Công nghệ sinh học_ Chương 4
Tài liệu tham khảo môn Công nghệ sinh học _ Chương " Công nghệ chuyển gen ở động vật"
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
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.
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
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
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.
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
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.
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.
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 (F 1, 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.
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.
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).
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...
123
Hình 4.5: Sơ đồ qui trình sản xuất protein thông qua tuyến sữa
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
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
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
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
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.
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
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
