Giáo trình Kỹ thuật di truyền - Chương 4: Công nghệ chuyển gen ở động vật

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật di truyền - Chương 4: Công nghệ chuyển gen ở động vật

1. 111 Chương 4 Công nghệ chuyển gen ở động vật I. Khái niệm chung 1. Ðộng vật chuyển gen Ðộng vật chuyển gen là động vật có gen ngoại lai (gen chuyển) xen vào trong DNA genome của nó. Gen ngoại lai này phải được truyền lại cho tất cả mọi tế bào, kể cả các tế bào mầm. Việc chuyển gen ngoại lai vào động vật chỉ thành công khi các gen này di truyền lại cho thế hệ sau. 2. Sự phát triển của khoa học chuyển gen ở động vật Vào thập kỷ 1970, các thí nghiệm nghiên cứu đã được thực hiện với các tế bào ung thư biểu bì phôi và các tế bào ung thư quái thai để tạo nên chuột thể khảm (Brinster,1974; Mintz và Illmensee, 1975; Bradley, 1984). Trong các động vật thể khảm này, các tế bào nuôi cấy lấy từ một dòng chuột được đưa vào phôi của một dòng chuột khác bằng quần tụ phôi trực tiếp (direct embryo aggregation) hoặc bằng cách tiêm vào phôi ở giai đoạn phôi nang (blastocyst). Chuột thể khảm trưởng thành có thể được sinh ra bằng sự đóng góp tế bào từ các bố mẹ khác nhau và sẽ biểu hiện tính trạng của mỗi dòng. Một kiểu chuyển genome khác ở động vật là chuyển nhân nguyên từ một phôi vào tế bào trứng chưa thụ tinh của một dòng nhận khác một cách trực tiếp (Mc Grath và Solter,1983). Những động vật biến đổi gen bằng chuyển nhân này được tạo ra mà không cần một kỹ thuật tái tổ hợp DNA nào và chúng là sự kiện quan trọng trong việc làm sáng tỏ các cơ chế điều hoà di truyền ở động vật có vú. Bước phát triển tiếp theo của kỹ thuật chuyển gen được thực hiện bằng cách tiêm retrovirus vào các phôi chuột đã được nuôi cấy trước (Jeanish và Mintz, 1974; Jeanish, 1976). Thông tin di truyền của virus được chuyển một cách hiệu quả vào genome của động vật nhận và sau đó ít lâu kỹ thuật sử dụng retrovirus làm vector cho các
2. 112 đoạn DNA ngoại lai đặc biệt đã được phát triển (Stuhmann, 1984). Sử dụng retrovirus như là vật truyền trung gian đối với việc chuyển gen đã tạo nên hiện tượng khảm ở mức độ cao. Tuy nhiên kích thước của gen chuyển bị giơí hạn và các trình tự của virus có thể làm nhiễu sự biểu hiện của gen chuyển. Sự đính các bản sao đơn của gen chuyển nằm bên cạnh DNA của virus có thể là có lợi nếu có yêu cầu tách dòng các locus đính vào. Trong những năm gần đây, một số kỹ thuật tạo động vật chuyển gen khác đã được công bố: phương pháp chuyển gen bằng cách sử dụng tế bào gốc phôi (Grossler,1986), phương pháp chuyển các đoạn nhiễm sắc thể nguyên (ví dụ như chuột “transomic“, Richa và Lo, 1988), chuyển gen trực tiếp vào tinh trùng kết hợp với thụ tinh in vitro (Lavitrano, 1989). Tuy nhiên, phương pháp vi tiêm DNA vào tiền nhân của hợp tử là phương pháp có hiệu quả nhất, được sử dụng rộng rãi nhất để tạo động vật chuyển gen. Sử dụng phương pháp này, các gen chuyển có chiều dài trên 50 kb của virus, sinh vật tiền nhân, thực vật, động vật không xương sống hoặc động vật có xương sống có thể được chuyển vào genome của động vật có vú và chúng có thể được biểu hiện ở cả tế bào sinh dưỡng và tế bào sinh sản. II. Công nghệ tạo động vật chuyển gen Trên cơ sở công nghệ DNA tái tổ hợp, ngành chăn nuôi đang đứng trước những cơ hội thay đổi có tính cách mạng. Ngày nay người ta có thể tạo ra những động vật mang các đặc tính kỳ diệu mà bằng phương pháp lai tạo bình thường không thể thực hiện được. Công nghệ tạo động vật chuyển gen là một quá trình phức tạp và ở những loài khác nhau có thể khác nhau ít nhiều nhưng nội dung cơ bản gồm các bước chính sau: tách chiết, phân lập gen mong muốn và tạo tổ hợp gen biểu hiện trong tế bào động vật; tạo cơ sở vật liệu biến nạp gen; biến nạp gen vào phôi động vật; nuôi cấy phôi và cấy truyền hợp tử (đối với động vật bậc cao); phân tích đánh giá tính ổn định và sự biểu hiện của gen lạ và tạo ra dòng động vật chuyển gen gốc một cách liên tục, sản xuất động vật chuyển gen.
3. 113 Hình 4.1: Sơ đồ tạo động vật chuyển gen 1. Tách chiết, phân lập gen mong muốn và tạo tổ hợp gen biểu hiện trong tế bào động vật 1.1. Tách chiết, phân lập gen mong muốn Một gen ngoại lai trước khi được chuyển vào genome của tế bào vật chủ để tạo ra động vật chuyển gen phải được phân lập và tinh chế hay nói cách khác là nó phải được tạo dòng. Các công cụ sử dụng để tạo dòng bao gồm các enzyme đặc biệt có hoạt tính cắt và nối DNA (enzyme hạn chế và ligase), các mẫu dò (probe), vector và tế bào vật chủ. Tế bào vật chủ thường được sử dụng là tế bào vi khuẩn E.coli và vector thường được sử dụng là plasmid. Việc tách chiết một gen riêng lẻ là rất phức tạp bởi vì DNA mẫu chứa hàng triệu gen. Do đó để thực hiện điều này, DNA mẫu chứa gen mong muốn và vector plasmid phải được cắt bởi cùng một loại enzyme hạn chế. Các đoạn DNA mẫu sau khi được cắt có mang gen mong muốn sẽ được xen vào vector plasmid và các đầu của các đoạn DNA mẫu này và các đầu của vector plasmid sẽ được nối với nhau nhờ ligase tạo thành plasmid tái tổ hợp. Sau đó các plasmid tái tổ hợp được biến nạp vào các tế bào vi khuẩn E.coli và các tế bào vi
4. 114 khuẩn tiến hành sinh trưởng. Vào thời điểm này, các tế bào vi khuẩn chứa plasmid mang gen mong muốn sẽ được phát hiện bằng mẫu dò. Chúng được nuôi cấy trong môi trường thích hợp để sinh trưởng phát triển tạo ra hàng triệu bản sao của vector chứa gen này. Vector chứa gen này sẽ được tách ra khỏi tế bào vi khuẩn và gen mong muốn sẽ được tách chiết. Phương pháp này có thể tạo ra hàng triệu bản sao của gen mong muốn mà không bị nhiễm bởi các gen khác. Gen chuyển có nguồn gốc từ genome này chứa các đoạn exon mã hoá và các đoạn intron không mã hoá (Hình 4.2). Người ta cũng có thể phân lập được gen mong muốn từ sản phẩm biểu hiện của nó như mRNA hoặc protein. Từ mRNA dưới tác động của enzyme sao chép ngược sẽ tổng hợp ra DNA bổ sung mạch đơn (single strand complement DNA-ss cDNA), tiếp theo là DNA bổ sung mạch kép (double strand complement DNA- ds cDNA). DNA bổ sung (complement DNA- cDNA) này khác với DNA gốc là không chứa các intron mà chỉ bao gồm các exon (Hình 4.2). Hoặc từ sản phẩm protein, có thể suy ra trình tự nucleotid của gen cấu trúc trên cơ sở trình tự các axit amin trong phân tử protein. Sau đó có thể thiết kế cặp mồi (primer) để dò tìm đoạn gen mong muốn. Hình 4.2: So sánh hai dạng gen chuyển Dạng genome bao gồm tất cả các đoạn exon và intron xuất hiện một cách tự nhiên. Các đoạn intron liên quan đến việc cắt ghép mRNA và biểu hiện của gen. Dạng cDNA là một trình tự chỉ bao gồm các đoạn exon mã hoá protein của gen. 1. 2. Tạo tổ hợp gen chuyển biểu hiện trong tế bào động vật Ðể tạo tổ hợp gen chuyển biểu hiện trong tế bào động vật, các vùng chức năng khác nhau của gen có nguồn gốc từ các loài khác
5. 115 nhau có thể được kết hợp lại với nhau trong ống nghiệm bằng cách sử dụng enzyme hạn chế và ligase. Tất cả các thành phần của gen có thể được tách chiết và tái tổ hợp để tạo thành một cấu trúc gen chuyển biểu hiện (Hình 4.3). Ở các đầu của cấu trúc đầy đủ này có thể được sửa đổi bằng cách bổ sung các trình tự polylinker chứa một số vị trí nhận biết các enzyme hạn chế khác nhau. Trình tự polylinker cho phép có thể xen vào cấu trúc này một vector để kiểm tra và tạo dòng. Hình 4.3: Sơ đồ cấu trúc gen chuyển biểu hiện enhancer: gen tăng cường SIG: trình tự tín hiệu ATG: vị trí khởi đầu phiên mã AAA: đuôi polyA Gen chuyển được đi kèm với các trình tự không mã hoá có vai trò điều hoà sự biểu hiện của gen. Các yếu tố điều hoà cũng có thể nằm ở trong đoạn intron. Yếu tố điều hoà ở gần đầu 5’ của gen là promoter, có vai trò quyết định trong việc điều hoà sự biểu hiện của gen. Sự biểu hiện của gen có thể xảy ra trong tất cả các mô của cơ thể (không đặc hiệu) hoặc chỉ ở các mô đặc biệt. Hay nói cách khác gen cấu trúc muốn hoạt động để biểu hiện ra protein mà nó qui định trong hệ thống tế bào nhất định thì phải có promoter thích hợp với hệ thống mà nó hoạt động. Promoter ở tế bào động vật có nguồn gốc hoặc từ động vật như methallothionein (MT), thymidine kinase, ß- actin, amylase, insulin, ß-lactoglobulin, adiposite P2 hoặc từ virus động vật như Simian virus (SV40), Rous sarcoma virus (RSV) Một yếu tố điều hoà khác là yếu tố tăng cường (enhancer), có chức năng tăng cường sự biểu hiện của gen, không phụ thuộc vào vị trí và sự định hướng đối với gen. Các yếu tố tăng cường xuất hiện có tương quan với các trình tự quá mẫn cảm với Dnase và ở cách gen một đoạn khoảng vài kilobase. Ðầu 3’ của gen cũng phải mang một trình tự poly-A để đảm bảo thích hợp cho quá trình phiên mã và dịch mã.
6. 116 2. Tạo cơ sở vật liệu biến nạp gen Ở động vật có vú thì giai đoạn biến nạp gen thích hợp nhất là trứng ở giai đoạn tiền nhân (pronucleus), giai đoạn mà nhân của tinh trùng và trứng chưa dung hợp (fusion) với nhau. Ở giai đoạn này tổ hợp gen lạ có cơ hội xâm nhập vào genome của động vật nhờ sự tái tổ hợp DNA của tinh trùng và của trứng. Do tế bào phôi chưa phân chia và phân hoá nên tổ hợp gen lạ được biến nạp vào giai đoạn này sẽ có mặt ở tất cả các tế bào kể cả tế bào sinh sản của động vật trưởng thành sau này. Ðối với động vật có vú, trứng chín được thu nhận bằng phương pháp sử dụng kích dục tố theo chương trình đã được xây dựng cho mỗi loài hoặc bằng phương pháp nuôi cấy trứng trong ống nghiệm. Sau đó thụ tinh nhân tạo để tạo ra trứng tiền nhân. Các phương pháp sử dụng hiện nay để chuyển gen vào tế bào chủ nói chung là hiệu quả không cao. Ðể tạo ra một động vật chuyển gen, yêu cầu cần phải sử dụng hàng trăm thậm chí hàng ngàn trứng thụ tinh. Ở bò để đạt được một lượng phôi lớn như thế, nó phải được kích thích để rụng một lượng lớn trứng (siêu rụng trứng) thành thục và được thụ tinh nhân tạo. Sự hiểu biết về sự kiểm soát chức năng buồng trứng tăng lên đang cải tiến hiệu quả để có đủ số lượng trứng thụ tinh. Việc kích thích gây siêu rụng trứng đòi hỏi sự hiểu biết một cách chi tiết các yếu tố hormone kiểm soát sự phát triển của trứng ở trong buồng trứng. Quá trình phát triển của trứng đã được nghiên cứu mạnh mẽ và đã đạt được một số kết quả trong những năm qua. Các nghiên cứu đã tập trung khảo sát các cơ chế cơ bản kiểm soát sự sinh trưởng và thành thục của trứng và chức năng của thể vàng. Chúng mở đường cho sự phát triển các phương pháp điều hoà chu trình động dục để gây siêu rụng trứng một cách tỉ mỉ và chính xác hơn. Có lẽ sự phát triển quan trọng nhất trong sinh lý học buồng trứng trong những năm mới đây là sự khám phá ra hormone inhibin. Inhibin là hormone ức chế sự rụng trứng, nó làm giảm tỉ lệ rụng trứng. Một vài giống động vật có tốc độ rụng trứng cao hiếm thấy như dòng Booroola của cừu Merino ở Úc có mức inhibin trong máu thấp. Trâu bò miễn dịch với inhibin có mức inhibin trong máu thấp
7. 117 và tăng tỉ lệ rụng trứng. Các gen kiểm tra sự sản xuất inhibin đã được tạo dòng và khả năng tạo ra động vật chuyển gen mà trong đó các gen này bị ức chế hoặc bị loại bỏ là hoàn toàn có thể. Một quá trình nghiên cứu khác cũng đã được thực hiện để tìm hiểu các cơ chế kiểm soát điều hoà chức năng của thể vàng và sự sản xuất hormone progesterone của nó. Hormone này điều hoà thời gian chu kỳ động dục và giúp duy trì sự thụ thai. Sự hiểu biết này mở đường cho sự phát triển các phương pháp điều hoà chu kỳ động dục cho khớp với con mẹ thay thế và gây siêu rụng trứng. Sự xử lý gây siêu rụng trứng được bắt đầu khi hai buồng trứng chịu ảnh hưởng của progesterone. Hiện nay các xử lý gây siêu rụng trứng sử dụng các hormone có độ tinh khiết cao đựơc sản xuất bằng kỹ thuật DNA tái tổ hợp và đã tạo ra trung bình khoảng 10 trứng có thể phát triển đối với một lần xử lý (trong khi đó một con bò bình thường mỗi lần rụng trứng tạo ra 1 trứng có thể phát triển). Khi sự hiểu biết mới về các yếu tố kiểm soát sự phát triển của trứng và hoạt động chức năng của thể vàng được áp dụng, số lượng phôi có thể phát triển tạo ra sau một lần xử lý sẽ tăng lên như mong muốn. Sự thành thục và thụ tinh nhân tạo của trứng đã tăng lên nhờ sự gây siêu rụng trứng, cung cấp một phương tiện khắc phục vấn đề sinh sản ít hiệu quả của vật nuôi. Thông thường một buồng trứng bò chứa khoảng 50.000 trứng chưa thành thục. Tuy nhiên, trung bình chỉ 3-4 trong số trứng này sẽ có kết quả trong việc sinh sản ra các bê con trong suốt thời gian sống của một bò mẹ. Sự sử dụng các phương pháp gây siêu rụng trứng hiện nay, từ một con bò đã xử lý có thể thu nhận được 10 trứng có thể phát triển và một nửa số trứng này phát triển thành phôi thích hợp cho chuyển gen. Kỹ thuật siêu rụng trứng cải tiến có thể dẫn đến sự tăng số lượng trứng thích hợp cho thụ tinh nhân tạo. Như thế số con sinh ra từ một động vật có thể hoàn toàn cao. Sự thụ tinh nhân tạo chỉ xảy ra khi một tinh trùng đã chuẩn bị một cách đặc biệt để xâm nhập vào tế bào trứng gặp một trứng ở trạng thái thành thục tối ưu.
8. 118 Ðối với cá, giai đoạn biến nạp thích hợp là phôi ở giai đoạn 1-4 tế bào. Giai đọan này được tạo ra bằng thu nhận trứng, tinh dịch bằng phương pháp sử dụng kích dục tố (kích thích tố trong nhau thai của người (HCG) hoặc não thuỳ thể cá chép ), rồi thụ tinh nhân tạo. 3. Chuyển gen vào động vật Việc đạt được mục đích của việc tạo ra động vật chuyển gen đòi hỏi sự phát triển của các phương pháp có hiệu quả để chuyển gen mong muốn vào phôi. Hiện nay có nhiều phương pháp khác chuyển gen nhau đang được sử dụng để tạo động vật chuyển gen: vi tiêm, chuyển gen bằng cách sử dụng các tế bào gốc phôi, chuyển gen bằng cách sử dụng vector virus (xem chương 2). 4. Nuôi cấy phôi trong ống nghiệm (đối với động vật bậc cao) Tế bào trứng tiền nhân sau khi vi tiêm được nuôi cấy trong ống nghiệm để phát triển đến giai đoạn phôi dâu (morula) hoặc túi phôi (blastocyst). Ở giai đoạn này màng trong (pellucida) bị bong ra và phôi có thể làm tổ được ở dạ con. Những phôi này được cấy chuyển vào con nhận đã được gây chửa giả (pseudopregnant) để phát triển thành cá thể con. Ðối với động vật bậc thấp như cá không cần giai đoạn này. Tuy nhiên ở cá, trứng sau khi thụ tinh màng thứ cấp (chorion) dày lên, rất dai và dính gây trở ngại cho việc định vị chính xác mũi kim tiêm vào vị trí mong muốn để có thể đưa được DNA vào trứng (Hình 4.4A). Mặt khác giai đoạn phôi một tế bào ở cá rất ngắn trong khi đó việc vi tiêm đòi hỏi nhiều thao tác tỉ mỉ và chính xác. Ðể khắc phục các nhược điểm này, người ta có thể tiến hành loại màng thứ cấp (Hình 4.4B), kéo dài giai đoạn phôi 1-4 tế bào và ấp nhân tạo phôi trần để tạo cá bột.
9. 119 A B Hình 4.3: Trứng cá chạch (Misgurnus anguillicaudatus) trước và sau khi khử màng thứ cấp (chorion) A. Trứng cá chạch chưa khử màng thứ cấp B. Trứng cá chạch đã được khử màng thứ cấp 5. Kiểm tra động vật được sinh ra từ phôi chuyển gen Ðể khẳng định động vật có được chuyển gen lạ vào hay không, người ta phải kiểm tra xem gen lạ có xâm nhập được vào bộ máy di truyền của động vật trưởng thành hay không và sản phẩm của gen lạ có được tổng hợp ra hay không. Ðối với vấn đề thứ nhất người ta sử dụng phương pháp lai phân tử trên pha rắn (Southern blot, Northern blot ) hoặc PCR. Ðối với vấn đề thứ hai, sản phẩm của gen lạ được đánh giá ở hai mức độ: phiên mã và dịch mã. Sản phẩm phiên mã được đánh giá bằng phương pháp RT-PCR, sản phẩm dịch mã được đánh giá bằng phương pháp Western blot, ELISA hoặc kỹ thuật miễn dịch phóng xạ (RIA) để phát hiện protein lạ trong động vật. Theo dõi các thế hệ sau của động vật chuyển gen (F1, F2, F3, ) để xác định gen lạ có di truyền hay không. 6. Tạo nguồn động vật chuyển gen một cách liên tục Sau khi kiểm tra thấy gen ngoại lai đã được di truyền ổn định, tiến hành lai tạo và chọn lọc để tạo dòng động vật chuyển gen.
10. 120 III. Những hướng nghiên cứu và kết quả đạt đựơc trong lĩnh vực tạo động vật chuyển gen 1. Những hướng nghiên cứu tạo động vật chuyển gen Hiện nay trên thế giới có nhiều phòng thí nghiệm đã và đang tập trung nghiên cứu để tạo ra động vật chuyển gen theo những mục đích khác nhau, tuy nhiên chủ yếu tập trung vào những hướng sau: 1 .1. Taọ ra những động vật có tốc độ lớn nhanh, hiệu quả sử dụng thức ăn cao Trong hướng này, người ta tập trung chủ yếu vào việc đưa tổ hợp bao gồm gen cấu trúc của hormone sinh trưởng và promoter methallothionein vào động vật. Cho đến nay người ta đã đưa thành công gen này vào thỏ, lợn và cừu. Kết quả là những động vật chuyển gen này không to lên như ở chuột. Tuy nhiên ở Ðức, trong trường hợp ở lợn chuyển gen hormone sinh trưởng lượng mỡ giảm đi đáng kể (giảm từ 28,55mm xuống 0,7mm) và hiệu quả sử dụng thức ăn cao hơn. Ở Australia, lợn chuyển gen hormone sinh trưởng có tốc độ lớn nhanh hơn đối chứng là 17%, hiệu suất sử dụng thức ăn cao hơn 30%. Tuy nhiên động vật nuôi chuyển gen hormone sinh trưởng có biểu hiện bệnh lý lớn quá cỡ và chưa có ý nghĩa lớn trong thực tiễn. Các nhà khoa học ở Granada (Houston, Texas) đã tạo ra được bò chuyển gen tiếp nhận estrogen người (human estrogen receptor) có tốc độ lớn nhanh. Các nhà khoa học ở đây đã thành công trong việc đưa gen hormone sinh trưởng giống insulin bò (bovine insulin like growth hormone) vào gia súc để tạo ra giống gia súc thịt không dính mỡ. Hãng Granada đã chi 20 triệu USD để áp dụng kỹ thuật trên vào lợn, cừu, dê và gà để tạo ra vật nuôi có hiệu quả chuyển hóa thức ăn thành thịt, sữa cao. Ðể tạo ra động vật chuyển gen thật sự có ý nghĩa trong thực tiễn cho chăn nuôi cần phải tìm được gen khởi động (promoter) thích hợp. Gần đây, Sutrave (1990) đã khám phá ra gen Ski, mà dưới tác động của gen này protein cơ được tổng hợp rất mạnh, trong khi đó lượng mỡ lại giảm đi đáng kể. Phát hiện này mở ra triển vọng tạo ra giống lợn nhiều nạc, ít mỡ, hiệu suất sử dụng thức ăn cao.
11. 121 1. 2. Tạo ra động vật chuyên sản xuất protein quý dùng trong y dược Ðây là hướng có nhiều triển vọng nhất bởi vì nhiều protein dược phẩm quý không thể sản xuất qua con đường vi sinh hoặc sinh vật bậc thấp, do những sinh vật này không có hệ enzyme để tạo ra những protein có cấu tạo phức tạp. Ý định sử dụng tuyến sữa của động vật bậc cao để sản xuất ra protein quý lần đầu tiên được Clark (1987) đề xuất. Nội dung của kỹ thuật này là gắn gen cấu trúc với ß-lactoglobulin (là promoter điều khiển sự biểu hiện của gen ở tuyến sữa). Khi đưa tổ hợp có chứa promoter ß-lactoglobulin vào cừu, chuột, Clark thấy chúng biểu hiện rất cao ở tuyến sữa (Hình 4.5). Sản xuất protein thông qua việc sản xuất sữa có nhiều lợi thế: - Tuyến sữa của động vật có vú là một cơ quan sản xuất sinh học thích nghi cao độ cho sự bài tiết. - Tuyến sữa là một hệ thống sản xuất khổng lồ có khả năng tạo ra từ 23g (bò sữa) đến 205g (chuột) protein/kg cơ thể trong thời kỳ tiết sữa tối đa. - Nồng độ tế bào trong tuyến sữa của động vật có vú lớn hơn trong nuôi cấy tế bào thông thường từ 100 đến 1000 lần. - Nhiều protein được sản xuất ở tuyến sữa của động vật có vú có hoạt tính dược cao do cơ quan này có đủ điều kiện thực hiện “chín hóa“ (maturation) protein. - Sữa là dịch tiết của cơ thể có thể được thu nhận một cách dễ dàng nhất, đặc biệt là từ động vật nhai lại. - Sự biểu hiện của gen ở tuyến sữa của động vật có vú là chính xác về thời gian. - Sản lượng sữa tiết ra ở động vật có vú là khá lớn: ở dê lên đến 800 lít/năm, cừu 400 lít/năm, bò 8000 lít/năm, ở chuột là 1,5ml/lần (Bảng 4.1).
12. 122 Bảng 4.1: Một vài thông số liên quan đến việc tiết sữa ở động vật có vú (Pollock Daniel P., 1999) Ðộng Thời Thời gian Số con Sản Số vật gian thành thục trong lượng sữa tháng mang (tháng) một lứa tiết ra tiết thai sữa (tháng) Chuột 0,75 1 10 1,5ml 3 - 6 Thỏ 1 6 8 1 - 1,5l 7 - 8 Lợn 4 8 9 200 - 400l 15 - 16 Cừu 5 6 2 200 - 400l 16 -18 Dê 5 6 2 600 - 800l 16 -18 Bò 9 15 1 8000l 30 - 33 Cho đến nay rất nhiều protein dược phẩm quý đã và đang được nghiên cứu để sản xuất qua tuyến sữa của động vật (Bảng 4.2) như: - α1- antitripsin và yếu tố làm đông máu IX (blood clotting factor IX) của người đã được tiết ra trong sữa chuột, sữa cừu với nồng độ tương ứng là 5mg/ml và 25mg/ml. - Chất hoạt hóa plasminogen mô người (human tissue plasminogen activator) làm tăng đông máu đã được tiết ra ở sữa dê và sữa chuột. - Gen urokinase người đã được đưa thành công vào lợn và tiết ra ở tuyến sữa nhờ gen khởi động alpha-casein bò. - Protein C người được tạo ra từ sữa chuột và sữa lợn chuyển gen
13. 123 Hình 4.5: Sơ đồ qui trình sản xuất protein thông qua tuyến sữa
14. 124 Hiện tại đã có 2 protein được sản xuất bằng con đường này là α1-antitripsin người và chất hoạt hoá plasminogen mô người. Chất đầu được sản xuất qua sữa cừu với nồng độ 35g/l, còn chất sau sản xuất qua sữa dê. Hãng Genetech (Mỹ) hàng năm thu được 196,4 triệu USD từ sản phẩm chất hoạt hoá plasminogen mô với giá 2,2 USD/liều. Hormone sinh trưởng người cũng là sản phẩm của kỹ thuật gen do vi sinh vật tổng hợp với mức thu hàng năm 122,7 triệu USD. Hiện tại các nhà khoa học Mỹ muốn giảm giá thành của sản phẩm này bằng cách sản xuất qua sữa thỏ. Người ta dự đoán giá thành sản xuất hormone này qua sữa thỏ chỉ bằng 1/3 giá thành hiện tại sản xuất nhờ vi sinh. Lý do là chu kỳ sinh sản của thỏ ngắn và lượng protein sữa của thỏ lại cao. Trong một năm lượng protein sữa của 6 con thỏ bằng của một con bò. Hiện tại chuột chuyển gen hormone sinh trưởng đã tiết ra protein này với nồng độ 0,5g/l. Tập đoàn Genzyme Transgenic (Mỹ) đã sản xuất ra nhiều loại protein quý từ sữa của chuột và dê chuyển gen (Bảng 4.3). Mặt khác, các protein dược phẩm mong muốn cũng được tạo ra trong dịch cơ thể không thuộc mô vú như máu. Cho đến nay phương pháp này chỉ mới được sử dụng để biểu hiện hemoglobin người với mức cao ở lợn chuyển gen (Sharma, 1994). Bên cạnh hai phương pháp trên, các nhà khoa học đã phát triển động vật chuyển gen sản xuất ra dược phẩm ở trong bàng quang của chúng. Khả năng sử dụng nước tiểu của động vật để sản xuất protein tăng lên vào năm 1995, khi Tung-Tien Sung ở Ðại học New York chứng minh rằng có những gen chỉ hoạt động ở bàng quang. Các gen này mã hoá cho protein uroplakins. Protein này là một thành phần tham gia hình thành nên màng bàng quang. Kerr (1998) đã nghiên cứu tạo ra chuột chuyển gen sản xuất hormone sinh trưởng người từ nước tiểu. Gen hormone sinh trưởng người được nối với promoter urolapkin. Promoter này kiểm soát vị trí và thời gian hoạt động của gen. Chuột mang gen ngoại lai đã tạo ra 500 nanogam hormone sinh trưởng người trong một mili lít nước tiểu thải ra. Mặc dù sản phẩm của chuột chuyển gen chỉ là một lượng nhỏ nhưng chúng cho thấy rằng trong tương lai nước tiểu của vật nuôi có thể sẽ được lựa chọn. Nước tiểu có những ưu thế vượt trội so với sữa. Cả động vật đực và cái đều tiết nước tiểu, được bắt đầu ngay sau khi
15. 125 Bảng 4.2: Tóm tắt các nghiên cứu biểu hiện trực tiếp protein dược phẩm trong sữa động vật chuyển gen ( Wall. R. J, 1997) Loài Gen chuyển Promoter Tài liệu chuyển gen Gen Nguồn Promoter Nguồn tham khảo Chuột α1- antitripsin Chuột WAP Thỏ Bischoff, 1992 Chuột α1- antitripsin Người β-LG Cừu Archibald, 1990 Chuột β-interferon Người WAP Chuột Schellander, 1992 Chuột γ-interferon Người β-LG Cừu Dobrovolsky, 1993 Chuột CFTR Người β-CN Dí DiTullio, 1992 Chuột Yếu tố đông máu Người β-LG Cừu Yull, 1995 IX Chuột Protein C Người WAP Chuột Valender, 1992 Chuột Albumin huyết Người β-LG Cừu Shani, 1992 thanh Chuột Superoxide Người β-LG Cừu Hansson, 1994 dismutase Chuột Superoxide Người WAP Chuột Hansson, 1994 dismutase Chuột Chất hoạt hóa Người WAP Chuột Gordon, 1987 plasminogen mô Chuột Chất hoạt hóa Người αS1-CN Bò Riego, 1993 plasminogen mô Chuột Trophoblastin Cừu α-LA Bò Stinnakre, 1991 Chuột Urokinase Người αS1-CN Bò Meade, 1990 Thỏ Interleukin-2 Người β-CN Thỏ Buhler, 1995 Thỏ Chất hoạt hóa Người αS1-CN Bò Riego, 1993 plasminogen mô Lợn Protein C Người WAP Chuột Velander, 1992 Cừu α1- antitripsin Người β-LG Cừu Wright, 1991 Cừu Yếu tố làm đông Người β-LG Cừu Simons, 1988 máu IX Dê Chất hoạt hóa Người WAP Chuột Ebert, 1991 plasminogen mô
16. 126 Bảng 4.3: Mức độ biểu hiện của một số protein trong sữa động vật chuyển gen (g/l) (Pollock Daniel P., 1999) Loại protein Chuột Dê AAT 35 20 Longer acting tPA 6 6 AT III 10 10 BR 96 Mab 4 14 Single chain antibody 1 α-Human transferring receptor 2 Soluble receptor CD4 8 AT III Syn 1 Antibody fusion protein 1 β-IFN 0,2 Mab 1 Chitotriosidae 2 Galactosyl transferase 1 Sialyl transferase 0,1 GAD 8 Human growth hormone 4 Proinsulin 8 -14 Myelin basic protein 4 Single chain antibody fusion 0,2 protein 4 Prolactin 0,2 Soluble HMW receptor 0,001 CFTR membrane protein 0,3 Factor Xa 1 Urokinase 1 Human transferrin receptor MAb
17. 127 sinh ra. Nước tiểu của các đại gia súc chứa nhiều protein hơn ở trong sữa của chúng. Mặt khác, trên thực tế chi phí cho việc tinh chế thuốc từ nước tiểu thấp hơn so với sữa. Một vài protein có thể không thích hợp đối với việc khai thác từ sữa bởi vì chúng làm tổn thương mô vú. 1. 3. Tạo ra động vật chống chịu được bệnh tật và sự thay đổi của điều kiện môi trường Ðến nay người ta đã biết được một số gen có khả năng kháng bệnh và chống chịu được sự thay đổi điều kiện môi trường của vật nuôi. Tiêm gen Mx vào lợn để tạo ra được giống lợn miễn dịch với bệnh cúm. Người ta cũng đã thành công trong việc tiêm gen IgA vào lợn, cừu, mở ra khả năng tạo được các giống vật nuôi miễn dịch được với nhiều bệnh Ở cá, người ta đã chuyển gen chống lạnh AFP (antifreeze protein) và đã tạo ra được các giống cá có khả năng bảo vệ cơ thể chống lại sự lạnh giá (cá hồi, cá vàng ). Cá chuyển gen AFP có khả năng chịu lạnh tốt hơn cá đối chứng khi nuôi chúng trong môi trường có nhiệt độ thấp. Kết quả này đã mở rộng khả năng sống của các loài cá nuôi vào mùa đông. Ðây là một thuận lợi lớn cho việc nuôi trồng các nguồn thuỷ sản quan trọng. 1. 4. Nâng cao năng suất, chất lượng động vật bằng cách thay đổi các con đường chuyển hóa trong cơ thể động vật Nhiều phương pháp đã được đề xuất để nâng cao chất lượng dinh dưỡng và để cải tiến hiệu quả của các sản phẩm được sản xuất từ sữa như phó-mát, kem và sữa chua (Bảng 4.4). Trong hướng này nổi bật là những nghiên cứu nâng cao chất lượng sữa bò, sữa cừu bằng cách chuyển gen lactose vào các đối tượng quan tâm. Sự biểu hiện của gen này được điều khiển bởi promoter của tuyến sữa. Trong sữa của những động vật chuyển gen này, đường lactose bị thủy phân thành đường galactose và đường glucose. Do vậy những người không quen uống sữa cũng có thể sử dụng được sữa này mà không cần quá trình lên men. Mới đây, các nhà khoa học (Brigid Brophy, 2003) đã chuyển thêm các gen mã hoá
18. 128 ß-casein (CSN2) và kappa-casein (CSN3) bò vào các nguyên bào sợi của bò và tạo ra bò chuyển gen cho sữa có mức ß-casein và kappa- casein cao hơn bình thường: hàm lượng ß-casein tăng lên 8-20%, hàm lượng kappa-casein tăng gấp 2 lần và tỉ lệ kappa-casein so với casein tổng số thay đổi một cách đáng kể. Hai loại casein là protein chủ yếu ở trong sữa và là thành phần chính của sữa đông, chìa khoá của sự sản xuất phó-mát và sữa chua. Các protein này rất quan trọng, chúng làm cho sữa có hàm lượng protein cao nhưng chứa nhiều nước. Hiện tại người ta chú ý tới việc đưa một số gen của vi sinh vật vào cơ thể động vật. Tiến bộ nổi bật nhất trong hướng này là đưa gen mã hóa enzyme chịu trách nhiệm tổng hợp axít amin cystein vào cừu. Cystein là axít amin được tổng hợp từ serine nhờ hai enzyme là: serine transacetylase va O-acetylserine sulfahydrylase. Hai gen chịu trách nhiệm tổng hợp hai enzyme này là cys E và cys K. Cystein là axít amin cơ bản rất quan trọng trong sự phát triển của lông. Những cố gắng để bổ sung axít amin này vào thức ăn đều không đạt kết quả do chúng bị phân hủy trong ống tiêu hóa của động vật. Bởi vậy, nếu đưa được gen tổng hợp cystein vào cơ thể động vật sẽ làm tăng năng suất lông lên rất nhiều. Các nhà khoa học Australia đã dùng gen tổng hợp cystein có nguồn gốc từ vi sinh vật (E.coli và S. typhimurium) để đưa vào cừu. Hai gen cys E và cys K phân lập từ hai chủng vi sinh được gắn với nhau thành một đoạn DNA, sau đó được gắn tiếp với promoter methallothionein. Ở chuột được chuyển tổ hợp gen này thì ở hầu hết các cơ quan đều có mặt tổ hợp và lượng lông tăng lên rất nhiều. Sự biểu hiện ở chuột và cừu giống nhau nên trong tương lai không xa sẽ tạo ra được giống cừu chuyển gen cystein với năng suất lông tăng lên rất nhiều lần.
19. 129 Bảng 4.4: Một số thay đổi các thành phần của sữa được đề xuất (Wall. R. J, 1997) Sự thay đổi Kết quả Tăng α-CN và ß-CN Tăng khả năng bền vững của sữa đông cho việc làm phó-mát, cải tiến tính bền vững đối với nhiệt và tăng hàm lượng calcium Tăng vị trí phosphoryl hoá trong Tăng hàm lượng calcium và cải tiến casein sự hoá nhũ tương Ðưa các trình tự phân giải protein Tăng tốc độ phát triển kết cấu (cải vào casein tiến sự chín của phó-mát) Tăng nồng độ kappa-CN Tăng tính ổn định của sự kết tụ casein, giảm kích thước mixen và giảm đông keo (gelation) và đông tụ (coagulation) Tiết ß-LG Giảm đông keo ở nhiệt độ cao, cải tiến tính tiêu hoá, giảm dị ứng và giảm nguồn cystein sơ cấp trong sữa. Giảm α-LA Giảm lactose, tăng khả năng thương mại của sữa, giảm sự hình thành các tinh thể nước đá, làm giảm sự điều khiển tính thấm của tuyến sữa Thêm lactoferin người Tăng cường sự hấp thu sắt và bảo vệ chống lại sự nhiễm trùng ruột Thêm các trình tự phân giải protein Tăng tốc độ chín của phó-mát vào ?-CN Giảm sự biểu hiện của acetyl-CoA Giảm hàm lượng mỡ, cải tiến chất cacboxylase lượng dinh dưỡng và giảm giá thành sản xuất sữa Biểu hiện gen Ig Bảo vệ chống lại các bệnh như Salmonella và Listeria Thay thế các gen protein sữa bò Tạo ra sữa giống như sữa người bằng các gen protein sữa người
20. 130 Tương tự, việc đưa gen tổng hợp axít amin cơ bản như threonine và lysine có nguồn gốc vi sinh vật vào cơ thể động vật để làm tăng hiệu quả sử dụng thức ăn của vật nuôi là có triển vọng trong tầm tay. Việc nghiên cứu để tạo ra vật nuôi chuyển gen hormone sinh trưởng có tốc độ lớn nhanh, hiệu suất sử dụng thức ăn cao và hướng sản xuất các protein quý dùng chữa bệnh cho con người nhờ tuyến sữa động vật là có nhiều triển vọng hơn cả. Lý do là hormone sinh trưởng cũng như nhiều protein quý chỉ do một gen chịu trách nhiệm tổng hợp nên dễ biểu hiện hơn là những tính trạng do nhiều gen tham gia. Các protein được cơ thể động vật sản xuất phần lớn tiết ra qua tuyến sữa nhờ promoter ß-lactoglobulin nên không gây độc hại cho cơ thể vật nuôi và có thể khai thác nhiều lần. 1. 5. Tạo ra vật nuôi chuyển gen cung cấp nội quan cấy ghép cho người Hiện nay trên thế giới số bệnh nhân cần tế bào hay cơ quan đang sinh trưởng để cấy ghép ngày một nhiều, nhưng nguồn tế bào và cơ quan người không đủ. Ý tưởng sử dụng cơ quan động vật để thay thế đã xuất hiện cách đây gần một thế kỷ. Các thí nghiệm cấy ghép cơ quan các loài động vật khác nhau cho bệnh nhân đã được tiến hành. Trong một số trường hợp đã dẫn đến kết quả cấy ghép thành công nhưng phản ứng loại thải xảy ra nhanh. Hai cơ quan là tinh hoàn và buồng trong của mắt thì sự loại thải xảy ra chậm hơn nhiều. Các mô này biểu hiện một phân tử có tên là phối tử Fas trên bề mặt của chúng, làm chết các tế bào miễn dịch đã hoạt hoá. Các loài khác nhau đã được thử nghiệm làm nguồn cơ quan cung cấp cho con người. Đầu tiên Linh trưởng, bao gồm hắc tinh tinh được cho là thích hợp nhất. Nhưng sau đó nhận thấy ngay rằng sự lựa chọn này không phải là tốt nhất. Các cơ quan của Linh trưởng bị loại thải sau khi cấy ghép. Linh trưởng là loài đang được bảo vệ và giá của nó cực kỳ đắt. Hơn nữa, Linh trưởng có nguy cơ truyền bệnh cho con người cao nhất. Cho nên ý tưởng sử dụng Linh trưởng làm nguồn cơ quan cho con người đã được loại bỏ. Lợn được cho là tốt nhất. Loài này có quan hệ gần gũi với con người, ăn tạp và các cơ quan của nó có kích thước tương tự với con người. Lợn không có
21. 131 quan hệ họ hàng gần gũi với người như Linh trưởng nên khả năng truyền bệnh của nó cho người là không dễ dàng hơn. Hơn nữa sự sản xuất lợn giống có thể tiến hành trong những điều kiện kiểm soát được bệnh tật với một giá thành thấp. Mặt khác, hiện nay lợn được sử dụng làm nguồn thức ăn phong phú cho con người. Sự ghép mô khác loài hãy còn chưa được ứng dụng phổ biến trong thực tế. Vấn đề thứ nhất cần giải quyết là một lĩnh vực khoa học. Các cơ chế loại thải chưa được hiểu biết đầy đủ và tất cả các protocol sử dụng để ức chế cơ chế này, có liên quan đến chuyển gen hay không hãy còn chưa được xác định. Tính nghiêm ngặt của sự loại thải sẽ khác nhau đối với các tế bào và cơ quan được ghép. Thực vậy, mô mạch máu bị loại thải mạnh nhất. Điều này là do tế bào nội bì cơ quan được ghép của lợn bị phân huỷ một cách nhanh chóng bởi thể bổ sung của người (human complement). Nó gây ra sự nghẽn mạch và phân huỷ nhanh cơ quan ghép. Các tế bào tách ra hoặc toàn bộ khối tập hợp của cơ quan là không nhạy cảm với hiện tượng này. Tuy nhiên các đảo tuỵ của lợn bị loại thải nhanh chóng khi ghép vào Linh trưởng. Vấn đề thứ hai nảy sinh từ thực tế là các cơ quan lợn nói chung là không hoạt động một cách hiệu quả ở người. Một quả tim lợn sẽ hoạt động chính xác ở người. Một quả thận sẽ không thích nghi quá tốt với người được ghép. Hiện nay dường như chưa có dự tính ghép gan lợn cho người. Các chức năng của gan quá phức tạp nên không thể tương hợp một cách dễ dàng giữa các loài động vật có vú khác nhau. Các tế bào tách chiết hoặc các khối tập hợp của cơ quan có thể gây ra ít vấn đề hơn. Các tế bào tuyến tuỵ của lợn tiết insulin có thể hoạt động một cách chính xác ở người. Tương tự đối với các neuron tiết dopamine hoặc đối với các tế bào da. Người ta cho rằng việc ghép mô khác loài có thể đưa ra một giải pháp nhất thời giúp cho bệnh nhân có thể sống được cho đến khi có được cơ quan người để thay thế. Trong các trường hợp đặc biệt, các tế bào lợn tồn tại không dài hơn một ngày sau khi ghép cho bệnh nhân hoặc có thể được sử dụng trong tuần hoàn máu nhân tạo. Các tế bào gan lợn được sử dụng để ghép cho các bệnh nhân bị viêm gan cấp tính. Các tế bào gan này được duy trì trong một lò phản ứng nhân tạo (extracorporeal reactor) và chúng giải độc cho máu người tuần hoàn trong lò phản ứng này. Các tế bào lợn có thể hoạt động
22. 132 chức năng dài hơn nếu chúng được lấy từ lợn chuyển gen kháng với thể bổ sung của người. Vấn đề thứ ba là khả năng nhiễm nguồn bệnh virus của lợn đối với bệnh nhân được cấy ghép. Mặc dầu trong thực tiễn ghép mô khác loài chưa trở nên phổ biến, nhưng nó vẫn là một phương pháp hấp dẫn cho việc thay thế cơ quan và liệu pháp tế bào (cell therapy). Sử dụng tế bào gốc của người có thể là thích hợp hơn đối với liệu pháp tế bào trong tương lai. Cho đến nay việc tạo cơ quan người in vitro vẫn là một thách thức. Chỉ tế bào da và tế bào máu nuôi cấy in vitro được chuẩn bị đều đặn để cấy ghép cho bệnh nhân. Vì vậy lợn vẫn là một nguồn cơ quan đầy tiềm năng đối với người. Yếu tố căn bản trong việc tạo ra vật nuôi chuyển gen để cung cấp nội quan cấy ghép cho các bệnh nhân là ngăn cản sự loại thải thể ghép nhờ sự hoạt hoá các nhân tố bổ sung thuộc hệ miễn dịch của người. Các nhà khoa học đã tạo ra lợn chuyển gen biểu hiện gen mã hoá các nhân tố ngăn cản sự bổ sung của người (human complement inhibitory factors) như nhân tố làm tăng nhanh sự phân huỷ (decay- accelerating factor) (Rosengard, 1995). Mục tiêu này đang được tiếp tục nghiên cứu. 1. 6. Tạo ra động vật chuyển gen làm mô hình nghiên cứu bệnh ở người Hơn 3000 bệnh di truyền của người đã được biết và việc nghiên cứu các nguyên nhân chủ yếu của chúng đã được quan tâm với mục đích để phát minh các liệu pháp gen tế bào sinh dưỡng và tìm ra các phương pháp điều trị hiệu quả. Các dòng chuột nội phối đặc biệt di truyền các kiểu hình mong muốn một cách tự phát đã cung cấp các mô hình hữu ích cho việc nghiên cứu sự phát sinh bệnh của người. Tuy nhiên một số vấn đề liên quan với sự nghiên cứu bệnh di truyền người xảy ra một cách tự nhiên bằng cách sử dụng động vật là: - Các dòng động vật cho thấy các triệu chứng bệnh đặc biệt thường khó gặp và phải tốn nhiều tiền để duy trì.
23. 133 - Các khuyết điểm di truyền đặc biệt của động vật có thể khó nhận ra và mô tả như các khuyết điểm di truyền tương ứng ở người. - Các động vật bị bệnh thường khác với các động vật đối chứng không bị bệnh ở các nhân tố di truyền thêm vào với gen bệnh. Trong thập kỷ qua, nhiều dòng chuột chuyển gen đã được tạo ra như các mô hình nghiên cứu bệnh tâm thần, tim mạch, phổi, ung thư, viêm nhiễm và miễn dịch cũng như để nghiên cứu cơ chế và sự rối loạn của chuyển hoá, sự sinh sản và sự phát triển sớm ở người (Bảng 1.5).Các mô hình này đã được chứng minh bằng các tài liệu về động vật chuyển gen trong các cơ sở dữ liệu như TBASE hoặc IMR. Sử dụng mô hình chuột chuyển gen đã giúp các nhà khoa học thấy được vai trò của gen trong sự phát triển và tính nội cân bằng của động vật một cách nhanh chóng và hy vọng sẽ xác định được vị trí và chức năng của gen ngưòi từ sự hiểu biết về vị trí và chức năng của gen chuột. Ngày nay, lĩnh vực y học đang ngay càng gặt hái nhiều lợi ích của kỹ thuật mới này. Chuột chuyển gen an toàn, không đắt và là nguồn phong phú cho các nghiên cứu sinh lý bệnh học cũng như thiết kế và đánh giá việc can thiệp của các liệu pháp mới. Thực tế, khi cơ sở phân tử của nhiều bệnh được rõ ràng, mô hình chuột chuyển gen hứa hẹn một cuộc cách mạng táo bạo trong việc hiểu biết và điều trị bệnh.
24. 134 Bảng 1.5: Một số bệnh được điều trị bằng mô hình chuột chuyển gen (Jeff D Hardin, 1994) Bệnh Gen Tài liệu tham khảo Cystic fibrosis CFTR O’Neal,1993; Dorin, 1992; Snowaert, 1992 Atherosclerosis Apo E, Ape(a), Apo Havel, 1989; Zhang, A-II 1992; Shimano, 1992; Fabry, 1993 Liệu pháp gen Apo AI, Ape E, LDLR Plump,1992;Goldstein, kháng 1989; Warden, 1993 Atherosclerosis β-Thalassemia β-globin Yokode, 1990 Thiếu máu hồng cầu ßs (và các dạng đột Yokode, 1990 hình liềm biến) Bệnh viêm ruột Interleukine-2, Podolsky,1991; Interleukine-10,T-cell Mombaerts, 1993; Kuhn, receptor, β, MHC II 1993; Sadlack, 1993 Thiếu hụt miễn dịch Rag-1, Rag-2 Rubin, 1991; kết hợp nặng Mombaerts, 1992 Liệu pháp gen loạn Dystrophin Shinkai, 1992 dưỡng cơ Bệnh Alzhemers β-amyloid Cox,1993; Sandhu, 1991 ALS (Amyotrophic Neurofilament heavy Kawabata, 1993 lateral sclerosis) chain Bệnh tiểu đường Interferon Stewart, 1993 phụ thuộc insulin Ung thư Các gen ung thư và các Fowlis, 1993 gen ức chế ung thư
25. 135 1. 7. Tạo ra động vật chuyển gen làm mô hình nghiên cứu trong chất độc học Phần lớn các dòng động vật chuyển gen sử dụng trong chất độc học để thử nghiệm các chất gây đột biến và các chất gây ung thư. Trong trường hợp các chất gây đột biến, các phương pháp phát hiện các đột biến gen hiện nay được giới hạn chủ yếu in vitro. Các phương pháp in vitro phần lớn liên quan đến việc phân tích sự tổn thương nhiễm sắc thể trong một loại mô riêng biệt đối với tác động gây đột biến. Lý do căn bản đối với việc sử dụng động vật chuyển gen là để phát triển một xét nghiệm phát hiện chất gây đột biến in vivo trong một loạt các loại mô khác nhau, kể cả các tế bào mầm. 1.7.1. Thử nghiệm các chất gây đột biến Các mô hình chuột chuyển gen có giá trị thương mại bao gồm chuột Mutamouse và Big Blue chứa gen chuyển lacZ và lacI của E.coli một cách tương ứng. Các gen chuyển này được tạo dòng trong vector phage và chúng đã tích hợp vào trong genome của chuột. Theo cách xử lý chuột chuyển gen với một thử nghiệm hoá học, vector phage đã tích hợp được tách khỏi DNA genome bằng việc đóng gói in vitro. Phage đột biến với các gen lac đã phân huỷ được nhận ra nhờ khả năng sinh trưởng của chúng trên các dòng tế bào chủ E.coli dễ bị tổn thương và nhờ màu của các đĩa phân giải. Các tác nhân là các chất gây đột biến mạnh được phát hiện với mức chính xác cao nhưng khả năng của các xét nghiệm này để phát hiện đúng các chất không gây ung thư đòi hỏi cần phải tiếp tục nghiên cứu. Ngoài ra, khó có thể phát hiện các chất gây nên các đột biến mất đoạn lớn. Dựa vào thực tế là chỉ các đoạn DNA có chiều dài đặc trưng được đóng gói là có hiệu quả vì vậy các đột biến mất đoạn lớn hoặc thêm đoạn sẽ chắc chắn không được phát hiện. Ðể khắc phục vấn đề này, chuột chuyển gen đã được tạo ra mang một plasmid với hệ thống lacZ, trong đó các đột biến mất đoạn lớn có thể được phát hiện (Gossen, 1995).
26. 136 1.7.2. Thử nghiệm các chất gây ung thư Xét nghiệm sinh học thường sử dụng một lượng lớn động vật (400-500 con cho một chất) và dễ tạo ra số liệu không chính xác ở liều cao. Nguyên lý sử dụng cơ bản động vật chuyển gen cho việc thử nghiệm các chất gây ung thư là sự có mặt của một gen chuyển thích hợp sẽ không trực tiếp gây ra khối u nhưng sẽ cho thấy một bẩm chất dễ mắc bệnh cao với chất gây ung thư. Vì sự xuất hiện một dòng ác tính yêu cầu một số thay đổi di truyền thêm vào các tế bào đã nhiễm, thời gian cần thiết cho điều này xảy ra được rút ngắn. Bẩm chất dễ mắc bệnh với chất gây ung thư này đã dẫn đến tình trạng ung thư mà không tăng tốc độ xảy ra, nó không chỉ cho phép sự thử nghiệm chất gây ung thư ít tốn thời gian hơn mà còn làm giảm số lượng động vật yêu cầu khi xét nghiệm. Ba dòng chuột chuyển gen khác nhau đã được tạo ra cho việc thử nghiệm các chất gây ung thư: - Chuột chuyển gen Eµ-pim-1 mang gen ung thư đã hoạt hoá pim-1 (gen này có tốc độ gây ra khối u tự phát thấp và xuất hiện rất nhạy với chất gây ung thư ). - Chuột chuyển gen mang một gen ung thư đã hoạt hoá (v-H- ras, c-H-ras) hoặc một gen ức chế khối u bất hoạt (p53). - Chuột chuyển gen với gen sửa đổi DNA đã bất hoạt (XPA). Tuy nhiên, động vật chuyển gen mang bệnh ung thư riêng lẻ kết hợp với các đột biến có thể cung cấp những thông tin sai lạc. Trong các tế bào động vật gặm nhấm, các đột biến riêng lẻ có thể dẫn đến một kiểu hình thay đổi nhưng không đủ để gây ra sự thay đổi hoàn toàn của các tế bào người. Do đó các mô hình động vật chuyển gen có thể quá nhạy cảm với các chất gây ung thư thêm vào và vì vậy đánh giá quá cao sự rủi ro của con người đối với bệnh này. 2. Một số thành tựu trong lĩnh vực tạo động vật chuyển gen Bằng kỹ thuật vi tiêm DNA vào tiền nhân người ta đã tạo ra nhiều động vật chuyển gen như chuột, thỏ, lợn, cừu, bò, gà, cá Tuy nhiên, sự thành công này đã bị hạn chế bởi sự tốn kém, mất nhiều thời gian, khó khăn về kỹ thuật, không hiệu quả của phương pháp này khi áp dụng đối với các loài động vật ngoại trừ chuột. Ðối với
27. 137 cừu và trâu bò thì việc cung cấp trứng là rất hạn chế. Một vấn đề nữa là ở động vật nuôi chỉ khoảng 1% hợp tử vi tiêm phát triển thành động vật chuyển gen, trong khi đó ở chuột là 10%. 2. 1. Chuột chuyển gen Vào năm 1982, Palmiter và Brinster đã thành công trong việc tạo ra động vật chuyển gen đầu tiên trên thế giới, bằng cách chuyển gen của loài chuột này sang phôi loài chuột khác. Gen chuyển đã biểu hiện ở chuột chuyển gen và các thế hệ con cháu của chúng. Hai nhà khoa học này đã nhận được giải thưởng Charles Leopold Mayer, giải thưởng cao quí nhất của Viện Hàn lâm khoa học Pháp vào năm 1994. Hình 4.6: Chuột chuyển gen horrmone sinh trưởng (bên phải) và chuột đối chứng (bên trái) Palmiter và Brinster đã chuyển một gen ngoại lai vào trứng chuột thụ tinh. Sau đó cấy các trứng này vào chuột mẹ thay thế và đã chứng minh được rằng gen chuyển hoạt động chức năng trong một
28. 138 số chuột con sinh ra. Nhân giống chuột thế hệ con, các nhà khoa học đã cho thấy gen chuyển có thể được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác theo qui luật di truyền Mendel. Với kỹ thuật chuyển gen, Palmiter và Brinster tin tưởng rằng công việc này sẽ làm sáng tỏ vấn đề thông tin trong bản “thiết kế“ di truyền của chúng ta không được mã hoá trong các cơ thể sống như thế nào và các gen hoạt động trong quá trình phát triển bình thường cũng như trong trạng thái bệnh tật ra làm sao. Việc tạo ra chuột chuyển gen là một định hướng quan trọng trong nghiên cứu liệu pháp gen để điều trị các rối loạn gây nên bởi các lỗi của mã di truyền. Palmiter và Brinster đã hiểu được cơ chế tế bào đọc mã di truyền và dịch các thông tin đó thành các cấu trúc sinh học. Kỹ thuật chuyển gen mà họ sử dụng dựa trên cơ sở là gen có hai phần chính: vùng mã hóa prtein và vùng điều hòa hoạt động của gen. Một gen ngoại lai có nguồn gốc từ cơ thể khác được nối với một vùng kiểm tra đóng-mở (on-off) và chịu tác động của vùng này. Palmiter và Brinster đã tiến hành sử dụng công tắc mở là promoter MT (metallothionein). Promoter MT hoạt hóa bởi các ion kim loại đồng, kẽm và catmi, được nối với gen mã hoá enzyme thymidine kinase. Tổ hợp gen này được đưa vào trứng chuột vừa mới thụ tinh. Các nhà khoa học đã thấy rằng, bình thường ion catmi có tác dụng mở (turn on) gen MT, nhưng bây giờ nó mở gen thymidine kinase khi ở trong phôi chuột. Bằng cách tương tự, promoter MT được nối với gen hormone sinh trưởng chuột cống và sau đó chuyển vào chuột nhắt. Kết quả là các chuột nhắt “siêu hạng“ có kích thước lớn hơn chuột bình thường nhiều lần đã ra đời. Chuột chuyển gen đã cung cấp cho Palmiter và Brinster phương pháp để kiểm tra các mô hình thí nghiệm và điều trị bệnh. Cho đến nay hàng trăm gen khác nhau đã được đưa vào các dòng chuột khác nhau và kết quả là hàng trăm dòng chuột chuyển gen đã được tạo ra và được phân tích. Các nghiên cứu này đã góp phần cung cấp các hiểu biết về sự điều hòa hoạt động của gen, sự phát triển khối u, tính đặc hiệu của miễn dịch, di truyền học phân tử của sự phát triển và các quá trình sinh học cơ bản khác. Các mô hình chuột chuyển gen điều trị các bệnh như ung thư, bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, tiểu đường cũng đã được nghiên cứu. Chuột
29. 139 chuyển gen còn được sử dụng để sản xuất các protein quí hiếm thông qua tuyến sữa và nước tiểu. DNA có thể được đưa vào chuột nhờ vector retrovirus bằng cách nhiễm vào các tế bào ở giai đoạn phôi sớm trước khi cấy vào con cái nhận; vi tiêm vào tiền nhân đực của trứng đã thụ tinh và đưa các tế bào gốc phôi đã thao tác di truyền vào phôi đang phát triển ở giai đoạn sớm trước khi cấy vào con cái nhận. Các nghiên cứu này đã được mở rộng áp dụng trên các đối tượng khác như thỏ, gà, cá, cừu, lợn, trâu bò, dê 2. 2. Thỏ chuyển gen Thỏ đã được sử dụng làm mô hình thực nghiệm trong các thí nghiệm chuyển gen. Việc tạo ra thỏ chuyển gen thành công đã được công bố vào năm 1985 với gen chuyển là hormone sinh trưởng có cấu trúc MT-hGH (Hammer, 1985; Brem, 1985). Tỉ lệ các hợp tử thỏ bị thoái hoá do vi tiêm là dưới 10% (Ross,1988). Khả năng phát triển của các phôi đã vi tiêm trước khi chuyển ghép hợp tử là thấp hơn đáng kể so với các phôi đối chứng. Hiện nay thỏ là đối tượng chuyển gen nhằm mục đích tạo ra protein quí sử dụng trong y dược thông qua tuyến sữa bởi các lý do sau đây: - Giá phôi thỏ thấp nên có thể tạo ra một lượng lớn thỏ chuyển gen. Ðiều này đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu tăng đáng kể khả năng tạo ra được một hoặc vài dòng thỏ chuyển gen sản xuất ra protein hoạt động sinh học với số lượng đầy đủ. - Thời gian mang thai của thỏ ngắn và thành thục sinh dục nhanh vì vậy cho phép tạo ra dòng thỏ chuyển gen nhanh hơn so với các động vật chuyển gen khác như dê, cừu hoặc bò - Giá sản xuất thấp. - Về mặt di truyền, thỏ gần với người hơn bất kỳ động vật cho sữa nào khác do vậy nó là mô hình được chọn cho việc sản xuất các protein chữa bệnh ở người đặc biệt là các protein phức tạp. - Không truyền các bệnh nghiệm trọng do virus gây ra cho người.
30. 140 - Một thỏ cái có thể tiết một lượng sữa lên đến 250ml sữa mỗi ngày. Trong qui trình chuẩn, mỗi ngày chỉ có 100-150ml sữa được lấy từ một thỏ cái điển hình, tương đương với 15 lít mỗi năm đối với một thỏ cái. - Lượng protein tái tổ hợp trong sữa thỏ chuyển gen biến đổi từ 1-10g trong một lít. Các loại protein có thể được sản xuất trong sữa thỏ là các kháng thể đơn dòng (monoclonal antibody), vaccin Vào năm 2001, Eduardo Kac, giáo sư thuộc Học viện Nghệ thuật Chicago, Mỹ đã kết hợp với các nhà Di truyền học Pháp đã tạo một con thỏ chuyển gen có khả năng phát ra ánh sáng màu lục ở trong tối bằng cách vi tiêm gen mã hoá protein huỳnh quang màu xanh lá cây có nguồn gốc từ sứa vào hợp tử thỏ (Hình 4.7). Ðây là hướng nghiên cứu mới phục vụ cho mục đích nghệ thuật. “Nó là một vật để cho hoạ sĩ thí nghiệm trên nền của khung vẽ và hoàn toàn khác với thí nghiệm để tạo ra một sự sống“. Nhiều nhà nghệ thuật khác đang nghiên cứu Công nghệ Sinh học và ý nghĩa xã hội của nó mà không nhằm mục đích tạo ra động vật chuyển gen. Hình 4.7: Elba, thỏ chuyển gen protein huỳnh quang màu xanh lá cây
31. 141 2. 3. Lợn chuyển gen Năm 1985, Hammer và cộng sự đã công bố tạo được lợn chuyển gen GH bằng phương pháp giống như đã được sử dụng để tạo ra chuột “khổng lồ“ từ năm 1982. Hình 4.8: Lợn chuyển gen siêu nạc Khác với chuột, các hợp tử của lợn phải được ly tâm để nhìn thấy tiền nhân. Sau khi ly tâm, khoảng 50% hợp tử phát triển in vivo đến giai đoạn phôi dâu (morula) hoặc phôi nang (blastocyst). Các hợp tử vi tiêm, 10 - 20% phát triển đến các giai đoạn phôi khác nhau. Trong số các hợp tử vi tiêm thì 5,6 - 11% số hợp tử đã phát triển và tạo thành lợn con. Tỉ lệ hợp nhất gen ngoại lai vào DNA của con chủ là khoảng 10%. Các gen hormone sinh trưởng sử dụng trong các thí nghiệm đầu tiên đã cho tỉ lệ biểu hiện 50%. Sự di truyền Mendel đơn giản đã được chứng minh với các dòng tế bào mầm được chuyển gen. Mức độ biểu hiện được duy trì trong những lần sinh sản tiếp theo. Cấu trúc và biểu hiện của các gen chuyển đã được nhiều tác giả công bố. Các gen ngoại lai được sử dụng để chuyển vào lợn là mMT- hGH (mouse methallothionein-human growth hormone), mMT-bGH (mouse methallothionein-bovin growth hormone), mMT-pGH (mouse methallothionein-porcine growth hormone), PRL-bGH (prolactin-bovin growth hormone), Alb-hGRF (albumin-human growth hormone releasing factor), mMT-hiGF1 (methallothionein- human insulin like growth factor 1). Lợn chuyển gen mMT- hGRF (mouse methallothionein-human growth hormone releasing factor)
32. 142 cho tỉ lệ biểu hiện 29%. Lợn chuyển gen mMT - hGH và mMT - bGH cho tỉ lệ biểu hiện tới 61%. Số lượng những bản gen lạ tìm thấy ở DNA genome của con chủ là rất khác nhau, từ 1 - 500 bản sao trong một tế bào đối với lợn chuyển gen mMT-hGH, 1-28 đối với mMT-bGH, 1-15 đối với mMT-pGH và 10 đối với PRL-bGH. Những kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng sinh lý của sự biểu hiện gen lạ cho thấy có sự tăng hormone sinh trưởng ở lợn chuyển gen hGH và bGH. Sự tăng hormone đó làm thay đổi sinh lý của cơ thể động vật. Người ta thấy có sự phân phối lại trọng lượng giữa các thành phần của vật nuôi như cơ, da, xương và các bộ phận khác. Lợn chuyển gen mMT - bGH thì giảm độ ngon nhưng tăng trọng lượng cơ thể. 2. 4. Cừu chuyển gen Ðối với cừu khi vi tiêm không cần thiết phải ly tâm phôi để nhìn thấy tiền nhân. Khả năng phát triển in vivo của hợp tử cừu vi tiêm (10%) và không vi tiêm (26%) bằng một nửa phôi lợn sau khi xử lý tương tự. Sau 7 ngày nuôi cấy in vivo các hợp tử cừu không vi tiêm, Rexroad và Wall (1987) đã quan sát được tỉ lệ phát triển là 86%. Một thí nghiệm nuôi cấy in vivo trong 5 giờ đã giảm tỉ lệ phát triển này xuống còn 65% và sau khi tiêm một dung dịch đệm đã giảm xuống đến 42%. Sau khi vi tiêm dung dịch DNA, 19% số hợp tử phát triển đến giai đoạn 32 tế bào. Ở những thí nghiệm đầu tiên, tỉ lệ hợp nhất là khoảng 1% trong khi tỉ lệ sống sót của phôi vi tiêm đến con non là 7% và 6,2% (theo Brem, 1991). Các gen GH đã được sử dụng để chuyển vào cừu. Ngoài các gen GH như đã dùng để chuyển vào lợn (mMT-hGH, mMT-bGH, PRL-bGH , mMT-hGRF), người ta còn sử dụng các gen sMT-sGH 5(sheep methallothionein-sheep growth hormone 5), sMT-sGH 9(sheep methallothionein-sheep growth hormone 9). Các kết quả thu được không được tốt như ở lợn. Chỉ có cừu chuyển gen sMT-sGH cho tỉ lệ mỡ thấp hơn so với cừu đối chứng. Người ta cho rằng các tổ hợp MT-gen chuyển không có khả năng cảm ứng với các kim loại nặng khi cừu ăn vào. Mặt khác cũng có thể do ở cừu thiếu các yếu tố nội bào thích hợp cho sự cảm ứng, cho sự tái sắp xếp các gen chuyển và cho sự tích hợp gen chuyển vào genome của tế bào chủ ở các vị
33. 143 trí thuận lợi. Bên cạnh các gen hormone sinh trưởng, một số các gen khác cũng đã được chuyển vào cừu như gen mã hoá yếu tố đông máu IX , gen α1-antitripsin, gen cysE, gen cysK. 2. 5. Dê chuyển gen Một thử nghiệm cũng đã được thực hiện để tạo ra gen chuyển gen bằng kỹ thuật vi tiêm vào hợp tử đã ly tâm (Armstrong và cộng sự, 1987; Fabricant và cộng sự, 1987). Tỉ lệ dê con cho sữa chuyển gen sinh ra là 5 - 10%. Một số protein dược phẩm đã được biểu hiện ở sữa dê chuyển gen (Bảng 4.3). 2. 6. Bò Giống như lợn, tiền nhân của hợp tử bò được thấy rõ nhờ ly tâm. Lohse, robl và First (1985) đã tiêm gen thymidine - kinase vào hợp tử bò và đã thấy rằng, 24 giờ sau khi tiêm khoảng 30% phôi có thymidine - kinase. Roschlaw và cộng sự (1988) đã vi tiêm 513 hợp tử bò với 3 cấu trúc gen khác nhau có nguồn gốc từ virus và đã tìm thấy DNA ngoại lai trong 14 phôi. Loskutoff và cộng sự (1986) đã thu được 3 thai sau khi tiêm 72 hợp tử và 17 phôi ở giai đoạn 2 tế bào. Mc. Evoy và cộng sự (1987) đã thu được 4 thai sau khi chuyển 43 hợp tử vi tiêm và 8 trứng ở giai đoạn 2 tế bào vào 17 thể nhận. Church, Mc. Rae và Mc. Whir (1986) đã tiêm 852 hợp tử bò với gen alpha-fetoprotein và thấy 4 phôi có sự hợp nhất gen trong số 111 phôi phát triển. Trong thí nghiệm vi tiêm hợp tử bò, tỉ lệ bê con sinh ra từ phôi vi tiêm là 19,9%, tương ứng với các phôi đối chứng không vi tiêm là 42,8%. Theo Church và cộng sự (1987) thì 7 trong 126 bê con vi tiêm (5,6%) DNA ngoại lai đã hợp nhất với DNA genome. Biery, Bondioli và Mayo (1988) đã đạt được tỉ lệ hợp nhất từ 0,22 - 1,76% số hợp tử vi tiêm. 2. 7. Gà chuyển gen Gà chuyển gen được phát triển nhằm các mục đích chủ yếu: phát triển, cải tiến các phương pháp và kỹ thuật thí nghiệm; sản xuất dược phẩm và các protein khác trong trứng để sử dụng trong y học
34. 144 người và vật nuôi; nhận biết và khai thác các tính trạng sinh học có lợi cho sản xuất thịt gia cầm; nghiên cứu sự phát triển phôi. 2.7.1. Phát triển, cải tiến các phương pháp và kỹ thuật thí nghiệm Không như các động vật khác,việc nghiên cứu chuyển gen ở gà gặp phải một số hạn chế nhất định. Ở động vật có vú và cá, trứng là một tế bào có tiền nhân có thể được nhìn thấy để vi tiêm DNA ngoại lai vào. Trong khi đó trứng gà ngay khi vừa được đẻ ra phôi đã bắt đầu phát triển ở noãn hoàng và chứa khoảng 50.000-60.000 tế bào. Vào giữa thập niên 1980, một nhà nghiên cứu ở Viện Sinh lý học Ðộng vật và Di truyền ở Edinburgh đã vi tiêm DNA ngoại lai vào các tế bào phôi gà đơn lẻ. Các phôi được chuyển từ ống dẫn trứng của gà mái đặt vào trong các bình chứa các dung dịch tương tự như ở trong trứng. Sau đó mỗi một phôi được chuyển vào trong một vỏ trứng nhân tạo, hàn gắn lại bằng keo được chế tạo từ lòng trắng trứng và thuốc kháng sinh. Các trứng này được đem ấp nhân tạo. Kết quả là các chú gà con ra đời. Tạp chí New Scientist đã gọi chúng là các “gà con ống nghiệm” đầu tiên trên thế giới cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra “gà siêu hạng” bằng cách xen DNA ngoại lai vào phôi. Vào năm 1993, một nghiên cứu về khả năng của gan gà để biểu hiện protein tái tổ hợp in vivo. Nghiên cứu này được thiết kế để đánh giá sự sử dụng gan gà “tác động đến tốc độ sinh trưởng, sự chuyển hoá, thành phần cấu tạo mỡ cơ thể và hiệu quả của các loại thuốc khác nhau” và để nghiên cứu mô hình chữa bệnh di truyền người. Trong thí nghiệm này, gen kháng neomycin tái tổ hợp của chuột được gắn với vector retrovirus leukosis gà và được đưa vào phôi. Vào năm 1994, một phương pháp tạo gà chuyển gen bằng vi tiêm DNA ngoại lai từ hai loại vi khuẩn khác nhau đã được mô tả. Trước tiên gà mái được thụ tinh nhân tạo với tinh dịch của gà trống khoẻ mạnh. Sau đó giết chết gà mái bằng cách tiêm vào tĩnh mạch của nó chất gây mê với liều cao. Mổ bụng gà mái đã chết và di chuyển bộ phận ống dẫn trứng chứa trứng thụ tinh không vỏ. Sau đó đặt trứng vào các vỏ thay thế và tiêm DNA plasmid vi khuẩn vào đĩa phôi của hợp tử (phôi 1 tế bào). Ðổ đầy vỏ trứng dung dịch nuôi cấy và hàn gắn lại. Tiếp theo là phân tích tình trạng của DNA plasmid đã
35. 145 tiêm vào đĩa phôi tối thiểu sau 12 ngày trong môi trường. Với 128 trứng vi tiêm, 7 gà con vi tiêm sống đến thành thục sinh dục. Trong đó 1 gà trống đã truyền DNA plasmid vi khuẩn cho 3,4% con cái của nó. Các gà con chuyển gen này sống đến thành thục sinh dục và được nhân giống để sản xuất gà chuyển gen. Kết quả này chứng tỏ sự di truyền DNA ngoại lai ổn định có thể đạt được bằng phương pháp này. Mục đích của một nghiên cứu được công bố vào năm 1995 trong tạp chí Transgenic Research là để phát triển một hệ thống vector retrovirus an toàn cho việc tạo gà chuyển gen. Vấn đề là trong thực tế sự tái bản in vivo của virus gà được sử dụng có thể gây bệnh sau một thời gian dài. Nó làm tăng nguy cơ tình trạng nhiễm virus mãn tính. Virus hoại tử lách gà (ANV=Avion Necrosis Virus) là tương đối gần gũi với retrovirus động vật có vú và vì vậy có thể thấy rằng ANV có thể nhiễm cho tế bào người. Các nhà nghiên cứu đã tìm ra một phương pháp tạo gà chuyển gen bằng cách sử dụng các vector tái bản đã sửa đổi dựa trên một hệ thống ngoại hướng (ecotropic system) mà làm cho nó chỉ có thể nhiễm vào tế bào gà. Sử dụng vector có nguồn gốc từ virus leukosis của chim (ALV= Avion Leukosis Virus), các nhà nghiên cứu đã tiêm gen ngoại lai vi khuẩn vào khoang dưới đĩa mầm của phôi gà không ấp. Sau đó tách chiết DNA từ các phôi này và đem tiêm vào một nhóm phôi gà không ấp khác. Trứng vi tiêm được đem ấp. Trong số 1550 trứng gà vi tiêm gen gắn với vetor ngoại hướng được đem ấp thì chỉ có 36 trứng nở. Theo các nhà nghiên cứu, phần lớn phôi chết sớm sau khi vi tiêm chủ yếu là do việc mở vỏ trứng của chúng. Một gà trống chuyển gen thành thục sinh dục sống sót được truyền gen cho thế hệ sau với tần số 2,2%. Vào năm 2002, các nhà nghiên cứu của Công ty AviGenics và Khoa Di truyền của trường Ðại học Georgia ở Athens đã tìm ra một hệ thống vector ALV có giá trị hơn đối với việc tạo gà chuyển gen cũng như để phát triển cách nhận diện thế hệ sau chuyển gen một cách nhanh chóng với các phương pháp ít tốn công sức hơn. Họ đã sản xuất được 3 đàn gà mang gen chuyển (với hệ thống vetor ALV) hợp nhất, ổn định và đã truyền lại cho các thế hệ sau. Gần 5% gà
36. 146 trống sinh ra từ phôi vi tiêm được sử dụng để nhân giống. Các gà trống này đã truyền gen lại cho con cháu với tần số 1%. 2.7.2. Sản xuất dược phẩm và các protein khác trong trứng để sử dụng cho y học người và vật nuôi Trong lĩnh vực này, gà mái và trứng của chúng đang được sử dụng như là các nhà máy sản xuất protein và kháng thể. Các nhà khoa học đã tạo ra gà chuyển gen có thể sản xuất protein trong trứng. Ðây là một bước quan trọng để tiến đến mục tiêu nhân giống gà mái có thể đẻ những “quả trứng vàng” mà thuốc được đóng gói trong đó. Sản xuất thuốc trong lòng trắng trứng có nhiều lợi thế. Gà có thể đẻ nhiều thế hệ trong một thời gian ngắn. Một thế hệ của gà là khoảng 6 tháng, ngắn hơn rất nhiều so với các động vật có vú lớn như dê chẳng hạn phải cần 18 tháng sinh trưởng từ phôi chuyển gen mới có khả năng cho sữa. Gà cũng sản xuất được nhiều protein, hàng năm mỗi gà mái có thể đẻ xấp xỉ khoảng 330 quả trứng chứa 6,5 gam các protein khác nhau. Về mặt sinh học thì lòng trắng trứng ít phức tạp hơn sữa và có nhiều phương pháp tách chiết các protein khác nhau từ trứng một cách dễ dàng. Harvey và cộng sự (2002) thuộc trường Ðại học Georgia ở Athens đã đưa gen mã hoá enzyme beta- lactamase vi khuẩn vào trong phôi của gà Leghorn trắng. Khoảng 2% các phôi này đã sinh trưởng đến thành thục và đã biểu hiện enzyme beta-lactamase trong một số tế bào. Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã cho lai các gà bình thường với các gà trống và gà mái đã biểu hiện beta-lactamase trong tinh trùng hay trong trứng của chúng. Thế hệ con sinh ra đã mang các bản sao của gen beta- lactamase ở trong tất cả các tế bào và các gà mái thế hệ con này đã đẻ ra các quả trứng mặc dù nhỏ nhưng có chứa beta-lactamase. Các gen chuyển ổn định trong gà. Mỗi gà mái chuyển gen có thể đẻ trứng chứa enzyme tối thiểu là 16 tháng và gen chuyển hoạt động chức năng tối thiểu qua 4 thế hệ gà mái. Tuy nhiên, loại virus được sử dụng làm vector hiện nay chỉ có thể mang các gen có kích thước nhỏ vào DNA của gà. Ðây là một vấn đề quan trọng bởi vì trong thực tế nhiều gen hữu ích có kích thước lớn hơn gấp 10 lần so với gen beta-lactamase. Hai hướng nghiên cứu tiếp theo mà các nhà khoa học đang tập trung vào là
37. 147 chuyển các gen mã hoá các protein sử dụng cho chữa bệnh và phát triển các phương pháp để tạo ra nhiều protein ngoại lai duy nhất trong các mô đặc biệt như ống dẫn trứng chẳng hạn. Nghiên cứu gà chuyển gen đang được sử dụng để: - Chế tạo vaccin. - Sản xuất kháng thể trong trứng. Các kháng thể này được thêm vào trong thức ăn của lợn để để chống nhiễm khuẩn (như E. coli). - Sản xuất kháng thể thúc đẩy sự sinh trưởng trong noãn hoàng để cung cấp nguyên liệu cho vật nuôi nhằm mục đích tăng tốc độ sinh trưởng của chúng. - Sản xuất protein tái tổ hợp lactoferrin và lysozym. Ðây là các chất bổ sung với thuốc kháng sinh thúc đẩy sự sinh trưởng hoặc kháng thể trong khẩu phần thức ăn gia cầm. - Sản xuất kháng thể chống ung thư ở người. - Tiết ra hormone sinh trưởng người để chữa bệnh lùn. - Sản xuất trứng có hàm lượng cholesterol thấp hơn phục vụ cho con người. - Sản xuất isoflavon đậu nành trong trứng để bán cho người tiêu dùng. - Sản xuất các kháng thể như immoglobulin chim hoặc IgY một cách đặc biệt, thay thế cho việc sử dụng các động vật thí nghiệm. - Tạo dòng sản xuất gà thịt (broiler). Khi trứng gà mái thịt thụ tinh mang các tế bào “kiểu thịt” thì sẽ cho phép tạo dòng gà thịt. Trong chương trình này, các cá thể nhất định từ các đàn gà phả hệ sẽ được tạo dòng và vật chất di truyền được đưa vào trong trứng thụ tinh. Các nhà khoa học nuôi cấy tế bào mang gen ngoại lai và sau đó đưa các tế bào này vào trong phôi của trứng nhận đã thụ tinh và tạo ra được gà thể khảm. Trứng nhận đã thụ tinh có thể thu thập từ các đàn gà như Leughorn chẳng hạn. Gà Leughorn có thể sinh sản một số lượng lớn trứng với giá thành không đắt. Khi các trứng chuyển gen này được ấp nở sẽ thu được gà thịt. 2.7.3. Nhận biết và khai thác các tính trạng sinh học có lợi cho sản xuất thịt gia cầm
38. 148 Vào đầu thập niên 1990, Công ty Merck- một trong những công ty gia cầm lớn nhất trên thế giới đã đăng ký bằng sáng chế Châu Âu về gà chuyển gen hormone sinh trưởng bò dưới cái tên “gà vĩ mô” (Macro Chicken). Trong lúc đó các nhà Di truyền học đang nghiên cứu một gen giảm mỡ để xen vào gà broiler bởi vì tốc độ sinh trưởng nhanh đã làm tăng số lượng tế bào mỡ ở những con gà này. Ở giai đoạn 6 tuần tuổi, gà chuyển gen hormone sinh trưởng có tốc độ sinh trưởng nhanh gấp 3,5 lần so với gà bình thường. Nhưng tỉ lệ tử vong của gà mái đẻ chuyển gen là gấp 7 lần và hơn 2% gà chuyển gen chết do suy tim ở giai đoạn đầu của sự phát triển. Tối thiểu 1/4 gà broiler bị què và các nghiên cứu cho thấy rằng chúng bị đau. Với nhiều vấn đề gây nên do sự sinh trưởng với tốc độ mạnh mẽ của gà chuyển gen hormone sinh trưởng như vậy, ngành kỹ nghệ gia cầm đang xem xét các phương pháp sửa đổi di truyền khác để nhân giống gà cho thị trường thế giới. Trong thế kỷ 21 này, chắc chắn các công ty giống sẽ trở nên ngày càng quan tâm đến các tính trạng khác hơn là tốc độ sinh trưởng. Các công ty Công nghệ Sinh học cho rằng các kế hoạch của họ không chỉ tăng số lượng gà nuôi để giết thịt mà còn rút ngắn thời gian sinh trưởng của gà hoặc ngay cả việc gà có trọng lượng cơ thể lớn hơn. 2.7.4. Nghiên cứu sự phát triển phôi Vào năm 2003, các nhà khoa học gia cầm trường Ðại học North Carolina đã phát triển một công cụ mới hữu dụng để hiểu được phôi gà phát triển như thế nào. Các nhà nghiên cứu đã thành công khi chuyển gen vào gà và tạo ra được một dòng gà mang gen marker đặc hiệu. Hiện nay các phôi gà chuyển gen này được sử dụng như là một mô hình để hiểu được sự phát triển của phôi bình thường và phôi không bình thường. Các dòng gà chuyển gen mới này được sử dụng trong các nghiên cứu với mục đích tìm hiểu các khuyết điểm sinh sản như tình trạng biến dạng của chi, tật nứt đốt sống (Hình 4.8). Các nhà nghiên cứu cho rằng việc hiểu các cơ chế phía sau các tế bào hoạt động có tốt không trong quá trình phát triển của phôi cuối cùng có thể cung cấp manh mối để làm ngừng sự phát triển của bệnh tật và có thể dẫn đến
39. 149 nhiều hữu ích khác kể cả việc cải tiến sức khoẻ của con người và động vật. Hình 4.9: Gà chuyển gen để nghiên cứu quá trình phát triển phôi Các nhà nghiên cứu đã tạo ra gà chuyển gen bằng cách vi tiêm gen lacZ với một tín hiệu định vị ở nhân (gen lacZ dễ phát hiện và biểu hiện protein ß-galactosidase) được nối với vector retrovirus SNTZ vào khoang dưới đĩa phôi hoặc lớp tế bào trên bề mặt của noãn hoàng của trứng vừa mới đẻ. Sau đó trứng được ấp nở và gen lacZ được phát hiện bằng phản ứng PCR. 8 trong số 15 gà trống vi tiêm sống đến thành thục sinh dục mang gen lacZ ở trong tinh trùng. Các gà trống này được đem lai với gà mái bình thường không chuyển gen. Một trong 8 gà trống mang gen lacZ được đem lai đã tạo ra được 224 gà thế hệ F1, trong đó có 2 gà trống mang gen lacZ, chiếm tỉ lệ 0,89%. Hai gà trống F1 này được đem lai với gà mái bình thường tạo ra thế hệ F2. 46,5% gà F2 mang gen lacZ như mong đợi đối với một alen trội đồng hợp tử. Sản phẩm của gen lacZ là ß- galactosidase định vị ở nhân được biểu hiện ở môi trường nuôi cấy nguyên bào sơ cấp có nguồn gốc từ gà F2 và nó cũng được biểu hiện trong toàn bộ phôi gà F2. Ðây là lần đầu tiên một dòng gà chuyển gen biểu hiện ß-galactosidase đã được phát triển.
40. 150 2.8. Khỉ chuyển gen Như chúng ta đã biết, nguyên tắc của tinh trùng trong quá trình thụ tinh là chuyển genome đơn bội của mình vào trứng để tạo thành hợp tử. Khả năng này đã được khai thác như là một chiến lược đổi mới sự phân phát DNA ngoại lai đối với sự sinh sản của động vật chuyển gen. Bằng phương pháp vi tiêm tinh trùng mang plasmid tái tổ hợp một cách trực tiếp vào tế bào chất của trứng (intracytoplasmic sperm injection =ICSI), các nhà khoa học thuộc Trường Ðại học Khoa học Sức khoẻ Oregon, Mỹ đã tạo ra các phôi biểu hiện gen chuyển ở khỉ rhesus. Plasmid tái tổ hợp được sử dụng trong thí nghiệm bao gồm gen marker mã hoá protein huỳnh quang màu xanh lá cây GFP (green fluoenscent protein) kết hợp với promoter CMV (cytomegalovirus). Gen GFP được tách chiết lần đầu tiên từ các con sứa có màu sắc sặc sỡ và là gen được các nhà nghiên cứu ưa chuộng vì khi GFP được tạo ra với số lượng đầy đủ chúng sẽ phát ra ánh sáng màu xanh. Các phôi biểu hiện GFP đã được tạo ra bằng phương pháp ICSI mặc dù không thông qua thụ tinh nhân tạo. Tinh trùng của khỉ rhesus vẫn mang plasmid tái tổ hợp sau khi vi tiêm vào trong khỉ thành thục sinh dục. Sự biểu hiện GFP thể khảm đã được phát hiện ở giai đoạn 1-4 tế bào. Số lượng tế bào phôi và tỉ lệ % phôi biểu hiện ngày càng tăng lên trong sự phát sinh phôi cho tới giai đoạn túi phôi. Cả khối tế bào phôi bên trong và ngoại phôi bì dinh dưỡng (trophectoderm) đều cho thấy huỳnh quang màu xanh của GFP. Từ 7 phôi chuyển gen đã tạo thành 3 khỉ con: một cặp sinh đôi bình thường gồm một đực và một cái bị sinh thiếu 35 ngày và đã chết yểu; một con đực sức khoẻ tốt sinh đúng thời hạn được đặt tên là “George“. Kết quả này chứng tỏ rằng với phương pháp ICSI, tinh trùng khỉ mang DNA ngoại lai vẫn duy trì khả năng sinh sản của chúng một cách bình thường. Tuy nhiên, về mặt lý thuyết các nhà khoa học vẫn lo lắng rằng phương pháp này có thể truyền thêm vật chất di truyền cho thế hệ sau do nhiễm từ bên ngoài vào một cách tình cờ (ví dụ như nhiễm virus và vi khuẩn). Bằng phương pháp chuyển gen nhờ vector là virus, các nhà khoa học thuộc Trường Ðại học Khoa học Sức khoẻ Oregon, Mỹ cũng đã tạo ra được một một chú khỉ rhesus chuyển gen khác có tên là ANDi (inserted DNA=iDNA nhưng được đảo ngược) được sinh
41. 151 vào ngày 2 tháng 10 năm 2000. Ở đây, một vector virus không lây nhiễm đã được sử dụng để mang gen GFP vào trứng của khỉ mẹ một cách trực tiếp. Sau đó vector virus này bám vào bề mặt của trứng và bị mất đi còn gen GFP tiếp tục con đường của nó để đi vào nhiễm sắc thể của mẹ. Các trứng chuyển gen này sẽ được thụ tinh nhân tạo. Phôi thụ tinh thu được sẽ được đưa vào các con mẹ thay thế. Các nhà nghiên cứu đã chuyển gen GFP vào 224 trứng. Sau khi các trứng thụ tinh tạo ra 40 phôi và hình thành nên 5 bào thai. Trong đó chỉ có 3 bào thai sống sót và cuối cùng duy nhất chỉ một chú khỉ chuyển gen thành công là ANDi. Tuy nhiên ANDi không phát sáng trong tối (Hình 4.10). Hình 4.10: ANDi - chú khỉ rhesus chuyển gen được chào đời vào ngày 2 tháng 10 năm 2000 Với phương pháp này các nhà khoa học hy vọng sẽ lấp được chỗ trống khoa học giữa chuột chuyển gen và người. Kết quả thu được đã cung cấp một công cụ nghiên cứu đầy tiềm năng và hữu hiệu để khám phá nguyên nhân của các bệnh như ung thư, Parkinson, Alzheimer, tiểu đường, tim mạch, các bệnh về trí tụê Nghiên cứu này cũng cho thấy một bước mới trong hướng liệu pháp gen dòng mầm (germ line genetic therapies). Các gen xác định các vấn đề di truyền có thể được đưa một cách trực tiếp vào trứng người chưa thụ tinh của cơ thể mẹ được biết mang các gen bệnh nhất định.
42. 152 Cho đến nay tất cả các nghiên cứu liệu pháp gen của người đã được giới hạn để tập trung vào các mục tiêu tế bào ở đó các gen được đưa vào không trở thành một bộ phận của genome. 2.9. Muỗi chuyển gen Theo Tổ chức Sức khoẻ Thế giới (The World Health Organization), hàng năm, bệnh sốt rét đã ảnh hưởng đến khoảng 500 triệu người trên trái đất. Nguyên nhân gây ra bệnh là do ký sinh trùng sốt rét. Ký sinh trùng sốt rét được truyền từ muỗi cái. Nó gây sốt, co cứng cơ, đổ mồ hôi, run và đã cướp đi 2 triệu sinh mạng mỗi năm, trong đó phần lớn là trẻ em Châu Phi dưới 5 tuổi. Trong khi các phương pháp thông thường để kiểm soát bệnh sốt rét đã không còn có hiệu quả như trước đây cho nên sự ra đời một biện pháp mới là rất cấp thiết . Vào năm 2000, các nhà khoa học ở Học viện Hoàng gia London và Phòng Thí nghiệm Sinh học phân tử Châu Âu lần đầu tiên trên Thế giới đã thành công trong việc đưa một gen ngoại lai vào genome của muỗi Anopheles stephensi và đã tạo ra muỗi chuyển gen. Thành tựu này có ý nghĩa rất lớn, giúp các nhà khoa học đi đến một bước gần hơn để tạo ra muỗi không truyền bệnh sốt rét. Nói cách khác, sự truyền căn bệnh quái ác này có thể được kiểm soát thông qua sự thao tác trên các gen của muỗi để phá vỡ sự tương tác qua lại giữa muỗi với ký sinh trùng sốt rét, bằng cách tạo ra một môi trường ở trong cơ thể muỗi mà có thể ngăn cản ký sinh trùng sốt rét sống ở đó. Cũng có thể thay đổi tập tính của muỗi làm cho nó thích hút máu động vật hơn máu người hoặc tạo ra muỗi bất dục đực một cách chọn lọc để làm giảm quần thể muỗi. Các nhà khoa học đều nhất trí về tiềm năng to lớn của sự phát triển này để chống lại bệnh sốt rét và cho rằng trong thời gian tới muỗi chuyển gen sẽ được tạo ra ổn định, an toàn và không có khả năng truyền bệnh sốt rét. Các nhà nghiên cứu đã xen vào phôi A. stephensi gen mã hoá protein huỳnh quang màu xanh lá cây- GFP (green fluorescent protein) sử dụng một yếu tố vận động của Drosophila hydei. Gen mã hoá protein này được sử dụng bởi vì nó hoạt động như là một marker
43. 153 và GFP tạo thành có khả năng được nhìn thấy dễ dàng dưới tia UV để nhận biết muỗi đã được tích hợp thành công gen ngoại lai. Sự biểu hiện GFP của ấu trùng vi tiêm là cao, chiếm gần 50% số ấu trùng sống sót sau khi vi tiêm. Tuy nhiên, đến giai đoạn trưởng thành thì chỉ còn khoảng 10%. Sự xâm nhập vào nhiễm sắc thể và sự di truyền của gen GFP cho thế hệ sau cũng được chứng minh một cách chi tiết. Một vấn đề khó khăn gặp phải trong nghiên cứu này là các quả trứng muỗi vừa mới đẻ trở nên cứng rất nhanh làm cho việc vi tiêm gen vào là rất khó. Chỉ sau khi khám phá ra dung dịch p-nitrophenol p-guanidinobenzoate (pNpGB), một hợp chất làm chậm tốc độ cứng và không ảnh hưởng đến sự phát triển của phôi muỗi thì mới có thể tiến hành đưa gen ngoại lai và một cách tự nhiên. Muỗi cái được cho đẻ trứng trong dung dịch pNpGB, chất này sẽ ngăn cản enzyme phenoloxidase, bước đầu tiên trong quá trình melanin hoá. Vào năm 2002, các nhà nghiên cứu thuộc trường Ðại học Case Western Reserve (CWRU) ở Cleveland, Ohio, Mỹ đã phát triển một loại muỗi chuyển gen chống sốt rét ở chuột. Chúng ta biết rằng có nhiều loại muỗi nhưng duy nhất chỉ có giống Anopheles truyền bệnh sốt rét ở động vật có vú. Muỗi là vật chủ bắt buộc đối với ký sinh trùng sốt rét kể từ khi nó không thể truyền trực tiếp từ người sang người. Khi muỗi hút máu một người bệnh, ký sinh trùng Plasmodium xâm nhập vào cơ thể và sinh sản ở ruột giữa của muỗi và tạo thành một dạng trung gian, dạng này xuyên qua vách ruột giữa đến khoang bụng và biến thành nang. Sau khoảng thời gian từ 10-15 ngày, các nang vỡ bung ra, hàng ngàn bào tử được giải phóng. Các bào tử này đi qua vách tuyến nước bọt và sẽ tồn tại ở tuyến này cho đến khi muỗi tiến hành chích người tiếp theo. Với mục đích tìm ra gen có thể phá hoại quá trình này, nhóm nghiên cứu đã nuôi muỗi A. Stephensi bằng các hạt được phủ các sợi axit amin khác nhau và sau đó kiểm tra xem loại hạt nào dính với màng ruột của muỗi. Bằng cách chọn lọc và phối hợp các nhà khoa học đã tạo ra một hợp chất có khả năng dính rất cao gọi là SM1. Chất này có tác dụng làm giảm một cách có ý nghĩa số lượng ký sinh trùng xuyên qua vách ruột để biến thành nang.
44. 154 Ðể việc sản xuất SM1 đúng lúc, người ta đã tìm ra gen mã hoá cho một loại enzyme tiêu hoá mà ruột muỗi tiết ra trong khi hút máu và nối nó với một gen được thiết kế để tổng hợp SM1. Sau đó cấu trúc này được đã được vi tiêm vào phôi muỗi A. Stephensi và nó đã tự tích hợp vào genome và trở thành một bộ phận của DNA muỗi. Protein SM1 sau khi được tổng hợp sẽ bám vào bề mặt biểu mô ruột, cạnh tranh với ấu trùng muỗi. Âúu trùng muỗi không có khả năng bám vào ruột sẽ chết. Bằng cách này SM1 đã ức chế khoảng 80% sự phát triển của ấu trùng. Tính trạng này đã được di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Mặt khác, muỗi chuyển gen SM1 không bị ảnh hưởng đến sức sống kể cả tuổi thọ và sự sản xuất trứng. Tuy nhiên các nhà khoa học cảnh báo rằng sự cần thiết phải tiến hành thử nghiệm nhiều hơn nữa để chứng minh phương pháp này là an toàn đối với người. Trong việc tìm kiếm các gen kháng ký sinh trùng sốt rét, người ta cũng đã thành công khi chuyển gen phospholipase A2 (PLA2) của nọc độc ong vào muỗi A. Stephensi. Gen này được gắn với promoter carboxypeptidase của A. gambiae (AgCP). Kết quả phân tích bằng phương pháp Northern blot cho thấy mRNA của gen PLA2 được biểu hiện một cách đặc hiệu ở ruột của muỗi chuyển gen. Sự biểu hiện cao nhất ở thời điểm 4 tiếng sau khi hút máu. Phân tích Western blot và huỳnh quang miễn dịch đã phát hiện protein PLA2 ở biểu mô ruột giữa của rmuỗi chuyển gen khoảng 8-24 tiếng sau khi hút máu. Nhưng điều quan trọng là sự biểu hiện của gen chuyển đã làm giảm số lượng các nang, trung bình là 87% và làm giảm một cách đáng kể sự truyền ký sinh trùng sốt rét sang chuột. Kết quả này cho thấy gen PLA2 có thể được sử dụng để ngăn cản sự phát triển của ký sinh trùng sốt rét ở muỗi. Một hướng nghiên cứu khác đang được tiến hành là ngăn cản sự xâm nhập của ký sinh trùng vào tuyến nước bọt của muỗi. Sự ngăn cản ký sinh trùng xâm nhập vào các thời điểm khác nhau trong quá trình phát triển của nó là rất quan trọng bởi vì không có phương pháp nào là đạt hiệu quả 100% cả. Các nhà nghiên cứu khác trước đây đã sử dụng một loại virus đã được sửa đổi tiêm vào muỗi để làm ngưng sự lan truyền ký sinh trùng. Nhưng phương pháp này có một số hạn chế là trong thực tế
45. 155 virus cũng có thể nhiễm vào người và virus không thể di truyền được từ thế hệ này sang thế hệ sau ở muỗi. Một khi muỗi chết thì sẽ chấm dứt khả năng của virus chống lại sốt rét. Một thách thức mà các nhà nghiên cứu đang phải đối mặt đó là sự phát triển của các ký sinh trùng có khả năng kháng. Bởi vì áp lực của quá trình chọn lọc cao, khi một gen được đưa vào quần thể ký sinh trùng sốt rét thì sự phát triển của các dòng kháng có khả năng để xuất hiện. Nó tương tự như khi xử lý sự nhiễm khuẩn với kháng sinh, sau một thời gian vi khuẩn sẽ trở nên kháng thuốc. Một vấn đề được đặt ra là sự sử dụng gen phức (multiple genes), trong đó mỗi một gen ngăn cản sự phát triển của ký sinh trùng một cách khác nhau là một phương pháp hiệu quả hơn. Sau khi tạo ra muỗi chuyển gen, chiến lược tiếp theo để khắc phục sốt rét là đưa dòng muỗi chuyển gen kháng ký sinh trùng sốt rét vào trong tự nhiên. Phương pháp này phải được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm một cách cẩn thận để kiểm tra xem muỗi chuyển gen sống như thế nào khi được trộn chung với các quần thể muỗi không chuyển gen. Kết quả nghiên cứu quần thể muỗi chuyển gen đầu tiên trong phòng thí nghiệm đã được các nhà khoa học thuộc Học viện Hoàng gia London công bố bố vào năm 2003. Các nhà nghiên cứu đã chuyển gen marker huỳnh quang đỏ hoặc xanh vào 4 dòng muỗi A. stephensi. Ở các quần thể đối chứng bao gồm toàn muỗi chuyển gen, marker huỳnh quang đã duy trì một cách nguyên vẹn qua hơn 30 thế hệ. Nhưng khi muỗi chuyển gen được nhân giống với muỗi bình thường thì số lượng muỗi mang marker trong quần thể giảm mạnh và trong một số thí nghiệm gen marker biến mất hoàn toàn trong khoảng từ thế hệ thứ 4 đến thế hệ thứ 16. Giáo sư Charles Godfray-Giám đốc Trung tâm Hội đồng nghiên cứu môi trường tự nhiên về Sinh học Quần thể (NERC) của Hoàng gia đã thực hiện mô hình toán học về động lực học của quần thể muỗi. Nghiên cứu này cho phép khảo sát tỉ mỉ các quá trình khác mà có thể giải thích được sự hoạt động của muỗi chuyển gen trong quần thể hỗn hợp. Tác giả cho rằng, thông qua sự nhân giống của muỗi chuyển gen, gen chuyển có khả năng bị một hoặc nhiều đột biến có hại. Các đột biến có hại này không giết chết muỗi nhưng làm
46. 156 cho chúng thua thiệt trong sự cạnh tranh với muỗi bình thường. Vấn đề này có thể được hạn chế bằng cách sử dụng các chế độ lai làm giảm đến mức tối thiểu các ảnh hưởng của giống. Như vậy hoạt động của muỗi chuyển gen không ảnh hưởng lớn đến khả năng tồn tại của chúng. Sự nghiên cứu các quần thể này quyết định hoàn toàn các quá trình điều chỉnh cũng như đánh giá sự an toàn và hậu quả môi trường của phương pháp mới này. Nó còn giúp đánh giá một cách toàn bộ tính khả thi của việc sử dụng muỗi chuyển gen để chống lại các bệnh tật như sốt rét, sốt vàng da, sốt xuất huyết và đóng vai trò là một bộ phận quan trọng trong các chiến lược phát triển trong tương lai để góp phần trục xuất các tai họa gây ra sự khổ sở cho nhân loại. Hình 4.11: Vi tiêm DNA vào phôi giai đoạn sớm của muỗi gây sốt vàng da Hình 4.12: Ấu trùng muỗi nhìn dưới kính hiển vi 2.10. Cá chuyển gen Hiện nay nghiên cứu tạo cá chuyển gen ngày càng được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm. Khoảng 10 năm trở lại đây hàng loạt cá chuyển gen đã được tạo ra: cá hồi cầu vồng, cá hồi, cá rô phi, cá vàng, cá mú vằn, cá medaka, cá chép, cá nheo Mỹ, cá trê châu Phi, cá vền biển (seabream), cá hồi chấm hồng Bắc cực (Arctic charr). Những gen ngoại lai được sử dụng để biến nạp vào cá là gen
47. 157 hormone sinh trưởng (GH) người, gen GH bò, gen GH cá, gen δ- crystalline gà, gen ß-galactosidase vi khuẩn, gen kháng hygromycin, gen α-globin, gen protein chống lạnh ở cá, gen neomycin phosphotransferase (neo) Ví dụ Mc. Envoy và cộng sự đã chuyển gen ß-galactosidae vào cá hồi Ðại tây dương (Atlantic salmon), Ozato và cộng sự (1986) đã chuyển gen δ-crystalline gà vào cá medaka, Zhang và cộng sự (1989) đã chuyển gen GH cá hồi cầu vồng vào cá chép và cá trê. Trong cả ba trường hợp này gen ngoại lai đã được biểu hiện trong một số cá biến nạp. Trong một số trường hợp, các sản phẩm sinh ra từ gen ngoại lai ở động vật chuyển gen có thể làm biến đổi kiểu hình của chúng. Ở cá chép chuyển gen GH cá hồi cầu vồng, polypeptid GH cá hồi cầu vồng đã được tìm thấy trong cá chép và do đó chúng lớn lên rất nhanh so với cá đối chứng. Những kết quả này cho thấy tiềm năng to lớn của việc sử dụng kỹ thuật chuyển gen để đưa các gen quy định các tính trạng mong muốn vào một số loài cá quan trọng. Có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển gen cho động vật nói chung và cá nói riêng. Phương pháp có hiệu quả nhất là vi tiêm trực tiếp DNA vào phôi. Gần đây người ta cũng đã thử nghiệm thành công chuyển gen trực tiếp vào tinh trùng trước khi cho thụ tinh. Muller F. và cộng sự (1992) lần đầu tiên công bố đã thành công trong việc sử dụng các tế bào tinh trùng đã xung điện để tạo cá chuyển gen. Phương pháp này được tiến hành bằng cách ủ tế bào tinh trùng cá trong dung dịch citrate loãng với DNA plasmid. Tiếp theo sử dụng xung điện có cường độ và điện trường cao để tăng lượng DNA xâm nhập vào tinh trùng. Tách chiết dịch mô và DNA genome của cá bột phát triển từ trứng thụ tinh với tinh trùng đã xử lý để kiểm tra hiệu quả của gen chuyển. Bằng phương pháp lai phân tử Dot blot và thử nghiệm sự biểu hiện của gen đã chứng minh sự có mặt và biểu hiện của gen ngoại lai trong 2,6 - 4,2% số cá bột của cá chép thường (Cyprinus carpio L.), cá trê Châu Phi (Clarias gariepinus) và cá rô phi (Oreochromis niloticus). Không có gen chuyển nào được tìm thấy trong cá bột thu được từ các thí nghiệm tương tự nhưng không xung điện tinh trùng. Inoue (1992) đã chuyển gen vào phôi và cá bột thành công bằng phương pháp xung điện. Zuoyan Zhu (1993) cũng đã thành
48. 158 công trong việc chuyển gen ngoại lai vào cá bằng phương pháp biến nạp bằng xung điện: tổ hợp gen MThGH được chuyển vào trứng cá thụ tinh đã được loại bỏ màng chorion. Thông số biến nạp tối ưu là 250V / 22 µF / 20Ω / 1ms. Kết quả đạt được là khoảng 10% số trứng nở và phát triển cá thành cá chạch chuyển gen. Muller và cộng sự (1993) đã dùng gen luciferase đom đóm và lacZ của E. coli, cả hai gen này đều được gắn với promoter CMV-IE1, để chuyển vào trứng thụ tinh đã loại bỏ màng chorion của cá trê Châu Phi và cá mú vằn bằng phương pháp xung điện. Kết quả đạt được khoảng 25 - 50% phôi đã phát triển thành cá chuyển gen. Anderson và cộng sự (1996) đã thành công trong việc chuyển gen trực tiếp vào cơ vân của cá hồi cầu vồng (Oncorhynchus mykiss). Gen ngoại lai được sử dụng là gen luciferase đom đóm gắn với promoter CMV-IEP (cytomegalovirus immediate early promoter). Sự biểu hiện của gen được phát hiện trong các tế bào cơ dọc theo đường tiêm và các tế bào cơ phân tán trước vị trí tiêm. Tan và cộng sự (1997) đã chuyển gen chloramphenicol acetyltransferase (CAT) trực tiếp vào cơ vân cá mú vằn (zeabrafish) sử dụng plasmid pCMV-CAT1. Sự hoạt động biểu hiện của gen CAT đạt cực đại tương quan với lượng plasmid tiêm vào là 5 µg pCMV-CAT1. Sự hoạt động của gen CAT tăng lên một cách đều đặn qua 7 ngày đầu sau khi tiêm, với mức biểu hiện cao liên tục đến 1 năm. Gen CAT gắn với promoter virus cũng cho kết quả biểu hiện cao. Sự định vị hóa học mô sử dụng CMV ß-gal cho thấy rằng chỉ các sợi cơ ở vị trí tiêm biểu hiện enzyme ß-gal. Sự biểu hiện mạnh mẽ và liên tục của gen tiêm vào cho phép đưa ra giả thuyết có thể cá mú vằn là một hệ thống đơn giản và dễ bị ảnh hưởng đối với những nghiên cứu trực tiếp chuyển gen vào cơ. Zohrah Haji Sulaiman (1999) đã thành công trong việc chuyển gen trực tiếp vào cơ vân của cá mú (Seabass, Lates calcarifer) và tôm sú (Black Tiger Prawn, Penaeus monodon). Sự biểu hiện của gen sau khi tiêm plasmid pCMV ß-gal được theo dõi đến 14 ngày sự biểu hiện của gen ß-gal được phát hiện đầu tiên ở cá sau khi tiêm 1 ngày và ở tôm là 2 ngày. Sự biểu hiện liên tục đến 7 ngày sau khi tiêm ở cá và 14 ngày sau khi tiêm ở tôm. Tỉ lệ mẫu dương tính đối với sự biểu hiện của gen ß-gal ở cá là 33,3% và ở tôm là 20%.
49. 159 Cho đến nay, ở cá người ta đã và đang tập trung nghiên cứu theo những hướng cơ bản sau: 2.10.1. Chuyển gen hormone sinh trưởng (GH = growth hormone) vào cá Hormone sinh trưởng là một protein có trọng lượng phân tử thay đổi tùy theo loài, ở người là 21.500 Da. GH được tiết ra từ thùy trước tuyến yên của động vật có xương sống. Ở động vật có vú GH cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển. GH có 191 axit amin, cấu trúc phân tử có 2 cầu nối disunfua Sự bài tiết GH do hormone của hypothalamus là hormone giải phóng hormone sinh trưởng (GRH = growth hormone releasing hormone), hormone ức chế hormone sinh trưởng (GIH = growth hormone inhibiting hormone) theo cơ chế điều hòa ngược. Cá đã được xử lý thí nghiệm với hormone sinh trưởng hoặc tuyến yên chiết từ các nguồn khác nhau như bò, lợn, cá. Tất cả các thí nghiệm đều làm tăng tốc độ sinh trưởng của cá. Sự sinh tổng hợp hormone sinh trưởng tái tổ hợp của gà, bò và cá hồi cầu vồng cũng đã cho thấy chức năng sinh học của gen hormone sinh trưởng bằng sự tăng cường tốc độ sinh trưởng của cá. Thật là có lý khi mong đợi cá chuyển gen hormone sinh trưởng người sẽ có chức năng giống như hormone sinh trưởng của các loài khác. Qui trình công nghệ tạo cá chuyển gen hormone sinh trưởng người có thể tóm tắt bằng sơ đồ hình 4.13. Sự tăng cường tốc độ sinh trưởng đã được quan sát ở cá chép chuyển gen MThGH. Cơ chế của sự tăng cường sinh trưởng trong cá chuyển gen đã được khám phá dựa vào chức năng của hormone sinh trưởng người trên cơ sở sự tăng trưởng bộ xương và sự kích thích tổng hợp protein. Một số cá chép chuyển gen này vì vậy đã tăng cường độ dày cơ lưng và tăng trưởng bề ngang cơ thể và chúng đã có hình thái khác thường một cách đột ngột. Bề ngang cơ thể cho tới chiều dài cơ thể là một trong những tính trạng phân loại phổ biến. Con số này ở cá chép là 35% - 47%, nhưng ở một vài cá chép chuyển gen lại tăng lên đến 51% - 53,3%.
50. 160 Mặc dù Trung Quốc không phải là nước đi đầu của cuộc cách mạng Sinh học phân tử nhưng vào năm 1985, giáo sư Zuoyan Zhu đã làm ngạc nhiên các nhà nghiên cứu Mỹ và Châu Âu khi công bố rằng nhóm nghiên cứu của ông đã chuyển được gen hormone sinh trưởng người vào cá. Theo Zhu thì thế hệ F1 của cá đã được chuyển gen này lớn gấp hai lần so với cá đối chứng. Mặc dù Zhu và cộng sự không trình bày bằng chứng đối với việc hợp nhất và biểu hiện của gen GH ngoại lai đó nhưng người ta đã thấy rằng gen GH cá có thể chuyển vào trứng của một số loài cá và được hợp nhất với DNA genome của các loài cá này.
51. 161 Nh©n nu«i chñng E.coli Chän läc c¸ ®ùc vµ c¸ c¸i DH5α mang tæ hîp gen tr­ëng thµnh MThGH ®· t¸ch dßng Thu nhËn Thu nhËn tinh dÞch trøng T¸ch vµ tinh s¹ ch tæ hîp gen MThGH Thô tinh nh©n t¹ o ChuÈn bÞ dung dÞch gen Ph«i trÇn giai ®o¹ n ®Ó vi tiªm 1-4 tÕ bµo Vi tiªm dung dÞch gen vµo ph«i giai ®o¹ n 1-4 tÐ bµo Êp trøng vi tiªm trong dung dÞch Holtfreter Nu«i d­ìng c¸ X¸c ®Þnh sù cã mÆt cña gen hGH ë c¸ vi tiªm Hình 4.13: Sơ đồ qui trình tạo cá mang gen hormone sinh trưởng bằng vi tiêm
52. 162 Hình 4.14: Cá chép (Common carp) chuyển gen hormone sinh trưởng Hình 4.15: Cá trê Châu Phi (Channel catfish) chuyển gen hormone sinh trưởng
53. 163 Hình 4.16: Cá hồi chuyển gen hormone sinh trưởng (phải) và cá hồi đối chứng (trái) Những nghiên cứu tiếp theo đã sử dụng một số gen GH động vật có vú, gen GH cá và các cDNA của GH. Chẳng hạn Zhang và cộng sự (1988, 1990) đã sử dụng plasmid tái tổ hợp chứa đoạn lặp lại đầu tận cùng (LTR = Long Terminal Repeat) của virus Rous sarcoma (RSV) ở chim và cDNA của GH cá hồi để vi tiêm vào phôi cá chép đang phát triển. Tách chiết DNA genome từ vây ngực cá vi tiêm và đem phân tích dot blot và Southern blot, sử dụng LTR của RSV và cDNA của GH cá hồi làm mẫu dò, người ta đã tìm thấy đoạn hợp nhất p RSV - LTR - GH - cDNA của cá hồi ổn định và đã biểu hiện ra polypetid GH cá hồi. Cá chuyển gen có kích thước trung bình lớn hơn 22% so với cá đối chứng. Mặt khác, một số cá thể được chọn một cách ngẫu nhiên từ thế hệ con lai của các cá đực chuyển gen với một cá cái không chuyển gen đã di truyền gen ngoại lai này. Chúng không những lớn nhanh hơn cá không chuyển gen trong cùng một lứa mà còn lớn nhanh hơn rất nhiều lần so với bố mẹ. Gần đây, Du và cộng sự (1992) đã công bố kết quả chuyển gen GH cá vào cá hồi Ðại tây dương. Du đã sử dụng promoter của gen protein chống lạnh của cá lon chạch lớn (ocean pout, Macrozoarces americanus) nối cới cDNA của GH cá hồi trắng (chinook salmon, Oncorhynchus
54. 164 tschawytscha) và kết quả là kích thước cá hồi Ðại tây dương chuyển gen một năm tuổi tăng lên từ 2 - 6 lần so với cá đối chứng. Ở Phần Lan, tại Trường Ðại học Kuopio, các nhà khoa học đang nghiên cứu sản xuất cá hồi cầu vồng chuyển gen có tốc độ sinh trưởng cao, có khả năng chuyển hóa tốt các thành phần thức ăn, đặc biệt là các carbohydrate rẻ tiền. Molsa, Krasnov và Pitkanen (1992) đã sử dụng gen hormone sinh trưởng cá hồi Ðại tây dương (ASGHG = Atlantic Salmon Growth Hormone Gene) để chuyển vào cá hồi cầu vồng và bằng kỹ thuật PCR đã chứng minh được sự hợp nhất của gen này vào genome cá hồi cầu vồng. Tuy nhiên, gen ASGHG đã được chuyển vào các loài khác một cách rộng rãi trên thế giới nhưng không thật sự làm tăng đột ngột tốc độ sinh trưởng của các loài nhận. Các nhà nghiên cứu Kuopio tin tưởng rằng các gen này ảnh hưởng đến hiện tượng chuyển hóa, chúng có thể cải tiến hiện tượng chuyển hóa carbohydrate nên có thể sử dụng carbohydrate rẻ tiền hơn để làm thức ăn cho cá hoặc có thể tăng cường khả năng kháng bệnh. Các gen này sẽ có ý nghĩa nhiều hơn đối với các gen tăng cường sinh trưởng trong kỹ nghệ nuôi trồng thủy sản. Hiện tại, các nhà nghiên cứu thấy rằng kỹ nghệ nuôi trồng thủy sản của Phần Lan sẽ phải đợi 5 - 10 năm trước khi có thể đánh giá được cá chuyển gen thương mại. Ðể chứng minh sự hợp nhất của gen chuyển vào nhiễm sắc thể của động vật nhận và sự hoạt động của gen này các nhà nghiên cứu Kuopio sử dụng cá zebra danios. Cá zebra danios nhỏ, là loại cá nuôi nhiệt đới, thành thục trong 3 - 4 tháng và có thể nhân giống nhanh trong bể nuôi. Trứng cá được chọn và vi tiêm gen dễ dàng. Có thể thu được cá con vi tiêm và kiểm tra hoạt động gen một cách nhanh chóng. Với kết quả thu được, người ta đã thừa nhận lợi ích của gen chuyển với một thời gian rất ngắn khi so sánh với thời gian cần thiết để thừa nhận nó trong sự phát triển chậm chạp của cá hồi sống trong môi trường nước lạnh Pitkanen và cộng sự (1999) đã chuyển gen hormone sinh trưởng cá hồi vào cá hồi chấm hồng Bắc cực (Salvilinus alpinus L.). Các tổ hợp gen hormone sinh trưởng được sử dụng là OnGH1, CMVGH1, OnH3GH1 và SsGH2. Cá mang gen OnGH1, CMVGH1, OnH3GH1 có tốc độ sinh trưởng tăng lên đột ngột và không có sự
55. 165 thay đổi gì về tốc độ sinh trưởng ở cá mang gen SsGH2. Sự có mặt của gen chuyển ở một số mô cá hồi đã được xác định. 2.10.2. Chuyển gen chống lạnh vào cá Trong tự nhiên, cá sống trong nước lạnh ở hai cực quả đất, ở biển nhiệt đới ấm áp và ở những vùng nước ôn hòa. Ở những nơi này các điều kiện nhiệt độ thay đổi theo ngày cũng như thay đổi theo mùa. Trải qua tiến trình tiến hóa lâu dài, cá đã có các cơ chế sinh lý thích nghi với những điều kiện nhiệt độ thay đổi này. Cũng như nhiều sinh vật khác, cá sử dụng các gen sốc nhiệt để phản ứng với nhiệt độ tăng cao, nhưng trong điều kiện lạnh quá, một vài loài cá đã tiến hóa theo hướng gen chống lạnh mã hóa protein giữ cho máu của chúng khỏi đông. De Vries đã phát hiện ra protein chống lạnh (AFPs = antifreeze proteins). Theo De Vries (1969, 1971), cá ở vùng Bắc cực và Nam cực thì gen AFP biểu hiện suốt cả năm, trong khi các loài cá sống ở vùng nước ôn hòa (như cá bơn mùa đông) AFPs chỉ biểu hiện trong mùa đông. Các protein này cho phép cá sống được ở điều kiện nhiệt độ lạnh. De Vries và cộng sự (1971), Lin và cộng sự (1972) đã phát hiện protein chống lạnh của cá Nam cực bao gồm những đơn vị lặp lại Ala-Ala-Thr với một disaccharide, galactosyl-n-acetylgalactose amine, nhóm gốc đường này liên kết với threonine. AFPs cá bơn mùa đông là một protein xoắn giàu alanin, không có disaccharide. Các cấu trúc bậc 1, bậc 2, bậc 3 của chúng đã được xác định. Cơ chế tối ưu của các protein này là chúng liên kết với những vi tinh thể nước đá và do đó làm hạ thấp điểm đông của máu. Các gen protein chống lạnh của một số loài cá đã được làm sáng tỏ. Hew và cộng sự (1988) đã vi tiêm gen AFP cá bơn mùa đông vào cá hồi không có AFP. Mặc dù họ đã chứng minh được sự hợp nhất của gen AFP vào genome của cá hồi nhưng không có bằng chứng đối với sự biểu hiện của gen AFP. Tuy nhiên, sau đó họ đã có các chứng cớ sơ bộ về sự biểu hiện của gen AFP cá bơn mùa đông (Pseudopleuronectes americanus) ở cá hồi chuyển gen mặc dù mức độ biểu hiện của gen AFP còn quá thấp để bảo vệ cơ thể chống lại sự lạnh giá. Những kết quả nghiên cứu bước đầu này rất khả quan và cho ta giả thiết một cách chắc chắn rằng, khi các mức AFP thích hợp
56. 166 được biểu hiện chúng sẽ mở rộng khả năng sống của cá hồi vào mùa đông trong các bể nuôi cá nước mặn. Ðây là một thuận lợi lớn cho việc nuôi trồng nguồn thủy sản quan trọng này. Với mục đích đó, việc nghiên cứu đang được tiến hành thăm dò đối với các promoter riêng. Wang và cộng sự (1995) đã tiêm gen AFP cá lon chạch lớn (Macrozoarces americanus) vào trứng cá vàng (Carassius auratus) thành công và đã chứng minh được sự biểu hiện của gen AFP ở cá vàng. Cá vàng chuyển gen có khả năng chịu lạnh tốt hơn cá đối chứng khi đưa chúng vào môi trường có nhiệt độ thấp. 2.10.3. Chuyển gen kháng bệnh vào cá Một hướng ứng dụng khác của cá chuyển gen là khả năng kháng bệnh. Cho đến nay, hai phương pháp khác nhau đã được thử nghiệm. Một phương pháp với mục đích là tăng sức đề kháng đối với các bệnh do vi khuẩn và một phương pháp nhằm vào các mầm bệnh virus đặc trưng. Một ứng dụng của phương pháp đầu tiên liên quan đến việc tăng cường enzyme kháng khuẩn lysozyme ở cá bằng cách đưa trình tự mã hóa lysozyme cá hồi cầu vồng gắn với promoter AFP của các lon chạch Mỹ (Macrozoarces americanus) vào cá hồi Ðại tây dương (Hew, 1995). Ðây là một cấu trúc mà tất cả đều bắt nguồn từ cá với trình tự mã hóa protein có nguồn gốc từ một loài khá thân thuộc. Một hiệu quả tương tự có thể được tạo ra bằng cách lai khác loài và chọn lọc (cá hồi Ðại tây dương lai với cá hồi nâu (Salmo trutta), cá hồi nâu có thể được lai với cá hồi cầu vồng) và các kỹ thuật chuyển gen sẽ làm tăng tốc độ của quá trình này một cách đơn giản và tạo ra một giống cá có kiểu gen xác định tốt hơn rất nhiều. Cấu trúc gen chuyển lysozyme đã được đưa vào cá hồi Ðại tây dương nhưng cho đến nay chưa có kết quả nào về năng suất của cá và hiệu quả của gen chuyển được công bố. Một ứng dụng thứ hai của việc sử dụng kỹ thuật chuyển gen để tăng khả năng kháng bệnh là bảo vệ cá hồi cầu vồng chống lại sự nhiễm virus hematopoietic necrosis (IHNV). IHNV là một nguồn bệnh của cá hồi gây ra tỷ lệ chết cao, đặc biệt là đối với cá bột và cá hồi nhỏ. Các loại vaccine chết-bất hoạt (killed vaccine), vaccin giảm
57. 167 độc lực (attenuated vaccine) và vaccine tiểu đơn vị (subunit vaccine) đều đã được phát triển nhưng cả ba loại đều có những hạn chế nhất định. Sự tiêm chủng vaccine DNA sử dụng các trình tự mã hóa protein G và N của IHNV đã được Anderson thực hiện ở cá hồi cầu vồng vào năm 1996. Các plasmid tái tổ hợp được tiêm trực tiếp vào cơ của cá bột. Một mình trình tự protein N không đủ gây ra miễn dịch nhưng trình tự mã hóa protein G hoặc một mình hoặc kết hợp với trình tự N gây ra miễn dịch do hiệu quả làm virus chết. 2.10.3. Những hướng nghiên cứu cá chuyển gen khác Ngoài việc chuyển gen GH, gen chống lạnh và gen kháng bệnh đã nói ở trên, một số các gen khác cũng đã được chuyển vào cá chép, cá trê, cá hồi, cá vàng, cá medaka, cá chó Bắc cực (Northern pike) và một số loài cá khác. Các gen này có nguồn gốc từ tập hợp các nguồn sinh vật khắp nơi (gen kháng hygromycin, gen neomycin phosphotransferase (neo), gen chloramphenicol transacetylase, gen crystalline gà, gen a-globin, gen luciferase, gen ß-galactosidase, gen chống lạnh ). Khi chuyển vào cá, các gen vi tiêm được gắn với nhiều promoter khác nhau (mouse methallothionein (mMT), Rous sarcoma virus (RSV), fish antifreeze protein promoter (AFP) ). Vào năm 1986, Ozato và cộng sự đã chứng minh rằng cá medaka (Oryzas latipes) được vi tiêm tổ hợp mMT chuột với gen crystalline (Cry) gà thì gen ngoại lai này đã hợp nhất với DNA genome của cá medaka và đã biểu hiện gen mới này. Oshiro và cộng sự (1989) đã công bố gen α-globin cá chép đã gắn được vào DNA genome cá hồi cầu vồng. Mc Evoy và cộng sự (1988) đã chỉ ra rằng cá hồi Ðại tây dương chuyển gen có thể biểu hiện gen ß- galactosidase khi kết hợp với mMT. Yoon và cộng sự (1990) đã đưa ra bằng chứng về sự chuyển gen, sự hợp nhất và sự phiên mã của gen neo trong cá vàng nhưng bằng chứng về sự biểu hiện gen không được làm sáng tỏ. Stuart và cộng sự (1988) sử dụng cá mú vằn (zebrafish) làm mô hình chuyển gen kháng hygromycin, đã chứng minh được sự hợp nhất vào hệ gen và sự di truyền lại cho thế hệ sau của gen này. Chen và Power (1990) đã chứng minh được sự hợp nhất, sự biểu hiện và sự di truyền lại cho thế hệ sau của tổ hợp gen chloramphenicol transacetylase.
58. 168 Lu và cộng sự (1997) đã sử dụng vector retrovirus đa hướng (pantropic retrovirus vector) để chuyển gen vào cá medaka Nhật bản (Orizias latipes). Các vector này chứa LTR của virus bạch cầu chuột Moloney (Moloney murine leukemia virus = Mo-MLV) và một gen chuyển (neo hoặc lacZ) được điều hòa bởi đoạn LTR của RSV. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh được sự xâm nhập, sự biểu hiện và sự di truyền lại cho thế hệ con lai F1 của tổ hợp gen này. Trong một số nghiên cứu cá chuyển gen, hiệu quả đạt được thấp, trung bình chỉ từ 5-10%. Một số nhà nghiên cứu khác cho rằng khi nghiên cứu chuyển gen người vào cá chép, sự hợp nhất gen ngoại lai với genome vật chủ đạt được từ 40 - 88%. Ngoài việc góp phần tăng năng suất lên nhiều lần cho ngành nuôi trồng thủy sản, cá chuyển gen còn cung cấp các mô hình thí nghiệm tuyệt vời cho các nghiên cứu khoa học cơ bản cũng như các nghiên cứu ứng dụng Công nghệ Sinh học. Ở Việt Nam, tại Phòng Công nghệ gen Ðộng vật, Viện Công nghệ Sinh học, Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Việt Nam, Nguyễn Văn Cường và cộng sự đã và đang nghiên cứu chuyển tổ hợp gen hormone sinh trưởng người (MThGH) vào chuột, cá vàng (Carassius autarus), cá chạch (Misgurnus anguillicaudatus) và cá chép (Cyprinus carpio). Với một số kết quả bước đầu đã đạt được, việc nghiên cứu tạo cá chuyển gen đang được tiếp tục tiến hành. IV. Ứng dụng của động vật chuyển gen Với những ưu điểm nổi bật, công nghệ tạo động vật chuyển gen đã, đang và sẽ tạo ra các tiềm năng phát triển vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Trước các ứng dụng đa năng của sinh vật chuyển gen chung và động vật chuyển gen nói riêng, nhiều quốc gia trên thế giới đã chú trọng đầu tư nghiên cứu và phát triển sinh vật chuyển gen. 1. Trong nghiên cứu cơ bản Chuyển gen là một công cụ lý tưởng cho việc nghiên cứu các ngành sinh học. Trong sinh học phân tử, động vật chuyển gen được
59. 169 sử dụng để phân tích sự điều hoà biểu hiện của gen để đánh giá một biến đổi di truyền đặc biệt ở mức độ toàn bộ cơ thể động vật. Ðộng vật chuyển gen còn được sử dụng để nghiên cứu trong di truyền học phát triển ở động vật có vú. 2. Trong nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm Công nghệ chuyển gen động vật ra đời đã cho phép khắc phục những trở ngại của phương pháp cải tạo giống cổ truyền để tạo ra các động vật biểu hiện các tính trạng mong muốn trong một thời gian ngắn hơn và chính xác hơn. Mặt khác, nó cho các nhà chăn nuôi một phương pháp dễ dàng để tăng sản lượng, tăng năng suất. Các nhà khoa học đã tạo ra các vật nuôi chuyển gen có tốc độ lớn nhanh, hiệu suất sử dụng thức ăn cao, cho năng suất cao (nhiều thịt, nhiều sữa, nhiều trứng ) và chất lượng sản phẩm tốt (nhiều nạc, ít mỡ, sữa chứa ít lactose hoặc cholesterol ). Mặt khác, công nghệ chuyển gen đã cố gắng tạo ra các động vật có khả năng kháng bệnh như lợn có khả năng kháng bệnh cúm Tuy nhiên, hiện nay số lượng gen kháng bệnh ở vật nuôi đã được biết là hạn chế. 3. Trong y học Hàng năm có nhiều bệnh nhân chết vì thiếu các cơ quan thay thế như tim, gan hoặc thận Lợn chuyển gen có thể cung cấp các cơ quan cấy ghép cần thiết làm giảm bớt sự thiếu hụt. Hiện nay, sự cấy ghép cơ quan bị cản trở bởi protein lợn có thể gây ra sự loại thải nhưng các nghiên cứu này đang được phát triển theo hướng loại bỏ protein lợn và thay thế bằng protein người. Ðộng vật chuyển gen sản xuất protein tái tổ hợp qua tuyến sữa có một vai trò đặc biệt đối với y học. Vào năm 1997, con bò chuyển gen đầu tiên, Rosie, đã sản xuất protein người chất lượng cao ở trong sữa với hàm lượng 2,4g/lít. Sữa chuyển gen này là một sản phẩm cân bằng dinh dưỡng hơn sữa bò tự nhiên và có thể sử dụng cho em bé hoặc ngời lớn với nhu cầu dinh dưỡng hoặc tiêu hoá đặc biệt. Sữa bò này chứa alpha-lactabumin người Trong kỹ nghệ dược phẩm, động vật chuyển gen được sử dụng để sản xuất protein dược phẩm, thuốc chữa bệnh.