Chương 4: Các hệ thống vector
Có ba nhóm vector chính được sử dụng trong tạo dòng DNA và nhân bản chúng trong tế bào vật chủ (E. coli hoặc nấm men), bao gồm: 1) Nhóm plasmid, 2) Nhóm phage/phagemid, và 3) Nhóm nhiễm sắc thể nhân tạo (artificial chromosome: BAC và YAC). Ý tưởng về vector chuyển gen bắt nguồn từ các plasmid của vi khuẩn.
Chương 4
Các hệ thống vector
Có ba nhóm vector chính được sử dụng trong tạo dòng DNA và nhân bản chúng trong tế bào vật
chủ (E. coli hoặc nấm men), bao gồm: 1) Nhóm plasmid, 2) Nhóm phage/phagemid, và 3) Nhóm nhiễm
sắc thể nhân tạo (artificial chromosome: BAC và YAC). Ý tưởng về vector chuyển gen bắt nguồn từ các
plasmid của vi khuẩn. Vector chuyển gen là phân tử DNA có khả năng tự tái sinh, tồn tại độc lập trong tế
bào và mang được các gen cần chuyển. Các vector chuyển gen phải thỏa mãn các yêu cầu tối thiểu sau:
- Có trình tự khởi đầu sao chép (ori) để có thể tự sao chép mà tồn tại độc lập.
- Có các vị trí nhận biết đơn (single recognition sites-SRS), nơi mà các enzyme hạn chế nhận biết để
cắt rời làm chỗ lắp ráp đoạn gen ngoại lai vào. Các trình tự này thường nằm xa điểm khởi đầu sao chép để
tránh bị cắt nhầm.
- Có trình tự khởi động (promoter) để tiến hành phiên mã gen ngoại lai.
- Đảm bảo sự di truyền bền vững của DNA tái tổ hợp ở dạng độc lập hay gắn vào nhiễm sắc thể của
tế bào vật chủ.
- Có các gen chỉ thị (marker genes) để dễ dàng phát hiện ra thể tái tổ hợp.
Ngoài ra, chúng còn phải có những đặc tính bổ sung khác để cho việc tạo dòng dễ thực hiện như là:
- Chứa các gen làm vô hiệu hóa đoạn DNA không mong muốn được gắn vào.
- Có nhiều bản sao để được tách ra khỏi tế bào với số lượng lớn và đảm bảo sự khuếch đại của gen
ngoại lai.
- Ngoài promoter cần có thêm các trình tự nucleotide khác cần thiết cho sự biểu hiện của gen, chẳng
hạn như: RBS (ribosome binding sites-vùng liên kết với ribosome để dịch mã).
Giá trị của vector ở chỗ nó được thiết kế sao cho thật thuận tiện với các mục đích sử dụng khác
nhau. Không có vector toàn năng cho chuyển gen, mà cần có sự chọn lựa tùy mục đích và kích thước của
đoạn gen được tạo dòng. Chúng được thiết kế với nhiều chức năng chuyên biệt để mang được các trình tự
nucleotide như mong muốn. Các vector chuyển gen có năm ứng dụng quan trọng chủ yếu:
- Tạo dòng (cloning) và khuếch đại (amplification) một đoạn trình tự của DNA (nhiều bản sao giống
nhau).
- Nghiên cứu sự biểu hiện của một đoạn trình tự DNA.
- Đưa gen vào các tế bào vi sinh vật hay các động-thực vật .
- Sản xuất RNA.
- Sản xuất protein từ gen được tạo dòng.
Chương này giới thiệu sáu loại vector phổ biến (thuộc ba nhóm vector: plasmid, phage/phagemid và
nhiễm sắc thể nhân tạo) dùng trong tạo dòng gen (gene cloning): plasmid, bacteriophage λ , cosmid,
bacteriophage M13, BAC và YAC.
I. Plasmid vector
1. Đặc điểm của plasmid
Plasmid là các thông tin di truyền ngoài nhân, được tìm thấy trong nhiều loài vi khuẩn khác nhau.
Chúng là những phân tử DNA mạch vòng, sợi đôi, kích thước từ 1- ³ 200 kb, có khả năng tự sao chép để
tồn tại độc lập trong tế bào. Các plasmid có thể mang một số gen của vi khuẩn và các gen này có thể biểu
hiện ra protein. Một số kiểu hình khác nhau của plasmid như:
- Kháng các chất kháng sinh
- Kháng kim loại nặng
- Sản xuất các chất kháng sinh
- Thủy phân các hợp chất hữu cơ phức tạp
- Sản xuất độc tố đường ruột enterotoxin
- Sản xuất chất diệt khuẩn bacteriocin
- Sản xuất các colicin1
- Sản xuất haemolysin2
- Sản xuất các enzyme sửa đổi3 và enzyme hạn chế 4.
Một loại vi khuẩn vật chủ thường chứa hai hoặc nhiều loại plasmid cùng tồn tại. Chúng có thể là các
plasmid tương hợp (compatible plasmid) hoặc không tương hợp (incompatible plasmid). Người ta có thể
chia plasmid làm hai loại dựa trên đặc điểm sinh sản và phương thức sống của chúng, đó là: plasmid tiếp
hợp (conjugative plasmid) và plasmid không tiếp hợp (non-conjugative plasmid).
Trong tự nhiên, plasmid xâm nhập vào tế bào vật chủ nhờ sự tiếp hợp (conjugation) của vi khuẩn,
nhưng trong nghiên cứu thực nghiệm các plasmid được chuyển nạp vào vi khuẩn bằng một quy trình nhân
tạo gọi là biến nạp gen (gene transformation). Kiểu hình mới của thể nhận (recipient) do plasmid đem đến
(Ví dụ: plasmid kháng kháng sinh) cho phép chọn lọc xác định các nhân tố biến nạp và duy trì plasmid
trong quần thể vi khuẩn. Ở các vị trí cắt hạn chế của plasmid, DNA ngoại lai (foreign DNA) có thể chèn
vào và được xác định với gen mã hóa cho các marker chọn lọc. Một trong các v ector hay được sử dụng
trước đây là pBR 322 mang hai gen kháng ampicillin (Ampr) và tetracycline (Tetr) cùng một số vị trí cắt
hạn chế thuận lợi. Có hai dạng phân chia từ pBR 322 thích hợp cho sự tái bản là các vector pAT 153 và
pXf 3.
Các plasmid kích thước nhỏ có số lượng bản sao lớn hơn và mẫn cảm hơn với vi khuẩn. Tuy nhiên,
việc giảm kích thước của plasmid có thể làm mất các vị trí tạo dòng (multiple cloning sites, MCS) hữu ích.
Ví dụ: pXf 3 thiếu các vị trí BalI và AvaI (các vị trí này có trong pBR 322 và pAT 153).
Một số plasmid không được sử dụng rộng rãi như pBR 322, mà chỉ được sử dụng trong các mục đích
đặc biệt, ví dụ:
- pMK 16: chứa các vị trí nhận biết đơn SmaI và XhoI trong gen mã hóa tính kháng kanamycin.
- pKC 7 và pACYC 184: mang các vị trí tạo dòng hữu ích và gen mã hóa tính kháng
chloramphenicol.
- Các plasmid có kích thước lớn pCR1 (11,4 kb) và pSC 101 ( 9,9 kb): không được dùng thường
xuyên trong các thí nghiệm tạo dòng.
Thông thường, sự sao chép DNA plasmid được tiến hành nhờ các enzyme tái bản nhiễm sắc thể vi
khuẩn. Ở một số plasmid dạng stringent control5 sự sao chép của chúng khá ít hoặc bị giới hạn, chỉ gấp đôi
sự sao chép của tế bào vật chủ và chỉ một hoặc một số bản sao của chúng có mặt trong mỗi tế bào vi
khuẩn. Các plasmid dạng relaxed control6 có số lượng bản sao trong mỗi tế bào nhiều hơn stringent
plasmid, khoảng 10-20 và có khi lên đến hàng ngàn bản sao nếu như sự tổng hợp protein bị dừng lại (Ví
dụ: bằng cách xử lý chloramphenicol). Nếu thiếu sự tổng hợp protein thì sự sao chép của các relaxed
plasmid được tiếp tục, trong khi sự sao chép của DNA nhiễm sắc thể và của các stringent plasmid bị dừng
lại. Các plasmid dùng làm vector tạo dòng phải có một số tính chất sau:
- Kích thước tương đối nhỏ và phải tái bản trong dạng relaxed plasmid.
- Mang một hoặc nhiều marker chọn lọc (selectable marker) cho phép xác định các nhân tố biến nạp
và duy trì plasmid trong quần thể vi khuẩn.
- Chứa các vị trí nhận biết đơn cho một hoặc nhiều enzyme hạn chế.
Đến nay, các plasmid đã được cải tiến để ngày càng thuận tiện hơn cho kỹ thuật tái tổ hợp DNA,
trải qua ba thế hệ:
- Thế hệ đầu tiên. Là các plasmid tự nhiên đến nay hầu như không còn sử dụng nữa.
- Thế hệ thứ hai. Là các plasmid được cấu tạo phức tạp hơn. Một trong những plasmid thường được
sử dụng là pBR 322 (Hình 4.1) có nguồn gốc từ một plasmid nhỏ ColE1. Nó được thiết kế từ nhiều đoạn
của các plasmid khác nhau để vừa có các gen kháng thuốc (Ampr và Tetr), trình tự khởi đầu sao chép
(ori), vừa có các vị trí nhận biết cho các enzyme hạn chế như Eco RI , Hin dIII , Bam HI , Sal I ,... Ở
đoạn gen Amp r có bốn điểm nhận biết, ở gen Tet r có tám điểm nhận biết, những điểm này giúp dễ phát
hiện các plasmid có gen ngoại lai gắn vào. Ví dụ: nếu cắt plasmid bằng enzyme BamHI (375) rồi gắn DNA
ngoại lai vào chỗ cắt thì gen Tetr bị phân đôi do chèn đoạn DNA lạ, vì thế tế bào mất khả năng kháng
tetracycline nhưng vẫn kháng ampicillin. Plasmid này có khả năng sao chép độc lập với tế bào E. coli và
tồn tại với số lượng trung bình 20-30 bản sao cho mỗi tế bào. Trong những điều kiện nuôi cấy nhất định có
thể khuếch đại có chọn lọc làm tăng số plasmid đến hơn 1.000 bản sao cho một tế bào.
Hình 4.1. Plasmid vector pBR 322. Apr (hay Ampr) và Tetr: gen kháng ampicillin và tetracycline,
ori: trình tự khởi đầu sao chép, và một số vị trí nhận biết cho các RE.
- Thế hệ thứ ba . L à các plasmid đa năng (polycloning plasmid) và chuyên dụng. Để tiện cho việc
sử dụng nhiều lo ại RE khác nhau, nhiều trình tự nhận biết của chúng được xếp nối tiếp nhau thành một
đoạn dài gọi là polylinkers (vùng đa nối) hay multiple cloning sites (các vị trí tạo dòng). Các plasmid vi
khuẩn có thể chứa đoạn DNA ngoại lai khoảng 3-10 kb. Có 3 nhóm plasmid thông dụng hiện đang được
bán rộng rãi trên thị trường như:
+ Nhóm các plasmid pUC. Kích thước khoảng 2.600 bp, mang gen Apr và một phần gen lacZ’, xen
vào giữa gen lacZ’ là polylinker (Hình 4.2). Các thành viên của nhóm này chỉ khác nhau do độ dài và
chiều của polylinker. Các ưu điểm của nhóm này:
* Kích thước nhỏ.
* Sự có mặt của gen lacZ’ 7 rất thuận tiện cho việc phát hiện vector tái tổ hợp.
* Vùng polylinker cho phép chèn vào gần như bất kỳ một trình tự DNA lạ nào.
Hình 4.2. Plasmid vector pUC19 . Vị trí tạo dòng (từ 396-447) được gắn vào gen lacZ’, nhưng
không can thiệp vào chức năng của gen.
+ Nhóm các plasmid pGEM : Kích thước khoảng 3.000 bp, mang gen Ampr, gen lacZ, polylinker
và promoter đặc trưng cho các RNA polymerase (SP6, T7) ở hai bên vùng polylinker cho phép phiên mã
đoạn DNA gắn trong vector thành nhiều RNA (Hình 4.3). Các RNA này thường dùng làm probe (mẫu dò)
hay dùng trong nghiên cứu cấu trúc và chức năng của RNA.
Hình 4.3. Plasmid vector pGEM. Nhóm vector này được mở vòng sẵn mang 2 đầu T ở vùng MCS, đặc
trưng cho việc gắn các sản phẩm PCR mang 2 đầu A.
+ Nhóm các plasmid pBluescript : Kích thước khoảng 3 . 000 bp, các plasmid này kết hợp được tất cả
những ưu điểm của mấy nhóm vừa kể và được xem là nhóm có tiềm năng ứng dụng lớn nhất hiện nay
(Hình 4.4).
2. Tạo dòng trong plasmid
Về nguyên tắc, DNA plasmid bị cắt bởi enzyme hạn chế và gắn in vitro với đoạn DNA ngoại lai tạo
ra các plasmid tái tổ hợp, sau đó chúng được dùng để biến nạp vào vi khuẩn. Khó khăn lớn nhất là phân
biệt giữa các plasmid chứa các đoạn DNA ngoại lai-thể tái tổ hợp (recombinant) và các phân tử DNA
vector đã tái tạo lại vòng (recircularization). Sự tái tạo lại vòng của plasmid có thể được hạn chế bằng
cách điều chỉnh nồng độ DNA ngoại lai và DNA vector trong phản ứng gắn (ligation). Một số phương thức
được dùng để phân biệt giữa các thể tái tổ hợp và tái tạo lại vòng như sau:
Hình 4.4. Plasmid vector pBluescript II SK (+ /- ). Vector này mang vùng tạo dòng ở vị trí từ
598-826 trên gen lacZ’, gen kháng ampicillin, các promoter T3 và T7, và các vị trí gắn cho các cặp primer
khác nhau dùng trong phân tích trình tự đoạn DNA ngoại lai.
2.1. Khử hoạt tính bằng chèn đoạn (insertional inactivation)
Phương pháp này dùng cho các plasmid mang hai hoặc nhiều marker (ví dụ: Ampr, lacZ). DNA
ngoại lai và DNA plasmid được thủy phân cùng một loại enzyme hạn chế và tinh sạch, sau đó gắn hai
DNA với nhau, hỗn hợp gắn được dùng để biến nạp vào E. coli mẫn cảm Amp để chọn lọc thể biến nạp
nhờ tính kháng Amp của plasmid và hoạt tính b -galactosidase của gen lacZ. Các khuẩn lạc chứa các
plasmid tái tổ hợp sinh trưởng trên môi trường có mặt Amp và isopropyl-thiogalactoside (IPTG) cùng với
cơ chất nhiễm sắc thể X-gal sẽ có màu trắng do đoạn DNA ngoại lai xen vào giữa gen lacZ làm gen này
mất hoạt tính. Trong khi đó các khuẩn lạc chứa DNA plasmid tái tạo lại vòng sẽ có màu xanh do gen lacZ
không bị mất hoạt tính (Hình 4.5 và 4.6).
Hình 4.5. Cơ chế tác dụng của ß -galactosidase
2.2. Tạo dòng định hướng (directional cloning)
Hầu hết các plasmid vector mang hai hoặc nhiều vị trí nhận biết enzyme hạn chế, ví dụ: vector pBR
322 chứa các vị trí nhận biết đơn HindIII và BamHI sau khi cắt bằng hai enzyme hạn chế tương ứng, đoạn
DNA plasmid lớn hơn có thể được tinh sạch bằng điện di agarose gel và gắn với một đoạn DNA ngoại lai
mang các đầu kết dính tương đồng với nó cũng được cắt bởi BamHI và HindIII. Kết quả, thể tái tổ hợp
dạng vòng mang tính kháng Amp sau đó được dùng để biến nạp vào E. coli. Do thiếu sự bổ trợ giữa các
đầu lồi HindIII và BamHI nên đoạn vector lớn hơn không thể tái tạo lại vòng một cách hiệu quả được vì
thế nó biến nạp vào E. coli rất kém. Dĩ nhiên, các tổ hợp khác của enzyme cũng có thể được sử dụng tùy
thuộc vào các vị trí nhận biết (RS-recognition sites) trong vector và của đoạn DNA ngoại lai (Hình 4.7).
Hình 4.6. Tạo dòng theo phương thức khử hoạt tính bằng chèn đoạn. Amp r : gen kháng
ampicillin, lacZ: gen mã hóa enzyme β -galactosidase.
Hình 4.7. Tạo dòng định hướng. Tet r : gen kháng tetracycline, Tets : gen kháng tetracycline bị khuyết
đoạn và mất hoạt tính.
2.3. Biến nạp vector tái tổ hợp vào vi khuẩn/tế bào vật chủ
Sau khi tạo được vector tái tổ hợp mang gen ngoại lai, việc tiếp theo là biến nạp nó vào tế bào vật
chủ. Trong trường hợp này tế bào vật chủ thường được sử dụng là vi khuẩn E. coli để khuếch đại một
lượng lớn DNA plasmid tái tổ hợp dùng cho các phân tích về sau.
Hai phương pháp được dùng để biến nạp vector tái tổ hợp vào E. coli là điện biến nạp
(electroporation transformantion) và hóa biến nạp (chemical transformation).
2.3.1. Điện biến nạp
Đây là kỹ thuật hiệu quả nhất để biến nạp vi khuẩn. Hai thông số quan trọng của phương thức này là
loại tế bào vi khuẩn và tần số xung điện cần thiết. Thể tích của dung dịch tế bào thường được dùng là 30
µL (tương ứng với nồng độ 1010 tế bào E. coli/mL) có bổ sung 5 ng plasmid trong một cuvette có khoảng
trống điện cực (electrode gap) 0,1 cm. Hiệu suất biến nạp của phương thức này lớn hơn 1×109 thể biến
nạp/µg plasmid siêu xoắn và khoảng 1×108 thể biến nạp/µg plasmid được dùng trong phản ứng gắn. Tần
số biến nạp khoảng 0,02 cho cả hai loại plasmid. Tần số biến nạp thấp đã ngăn cản được sự đồng biến nạp
(co-transformation) vào vi khuẩn của hai hoặc nhiều phân tử plasmid.
Phương pháp điện biến nạp có một số ưu điểm sau:
- Hiệu suất biến nạp cao.
- Có thể dùng một thể tích dịch tế bào nhỏ. Thể tích dịch tế bào khoảng 20 µL có thể cho hiệu suất
khoảng 109 thể biến nạp.
- Phương pháp chuẩn bị tế bào biến nạp rất đơn giản, không sử dụng các kỹ thuật phức tạp và tốn
thời gian. Hơn nữa, các tế bào dùng để biến nạp có thể được chuẩn bị trước và bảo quản vô hạn định mà
không mất tính khả biến.
- Tần số điện biến nạp với DNA siêu xoắn và DNA mạch vòng là giống nhau. Do đó, không cần
thiết phải dùng vector được tinh sạch cao trong các phản ứng gắn.
- Hiệu suất biến nạp phân tử cho DNA mạch vòng rất cao đối với các plasmid có kích thước lên đến
50 kb.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là đòi hỏi thiết bị biến nạp đắt tiền.
2.3.2. Hóa biến nạp
Đây là phương thức kinh điển để biến nạp DNA plasmid vào tế bào E. coli. Các tế bào được ủ trong
dung dịch CaCl2 để trở thành tế bào khả biến giúp cho chúng dễ tiếp nhận DNA plasmid. DNA plasmid
đưa vào bằng cách shock nhiệt nhanh (40-50 giây), các tế bào biến nạp sau đó được chọn lọc bằng
phương pháp chọn lọc dương tính trên đĩa agar chứa môi trường LB với kháng sinh thích hợp. Mỗi khuẩn
lạc trên đĩa kháng sinh đại diện cho một thể biến nạp đơn. Các tế bào chứa plasmid mang DNA ngoại lai
có thể xác định bằng mắt trên đĩa môi trường có bổ sung thêm cơ chất nhiễm sắc thể cho β-galactosidase
(X-gal) vì chúng là các khuẩn lạc không màu do sự khử hoạt tính của enzyme bằng cách chèn đoạn DNA
ngoại lai.
Phương pháp chuẩn bị và bảo quản tế bào khả biến trong hóa biến nạp cũng rất đơn giản. Hiệu suất
biến nạp của phương pháp này trong khoảng 104-106 thể biến nạp/µg plasmid, tùy thuộc vào kích thước
của đoạn DNA chèn (insert DNA) và chủng vi khuẩn được sử dụng. Hiệu suất này thích hợp cho các
phương thức tạo dòng truyền thống. Đối với các phương thức cần hiệu suất biến nạp cao hơn (ví dụ: xây
dựng thư viện cDNA, xây dựng thư viện phân tích trình tự DNA...) thì tốt hơn hết là dùng phương pháp
điện biến nạp. Tuy nhiên, nếu không có sẵn thiết bị biến nạp bằng điện thì vẫn có thể thu được hiệu suất
biến nạp cao bằng cách dùng các chủng vi khuẩn thích hợp hơn cho mục đích này và có thể thu được hiệu
suất 109 thể biến nạp/µg plasmid.
II. Bacteriophage λ vector
Phage l là một virus mang DNA sợi đôi có kích thước khoảng 50 kb, DNA của nó ở dạng phân tử
mạch thẳng có hai đầu bổ trợ sợi đơn dài 12 nucleotide (được dùng làm đầu cos). Sau khi xâm nhiễm vào
vi khuẩn vật chủ, DNA tạo vòng ngay lập tức bằng cách ghép hai đầu kết dính cos nhờ enzyme DNA
ligase của vật chủ (Hình 4.8). Các giai đoạn tiếp đó có thể dẫn đến việc hoặc làm tan (lysis) tế bào vật chủ
(bao gồm việc sản xuất và giải phóng các phage thế hệ con) hoặc là gây ra hiện tượng tiềm tan (lysogeny)
(trong giai đoạn này λ DNA hợp nhất vào trong chromosome của vật chủ).
Các phage có khả năng thực hiện tải nạp mang gen từ tế bào vi khuẩn cho (donor) sang tế bào nhận
(recipient). Vector phage λ được sử dụng rộng rãi để xây dựng thư viện gen (gene library), vì nó mang
được đoạn DNA ngoại lai lớn hơn (15-23 kb) so với plasmid, dễ bảo quản, dễ tách ra để phân tích. Ưu
điểm nổi bật của các phage λ là chúng có hệ thống tự động xâm nhập và sinh sản trong tế bào vi khuẩn với
một hiệu quả cao hơn nhiều so với việc đưa plasmid vào tế bào vi khuẩn bằng biến nạp. Tuy nhiên các
thao tác ban đầu có phức tạp hơn.
Hình 4.8. Bản đồ đơn giản của bacteriophage λ genome. Các gen liên quan đến các chức năng
khác nhau đã được trình bày trên sơ đồ. cIII, N, cI, cro và cII: các gen liên quan đến hoạt động điều hòa,
miễn dịch tiền phage, siêu nhiễm. O và P: các gen tổng hợp DNA. Q: gen điều hòa chức năng muộn. S và
R: các gen phân giải tế bào vật chủ. PL: promoter bên trái, PR: promoter bên phải, L-cos: đầu kết dính bên
trái, R-cos: đầu kết dính bên phải.
1. Đặc điểm của bacteriophage λ
Trước đây, người ta nghĩ rằng việc sử dụng phage λ làm vector là rất bất tiện do DNA của nó quá
dài (50 kb), muốn cắt ra nhiều đoạn thì phải có nhiều trình tự cắt. Tuy nhiên, về sau người ta đã phát hiện
ở giữa DNA của phage λ có vùng đệm (stuffer) hay còn gọi là vùng trung tâm có chiều dài bằng khoảng
1/3 chiều dài của phage λ , vùng này không quan trọng và nếu cắt nó đi thì vẫn không ảnh hưởng đến khả
năng sinh sản của phage l trong tế bào vi khuẩn chủ và khả năng làm tan tế bào chủ. Vì thế, người ta đã
cắt bỏ đoạn stuffer để lắp các đoạn gen ngoại lai vào. Do DNA phage λ có dạng mạch thẳng nên khi bị cắt
ở giữa sẽ tách rời làm thành hai nhánh (arms): phải và trái. Đoạn gen ngoại lai được gắn vào giữa sao cho
DNA tái tổ hợp không lớn hơn 105% hay nhỏ hơn 78% của bộ gen bình thường của phage λ . Khả năng
có thể mang một DNA ngoại lai dài hơn của plasmid là một ưu thế của phage λ . Điều đó có nghĩa rằng khi
lấy đoạn stuffer ra (chỉ còn 60% chiều dài bình thường của phage λ ) thì nó quá ngắn để lắp vào đầu, nó
chỉ lắp được khi DNA ngoại lai gắn thêm vào chỗ trống. Nhờ vậy, dễ xác định DNA ngoại lai đã gắn vào
phage λ hay chưa và đồng thời tính chất này cũng giúp loại bỏ các phage λ khi đoạn DNA ngoại lai bị cắt
rời ra.
Trên vector phage λ người ta cũng đã chọn được các vị trí nhận biết cho các enzyme cắt hạn chế, và
xây dựng phương pháp đóng gói in vitro (in vitro packing) để đưa đoạn DNA đã được gắn vào đầu của
phage.
2. Tạo dòng trong bacteriophage λ
Bacteriophage λ với genome phức tạp và lớn được dùng như một vector, DNA của nó chứa một số
vị trí thích hợp cho các RE cần thiết để tạo dòng. Các bước tạo dòng trong phage λ được tóm tắt như sau
(Hình 4.9 và 4.10):
- Tinh sạch DNA vector bằng ly tâm theo gradient tốc độ hoặc điện di gel sau khi đã được cắt bằng
RE.
- Các nhánh phải và trái sau đó được liên kết với DNA ngoại lai kích thước khoảng 20 kb có đầu kết
thúc tương đồng với đầu của các nhánh.
- Kết quả các DNA tái tổ hợp được đóng gói in vitro trong các phage λ .
- Các phage tái tổ hợp mang các đoạn DNA ngoại lai mong muốn được xác định bằng phương pháp
lai nucleic acid.
- Tinh sạch và chọn tế bào vật chủ (E. coli) cho nó sinh sản để duy trì và phân tích các đoạn DNA
ngoại lai.
2.1. Chọn vector λ thích hợp
Có hai yếu tố ảnh hưởng đến sự chọn lọc, đó là enzyme cắt hạn chế được sử dụng và kích thước
DNA ngoại lai. Chỉ khoảng 60% genome (nhánh trái và nhánh phải) là cần thiết cho sự sinh tan của phage.
Khả năng sống sót của phage giảm khi DNA dài hơn 105% hoặc ngắn hơn 78% so với genome tự nhiên đã
được đóng gói. Điều quan trọng là chọn vector và DNA ngoại lai như thế nào để kích thước của phage tái
tổ hợp nằm trong giới hạn cho phép.
Hình 4.9. Các bước tạo dòng trong bacteriophage λ . DNA nguồn được cắt bằng BamHI và được
phân đoạn theo kích thước (khoảng 20 kb). Bacteriophage l cũng được phân cắt bằng BamHI. Hai mẫu
này được trộn vào nhau và xử lý bằng T4 DNA ligase. Phản ứng gắn xảy ra tạo một bacteriophage λ mới
(tái tổ hợp): đoạn stuffer được thay bằng đoạn DNA ngoại lai. Những phân tử này đóng gói in vitro trong
đầu của phage λ , và chúng có thể gây nhiễm sau khi được thêm phần đuôi
Hình 4. 10 . Phân tử DNA của phage λ . A: Tự tái bản DNA từ dạng vòng của λ làm cho nó trở
thành dạng dây thẳng, hình thành các đoạn chồng lấp lên nhau, với độ dài khoảng 50 kb. B: Mỗi đầu đều
chứa đầy 50 kb đơn vị của l DNA , trước khi đuôi được tổng hợp gắn vào sau.
Một số vector λ đã được thiết kế thuận lợi cho sinh trưởng của chúng trong E. coli mang prophage
P2, phenotype này được gọi là Spi+. Các chủng λ thiếu hai gen cần thiết trong tái tổ hợp (red và gam)
biểu hiện phenotype Spi - sẽ sinh trưởng tốt trong các thể tiềm tan P2 chừng nào mà chúng còn mang
chuỗi chi (chi là cơ chất cho sự tái tổ hợp được xúc tác bởi hệ thống recA).
Tạo dòng ở các vector λ L47.1, λ 1059 hoặc λ BF101 đã được tiến hành bằng cách loại bỏ đoạn
stuffer chứa red và gam. Kết quả thu được phage tái tổ hợp là Spi - và chúng có thể được nhận biết hoặc
chọn lọc bằng khả năng sinh trưởng của chúng trên các thể tiềm tan P2 recA+ của E. coli .
Hầu hết các vector thay thế mất gen gam khi đoạn stuffer bị loại bỏ. Các thể tái tổ hợp được tạo
thành với các vector như thế phải được sinh sản trong vi khuẩn recA+. Phage l sep6-lac5 mang các gen
red và gam trong nhánh phải của nó và các thể tái tổ hợp được tạo thành với vector này có phenotype
Spi+ có thể được nhân lên trong vi khuẩn mang đột biến recA-.
2.2. Những vector λ được cải tiến
Những vector λ thường được cải tiến nhằm mục đích:
- Tăng khả năng thích ứng của các đoạn DNA ngoại lai khác nhau với các RE.
- Cho phép chọn lựa phương thức tái tổ hợp mong muốn.
- Cho phép có được các RNA probe sẵn sàng cho việc chuyển mã của DNA ngoại lai gắn vào
vector. Điều này giúp chúng ta dễ dàng sàng lọc các thư viện trong quá trình chromosome walking, ví dụ
như λ ZAP.
- Phát triển các vector trong quá trình gắn vào cDNA của sinh vật bậc cao, dưới hình thức một
polypeptide dung hợp với β-galactosidase. Hình thức này rất hữu ích trong việc chọn lọc kháng thể, ví dụ
như vector λgt11.
Hình 4.11. Vector EMBL3 và EMBL4 được thiết kế từ phage l mang các vị trí nhận biết cho
các enzyme SalI, BamHI và EcoRI
Thế hệ gần đây nhất của vector l là EMBL3 và EMBL4 (Hình 4.11), chúng mang các trình tự có
tính chất polylinker nằm gần đoạn có thể thay thế được. Các phage với những thể insert đính bên trong nó
có thể được chọn lọc bằng kiểu hình Spi -, chính là chi+. Thể cải tiến từ EMBL3 có những đột biến
EMBL3 Sam, EMBL3 Aam Sam. Những đột biến trong vector không chỉ làm gia tăng khả năng chứa của
nó, mà còn được sử dụng trong hệ thống chọn lọc những trình tự DNA được phân lập, liên kết với các gen
ức chế (suppressor).
III . Cosmid vector
1. Đặc điểm của cosmid
Cosmid là các vector đặc biệt được xây dựng bởi plasmid + đầu cos dùng để tạo dòng các đoạn
DNA kích thước lớn của eukaryote (Hình 4.12). Các thành phần không thể thay thế của các cosmid
vector bao gồm:
- Các marker kháng kháng sinh và một trình tự ori của plasmid.
- Đoạn DNA mang đầu dính cos của phage l .
- Kích thước nhỏ sao cho các đoạn DNA eukaryote dài khoảng 45 kb có thể thích ứng.
Hình 4.12. Bản đồ và vùng tạo dòng của vector cosmid pWEB-TNC. Vị trí tạo dòng SmaI nằm
bên cạnh các cặp BamHI, NotI và EcoRI. Chlr: gen kháng chloramphenicol.
2. Tạo dòng trong cosmid
Các nguyên tắc cơ bản của phương pháp tạo dòng trong cosmid được trình bày ở hình 4.13. Trước
hết cosmid được cắt với RE thứ nhất (ScaI) để tạo thành mạch thẳng, sau đó phân tử mạch thẳng được cắt
tiếp với RE thứ hai (BamHI) để làm thành hai nhánh (nhánh lớn và nhánh nhỏ). Một nhánh chứa đầu cos,
gen kháng kháng sinh và vùng ori; nhánh còn lại chỉ chứa đầu cos thứ hai. Hai nhánh này kết hợp với
genomic DNA đã được cắt với RE (cùng loại với RE thứ hai cắt cosmid thành hai nhánh) nhờ DNA ligase,
cuối cùng tất cả chúng được đóng gói in vitro trong đầu của các tiểu thể phage l trưởng thành. Sự đóng gói
các phân tử tái tổ hợp trong các tiểu thể phage chỉ thực hiện cho các thể tái tổ hợp có kích thước khoảng
40-50 kb. Các cosmid vector được thiết kế tối ưu nhất có chiều dài từ 4-6 kb và vì thế chúng có thể thích
hợp với DNA ngoại lai có kích thước khoảng 45 kb.
Mặc dù có những thuận lợi về kích thước, các cosmid dùng làm vector cũng có một số khó khăn
sau:
- Gắn vector với vector: sự tái tổ hợp trong phân tử (intramolecular) giữa hai hoặc nhiều vector
trong một cosmid đơn có thể dẫn đến cắt bỏ DNA của cosmid vector và cuối cùng mất cosmid do phân ly.
- Sự chất đống lộn xộn (scrambling): xuất hiện do sự xâm nhiễm vào trong cùng một vector của hai
hoặc nhiều đoạn không ở cạnh với đoạn DNA mong muốn trong bộ gen gốc (original genome).
- Khó khăn trong việc sàng lọc một số lượng lớn khuẩn lạc vi khuẩn.
Sự tiện lợi của phương pháp tạo dòng các đoạn DNA lớn trong cosmid đã được Royal và cs. (1979)
công bố đầu tiên. Ông có thể phân lập từ thư viện cosmid của DNA gà hai đoạn chồng lên nhau
(overlapping) mang gen ovalbumin và hai gen giống ovalbumin. Gần đây hơn, các thư viện gen dùng
cosmid vector mang DNA ruồi giấm, DNA chuột, DNA người cũng đã được xây dựng.
Hình 4.13 cho thấy cosmid có chứa vị trí ori của E. coli (cho phép cosmid được duy trì như một
plasmid trong E. coli). Hai đầu cos gần vị trí cắt hạn chế ScaI và BamHI. DNA nguồn được cắt bởi
BamHI để phân đoạn có kích thước khoảng 40 kb. Gen kháng Tet (Tet r ) định vị gần cos. Phân tử dạng
plasmid được cắt bởi BamHI và ScaI. Ba mẫu DNA này được trộn vào nhau và được gắn bằng T4 DNA
ligase. Sau khi gắn xong, những phân tử này được đóng gói trong phần đầu của phage l , và những phần tử
có thể lây nhiễm sẽ được hình thành sau khi tạo đuôi.
Hình 4.13. Tạo dòng trong cosmid
IV. Bacteriophage M13 vector
1. Đặc điểm của bacteriophage M13
M13 là phage dạng sợi (filamentous bacteriophage) với DNA vòng đóng, dài khoảng 6.500
nucleotide (Hình 4.14). M13 được xem như là một vật truyền tạo dòng (cloning vehicle), các vector M13
và các DNA primer đặc biệt đã được xây dựng cho phép tạo dòng đoạn DNA lớn hơn 350 bp từ một dòng
đơn. Tạo dòng các đoạn DNA dài được tiến hành bằng cách tạo dòng từng đoạn ngắn chồng lên nhau.
2. Tạo dòng trong bacteriophage M13
Vấn đề chính trong tạo dòng M13 là sự không ổn định của các đoạn DNA ngoại lai có kích thước
lớn, các trình tự lớn hơn 1.000 nucleotide thường không ổn định và làm tăng các đoạn khuyết trong quá
trình sinh sản của bacteriophage. Tuy nhiên, các đoạn DNA ngoại lai gồm 300-400 nucleotide thường là
ổn định để tiến hành các ứng dụng như đã nói ở trên.
Ngoại trừ vùng 507 nucleotide được biết như là chuỗi liên gen (intergenic sequence-IS) còn tất cả hệ
gen của M13 đều chứa thông tin di truyền không thay thế cho sự sao chép của virus. Vùng IS nhận các
đoạn DNA ngoại lai nhưng không ảnh hưởng đến khả năng sống sót của tế bào. Trong các dạng phân chia
của M13 có hai chuỗi (trình tự) xâm nhiễm:
- Đầu tiên là chuỗi operon lac của E. coli chứa gen điều hòa (regulator) và mã hóa thông tin cho 146
amino acid đầu tiên của gen ß -galactosidase (Z). Phần amino ở đầu tận cùng của protein ß -galactosidase
có thể bổ trợ (bổ trợ α ) gen b -galactosidase sai hỏng (defective) có mặt trong episome F trong tế bào vật
chủ. Sự bổ trợ này sản xuất ß -galactosidase hoạt động làm tăng màu xanh khi phage và các tế bào sinh
trưởng trong môi trường có nhân tố cảm ứng isopropyl-thiogalactoside (IPTG) và cơ chất nhiễm sắc thể
X-gal.
- Loại chuỗi thứ hai là đoạn DNA nhỏ, polylinker có chứa một số vị trí cắt hạn chế đã được gắn
trong đầu tận cùng amino của gen ß -galactosidase. Sự xâm nhiễm này không ảnh hưởng đến khả năng bổ
trợ của chuỗi peptide ß -galactosidase cho đột biến ß -galactosidase. Các phage mang các đoạn chèn đã
làm tăng các vết không màu khi sinh trưởng trên môi trường có mặt IPTG và X-gal.
Hình 4.14. Dạng tự nhiên của bacteriophage M13. Các gen từ 1-10 có các chức năng khác nhau
liên quan đến cấu trúc vỏ protein và phát sinh hình thái của phage.
Vector tạo dòng M13 đúng tiêu chuẩn (phagemid) được trình bày ở hình 4.15, các vector tạo dòng
M13 khác loại vector kể trên là ở các vị trí cắt hạn chế trong polylinker.
Đặc biệt, các đoạn DNA nhỏ có vai trò như một primer cũng được tạo dòng trên plasmid hoặc được
tổng hợp hóa học. Các primer như vậy tương đồng với vector M13 trong đoạn gen b -galactosidase ở cạnh
đoạn polylinker.
Hình 4.15. Vector M13mp18 (phagemid). Đây là một trong các vector được sử dụng phổ biến của
nhóm vector M13mp.
V. BAC vector
1. Đặc điểm của BAC
Hệ thống nhiễm sắc thể nhân tạo của vi khuẩn (bacterial artificial chromosome-BAC) dựa trên cơ sở
plasmid F-factor, nó có thể tái bản trong E. coli với các đoạn chèn có kích thước lên đến 300 kb. Thể tái
tổ hợp BAC được biến nạp vào trong tế bào vi khuẩn bằng xung điện (electroporation)8. Các BAC thuận
lợi cho việc xây dựng thư viện, lập bản đồ và phân tích genome. Chúng có hiệu suất tạo dòng cao, các
đoạn chèn DNA được thao tác dễ dàng và duy trì ổn định.
Một plasmid F cơ bản bao gồm bốn vùng cần thiết có chức năng ổn định plasmid và quyết định số
lượng bản sao. Đó là parA, parB, oriS và repF. Cả hai parA và parB đều cần cho việc phân đoạn và ổn
định plasmid. Ngoài ra, parB còn cần cho việc kết hợp với các F-factor khác, oriS là gốc tái bản DNA,
repF mang tín hiệu của protein E cần cho quá trình tự tái bản từ oriS và quá trình kiểm soát số lượng bản
sao. Trên plasmid F người ta còn bổ sung thêm gen kháng chloramphenicol (CMr hoặc Chlr) và gen lacZ
để làm marker chọn lọc các thể biến nạp. Chủng E. coli được sử dụng phổ biến cho kỹ thuật tạo dòng
BAC là DH10B, đặc điểm chính của nó là mang những đột biến ngăn cản:
- Sự phân cắt DNA lạ bởi hệ enzyme nội sinh (hsd/RMS).
- Sự phân cắt DNA có gốc methyl (5’-methyl cytosine, 5’-hydromethylcytosine, gốc methyladenine)
(mcrA, mcrB, mcrC và mrr).
- Sự tái tổ hợp (recA1).
Nhìn chung, các BAC vector có các đặc điểm tương tự với các plasmid vector tiêu chuẩn của E.
coli, như :
- Chứa vùng ori cần thiết cho tái bản của plasmid.
- Có nguồn gốc từ một plasmid lớn trong tự nhiên: F-factor.
- Có số lượng bản sao thấp (1-2 bản sao/tế bào).
- Hiệu suất biến nạp thấp đã được khắc phục bằng phương pháp xung điện để đưa DNA tái tổ hợp
vào tế bào E. coli.
Một số ưu điểm của hệ thống BAC so với YAC:
- Ổn định.
- Dễ biến nạp.
- Tốc độ sinh trưởng của vật chủ E. coli nhanh.
- Dễ tinh sạch.
Vì thế, hầu hết genome người đều được phân tích trình tự bằng cách dùng các dòng BAC hơn là các
dòng YAC.
2. Tạo dòng trong BAC
Quá trình tạo dòng trong BAC vector được trình bày trong hình 4.16, bao gồm các bước sau:
Hình 4.16. Tạo dòng trong BAC vector
- BAC vector được cắt bằng enzyme hạn chế HindIII (có vị trí nhận biết nằm trên gen lacZ), sau đó
hai đầu HindIII của vector được dephosphoryl hóa bằng phosphatase để ngăn cản sự tái tạo lại vòng.
- DNA có khối lượng phân tử cao được bọc trong agarose và sau đó phân đoạn cũng bằng HindIII
như trường hợp vector.
- Gắn vector và các đoạn DNA có kích thước >150 kb bằng enzyme T4 DNA ligase, sau đó biến
nạp vào E. coli bằng xung điện.
- Chọn lọc thể tái tổ hợp trên môi trường nuôi cấy có bổ sung CM và IPTG. Các khuẩn lạc có màu
trắng là khuẩn lạc mang thể tái tổ hợp, còn các khuẩn lạc có màu xanh là khuẩn lạc không mang thể tái tổ
hợp.
VI. YAC vector
1. Đặc điểm của YAC
Nhiễm sắc thể nhân tạo của nấm men (yeast artificial chromosome-YAC) là các vector tạo dòng
mạch thẳng dựa trên cấu trúc nhiễm sắc thể tự nhiên của nấm men. Chúng có thể được cắt thành hai đoạn
hoặc hai nhánh nhiễm sắc thể để nhận các đoạn rất lớn có kích thước lên đến 2.000 kb. Cấu trúc của YAC
sau đó có thể đưa vào các tế bào nấm men có thành tế bào đã bị loại bỏ (spheroplast), ở đó chúng được
duy trì ổn định như các nhiễm sắc thể tự trị (autonomous). Thư viện YAC được lắp ráp và sử dụng cho
việc lập bản đồ các vùng có kích thước lớn của DNA người. Do kích thước lớn của chúng cho nên kỹ
thuật phân tích thích hợp hơn cả là điện di gel trường gián đoạn (pulsed field gel electrophoresis-PFGE).
Nhược điểm của YAC là hiệu suất tạo dòng của một vài hệ thống tương đối thấp, sự xuất hiện các dòng
khảm (các tế bào biến nạp chứa hai mẫu DNA không liền kề nhau), sự không ổn định của đoạn chèn và
thao tác chúng tương đối khó khăn so với các hệ thống vi khuẩn.
Trước năm 1987, các hệ thống tạo dòng thích hợp chủ yếu dựa trên E. coli và chỉ có thể nhận các
đoạn DNA tương đối nhỏ. Các vector vi khuẩn có khả năng lớn nhất cũng chỉ có thể nhận các đoạn DNA
trong phạm vi kích thước từ 35-45 kb. Tuy nhiên, các YAC vector có thể tạo dòng các đoạn DNA có kích
thước từ 100-2.000 kb. Sau này, người ta cũng đã phát triển các vector vi khuẩn mới có khả năng tạo
dòng các đoạn DNA lớn hơn, nhưng cho đến nay vẫn chưa thể đạt được khả năng như các YAC. Khả
năng rất lớn này của YAC đã được khai thác để xây dựng các bản đồ vật lý thế hệ thứ nhất và thứ hai của
genome người.
Bảng 4.1. So sánh một số đặc điểm của các vector tạo dòng
2. Tạo dòng trong YAC
Vector YAC được sử dụng rộng rãi nhất để xây dựng các thư viện YAC là pYAC4 (Hình 4.17). Cắt
plasmid mạch vòng dài 11 kb bằng enzyme hạn chế BamHI tạo thành một phân tử mạch thẳng có các trình
tự telomere (TEL) ở cả hai đầu. Đoạn nằm giữa hai vị trí chứa gen his3 là đoạn “stuffer” dài 1,8 kb đã
được loại bỏ.
Vị trí tạo dòng để chèn đoạn DNA ngoại lai là EcoRI. Đây là vị trí cắt phân tử mạch thẳng thành hai
nhánh của YAC, nhánh phải là một đoạn dài 3,4 kb và nhánh trái dài 6 kb chứa các nhân tố CEN4 và
ARS1. Vị trí EcoRI nằm trong gen sup4. Sản phẩm của gen này là một tRNA đột biến ức chế sự đột biến
ochre (nonsense) trong gen ade2. Khi một đoạn DNA được tạo dòng trong gen sup4 thì sự ức chế bị đào
thải và quá trình chuyển hóa adenine bị gián đoạn, dẫn đến tích lũy tiền chất trao đổi có màu đỏ
(phosphoribosyl-aminoimidazole) cho ra các dòng tái tổ hợp màu đỏ để phân biệt.
Hình 4.17. Vector pYAC4. Vị trí tạo dòng EcoRI ở trong gen sup4. trp1 và ura3 là các marker
chọn lọc ở nhánh trái và phải của YAC tương ứng. TEL là hai trình tự telomere và CEN4 cung cấp chức
