Tuần tin khoa học 608 (12-18/11/2018)

Phương pháp xác định tế bào trần để cải tiến di truyền cây dứa

Dứa là cây ăn quả quan trọng đứng hàng thứ hai sau cây chuối trên toàn cầu. Bên cạnh giá trị kinh tế của nó, dứa còn là loài thực vật mô hình của chu trình quan hợp CAM (Crassulacean acid metabolism pathway). Phương pháp chuyển nạp gen rất cần thiết trong cải biên di truyền cây dứa. Tuy nhiên, việc chuyển nạp gen gián tiếp thông qua vi khuẩn Agrobacterium trong cây dứa đạt mức độ thành công khá thấp, do vậy, các nhà khoa học phải tìm kiếm một phương cách khác để cải biên di truyền loài thực vật này. Nhà khoa học Yuan Chin và ctv. thuộc Fujian Agriculture and Forestry University, Trung Quốc, đã tiến hành  phương pháp “phân lập tế bào trần” (simple protoplast isolation method) để có thể chuyển nạp gen vào cây dứa. Tế bào trần được phân lập từ nuôi cấy mô lá dứa. Họ đã khảo nghiệm tế bào trần này về mức độ thể hiện “transient” của những proteins: AtJAZ3 và AtMYC2 thông qua PEG. Kết quả cho thấy phương pháp này phù hợp với việc định vị protein và tương tác giữa protein với protein. Họ đã kết luận rằng: phương pháp này có thể được áp dụng làm cơ sở dữ liệu “trình tự hệ gen” phục vụ nghiên cứu kiểm soát ở mức độ phân tử sự tăng trưởng của cây dứa. Xem BMC Plant Methods.

Gen của thầu dầu (Castor Bean) cải biên gen điều khiển hàm lượng dầu của cây Camelina

Acid béo không hữu dụng HFAs (unusual oils like hydroxy fatty acids) có giá trị trong công nghiệp hóa học. Chúng được sản xuất từ hạt cây thầu dầu (castor bean) và cây lesquerella. Tuy nhiên, sinh khối của những cây này bị ức chế bởi nhiều thách thức như rất khó kiểm soát cỏ dại cạnh tranh và những hợp chất nguy hiểm có hại cùng sản sinh ra trong cây. Do đó, Niranjan Aryal và Chaofu Lu thuộc Montana State University, Hoa Kỳ, đã thao tác công nghệ di truyền một gen của cây thầu dầu chuyển nạp vào cây có dầu “Camelina” để sản sinh ra hàm lượng HFAs với mức độ qui mô lớn. Họ đã thể hiện thành công gen RcPLCL1 của cây thầu dầu vào trong cây Camelina thông qua chuyển nạp gián tiếp nhờ vi khuẩn Agrobacterium. Để xác định hàm lượng dầu của cây transgenic, các nhà khoa học này đã tách chiết dầu từ hạt cây Camelina thông qua một phương pháp cải tiến là Blight và Dyer. Sản lượng HFA tăng rõ rệt và hạt Camelina nầy mầm tốt. Xem Frontiers in Plant Science.

Chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR đối với táo và nho

Cây ăn quả quan trọng là táo và nho được cải tiến giống trồng trọt nhờ công nghệ sinh học để cải thiện tính chống chịu đối với stress sinh học và phi sinh học biotic. Vì sự chấp thuận về luật pháp cho phép khảo nghiệm đồng ruộng và thương mại hóa rất hạn chế đối với hai loài cây trồng này, Yuriko Osakabe và ctv. thuộc Tokushima University, Nhật Bản, đã khai thác công nghệ chỉnh sửa hệ gen nhằm cải tiến di truyền cây táo và cây nho. Công trình khoa học này được công bố trên tạp chí Nature, các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu này đã cung cấp hai qui trình kỹ thuật, có tên là, chỉnh sửa hệ gen “plasmid” và phát triển trực tiếp “CRISPR-Cas9 ribonucleoproteins” phục vụ chỉnh sửa hệ gen cây táo và cây nho. Họ đã chuyển nạp các thành phần của CRISPR-Cas9 vào tế bào trần, rồi xác minh đột biến có chủ đích trong hệ thống ấy. Kết quả đạt hiệu quả cao và chính xác của hệ thống này đối với hai loài cây ăn quả nói trên, mất 2-3 tuần thực hiện chuyển nạp di truyền hệ thống CRISPR-Cas9 và mất hớn 3 tháng để cây tái sinh, minh chứng được sự chỉnh sửa hệ gen này. Xem Nature Protocols.

Chỉnh sửa hệ gen không cần Plasmid cây bắp cải

Chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR-Cas9 khả thi giống như phương pháp chuyển nạp gen cải biên di truyền. Chỉ có khác biệt duy nhất là phương pháp này chuyển DNA của hệ gen cây chủ đã được cải biên vì vì chuyển nạp gen ngoại lai vào cây chủ, cây có tính chất “transgene-free”. Tuy nhiên, Roman Jerala và ctv. thuộc National Institute of Chemistry, Slovenia cho rằng việc chèn vào transgene ở giai đoạn đầu của thí nghiệm có thể gây ra những đột biến không mong muốn. Cũng như vậy, sự thể hiện của transgene trong cây có thể gây ra các đột biến không chủ đích (off-target mutations). Do đó, họ đã đề nghị một phương pháp “gene editing”. Họ đã chuyển nạp các enzyme Cas9  và phân tử “guide RNA” với ribonucleoprotein vào tế bào trần của cây thông qua phương pháp PEG. Kết quả cho thấy tần suất đột biến gen là 25% đối với gen FRI và PDS. Họ ghi nhận có tương quan thuận giữa số thành phần của hệ thống CRISPR và mức độ đột biến. Mục tiêu nhằm đến gen đích và nghiên cứu kỹ thuật tái sinh tế bào trần trong tương lai. Xem Frontiers in Plant Science.

Hệ thống PGED (Plant Genome Editing Database)

Số công trình in ấn về CRISPR và chỉnh sửa hệ gen thực vật theo công nghệ “gene editing” hiện nay khá đồ sộ và tiếp tục phát triển. Cho nên, Boyce Thompson Institute, New York, Hoa Kỳ đã xây dựng một cơ sở dữ liệu chỉnh sửa hệ gen trong thực vật với hệ thống CRISPR – cơ sở dữ liệu này được đặt tên là “Plant Genome Editing Database”, một dự án được tài trợ bởi National Science Foundation. Cơ sở dữ liệu ấy mở rộng các thông tin khoa học  về cây cà chua chỉnh sửa gen, bao gồm nhiều chi tiết về các gen được chỉnh sửa bằng CRISPR, tên của dụ án này, chi tiết các thí nghiệm, giống, vector DNA được sử dụng, phân tử “guide RNA” và những primers được sử dụng để định tính những đột biến xảy ra, và các chi tiết nói về các dòng chỉnh sửa gen, ví dụ nhự thay đổi trình tự DNA, dị hợp tử, và kiểu hình. Cơ sở dữ liệu cho phép tất cả người sử dụng đăng ký dữ liệu riêng bằng cách điền thông tin cần thiết vào cây chỉnh sửa hệ gen. Xem chi tiết Plant Genome Editing Database.

Gen có liên quan đến bệnh Alzheimer thông qua sử dụng CRISPR

Các trường hợp liên quan đến bệnh Alzheimer hay AD (Alzheimer's disease), hầu hết xảy ra không thường xuyên, làm khó khăn đối với các nhà khoa học để xác đ5nh bệnh này xảy ra bắt đầu từ lúa nào và phát triển ra làm sao. Carlos Pascual-Caro và ctv thuộc University of Extremadura, Tây Ban Nha, tiến hành công trình nghiên cứu tìm ra giải pháp để chữa bệnh này thông qua việc khám phá ra một gen nào đó liên quan đến hội chứng Alzheimer's.  Công trình khoa học được công bố trên tạp chí Journal of Molecular Medicine, họ mô tả việc phát hiện ra gen STIM1 và làm thế nào hệ thống CRISPR giúp họ minh chứng chức năng và cơ chế hoạt động của gen. Phân tích mô não của bệnh nhận đã chết vì AD và não của người bình thường, họ nhận thấy có sự thiếu gen STIM1 trong bệnh nhân AD. Thông qua hệ thống CRISPR, họ tìm thấy sự mất đoạn của gen này dẫn đến suy giảm vận chuyển ion calcium trên màng plasma, gây ra sự chết của tế bào. Xem Journal of Molecular Medicine.

Hình: Mức độ thể hiện của STIM1 trong mô người. a Mẫu của “medium frontal gyrus membranes” (12 μg) phục vụ chẩn đoán “non-AD” (đối chứng) - Braak giai đoạn I (lane số 1) và AD-Braak giai đoạn IV, V, và VI, điện di trên gel 7.5% SDS-PAGE, chuyển vào màng nitrocellulose và immunostained với kháng thể “anti-STIM1”. Kết quả biểu thị immunoblot từ 4 nghiệm thức. b Lượng hóa protein STIM1 liên quan đến β-tubulin với giá trị trung bình ± SE.