A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
CHỦ ĐỀ I. HỆ GEN, CÔNG NGHỆ GEN VÀ ỨNG DỤNG
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.
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 (DNATTH)
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 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.
- 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 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 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,...
CHỦ ĐỀ II. THÀNH TỰU CHỌN, TẠO GIỐNG BẰNG LAI HỮU TÍNH
I. THÀNH TỰU CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG BẰNG LAI HỮU TÍNH
1. Thành tựu chọn tạo giống cây lương thực, thực phẩm
-
Nhiều giống lúa năng suất cao đã được tạo ra nhờ sử dụng phương pháp lại hữu
tính
+ Giống lúa LYP9 được tạo ra từ tổ hợp lại PA64S và 93-11 có
năng suất cao hơn giống bố mẹ từ 20 – 30% có đặc điểm kháng bệnh bạc lá, kháng
bệnh đạo ôn, chất lượng hạt cao
+ Giống lúa nhiều năm PR23 được hình thành từ lai xa giữa
lúa trồng (O. sativa) và lúa dại (O. longistaminata), có điểm đặc
biệt là chỉ cần trồng một lần và thu hoạch trong nhiều năm.
-
Nhiều giống cây lương thực, thực phẩm khác như ngô, đậu tương,... cũng được tạo
ra bằng lại hữu tính
+
Giống ngô lai VN116 được tạo ra từ tổ hợp lai giữa hai dòng H60 và H665 có khả
năng phát triển và chịu hạn tốt, ít bị nhiễm sâu đục thân, có năng suất
đạt 92,5 tạ/ha, cao hơn trên 300% so với dòng bố và dòng mẹ.
+ Giống đậu tương ĐT34 là giống lai hữu tính có năng suất
đạt 25 – 32 tạ ha, cao hơn so với các giống bố và mẹ.
2. Thành tựu chọn, tạo giống cây công nghiệp
- Tạo giống ca cao CCN 51 giống này hình thành từ tổ hợp lai giữa F1
(IMC-67 X ICS-95) với giống Canelo, có đặc điểm nặng suất cao và thích nghi với
nhiều vùng khí hậu nên được trồng rộng rãi ở Nam Mĩ.
- Các giống chè LDP1 và LDP2 do Viện Khoa học kĩ thuật
Nông lâm nghiệp miền núi phía bắc lai tạo từ bố mẹ là giống PHI và Đại bạch trà
có năng suất cao 10 15 tấn búp tươi/ha, chế biến được chè đen và chè xanh.
- Giống chè CNS 831 là kết quả của phép lai giữa các
giống Trung du xanh và Kim Tuyên có sử dụng công nghệ cứu phôi, chất lượng chè
xanh cao hơn giống bố mẹ
II. THÀNH TỰU CHỌN TẠO GIỐNG VẬT NUÔI BẰNG LAI HỮU TÍNH
1. Thành tựu chọn, tạo giống gia súc
- Duy trì được các giống vật nuôi thuần chủng nhờ lai hữu
tính. + Duy trì giống lợn Ỉ thuần chủng
- Thu được ưu thế lai được sử dụng phổ biến để tạo con
giống thương phẩm.
+ Lai giữa giống bò BBB và bò lai Sind
- Các biện pháp cải tạo hoặc cải tiến giống vật nuôi
thông qua lại hữu tính cũng được sử dụng phổ biến.
+ Phép lai lợn Pietrain (sinh trưởng nhanh, tỉ lệ nạc cao
nhưng mẫn cảm stress vận chuyển, chất lượng thịt kém nếu ở thể đồng hợp gene r)
× lợn Large White (Đại bạch). Con lai được cho giao phối trở lại với lợn
Pietrain, sau 16 lần lại trở lại tạo ra giống lợn ReHal (sinh trưởng nhanh, tỉ
lệ nạc cao, không mẫn cảm với stress vận chuyển, chất lượng thịt được cải
tiến).
- Lai xa cũng được thực hiện ở động vật để tạo ra giống
mới
+ Con la (hình thành từ phép lai giữa ngựa cái và lừa
đực) có sức làm việc cao.
+
Con lai hình thành từ phép lai giữa cáo bạc (Vulpes vulpes fulvus) và
cáo Bắc cực (Vulpes lagopus) có kích thước cơ thể lớn, được nuôi phục vụ
ngành công nghiệp da.
2. Thành tựu chọn tạo giống gia cầm
- Gà lai NHLV5 có nhiều đặc tính tốt như tỉ lệ nuôi sống
đến tuổi trưởng thành đạt 96%, khối lượng cơ thể trung bình ở 15 tuần tuổi đạt
1 840 g, tỉ lệ protein từ 23 đến 25%.
- Giống gà F1 (từ tổ hợp lai Hồ × Lương Phượng × Mia) có
tỉ lệ sống cao, sinh trưởng nhanh, tỉ lệ thịt cao, chất lượng thịt tốt.
-
Vịt pha ngan là kết quả của phép lai xa giữa vịt và ngan mang đặc tính quý của
cả hai loài.
3. Thành tựu chọn tạo giống thủy sản
- Là phương pháp được sử dụng phổ biến để chọn, tạo giống
thuỷ sản.
+
Giống cá chép V1 là sản phẩm của tổ hợp lai giữa cá chép Việt Nam, cá chép
Hungary và cá chép Indonesia. Con lai F1, có tỉ lệ sống và khả năng sinh trưởng
cao hơn so với cá chép Việt Nam.
+
Giống cá trê lại được nuôi rộng rãi ở nước ta là kết quả của phép lai xa giữa
hai loài Clarias gariepinus và C. batrachus. Giống lai có tỉ lệ
sống và khả năng sinh trưởng cao hơn so với loài bố mẹ.