Công cụ di truyền và hệ gen học: Các hệ thống mô hình

TÓM TẮT

Trình tự bộ gene – Việc tìm hiểu cơ sở di truyền của các bệnh lý ở người đòi hỏi kiến thức về trình tự bộ gene và chức năng của gene. Bộ gene của nhiều sinh vật đã được giải trình tự, bao gồm cả bộ gene người vào năm 2001. (Xem ‘Bối cảnh lịch sử’ ở dưới.)

Lựa chọn hệ thống thực nghiệm – Các sinh vật mô hình cung cấp phương tiện hữu ích để nghiên cứu chức năng gene theo những cách không thể áp dụng trong nghiên cứu trên người. Việc lựa chọn hệ thống phụ thuộc vào câu hỏi nghiên cứu, các mô hình sẵn có và các phương pháp dựa trên DNA của người. Bảng (bảng 1) tóm tắt các hệ thống mô hình thường dùng để nghiên cứu bệnh lý ở người cùng với những ưu và nhược điểm tương ứng. Các phương pháp điều tra dựa trên DNA người bao gồm: giải trình tự DNA thế hệ mới (NGS), nghiên cứu tương quan toàn bộ bộ gene (GWAS), nghiên cứu biểu di truyền, nghiên cứu ngẫu nhiên hóa Mendelian, transcriptomics và kết tủa miễn dịch chromatin (ChIP). Chi tiết và liên kết đến các nội dung thảo luận chuyên sâu hơn được liệt kê ở trên. (Xem ‘Cách lựa chọn hệ thống thực nghiệm’ ở dưới.)

Các cân nhắc về đạo đức – Việc sử dụng động vật có xương sống được giám sát bởi Hội đồng Chăm sóc và Sử dụng Động vật Thể chế (IACUC) tại địa phương, tương tự như Hội đồng Đánh giá Thể chế (IRB). Các đề cương của IACUC yêu cầu nghiên cứu viên phải giải quyết một câu hỏi khoa học chính đáng, lập luận về số lượng và đặc điểm của động vật được sử dụng, đồng thời giới hạn nghiên cứu trong các nội dung đã được phê duyệt. Việc sử dụng động vật được dẫn dắt bởi nguyên tắc “3R” (thay thế – replace, giảm thiểu – reduce và cải tiến – refine) như đã định nghĩa ở trên. (Xem ‘Các cân nhắc và giám sát đạo đức’ ở dưới.)

Virus và nấm men – Các mô hình virus, sinh vật nhân sơ (vi khuẩn) và nấm men có giá trị nhờ khả năng xác định các cá thể hiếm trong các quần thể thực nghiệm lớn. Thực khuẩn thể (virus gây nhiễm vi khuẩn) đã được sử dụng để nghiên cứu quá trình phiên mã gene. Nấm men thể budding Saccharomyces cerevisiae có thể được dùng để xóa gene mục tiêu và chọn lọc. Khoảng một phần ba các gene ở người có các gene tương đồng ở nấm men. Hệ thống lai hai nấm men (yeast two-hybrid system) được sử dụng để nghiên cứu các tương tác protein cần thiết cho các con đường sinh học khác nhau. (Xem ‘Virus, sinh vật nhân sơ và nấm men’ ở dưới.)

Giun, ruồi giấm và cá ngựa vằn – Caenorhabditis elegans là một loại giun mà tất cả số phận tế bào và mạch thần kinh đã được lập bản đồ, khiến nó đặc biệt hữu ích cho các nghiên cứu về sinh học phát triển và các rối loạn thần kinh. Nó cũng hữu ích cho các nghiên cứu về lão hóa, vì nhiều gene lão hóa được bảo tồn ở người và các đột biến về tuổi thọ đã được xác định. Ruồi giấm Drosophila melanogaster cung cấp nhiều thông tin quý giá trong các nghiên cứu về cách thiết lập thông tin không gian trong quá trình phát triển để tạo ra sơ đồ cơ thể. Cá ngựa vằn (Danio rerio) là một loại cá nhỏ trở nên phổ biến trong các nghiên cứu di truyền từ những năm 1980 vì khả năng dễ dàng thao tác di truyền, can thiệp RNA và có cơ thể trong suốt. Cá ngựa vằn rất phù hợp để nghiên cứu thuốc và stress nhiệt. (Xem ‘Các hệ thống mô hình đa bào phức tạp không phải động vật có vú’ ở dưới.)

Mô hình chuột – Chuột chuyển gene là những con chuột có DNA ngoại lai được chèn vào bộ gene; chúng đặc biệt hữu ích để nghiên cứu các hệ quả chức năng của việc mất gene hoặc biến đổi gene (hình 1). Việc này có thể thực hiện bằng cách vi tiêm DNA vào tiền nhân của trứng đã thụ tinh (hình 1) hoặc bằng cách chuyển nạp DNA vào các tế bào gốc phôi (ES). Các tế bào ES mang cấu trúc mong muốn được tiêm vào phôi nang chuột để tạo ra phôi khảm, sau đó phôi này có thể được cấy vào chuột mẹ nuôi. Sự khác biệt giữa chuột knock-out, knock-in, chuột suy giảm miễn dịch và chuột có hệ thống điều kiện (đặc hiệu mô hoặc có thể cảm ứng) đã được thảo luận ở trên. (Xem ‘Chuột biến đổi di truyền’ ở dưới.)

Nguồn tài liệu trực tuyến – Các liên kết đến nguồn tài liệu trực tuyến được cung cấp ở trên. (Xem ‘Các nguồn thông tin di truyền trực tuyến’ ở dưới.)