BÀI 4: HỆ GENE, ĐỘT BIẾN GENE VÀ CÔNG NGHỆ GENE

A - MỤC TIÊU BÀI HỌC

- Phát biểu được khái niệm hệ gene. Trình bày được một số thành tựu và ứng dụng của việc giải mã hệ gene người.

- Nêu được khái niệm đột biến gene. Phân biệt được các dạng đột biến gene.

- Phân tích được nguyên nhân, cơ chế phát sinh đột biến gene.

- Trình bày được vai trò của đột biến gene trong tiến hóa, chọn giống và nghiên cứu di truyền.

- Nêu được khái niệm, nguyên lí và một số thành tựu của công nghệ DNA tái tổ hợp, của tạo thực vật và động vật biến đổi gene.

- Tranh luận, phản biện được về việc sản xuất và sử dụng sản phẩm biến đổi gene và đạo đức sinh học.

B - NHỮNG KIẾN THỨC CẦN GHI NHỚ

I. HỆ GENE

1. Khái niệm hệ gene

- Hệ gene (genome) là toàn bộ trình tự các nucleotide trên DNA có trong tế bào của cơ thể sinh vật. 

- Mỗi sinh vật có hệ gene đặc trưng về kích thước, số lượng gene và tổ chức hệ gene.

2. Thành tựu và ứng dụng của giải mã hệ gene người

a) Thành tựu của giải mã hệ gene người

- Dự án Hệ gene người (Human Genome Project - HGP) được hoàn tất vào năm 2006.

+ Giải trình tự 3,1 tỉ cặp nucleotide.

+ Xác định nhiều đặc điểm của hệ gene người: gene có chức năng điều hòa, gene không mã hóa protein,...

b) Ứng dụng của giải mã hệ gene người

II. ĐỘT BIẾN GENE

1. Khái niệm đột biến gene

- Đột biến gene là những biến đổi xảy ra trong cấu trúc của gene, có thể liên quan đến một cặp nucleotide hoặc một số cặp nucleotide.

- Tần số đột biến gene trong tự nhiên: 10^-6 – 10^-4.

- Các cá thể mang gene đột biến đã biểu hiện thành kiểu hình được gọi là đột biến.

- Đa số đột biến gene thường là đột biến lặn và có thể có hại cho sinh vật, làm giảm sức sống, phát sinh các bệnh và tật di truyền, có thể gây chết ở thể đột biến.

2. Các dạng đột biến gene

- Đột biến thay thế một cặp nucleotide: Một cặp nucleotide được thay thế bằng một cặp nucleotide khác.

→ Hậu quả: có thể làm thay đổi trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide và thay đổi chức năng của protein.

- Đột biến mất hoặc thêm một cặp nucleotide: Gene bị mất hoặc thêm một cặp nucleotide.

→ Hậu quả: làm thay đổi khung đọc mã di truyền từ vị trí xảy ra đột biến trở về sau (đột biến dịch khung), dẫn đến làm thay đổi trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide và thay đổi chức năng của protein.

3. Nguyên nhân và cơ chế phát sinh đột biến gene

a. Nguyên nhân phát sinh đột biến gene

- Do những rối loạn sinh lí, hóa sinh của tế bào dẫn đến sai sót trong quá trình nhân đôi DNA → biến dạng DNA hoặc biến đổi cấu trúc hóa hoc của các nucleotide.

- Do sự tác động của các tác nhân gây đột biến:

+ Tác nhân vật lí: tia phóng xạ, tia tử ngoại (tia UV), nhiệt,... 

+ Tác nhân hóa học: ethyl methanesulfonate (EMS), 5-bromouracil (5-BU), N-Nitroso-N-methylurea (NMU),... 

+ Tác nhân sinh học: một số virus như viêm gan B, HPV,... 

b. Cơ chế phát sinh đột biến gene

- Đột biến tự phát: nucleotide dạng thường → nucleotide dạng hiếm có vị trí liên kết hydrogen bị thay đổi dẫn đến bắt cặp sai trong quá trình nhân đôi DNA. 

- Đột biến gene cảm ứng: do sự tác động của các tác nhân gây đột biến dẫn đến sai sót trong quá trình nhân đôi DNA.

4. Vai trò của đột biến gene

Đối với tiến hóa: Cung cấp nguồn nguyên liệu cho quá trình tiến hóa của sinh vật.

Đối với chọn giống: Cung cấp nguồn nguyên liệu cho quá trình chọn, tạo giống. Con người chủ động sử dụng các tác nhân đột biến nhằm tạo ra các giống vi sinh vật và thực vật mang đặc tính mong muốn.

Đối với nghiên cứu di truyền: Nghiên cứu các thể đột biến tự nhiên hoặc nhân tạo nhằm xác định các quy luật di truyền, cơ chế điều hòa biểu hiện gene, cơ chế phát sinh đột biến gene, xây dựng bảng mã di truyền, làm sáng tỏ mối quan hệ giữa gene và protein,...

III. CÔNG NGHỆ GENE

1. Công nghệ DNA tái tổ hợp

a. Khái niệm

- Công nghệ DNA tái tổ hợp là quy trình kĩ thuật dựa trên nguyên lí tái tổ hợp DNA và biểu hiện gene, tạo ra sản phẩm là DNA tái tổ hợp và protein tái tổ hợp với số lượng lớn phục vụ cho đời sống con người.

b. Nguyên lí

(1) Tách dòng và tạo DNA tái tổ hợp

- Tách dòng gene cần chuyển từ tế bào cho bằng enzyme cắt giới hạn.

- Tạo DNA tái tổ hợp: gắn gene cần chuyển vào vector chuyển gene (plasmid của vi khuẩn E.coli) nhờ enzyme nối ligase.

- Biến nạp DNA tái tổ hợp vào tế bào chủ (bằng biến nạp hoặc tải nạp) và nuôi cấy vi khuẩn E.coli trong môi trường dinh dưỡng để tạo dòng DNA tái tổ hợp.

(2) Biểu hiện gene và phân tích biểu hiện gene

- Để gene được biểu hiện: Sử dụng vector biểu hiện gene (được bổ sung vùng promoter) và nuôi cấy tế bào chủ mang DNA tái tổ hợp trong môi trường nuôi cấy thích hợp.

- Phân tích sự biểu hiện gene bằng kĩ thuật PCR hoặc lai phân tử và phương pháp điện di (sau quá trình biểu hiện gene).

(3) Sản xuất protein tái tổ hợp

Protein tái tổ hợp được đánh giá về đặc tính và chức năng so với protein tự nhiên → sản xuất ở các quy mô công nghệ khác nhau (phòng thí nghiệm, công nghiệp,...).

c. Một số thành tựu

- Tạo chủng vi khuẩn tái tổ hợp: 

+ Tạo các chủng vi khuẩn E.coli mang gene sản xuất protein tái tổ hợp: hormone sinh trưởng (GH), insulin, kháng thể đơn dòng, vaccine, interferon,...

+ Tạo chủng vi khuẩn tái tổ hợp có khả năng phân hủy chất độc ứng dụng trong xử lí môi trường,...

+ Nhân dòng các gene để tạo thư viện hệ gene.

- Tạo chủng vi nấm tái tổ hợp:

+ Tạo dòng nấm men mang gene (chứa điểm khởi đầu nhân đôi, trình tự DNA lặp lại,...) của người và nhiều loài sinh vật khác, phục vụ cho việc phân tích trình tự nucleotide, xác định các vùng chức năng và nghiên cứu các cơ chế biểu hiện của các gene này.

+ Tạo chủng nấm men sản xuất enzyme tái tổ hợp, các protein của người,...

2. Tạo thực vật và động vật biến đổi gene

a. Khái niệm

- Sinh vật biến đổi gene là các sinh vật chứa gene ngoại lai trong hệ gene, được tạo ra nhờ kĩ thuật chuyển gene. 

- Chuyển gene là (biến nạp di truyền) là kĩ thuật biến nạp gene ngoại lai vào dòng tế bào mô chủ, sau đó cho dòng tế bào mô chủ tái sinh thành sinh vật biến đổi gene.

b. Nguyên lí

Nguyên lí của tạo thực vật biến đổi gene

(1) Phân lập gene cần chuyển: Tách gene cần chuyển từ tế bào cho.

(2) Tạo plasmid tái tổ hợp: Gắn gene cần chuyển vào Ti plasmid (được tách từ vi khuẩn A.tumefaciens).

(3) Biến nạp plasmid tái tổ hợp vào tế bào thực vật: Biến nạp plasmid tái tổ hợp vào tế bào thực vật bằng xung điện hoặc thông qua sự lây nhiễm của vi khuẩn A.tumefaciens. T-DNA mang gene cần chuyển được chuyển từ vi khuẩn sang tế bào chất của tế bào chủ, sau đó xâm nhập vào nhân và hợp nhất với DNA nhiễm sắc thể của tế bào.

(4) Tái sinh cây trồng biến đổi gene: Nuôi cấy tế bào thực vật chuyển gene in vitro cho tái sinh thành cây con chuyển gene, cây con chuyển gene được đem trồng trên môi trường đất.

→ Nguyên lí của tạo thực vật biến đổi gene: là sự xâm nhập của Ti plasmid và hoạt động của T–DNA trong tế bào chủ.

Nguyên lí của tạo động vật biến đổi gene

(1) Lấy trứng từ bò cái và thụ tinh in vitro tạo hợp tử.

(2) Tiêm dung dịch chứa gene cần chuyển vào hợp tử ở giai đoạn nhân non (giai đoạn nhân của trứng và tinh trùng chưa hợp nhất) bằng phương pháp vi tiêm.

(3) Hợp tử chuyển gene được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng thích hợp cho phát triển thành phôi.

(4) Cấy phôi đã chuyển gene vào tử cung của bò mẹ để mang thai và sinh ra bò con mang gene chuyển.

→ Nguyên lí tạo động vật biến đổi gene bằng phương pháp vi tiêm: một lượng nhỏ DNA được tiêm trực tiếp vào vị trí mong muốn trong tế bào phôi hoặc một tế bào nguyên vẹn.

c. Một số thành tựu

- Ứng dụng kĩ thuật chuyển gene có thể tạo ra các giống sinh vật biến đổi gene mang các đặc tính có lợi cho con người như:

+ Tạo giống thực vật có khả năng kháng sâu bệnh, thuốc diệt cỏ, chống chịu với điều kiện môi trường bất lợi,...

+ Tạo giống động vật sản xuất các chế phẩm sinh học, thuốc chữa bệnh cho con người,…