Bài giảng Sinh học đại cương A1 - Chương 11: Kỹ thuật di truyền

111 Kỹ thuật di truyền
Bùi Tấn Anh – Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Kỹ thuật di truyền
• Kỹ thuật tái tổ hợp ADN
– Cắt và nối ADN
– Chèn ADN tái tổ hợp vào tế bào
– Phân lập và tạo dòng gen
• Phản ứng PCR 
• Ứng dụng của kỹ thuật di truyền
Kỹ thuật tái tổ hợp ADN
• Là kỹ thuật thao tác và tổ hợp ADN từ hai nguồn 
khác nhau (thường là của hai loài khác nhau)
• Kỹ thuật tái tổ hợp ADN còn được gọi là kỹ thuật 
tạo dòng gen, gồm các bước:
Ứng dụng trong
Nông nghiệp
Ứng dụng trong xử lý 
ô nhiễm môi trường
TB chủ phát triển trong MT
nuôi cấy tạo thành một dòng
TB có chứa gen mong muốn
Gen được
tạo dòng
Protein của gen tạo dòng
được biểu hiện
Các nghiên cứu cơ bản 
và các ứng dụng khác
Các bản sao của gen Thu hoạch Protein
Nghiên cứu
cơ bản 
trên gen
Nghiên cứu
cơ bản trên 
protein
4
Vi khuẩn
tái tổ hợp
Ứng dụng trong Y học
3
2Các enzyme giới hạn
• Vi khuẩn tự bảo vệ chống lại sự xâm nhiễm của 
các virus bằng cách tạo ra các enzyme giới hạn 
(RE = restriction enzymes)
– RE cắt liên kết phosphodiester làm cho phân tử 
ADN của virus bị đứt thành nhiều đoạn nhỏ
– ADN của ký chủ không bị cắt bởi RE nhờ các vị trí 
cắt đã được methyl hóa (enzyme methylase gắn 
nhóm –CH3 vào base A hoặc C tại vị trí cắt)
• Thí dụ: EcoRI cắt liên kết giữa G và A tại trình tự:
• Sau khi methyl hóa, RE không nhận biết trình tự cắt
CH3
CH3
Tên gọi của enzyme giới hạn
• Tên của RE được gọi dựa theo tên của loài vi khuẩn 
mà enzyme được ly trích.
– Chữ thứ nhất viết hoa: là chữ đầu tiên trong tên của 
chi.
– Chữ thứ hai và ba không viết hoa là hai chữ cái đầu 
trong tên của loài
– Chữ thứ tư (nếu có) được viết hoa = tên chủng
• Trong trường hợp ở cùng một loài vi khuẩn người 
ta tìm được nhiều RE thì sẽ gán thêm số La mã để 
chỉ thứ tự của RE được phát hiện
• Thí dụ:
– enzyme EcoRI là RE đầu tiên được phát hiện ở 
Escherichia coli, chủng RY 13
– enzyme TaqI là RE thứ nhất được tìm thấy ở vi 
khuẩn Thermus aquaticus
3Cơ chế hoạt động của enzyme giới hạn
• Có nhiều loại enzyme giới hạn, mỗi loại nhận biết 
và cắt tại một vị trí xác định của trình tự nhận 
biết (recognition sequence)
– Mỗi trình tự có từ 4 đến 6 cặp base
– Trình tự có tính đối xứng nghịch đảo 
(palindrom): hai mạch của trình tự hoàn toàn giống 
nhau khi đọc theo cùng một chiều 5- 3
Bảng 1. Trinh tự nhận biết và vị trí cắt 
của một số enzyme giới hạn
Enzyme Trình tự nhận biết
• Một số enzyme giới hạn cắt hai mạch ADN tại cùng 
một vị trí tạo ra đầu tà (Blunt end)
• Thí dụ: Pvu II
• Một số khác có vị trí cắt lệch nhau tạo ra các đầu so 
le gọi là đầu dính (sticky end)
• Thí dụ: enzyme Hind III
• Khi dùng EcoRI để cắt một phân tử ADN dài sẽ tạo 
thành nhiều đoạn có chiều dài trung bình là 4.098 
cặp base. Tại sao??
Phương pháp điện di
• Sau khi ADN bị cắt, các đoạn có kích cỡ khác nhau 
có thể được tách ra bằng cách dùng phương pháp 
điện di (electrophoresis). 
– ADN tích điện âm – do nhóm phosphate bị ion hóa
– Trong một dung dịch điện ly có pH gần trung tính, 
các đoạn ADN sẽ dịch chuyển về phía cực dương 
của điện trường.
4• Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào:
– Kích thước của đoạn ADN: đoạn có kích thước nhỏ 
di chuyển nhanh hơn đoạn lớn
– Điện thế
– Thành phần của dung dịch đệm
– Nồng độ của gel
– Nhiệt độ
• Hai loại Gel thường được dùng là Agarose hoặc 
Polyacrylamide
– Gel Polyacrynomide thường dùng để tách các đoạn 
có kích thước từ 6 – 1000 bp (cặp base)
– Gel Agarose thường dùng để tách các đoạn có kích 
thước từ 70 – 10.000 bp
• Sau khi tách, các đoạn ADN sẽ hiện hình khi soi 
bằng đèn tử ngoại nếu chúng được nhuộm bằng 
Ethidium bromide (một loại phẩm phát huỳnh 
quang dưới ánh sáng của đèn tử ngoại) 
Các đoạn 
ADN có 
kích thước
khác nhau
Bộ 
nguồn
Đoạn
dài hơn
Đoạn
ngắn hơn
Gel
1
2
Bộ
nguồn
– +
+–
5Phương pháp điện di cung cấp hai thông tin:
1. Kích cỡ của đoạn ADN: 
– Có thể xác định kích cỡ của đoạn ADN bằng cách 
so sánh với một đoạn ADN có kích cỡ biết trước 
(marker) đã được cho vào gel khi chạy điện di.
Phân tích tính đa hình của quần thể Ochichela cincta bằng phương pháp RAPD
M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 M
2. Trình tự của ADN:
– Có thể xác định trình tự của đoạn ADN bằng cách 
dùng mẫu dò (probe) 
– Mẫu dò là một đoạn ADN mạch đơn có trình tự 
các nucleotide biết trước đã được đánh dấu bằng 
đồng vị phóng xạ
Trình tự đích
Màng
lọc
Vector chuyển gen
• Vectors phải có 4 đặc điểm:
– Kích thước tương đối nhỏ so với NST của TB chủ
– Có thể nhân đôi độc lập trong TB chủ
– Mỗi enzyme giới hạn chỉ có một trình tự nhận biết 
duy nhất.
– Phải có dấu chuẩn di truyền (genetic marker) cho 
phép phát hiện chúng trong TB chủ
Plasmid
• Plasmids là các vector lý tưởng cho việc chuyển 
ADN tái tổ hợp vào trong vi khuẩn
– Plasmids thường có các gen kháng chất kháng sinh , 
đóng vai trò là một dấu chuẩn di truyền
• Plasmids có thể dùng để chuyển các gen có kích 
thước ≤ 10.000 bp
6Thực khuẩn thể
• Thực khuẩn thể có thể dùng làm vector để chuyển 
các gen có trình tự lớn hơn (≤ 20.000 bp)
– Các gen của thực khuẩn thể gây sinh tan TB chủ có 
thể được cắt bỏ và thay bằng một đoạn ADN khác
NST nhân tạo của nấm men (YAC)
• NST nhân tạo của nấm men (Yeast artificial 
chromosome)
– có điểm khởi đầu sao chép (origin of replication) 
của nấm men, trình tự tâm động, và đầu tận cùng 
(telomeres) giống như cấu trúc một NST của TB 
chân hạch
– Có thể chuyển các đoạn ADN kích thước lên đến 
1,5 triệu pb
• Sau khi biến nạp, thường chỉ có một phần nhỏ tế 
bào chủ có các vector tái tổ hợp.
• Lúc này trong môi trường nuôi cấy có 3 loại TB 
chủ:
– TB không biến nạp được plasmid
– TB có biến nạp, nhưng không có plasmid tái tổ hợp
– TB có biến nạp plasmid tái tổ hợp
• Như vậy bằng cách nào có thể nhận dạng được TB 
có chứa plasmid tái tổ hợp?
• Một cách thường được thực hiện là dùng E. coli làm 
TB chủ và vector là một plasmid có gen kháng chất 
kháng sinh
– Plasmid có gen kháng ampicillin và tetracycline.
– Plasmid chỉ có một vị trí cắt cho enzyme BamHI, 
nằm bên trong gen kháng tetracycline
– Nếu ADN được chèn vào vị trí cắt nó sẽ làm bất hoạt 
gen kháng tetracycline
– Plasmid vẫn còn gen kháng ampicillin, do đó 
ampicillin có thể được dùng để chọn lọc các TB chủ 
có vector tái tổ hợp
7Phản ứng PCR
• The Polymerase Chain Reaction (PCR) à một 
phương tiện cực kỳ nhạy để khuếch đại một lượng 
tương đối lớn ADN
• Lần đầu tiên được Kary Mullis mô tả năm 1985 
(đến năm 1993 nhận giải thưởng Nobel)
• Kỹ thuật này có thể được tiến hành nhờ sự phát hiện 
ra enzyme Taq polymerase, một loại ADN 
polymerase có trong vi khuẩn Thermus aquaticus ở 
vùng suối nước nóng
Phản ứng PCR
• Các nguyên liệu và phương tiện cần thiết:
– Các nucleotides tự do: dNTP
– ADN khuôn
– Một cặp mồi (Primer): mồi ngược và mồi xuôi
– Taq polymerase
– Dung dịch đệm (buffer)
– Máy luân nhiệt (Thermocycler)
Thermocycler
Polymerase Chain Reaction
• PCR được thực hiện từ 20 – 40 chu kỳ, mỗi chu kỳ 
gồm 3 bước:
– Biến tính (Denaturation)
– Gắn mồi (Annealing)
– Tổng hợp (Extension)
5
ADN
Chu kỳ 1
Biến tính
Gắn mồi
Tổng hợp
Chu kỳ 2
Chu kỳ 3
Trình tự
đích
Primers
3
3
3
3
5
5
51
2
3
85
ADN
Trình tự
đích
3
3 5
Chu kỳ 1
Biến tính
Gắn mồi
Tổng hợp
Primers
3 5
3
2
5 31
Chu kỳ 2
Chu kỳ 3
Ứng dụng của Kỹ thuật Di truyền
• Công nghệ sinh học (Biotechnology) sử dụng các 
tế bào sống để tạo ra các nguyên liệu hữu dụng cho 
con người
– Nấm nen được dùng sản xuất bia, rượu vang; vi 
khuẩn được dùng sản xuất cheese, yogurt, v.v...
– Các vi khuẩn được dùng sản xuất các chất kháng 
sinh, rượu và một số sản phẩm khác
9• Ngày nay, sự tạo dòng gen được dùng để sản xuất 
một lượng lớn protein
– Phần lớn các gen có thể được chèn vào vi khuẩn 
hoặc nấm men. Các tế bào này có thể được dùng tạo 
ra một lượng lớn sản phẩm
• Nhiều loại dược phẩm đã được tạo ra nhờ kỹ thuật 
tái tổ hợp ADN
• Thí dụ: 
– TPA (tissue plasminogen activator) đang được sản 
xuất từ vi khuẩn E. coli nhờ kỹ thuật tái tổ hợp ADN
– TPA là một enzyme xúc tác sự biến đổi 
plasminogen trong máu thành plasmin. Plasmin là 
một protein có khả năng hòa tan cục máu (clot)
mARN
cADN
Pharming
Lúa chuyển gen (A) giàu β-Carotene Cà chua kháng mặn (A)
10
Đậu nành được chuyển gen Bt từ vi khuẩn