Một số vấn đề về di truyền học (Phân tích & sản phẩm gen)

Nội dung text: Một số vấn đề về di truyền học (Phân tích & sản phẩm gen)

1. Một số vấn đề về di truyền học (phân tích & sp gen)
2. Một số vấn đề về di truyền học (phân tích & sp gen) V. Phân tích gen và sản phẩm của gen V.1. Các kỹ thuật phân tích axit nucleic V.1.1. Điện di phân tích ADN và ARN Có nhiều phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để phân tích ADN và ARN, nhưng cho đến nay điện di trên gel là phương pháp được sử dụng phổ biến hơn cả nhờ ưu điểm nhanh
3. và tương đối đơn giản. Nguyên tắc của phương pháp là do: dưới tác động của điện trường, các phân tử ADN (thường tích điện âm) khác nhau về kích thước, điện tích, mức độ cuộn xoắn và dạng phân tử (mạch thẳng hay mạch vòng) sẽ di chuyển qua hệ mạng của gel từ cực âm (cathode) sang cực dương (anode) với tốc độ di chuyển khác nhau. Vì vậy, chúng dần dần tách nhau ra trên trường điện di, qua đó người ta có thể thu thập và phân tích được từng phân đoạn ADN hoặc gen riêng rẽ. Trên điện trường các phân đoạn ADN có kích thước càng nhỏ càng có tốc độ di chuyển trên điện trường nhanh hơn. Sau khi điện di kết thúc, các phân tử ADN có thể quan sát thấy nhờ sử dụng các thuốc nhuộm phát huỳnh quang,
4. chẳng hạn như ethidium (chất này gắn kết với ADN bằng cách cài vào khe ở giữa các nucleotit). Mỗi một băng điện di thường phản ánh một tập hợp các phân tử ADN có cùng kích thước. Có hai loại vật liệu làm gel được sử dụng phổ biến trong điện di, đó là agarose và polyacrylamid. Trong đó, gel polyacrylamid có khả năng phân tách cao, nhưng khoảng kích thước ADN có thể phân tích hẹp. Vì vậy, điện di trên gel polyacrylamid có thể phân tách được các phân đoạn ADN khác nhau thậm trí chỉ một cặp nucleotit (1 bp) duy nhất, nhưng thường chỉ để phân tích các đoạn ADN kích thước vài trăm bp. Còn gel agarose có khả năng phân tách thấp
5. hơn đối với các phân đoạn ADN kích thước nhỏ, nhưng rất hiệu quả khi phân tách các phân đoạn ADN kích thước lớn tới hàng chục hoặc hàng trăm kb (1 kb = 1000 bp). Các phân đoạn ADN kích thước lớn không thể “lọt” qua các lỗ có kích thước nhỏ trên các bản gel, kể cả gel agarose. Thay vào đó, chúng sẽ “trườn” qua mạng lưới của gel bằng việc đầu này của phân tử đi trước, còn đầu kia theo sau. Kết quả là các phân đoạn ADN kích thước lớn (từ 30 đến 50 kb) có tốc độ di chuyển trên điện trường gần như tương đương và khó phân tách được bằng phương pháp điện di thông thường. Đối với các phân đoạn ADN kích thước lớn như vậy, người ta có thể phân tách
6. bằng việc sử dụng phương pháp điện di xung trường (pulsed-field gel electrophoresis). Trong phương pháp này, người ta sử dụng 2 cặp điện cực nằm chéo góc trên bản điện di . Việc “bật” và “tắt” luân phiên 2 cặp điện cực sẽ làm cho các phân đoạn ADN lớn thay đổi chiều. Các phân đoạn ADN có kích thước càng lớn càng chậm hơn trong quá trình thay đổi chiều di chuyển. Nhờ vậy, các phân đoạn có kích thước khác nhau sẽ phân tách ra khỏi nhau trong quá trình di chuyển. Kỹ thuật điện di xung trường trong thực tế có thể sử dụng để xác định được kích thước đầy đủ của nhiễm sắc thể vi khuẩn, hoặc nhiễm sắc thể các loài sinh vật nhân chuẩn bậc thấp, như nấm men. Những loài này có kích thước hệ gen khoảng vài
7. Mb. Điện di không những có thể phân tách các phân đoạn ADN khác nhau về kích thước mà cả về hình dạng và cấu hình không gian của chúng. Các phân tử ADN ở dạng mạch vòng giãn xoắn hoặc bị “đứt gãy” ở một số nucleotit di chuyển chậm hơn trên trường điện di so với các phân tử ADN ở dạng mạch thẳng có cùng khối lượng. Tương tự như vậy, các phân tử ADN ở dạng siêu xoắn, kích thước và thể tích thu nhỏ thường di chuyển nhanh hơn trên trường điện di so với các phân tử ADN dạng mạch vòng giãn xoắn hoặc có mức độ cuộn xoắn thấp hơn có cùng khối lượng. Kỹ thuật điện di cũng được sử dụng
8. để phân tách các phân tử ARN. Các phân đoạn ADN sợi kép mạch thẳng có cấu trúc bậc hai đồng nhất nên tốc độ di chuyển trên trường điện di tương quan tỉ lệ thuận với khối lượng phân tử của chúng. Cũng giống như ADN, các phân tử ARN cũng thường tích điện âm, nhưng ngoài cấu trúc cơ bản ở dạng mạch đơn, các cấu trúc bậc 2 và 3 của phân tử ARN có ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của chúng trên trường điện di. Để hạn chế điều này, thông thường người ta phải xử lý ARN với một số hóa chất ngăn cản sự hình thành các liên kết cục bộ trong phân tử ARN, chẳng hạn như glyoxal. Hợp chất này liên kết với nhóm -NH2 trong các bazơ nitơ và ngăn cản sự kết cặp của các nucleotit. Các phân tử ARN được xử lý glyoxal
9. không hình thành được các cấu trúc bậc 2 và 3 vì vậy có tốc độ di chuyển trên trường điện di dường như đơn thuần phụ thuộc vào khối lượng phân tử của chúng. V.1.2. Sử dụng enzym giới hạn trong phân tích ADN Hầu hết các phân tử ADN trong tự nhiên đều lớn hơn nhiều so với kích thước có thể thao tác và phân tích một cách thuận lợi trong phòng thí nghiệm. Trong các tế bào, phần lớn các nhiễm sắc thể thường là một phân tử ADN dài chứa hàng trăm thậm trí hàng nghìn gen khác nhau. Vì vậy, để có thể phân lập và phân tích từng gen, người ta phải cắt các phân tử ADN kích thước lớn thành các phân đoạn
10. nhỏ. Công việc này được thực hiện bởi một nhóm các enzym đặc biệt gọi là enzym giới hạn. Tất cả các enzym giới hạn đều có hai đặc tính: 1) nhận biết một trình tự đặc hiệu trên phân tử ADN (gọi là trình tự giới hạn); và 2) cắt bên trong phân tử ADN tại vị trí đặc hiệu (hoặc ngay tại vị trí giới hạn như đối với nhóm enzym giới hạn loại ; hoặc cách vị trí giới hạn một số nucleotit nhất định như đối với các nhóm enzym giới hạn thuộc các nhóm và ). Trong các nhóm enzym giới hạn, nhóm thường được dùng trong các nghiên cứu di truyền phân tử và kỹ nghệ gen là nhóm nhờ vị trí và trình tự cắt của chúng được xác định rõ. Vì vậy chúng ta chỉ đề cập đến việc ứng dụng của nhóm
11. enzym giới hạn này. Các trình tự giới hạn của enzym nhóm thường gồm 4 - 8 bp, thông thường có tính đối xứng và vị trí cắt thường nằm trong trình tự giới hạn này. Ví dụ như enzym giới hạn coR được tìm thấy ở vi khuẩn E. coli có trình tự giới hạn là 5’- GAATTC- 3’ với vị trí cắt ở giữa G và A. Tên enzym gồm 3 ký tự đầu chỉ tên loài vi khuẩn mà từ đó enzym được tìm thấy (Eco = Escherichia coli), các ký tự sau chỉ tên của chủng vi khuẩn và số thứ tự của enzym được tìm thấy ở loài vi khuẩn đó (EcoRI là enzym giới hạn đầu tiên được tìm thấy ở E. coli). Một enzym giới hạn có trình tự giới hạn gồm 6 bp giống EcoRI thông thường được trông đợi sẽ có trung
12. bình một vị trí cắt trong một đoạn trình tự có kích thước khoảng 4 kb (bởi theo nguyên tắc xác suất tại một vị trí nhất định xác suất để có một loại nucleotit nhất định là 1/4, vì vậy xác suất để có một trình tự nhất định gồm 6 bp sẽ là 1/46 = 1/4096). Giả sử có một phân tử ADN mạch thẳng có 6 vị trí cắt của enzym EcoRI. Việc cắt phân tử ADN này bằng EcoRI sẽ cho ra 7 phân đoạn ADN khác nhau. Do đó, khi điện di trên gel sản phẩm cắt, 7 phân đoạn ADN sẽ phân tách nhau ra do chúng khác nhau về khối lượng (vì chúng khác nhau về thành phần và trình tự các nucleotit). Như vậy, một phân đoạn ADN sẽ tương ứng với một vùng của phân tử ADN ban đầu. Việc sử dụng một enzym giới hạn
13. khác, chẳng hạn HindIII cũng có trình tự giới hạn gồm 6 bp, nhưng có trình tự giới hạn thay đổi (5’-AAGCTT- 3’) sẽ cho ra các sản phẩm cắt khác với khi sử dụng EcoRI (với cùng phân tử ADN ban đầu). Như vậy, việc sử dụng đồng thời nhiều enzym giới hạn sẽ tạo ra một kiểu hình phổ điện di các phân đoạn cắt giới hạn đặc thù đối với từng gen phân tích. Đối với một số enzym giới hạn khác, chẳng hạn như Sau3A1 (tìm thấy ở vi khuẩn Staphylococcus aureus) có trình tự giới hạn ngắn hơn (5’-GATC- 3’), nên tần số cắt của chúng thường cao hơn các enzym có trình tự giới hạn dài. Theo xác suất, Sau3A1 có trung bình 1 vị trí cắt trong một đoạn trình tự khoảng 250 bp (1/44 =
14. 1/256). Ngược lại, enzym NotI có trình tự giới hạn dài (5’- GCGGCCGC-3’) trung bình cứ một đoạn trình tự dài khoảng 65 kb, mới có 1 vị trí cắt (1/48 = 1/65536). Các enzym giới hạn không chỉ khác nhau về trình tự giới hạn và độ dài đoạn trình tự giới hạn đặc trưng của chúng, mà chúng còn khác nhau về cách “cắt” phân tử ADN. Chẳng hạn như enzym HpaI tạo ra các phân tử ADN dạng đầu bằng (đầu tù), còn các enzym ERcoRI, HindIII và PsIt cắt phân tử ADN tạo ra các phân đoạn có đầu dính. Sở dĩ gọi là “đầu dính” bởi phần các trình tự ở hai đầu sau khi được enzym cắt ra bổ trợ với nhau theo nguyên tắc Chargaff và vì vậy chúng có xu hướng “dính” trở lại với
15. nhau, hoặc với các phân tử ADN được cắt bởi cùng một loại enzym giới hạn. Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ ADN tái tổ hợp và các kỹ thuật tách dòng phân tử. V.1.3. Các phương pháp lai phân tử và mẫu dò Các phân tử ADN sợi kép có một tính chất đặc biệt là khả năng biến tính (phân tách thành hai mạch đơn) và hồi tính (hai mạch đơn có trình tự bổ trợ có xu hướng liên kết trở lại khi vắng mặt các tác nhân gây biến tính). Khả năng liên kết bổ trợ giữa các bazơ nitơ cũng cho phép hai mạch ADN có nguồn gốc khác nhau nhưng có trình tự bổ trợ liên kết với nhau
16. trong điều kiện phù hợp (về nhiệt độ, độ pH, ion hóa P) để tạo nên một phân tử ADN mới. Hiện tượng liên kết như vậy cũng có thể xảy ra giữa hai mạch ADN với nhau, hoặc giữa hai mạch ARN hoặc giữa ADN và ARN. Phân tử axit nucleic sợi kép mới hình thành được gọi là phân tử lai và quá trình kết cặp giữa các bazơ thuộc hai mạch đơn axit nucleic có nguồn gốc khác nhau theo nguyên tắc bổ trợ như vậy được gọi là quá trình lai phân tử. Nhiều kỹ thuật trong nghiên cứu di truyền phân tử được dựa trên nguyên tắc lai phân tử. Chẳng hạn, bằng nguyên tắc này người ta có thể dùng một trình tự ADN biết trước để xác định một trình tự bổ trợ tương ứng có trong hệ gen của mẫu phân tích. Phân
17. đoạn ADN có trình tự biết trước dùng trong phản ứng lai như vậy được gọi là mẫu dò. Các mẫu dò có thể có nguồn gốc từ các phân đoạn ADN trong tự nhiên hoặc được tổng hợp theo nguyên tắc hóa học, và để nhận biết được chúng, các mẫu dò thường được đánh dấu với các chất phóng xạ hoặc phát huỳnh quang (ở đây, gọi tắt là chất phát quang). Có hai phương pháp đánh dấu mẫu dò ADN. Phương pháp thứ nhất dùng nguyên tắc tổng hợp hóa học phân tử ADN mới với tiền chất là các phân tử đánh dấu. Phương pháp thứ hai là gắn một phân tử đánh dấu vào đuôi của một trình tự ADN có sẵn. Chẳng hạn, bằng việc sử dụng enzym polynucleotide kinase, người ta có thể
18. bổ sung nhóm phosphat g của ATP vào nhóm 5’- OH của một phân tử ADN định đánh dấu. Nếu nhóm phosphat này được đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ 32P thì phân tử ADN sẽ được dánh dấu phóng xạ. Phương pháp đánh dấu ADN thứ hai (sử dụng các tiền chất đánh dấu) thường được thực hiện dựa trên phản ứng PCR, hoặc đôi khi chỉ cần sử dụng các đoạn mồi ngắn rồi cho enzym ADN polymerase thực hiện phản ứng kéo dài chuỗi. Các tiền chất đánh dấu được sử dụng thường là 1 trong 4 loại nucleotit được cải biến thành dạng được đánh dấu bằng cách gắn với các nhóm chất phát quang hoặc nguyên tử phóng xạ. Với phương pháp này, khoảng 25% nucleotit trong
19. phân tử ADN được đánh dấu và điều đó đủ đáp ứng hầu hết các nhu cầu nghiên cứu khác nhau. Các phân tử ADN đánh dấu với các tiền chất phát quang được phát hiện bằng cách chiếu xạ mẫu ADN với ánh sáng UV có bước sóng phù hợp và đo ở bước sóng phát xạ tương ứng. Các phân tử ADN được đánh dấu phóng xạ thường được phát hiện bằng cách chụp mẫu ADN với phim tia X, hoặc đo bằng máy khuếch đại tín hiệu hạt b từ các nguyên tố phóng xạ 32P và 35S (đây là hai nguyên tố phóng xạ được sử dụng phổ biến để dánh dấu ADN). Trong các nghiên cứu di truyền học phân tử hiện nay, có nhiều cách để xác định các phân đoạn ADN và ARN
20. đặc hiệu dựa trên các phương pháp lai. ở đây, chúng ta chỉ đề cập đến hai phương pháp được dùng phổ biến: Xác định các phân đoạn ADN và ARN bằng điện di và mẫu dò Phương pháp sử dụng mẫu dò kết hợp với điện di là một phương pháp cơ bản có thể giúp xác định mức độ phổ biến hoặc kích thước của một đoạn trình tự ADN hoăc ARN được quan tâm nghiên cứu. Chẳng hạn như bằng kỹ thuật này, người ta có thể xác định và so sánh được mức biểu hiện của một gen ở các loại tế bào và mô khác nhau thông qua định lượng bản phiên mã mARN tương ứng của gen đó tại các tế bào và mô tương ứng; hay như để xác định kích thước của một đoạn
21. ADN cắt giới hạn mang trình tự gen được quan tâm nghiên cứu. Giả sử chúng ta cắt hệ gen của nấm men bằng enzym giới hạn EcoR và cần xác định được kích thước của phân đoạn ADN cắt giới hạn mang trình gen A. Sản phẩm ADN tổng số sau khi được cắt bằng EcoR sẽ tạo ra một số lượng lớn các phân đoạn có kích thước xấp xỉ 4 kb (vì 46 = 4096 bp). Vì vậy, nếu đem sản phẩm cắt giới hạn nhuộm với tBr, thì sản phẩm điện di sẽ là một dải các phân đoạn liên tục có kích thước xấp xỉ 4 kb, và không thể xác định được chính xác phân đoạn nào mang gen A. Trong trường hợp đó, kỹ thuật thẩm tách Southern (còn gọi là lai Southern) có thể được dùng để xác
22. định phân đoạn mang gen đó. Lúc này, người ta sẽ đem sản phẩm cắt giới hạn ngâm vào một dung dịch có tính kiềm để làm biến tính các phân đoạn ADN sợi kép. Các phân đoạn này sau đó được chuyển sang một màng tích điện dương gọi là màng "thẩm tách" theo hình thức "đóng dấu". Nghĩa là các phân đoạn ADN định vị trên màng thẩm tách sẽ tương ứng với các phân đoạn định vị trên gel điện di. Các phân đoạn ADN gắn trên màng thẩm tách sau đó được ủ với mẫu dò là phân đoạn ADN chứa một đoạn trình tự đặc trưng bổ trợ với trình tự của gen A. Quá trình ủ được tiến hành trong điều kiện về nhiệt độ và nồng độ muối tương ứng với sự biến tính và hồi tính của axit nucleic. Trong điều kiện như đó, các mẫu dò
23. sẽ chỉ lai đặc hiệu với phân đoạn ADN mang gen A. Do các phân đoạn gen có kích thước thường lớn hơn nhiều so với mẫu dò, nên khả năng hồi tính khó xảy ra hơn khả năng lai với mẫu dò. Sau đó, nhờ phương pháp phóng xạ tự chụp (mẫu dò được đánh dấu phóng xạ), các phân đoạn ADN bắt cặp với các mẫu dò có thể được xác định và phân lập rõ ràng. Các phân đoạn này chính là các phân đoạn mang trình tự gen A cần phân tích. Một phương pháp tương tự như vậy cũng có thể được áp dụng trực tiếp để phân tích các sản phẩm phiên mã của gen là mARN, và được gọi là phương pháp thẩm tách Northern (lai Northern). Tuy vậy, vì so với ADN các
24. phân tử mARN thường có kích thước ngắn hơn (khoảng 5 kb), nên trong thẩm tách Northern, các phân tử mARN không cần cắt bằng enzym giới hạn (nếu có cắt thì số vị trí cắt giới hạn của một enzym trên phân tử mARN thường thấp). Các phân tử mARN sau khi phân tách bằng điện di được chuyển lên màng tích điện dương và lai với các mẫu dò ADN có trình tự bổ trợ tương ứng thường được đánh dấu phóng xạ (trong trường hợp này, sản phẩm lai là do sự kết cặp của các bazơ nitơ thuộc hai mạch ARN và ADN có trình tự bổ trợ). Trong thực tiễn nghiên cứu, phương pháp thẩm tách Northern thường được sử dụng để định lượng một loại
25. phân tử mARN nhất định nào đó có trong một mẫu phân tích, hơn là để xác định kích thước của nó. Lượng mARN được xác định được xem như thông số cơ bản phản ánh mức độ biểu hiện của gen mã hóa tương ứng. Chẳng hạn như, bằng phương pháp thẩm tách Northern, các nhà nghiên cứu có thể đánh giá được ảnh hưởng của một tác nhân phiên mã nào đó đến sự biểu hiện của một gen nhất định khi tiến hành so sánh lượng mARN do gen đó mã hóa có trong các tế bào được xử lý và không được xử lý với tác nhân phiên mã. Tương tự như vậy, kỹ thuật này cho phép xác định và so sánh mức độ biểu hiện của các gen khác nhau ở các loại tế bào, mô và cơ quan khác nhau của cùng một cơ thể trong cùng một giai đoạn hoặc
26. ở các giai đoạn khác nhau của quá trình phát triển cơ thể. Trong kỹ thuật thẩm tách Northern, mẫu dò thường được đưa vào phản ứng lai với một lượng dư vừa đủ để đảm bảo lượng phân tử lai tạo thành tương ứng với lượng mARN có mặt trong các mẫu nghiên cứu. Hay nói cách khác, qua lượng sản phẩm lai, có thể định lượng được lượng mARN. Nguyên lý của các phương pháp lai Northern và Southern cũng chính là cơ sở của các kỹ thuật phân tích gen bằng vi dãy phản ứng (microarray) được phát triển và ngày các được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu di truyền học phân tử gần đây. Trong các phương pháp microarray, các
27. mẫu dò thường là các đoạn cADN được tạo ra từ việc phiên mã ngược các phân tử mARN tương ứng được tách chiết từ các mô hoặc tế bào. Các mẫu dò này sau đó được tiến hành lai với một dãy các phân tử ADN, trong đó mỗi dãy thường liên quan đến một hoặc một số gen khác nhau trong cơ thể sinh vật nghiên cứu. Cường độ biểu hiệu của sản phẩm lai (nhờ sự có mặt của các phân tử đánh dấu) ở các dãy khác nhau sẽ góp phần phản ánh mức độ biểu hiện khác nhau của các gen phân tích.