật hai lá mầm và thực vật một lá mầm. Một loại vi khuẩn
đất khác Agrobacterium rhizogenees, kích thích tạo rễ thứ cấp sau khi nhiễm cũng đã

đƣợc dùng cho chuyển gene thực vật.
Cơ bản của phƣơng pháp này dựa vào plasmid vi khuẩn có khả năng tích hợp
bộ gene cây chủ. Phần quan trọng của plasmid là vùng đảm nhận trách nhiệm cho việc
chuyển gene vào trong bộ gene thực vật. Phần này gọi là DNA chuyển (T-DNA), và
phần DNA này là phần chủ yếu gây tăng trƣởng bƣớu của thực vật nhiễm. Vùng này
nằm giữa vai phải và vai trái của plasmid cho phép vi khuẩn chuyển gene mới vào
trong thực vật nhận.

Hình 1.13: Plasmid dùng trong chuyển gene đậu nành
Chuyển gene nhờ vi khuẩn A. tumefaciens thƣờng là sử dụng đĩa lá. Đĩa lá có
đƣờng kýnh khoảng 6 mm đƣợc nuôi cấy trên đĩa môi trƣờng chứa A. tumefaciens
mang plasmid chứa gene chuyển. Sau khoảng thời gian ủ khoảng một tháng trong môi
PHẦN B: TỔNG QUAN - Giới thiệu Sinh học - Chuyển Gene
NGUYỄN KỲ TRUNG – LÊ THÀNH TRUNG
16
trƣờng nuôi cấy mô, chồi bắt đầu phát triển trên đĩa lá. Thông qua các phƣơng pháp
chọn lọc, chồi chuyển gene đƣợc xác định và đƣợc tái tạo thành cây hoàn chỉnh.

Hình 1.14: Chuyển gene thông qua môi trƣờng Agrobacterium tumefaciens
Bắn gene (biolistics)
Phƣơng pháp bắn gene sớm đƣợc sử dụng nhiều ngay sau khi ra đời để chuyển
gene vào cây ngũ cốc. Phƣơng pháp này dựa trên sự bắn các vi hạt (tungsten hoặc
vàng) bọc DNA vào mô nhờ lực đẩy của không khí, khí helium hoặc dòng điện.
Christou và ctv (1991) là những tác giả đầu tiên nhận đƣợc cây chuyển gene từ phôi
non của một số giống lúa qua sử dụng thiết bị bắn ACCELL
R
. Sau đó, Cao và ctv
(1992) thông báo việc tạo cây chuyển gene từ tế bào huyền phù nhờ thiết bị PDS1000/
He Biolistic
TM

. Từ đó, phƣơng pháp này đƣợc sử dụng phổ biến để tạo cây chuyển
gene. Phƣơng pháp này có thể áp dụng trên bất cứ loại mô nào có khả năng tái sinh
cây, không cần sử dụng tế bào trần và loại mô đã qua giai đoạn mô sẹo lâu dài do đó
giảm thiểu đƣợc sự biến dị.

Hình 1.15: Súng bắn gene đƣợc dùng trong chuyển gene