Vaccine thực phẩm-Loại vaccine thế hệ mới Nguyễn Hoàng Lộc Viện Tài nguyên, Môi trường và Công nghệ sinh học, Đại học Huế 1. Mở đầu Thành công thật sự ngoạn mục của công nghệ gen thực vật bậc cao là tái sinh được cây chuyển gen (transgenic plant) đầu tiên vào đầu thập niên 1980. Đến nay, cây trồng biến đổi gen (genetically modified plant) đã và đang đóng góp rất nhiều trong việc đáp ứng nhu cầu lương thực và thực phẩm cho con người. Công nghệ gen hiện đang được sử dụng như một phương pháp sinh học hiện đại để nghiên cứu cải thiện di truyền các giống cây trồng và vật nuôi. Một trong những hướng nghiên cứu gần đây của công nghệ gen là chuyển gen ngoại lai (foreign gene) vào thực vật với mục đích tạo ra kháng nguyên (antigent) để sản xuất các vaccine thực phẩm (edible vaccine) phòng bệnh cho người và động vật. Vaccine thực phẩm hay vaccine dựa trên cơ sở thực vật (plant-based vaccine) là một mô hình lý tưởng cho các nước nghèo do có thể khắc phục các khó khăn của vaccine nhược độc được sản xuất theo phương pháp truyền thống (có khả năng quay trở lại dạng độc hoặc hoạt lực của nó giảm khá nhanh trong cơ thể người và vật nuôi) hoặc vaccine DNA tái tổ hợp (giá thành cao, điều kiện bảo quản và vận chuyển nghiêm ngặt, cần có kỹ thuật viên tiêm chủng). Nguyên lý cơ bản của mô hình vaccine thực phẩm là chuyển một loại gen đặc biệt vào tế bào thực vật. Loại gen này hoạt động trong cơ thể cây trồng, sẽ biến thành nơi sinh ra protein kháng nguyên. Khi những kháng nguyên này đi vào cơ thể người thông qua ăn uống (dưới dạng tươi sống không nấu chín, nếu không sẽ làm mất hoạt tính kháng nguyên) thì hệ thống miễn dịch của người sẽ tự động sinh ra kháng thể để chống lại kháng nguyên. Như vậy là đã thay việc tiêm chủng vaccine bằng việc ăn những hoa quả hoặc rau xanh có kháng nguyên. Vaccine thực phẩm có nhiều ưu điểm như: giá thành rẻ, ổn định, dễ sản xuất trên quy mô lớn, dễ quản lý, không cần tinh sạch, bảo quản lâu và dễ vận chuyển… Một trong những nghiên cứu đã được công bố gần đây trong lĩnh vực kể trên đó là gây miễn dịch trong cơ thể người bằng vaccine thực phẩm để điều trị bệnh viêm gan B. Loại cây trồng được sử dụng để chuyển gen viêm gan B là khoai tây (Solanum tuberosum). Người ta hy vọng khi ăn loại khoai tây này, chất kháng nguyên sẽ gây ra một phản ứng miễn dịch nhẹ trong cơ thể người. Từ đó, cơ thể người sẽ tạo ra chất miễn dịch cá thể đối với căn bệnh lây nhiễm viêm gan B. 42 nhân viên chăm sóc sức khỏe ở độ tuổi 25-58 đã tham gia vào cuộc nghiên cứu. Trong đó, 33 người được chỉ định ăn khoai tây chuyển gen mà không có tá dược, một chất làm tăng khả năng phản ứng miễn dịch. Chuẩn độ kháng nguyên kháng virus viêm gan B trong huyết thanh được đo trong một số lần nhất định mỗi ngày. Kết quả cho thấy đối với những người ăn khoai tây không chuyển gen các chuẩn độ không tăng, trong khi đó 19 trong số 33 người ăn khoai tây chuyển gen thì chuẩn độ tăng 57,6%, trong khi vaccine hiện có trên thị trường có tác dụng tới 90% đối tượng, kể cả khi có chứa tá dược (TLTK). 2. Công nghệ sinh học và chuyển gen thực vật Công nghệ gen là chìa khóa vàng để phát triển các lĩnh vực công nghệ sinh học. Những thành tựu về cây trồng biến đổi gen trên thế giới không chỉ giới hạn trong lĩnh vực nông nghiệp, tạo ra những mùa màng bội thu, giải quyết nạn đói toàn cầu mà còn có thể sản xuất ra các loại biệt dược chữa được các bệnh hiểm nghèo cho con người. Ứng dụng công nghệ sinh học để sản xuất những dược phẩm tổng hợp trong thực vật đã phát triển mạnh vào những năm 1990, chẳng hạn: các thành phần của máu như huyết cầu tố, albumin, 2 các kháng thể, hormone, các yếu tố đông máu được sản xuất từ cây thuốc lá biến đổi gen (Goldstein và Thoman 2004). Nhiều công trình đã công bố về chuyển gen vào cây trồng để tạo vaccine thực phẩm như: vaccine phòng bệnh viêm gan B (Thanavala và cs 1995), và vaccine phòng bệnh tả được sản xuất từ cây khoai tây (Arakawa và cs 1997). Kang và cs (2003), Kim và cs (2004) đã sử dụng Agrobacterium tumefaciens để chuyển gen CTB (cholera toxin B subuint) vào cây thuốc lá (Nicotiana tabacum) và gen HIV-1 gp120 V3 vào khoai tây. Daniell và cs (2001a) đã chuyển gen CTB vào cây thuốc lá bằng phương pháp dội bom (bombardment). Hiện nay, chuyển gen đã được thực hiện ở trên 120 loài thực vật thuộc khoảng 35 họ bao gồm các cây trồng nông nghiệp, rau quả, cây cảnh, cây dược liệu, cây ăn trái và cây cỏ bằng các phương pháp chuyển gen trực tiếp hay gián tiếp. Chuyển gen trực tiếp là các phương pháp chuyển gen nhờ các tác nhân vật lý và hóa học, DNA được biến nạp vào trong protoplast, tế bào, mô hoặc cơ quan nhờ các phương pháp như vi tiêm (microinjection), xung điện (electroporation), súng bắn gen (gene gun), silicon carbide, siêu âm (ultrasonic) Tuy nhiên, phương pháp thông dụng hơn cả là chuyển gen gián tiếp nhờ vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens, vi khuẩn này được sử dụng như các vector tự nhiên để mang các gen ngoại lai vào tế bào thực vật. Agro. tumefaciens chứa một plasmid lớn có kích thước khoảng 200 kb (gọi là Ti-plasmid) có cấu trúc mạch vòng bao gồm những vùng quan trọng như vùng T-DNA, vùng gây độc (vir), vùng khởi đầu sao chép (ori). Trong kỹ thuật chuyển gen, vùng T-DNA của Ti-plasmid được thiết kế để gắn những gen ngoại lai mong muốn, các phần còn lại của nó được giữ nguyên. T-DNA là một đoạn DNA có kích thước 25 kb trong đó chứa gen mã hóa sinh tổng hợp auxin, cytokinin và opine. Hoạt động của vùng vir đóng vai trò quan trọng cho việc chuyển T-DNA sang tế bào thực vật. Vùng này có kích thước khoảng 40 kb, bao gồm 6 operon: virA, virB, virD và virG cần thiết cho việc tạo ra độc tính; virC và virE liên quan đến việc hình thành khối u. Trong quá trình chuyển T-DNA, đoạn T-DNA muốn chuyển được trước tiên phải được hoạt hóa, chính hoạt động của gen vir đóng vai trò này. Hiện tượng hoạt hóa xảy ra khi Agrobacterium bắt đầu tiếp xúc với hợp chất chứa phenol được tiết ra từ vết thương của cây hoặc từ các tế bào nuôi cấy hay protoplast. Các sản phẩm protein của vùng vir có tác dụng trong việc dẫn truyền T-DNA từ vi khuẩn vào tế bào thực vật. Các loại protein đó cần thiết cho quá trình cắt T-DNA khỏi Ti-plasmid, cảm ứng thay đổi tính chất của màng tế bào thực vật mà chúng tiếp xúc, tham gia di chuyển phần T-DNA qua màng vi khuẩn tới tế bào chất của tế bào thực vật, vận chuyển tới nhân rồi cuối cùng xâm nhập vào genome của tế bào cây chủ. Việc chuyển gen vào thực vật thông qua A. tumefaciens đã thực hiện thành công trên nhiều loại cây trồng như thuốc lá, cà chua, đậu tương, lúa, mía… 3. Vaccine và vaccine thực phẩm Những tiến bộ về khoa học và kỹ thuật trong lĩnh vực vi sinh vật học, hóa sinh protein nói chung, cũng như trong lĩnh vực kỹ thuật gen và công nghệ sinh học nói riêng đã cho phép chúng ta tiến xa hơn, đi sâu hơn và ứng dụng hiệu quả hơn những thành tựu đó trong nhiều ngành công nghệ mới, trong đó có công nghệ sản xuất và ứng dụng vaccine. Đề cập đến vaccine, phải nói đến yếu tố quyết định kháng nguyên của chế phẩm được chọn làm vaccine đó. Yếu tố quyết định kháng nguyên chính là thành phần protein kháng nguyên có trên bề mặt của tác nhân gây bệnh, hay trên bề mặt của chế phẩm vaccine của chính tác nhân gây bệnh đó. Vaccine truyền thống hay vaccine tái tổ hợp là các chế phẩm sinh học của vi sinh vật được làm giảm độc lực, không còn khả năng gây bệnh đối với đối tượng nhận vaccine. Khi đưa vaccine vào cơ thể bằng các phương pháp khác nhau, chúng 3 đều có khả năng kích thích cơ thể sinh miễn dịch. Khi cơ thể chịu sự kích thích của kháng nguyên, sẽ cảm ứng sản xuất ra một loại protein mới có chức năng bảo vệ gọi là kháng thể (antibody). Thời gian gần đây người ta vẫn sử dụng vaccine sống nhược độc làm kháng nguyên để kích thích tạo kháng thể cần thiết trong cơ thể người và vật nuôi. Hiện nay, bằng công nghệ DNA tái tổ hợp người ta đã sản xuất được protein vỏ của một số loại virus như virus bệnh lở mồm long móng, bệnh dại và viêm gan B. Tuy nhiên, vaccine được sản xuất theo phương pháp trên có giá thành cao, điều kiện bảo quản và vận chuyển nghiêm ngặt, đồng thời cần có kỹ thuật viên để tiến hành tiêm chủng (Sala và cs 2003). Công nghệ sinh học phân tử thực vật cho phép chuyển nhiều gen quý vào genome thực vật, tạo nên thế hệ thực vật có ưu thế mang các gen sản xuất nhiều sản phẩm có lợi. Hệ thống Ti-plasmid của vi khuẩn A. tumefaciens được sử dụng rất hữu hiệu nhằm chuyển gen ngoại lai có giá trị vào thực vật. Một khi gen ngoại lai nào đó được xâm nhập vào thực vật, genome thực vật sẽ xem nó như một gen hoạt động của chúng, và gen này sản xuất sản phẩm tương ứng mà nó chịu trách nhiệm (Lessard và cs 2002). Mô hình sản xuất vaccine thực phẩm Xuất phát từ cơ sở khoa học trên, ý định gắn một hay nhiều gen kháng nguyên của vaccine động vật và người vào hệ thống Ti-plasmid và A. tumefaciens đã được thực hiện. Sau khi chuyển gen, thực vật thế hệ mới đã tiếp nhận một nguồn gen vaccine từ vi sinh vật hoặc nguồn sản xuất protein có hoạt tính sinh học nào đó. Khi được canh tác, cây mang gen kháng nguyên đã tiến hành sản xuất sản phẩm và chứa trong các thành phần cơ thể Tối ưu hóa mô hình Kháng nguyên quan tâm Gen cấu trúc (gen mã hóa) Vector biểu hiện thực vật Biến nạp gián tiếp qua Agro. tumefaciens Tạo callus và chọn lọc Tái sinh cây Phân tích mức độ biểu hiện Phân tích khả năng sinh miễn dịch 4 chúng. Nếu tách chiết và tinh sạch chúng sẽ thu được sản phẩm protein kháng nguyên. Nếu sử dụng nguyên vẹn, động vật và người “ăn” loại thực vật này thì về nguyên tắc, sẽ tiếp nhận được nguồn vaccine và do vậy có được khả năng miễn dịch. Ưu thế của thực vật chuyển gen để sản xuất vaccine và các hợp chất có hoạt tính sinh học cao là chúng dễ trồng, thời gian sinh trưởng ngắn, sản lượng cao, và do vậy cho chúng ta thu được một lượng sản phẩm lớn (Sala và cs 2003). Nếu dùng chúng làm vaccine thì phương thức đưa vaccine vào cơ thể lại đơn giản, động vật và người chỉ cần “ăn” nguồn thực vật có vaccine là có thể có miễn dịch. Những kháng nguyên được sản xuất trong trong thực vật không mang nguồn bệnh đến cho con người, những độc tố trong hệ thống vaccine được giảm thiểu vì những tác nhân gây bệnh cho người và động vật không gây bệnh trên thực vật (Walmsley và cs 2000). Tuy nhiên, có một số vấn đề cần phải giải quyết khi phát triển vaccine thực phẩm. Thứ nhất, chúng ta phải lựa chọn loại thực vật nào để dễ dàng thao tác đưa gen vaccine vào, lại vừa ngon miệng để con người và động vật ăn chúng. Sự lựa chọn thực vật để sản xuất và phát triển vaccine là rất quan trọng. Mặc dù những cây ngũ cốc có thể chứa protein LTB (B subunit of E. coli heat-labile enterotoxin) trung hòa độc tố E. coli nhưng chúng sẽ bị mất hoạt tính kháng nguyên khi nấu chín. Khoai tây chuyển gen đun sôi trong thời gian ngắn (3 phút) mất đi 50% tác dụng của nó (Tacket và Mason 1999). Thứ hai, chúng ta nên chọn loại kháng nguyên nào để ghép vào hệ gen thực vật, để sau khi chuyển vào cơ thể, chúng không bị enzyme của hệ tiêu hóa phân hủy, đảm bảo còn tồn tại để kích thích miễn dịch. Trở ngại chính của việc sử dụng vaccine thực phẩm là phải tìm cách khắc phục sự phân giải của protein trong môi trường ruột. Kết quả nghiên cứu cho thấy, vaccine gây đáp ứng miễn dịch bằng đường miệng đòi hỏi một liều dùng phải cao hơn vaccine tái tổ hợp do một phần kháng nguyên bị mất tác dụng trong môi trường acid của dạ dày (Daniell và cs 2001b). Thứ ba, nếu dùng thực vật chuyển gen để sản xuất kháng nguyên làm vaccine phân tử thì phải chọn cây dễ trồng, năng suất cao, dễ dàng thu hoạch, chế biến và bảo quản. Một trong những loài thực vật được chọn đầu tiên để chuyển gen vaccine là cây thuốc lá, vì loại cây này dễ thao tác bằng kỹ thuật gen, dễ dàng nhân giống và dễ trồng. Năm 1992, Mason và cs đã thực hiện chuyển gen kháng nguyên bề mặt của virus viêm gan B vào đối tượng này (Mason và cs 1992). Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu chuyển gen thành công như chuyển gen kháng nguyên cholera kháng bệnh dịch tả (Daniell và cs 2001a), gen kháng nguyên phòng bệnh than (Aziz và cs 2002), gen BfpA phòng bệnh đường ruột do EPEC - Enteropathogeneic E. coli (Silva và cs 2002), gen kháng nguyên phòng bệnh uốn ván (Tregoning và cs 2004) Tuy nhiên, loại cây này không được người và động vật thích ăn, vả lại chúng rất độc nên chúng chỉ được dùng vào mục đích nghiên cứu, hoặc sản xuất chế phẩm sinh học bằng công nghệ gen. Khoai tây và các loại cây ăn quả đang là mục tiêu được chọn để chuyển gen vaccine, vì nó vừa là thức ăn của người và động vật, vừa có thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao nên giá thành rẻ và dễ sử dụng. Các công trình nghiên cứu chuyển gen vào khoai tây đã cho kết quả khả quan như chuyển gen kháng nguyên bề mặt của virus viêm gan B (Kong và cs 2001, Thanavala và cs 1995), gen LTB (Lauterslager và cs 2001), gen phòng bệnh do Human papillomavirus-like (Warzecha và cs 2003), gen kháng nguyên bề mặt vỏ HIV-1 gp 120 (Kim và cs 2004). Chuối cũng đã được Hassler và cs (1995) đưa vào thử nghiệm. Chuối là cây được chú ý vì quả được trẻ em ưa thích, lại dễ trồng và thường mọc tự nhiên ở các nước đang phát triển (Tripurani và cs 2003). Nếu chuyển gen vaccine phòng bệnh nguy hiểm thì động vật hoang dã, gia súc nuôi và kể cả con người sẽ được miễn dịch sau khi tiêu thụ loại chuối vaccine này. 5 Việc phát hiện ra vaccine thực phẩm đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trên con đường tìm ra phương thức sản xuất vaccine rẻ tiền, điều này rất có ý nghĩa đối với các nước đang phát triển (Tregoning và cs 2004). Người ta hy vọng rằng việc tạo ra vaccine thực phẩm sẽ giúp các nước nghèo tự sản xuất được các loại vaccine này và sử dụng chúng một cách thuận tiện bằng cách trồng các loại thực vật chuyển gen (Tripurani và cs 2003). 4. Tầm quan trọng của việc cải thiện mức độ biểu hiện gen Kết quả nghiên cứu của một số tác giả cho thấy gen CTB vi khuẩn (Vibrio cholerae) biểu hiện chỉ khoảng 0,3% lượng protein hòa tan tổng số (total soluble protein, TSP) ở khoai tây (Arakawa và cs 1997); 0,095% ở thuốc lá (Wang và cs 2001); 0,02% và 0,04% tương ứng trong lá và quả cà chua (Jani và cs 2002). LTB tự nhiên (có nguồn gốc từ E. coli) biểu hiện trong thực vật rất thấp dưới 0,01% và rất hiếm khi đạt đến 0,4% protein tổng số (Mason và cs 2002). Kháng nguyên bề mặt viêm gan B chỉ đạt 0,01% TSP trong thực vật (Mason và cs 1992). Mức độ biểu hiện thấp như vậy của các kháng nguyên ngoại lai trong thực vật đã hạn chế sự phát triển hiệu quả của các vaccine dựa trên cơ sở thực vật. Vì thế, việc hướng tới các mức độ biểu hiện cao hơn của protein mong muốn đang được nhiều phóng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu. Một trong những biện pháp tăng cường sự biểu hiện của gen là chúng ta phải biến đổi gen, thiết kế lại cấu trúc gen và chuyển gen vào cơ quan thích hợp. Gen có thể được biến đổi để có được điểm gắn ribosome cần thiết trên phân tử mRNA nhằm giúp nó có hoạt động biểu hiện cao hơn. Ở vi khuẩn, đoạn gắn ribosome (chuỗi Shine-Dalgarno, SD) được mô tả rất rõ, nhưng ở thực vật thì khác nhau và không thống nhất. Từ 75 đoạn DNA nhân của thực vật bậc cao được công bố, Joshi (1987) tìm thấy đoạn bảo thủ của codon khởi đầu ATG là TAAACAATGGCT. Nucleotide thứ 3 (A) trước ATG có vai trò quan trọng nhất để gen biểu hiện mạnh sản phẩm protein (Kozak 1989). Hiệu suất dịch mã được tăng cường khi ghép thêm một đoạn dẫn đầu (leader sequence) không dịch mã của virus vào giữa promoter với đoạn mã hóa của gen (Gallie và cs 1987). Những đoạn intron được kết hợp với gen chuyển vào trong thực vật đã làm tăng mức độ biểu hiện của gen, mặc dù cơ chế của hiện tượng này cũng chưa được làm sáng tỏ (Lessard và 2002). Tanaka và cs (1990), thông báo mức độ biểu hiện cao hơn 90 lần của gen gus trong cây lúa chuyển gen khi gắn thêm vào gen gus đoạn intron của gen catalase tách chiết từ cây đậu trắng. Sự gia tăng biểu hiện gắn liền với gia tăng mật độ mRNA. Hiện tượng gia tăng này không xảy ra trong cây thuốc lá chuyển gen. Maas và cs (1991) nghiên cứu tác động của exon 1 và intron 1 của gen Shrunken-1 ở cây ngô lên biểu hiện tạm thời của gen CAT (chloramphenicol acetyltransferase) trong mô ngô và lúa chuyển gen. Kết quả cho thấy đoạn exon làm tăng mức độ biểu hiện 10 lần, đoạn intron làm tăng 100 lần, còn khi tổ hợp cả hai đoạn exon và intron thì hiệu quả gia tăng 1.000 lần khi ghép chúng vào giữa promoter 35S với gen CAT. Những intron có tác động không giống nhau khi chuyển vào cây một lá mầm và hai lá mầm, chứng tỏ rằng những cách thức thích hợp cho sự ghép nối giữa 2 loài khác nhau là rất khác nhau (Lessard và cs 2002). Trình tự dẫn đầu 5’ không dịch mã (5’ untranslation leader sequence, 5’ UTLs) trên mRNA của virus, chẳng hạn như đoạn omega (Ω) của virus khảm thuốc lá, đã được sử dụng để làm tăng mức độ biểu hiện gen trong tế bào cây thuốc lá. 5’ UTLs được phân lập từ genome của cây hai lá mầm sẽ tăng mức độ biểu hiện của gen khi được chuyển vào cây hai lá mầm và 5’ULTs từ cây một lá mầm cũng tăng biểu hiện khi nó được chuyển vào cây một lá mầm (Lessard và cs 2002). 6 Perlak và cs (1990, 1991) khi nghiên cứu biểu hiện của 2 gen Bt là gen CryIA(b) và CryIA(c) trên cây thuốc lá và cà chua (Lycopersicon esculentum) chuyển gen nhận thấy chúng có mức độ biểu hiện rất yếu. Có 3 vấn đề chính liên quan đó là mã bộ ba không thích hợp cho thực vật, chuỗi tín hiệu polyadenyl hóa không đúng chỗ và mRNA không bền vững. Cả ba vấn đề đều là hậu quả của một nguyên nhân: tỷ lệ AT cao. Mã giàu AT thường có ở những gen độc tố, nhưng rất hiếm ở thực vật (ví dụ, TTA là mã của leucine). Vì thế, khi dịch mã một gen lạ giàu TTA ở thực vật thường có hiện tượng ngừng trong bộ máy ribosome làm cho quá trình sinh tổng hợp protein bị kết thúc sớm. Hiện tượng này xảy ra với gen Bt vì trong đó có nhiều chuỗi ATTTA dạng tín hiệu polyadenyl hóa (Dean và cs 1986). Ngoài ra, chuỗi ATTTA có tính chất làm giảm độ bền vững của mRNA. Takagi- Ohme và cs (1993) cho biết trình tự giàu AU chắc chắn gây ra sự phân hủy nhanh mRNA trong thuốc lá. Nghiên cứu của DeRocher và cs (1998) đã chứng minh sự suy giảm nhanh mRNA mã hóa protein kháng côn trùng phân lập từ vi khuẩn chuyển vào thực vật là do gen chuyển vào giàu AU (Kang và cs 2003a). Promoter thường có cấu trúc khá đồng nhất cho phép nhận được mức độ biểu hiện gen khác nhau thông qua hoán vị và tổ hợp lại các vùng của một promoter. Điều này thể hiện rất rõ ở promoter CaMV 35S (cauliflower mosaic virus 35S). Phần lớn nghiên cứu sử dụng promoter cơ bản từ virus như CaMV 35S đã tăng mức độ phiên mã cao nhất trong mô thực vật. Trong một số trường hợp, promoter có thể xóa bỏ hiệu ứng im lặng của gen do hiện tượng đồng ngăn chặn. Hoạt lực của promoter có thể được tăng cường khi bố trí hai hoặc nhiều promoter nối tiếp nhau (Lessard và cs 2002). Mỗi loại protein thực vật thường có vị trí hoạt động riêng, rất đặc trưng trong tế bào, phần lớn là trong tế bào chất. Các loại protein thường được sinh tổng hợp bởi ribosome tự do trong tế bào chất và có tín hiệu đặc biệt để giữ chúng ở đó. Nhiều loại protein được tổng hợp trong tế bào chất nhưng được chuyển vào lục lạp, ty thể hoặc nhân. Như vậy, phải có tín hiệu đặc biệt cho sự định hướng đó. Ngoài ra, sự định hướng cũng có trong cơ quan tử, ví dụ như trong các thể hạt của lục lạp cũng đòi hỏi phải có đoạn tín hiệu. Tín hiệu hướng về lục lạp và ty thể thường nằm ở đầu amine (N) của chuỗi protein và mất đi khi protein thâm nhập vào trong cơ quan tử. Trình tự SEKDEL thường nằm đầu C (carboxyl) của protein trên mạng lưới nội sinh chất. Protein SEKDEL thực hiện các chức năng cần thiết liên quan đến sự lắp ráp và cuộn xoắn protein trong mạng lưới nội sinh chất, giúp tích lũy và ổn định protein (Lessard và cs 2002). Sự gia tăng đáng kể lượng protein tái tổ hợp có thể đạt được trong lục lạp chuyển gen, đặc biệt là trong thuốc lá. Vì tế bào lá chứa khoảng 100 lục lạp và một lạp thể chứa khoảng 100 bản sao DNA, nên có khoảng 10.000 bản sao trong một tế bào (Golds và cs 2004). Operon Bt cry2Aa2 đã được cải thiện mức độ biểu hiện trong lục lạp của cây thuốc lá lên 45,3% TSP (Kang và cs 2003b). Tregoning và cs (2003) chuyển gen phòng bệnh uốn ván (TetC) vào lục lạp của cây thuốc lá đã tăng mức độ biểu hiện lên 25% TSP. Vì vậy, các lục lạp chuyển gen là các “nhà máy” lý tưởng cho việc sản xuất sinh khối protein và nó có thể ứng dụng để phát triển vaccine dựa trên cơ sở thực vật. Chuyển gen vào hệ gen lục lạp có nhiều thuận lợi hơn so với chuyển vào hệ gen nhân vì lục lạp có mặt trong hầu hết các loài thực vật. Bên cạnh đó, sự quản lý các cánh đồng thực vật chuyển gen vào lục lạp dễ dàng hơn so với cánh đồng thực vật chuyển gen vào hệ gen nhân do sự lai tạo không mong muốn qua đường thụ phấn sẽ không xảy ra. Sự im lặng gen thường xảy ra trong hệ gen nhân, không xảy ra trong hệ gen lục lạp nên những thực vật chuyển gen được ổn định qua nhiều thế hệ (Golds và cs 2004). Một trong những rủi ro khi chuyển nạp gen là hiện tượng im lặng của gen. Nhiều đặc điểm của DNA chuyển nạp bị phát hiện thông qua cơ chế tự bảo vệ của sinh vật, gây nên 7 hiện tượng im lặng của gen chuyển nạp. Sự methyl hóa (methylation) là nguyên nhân chính, nhưng không phải là nguyên nhân duy nhất làm bất hoạt gen lạ xâm nhập vào genome. Phân tử DNA xâm nhập vào cơ thể làm thay đổi những cấu trúc vùng, gây bất hoạt một phần bìa của locus nào đó, làm cho vùng dị nhiễm sắc đậm đặc hơn và làm cho gen trở nên im lặng (Dorer, 1997). Nếu DNA lạ xâm nhập vào vùng không gian giàu GC, hiện tượng phiên mã có thể dễ dàng xảy ra. Trong khi đó DNA này đi vào vùng khác, nó sẽ không thể thực hiện được. Khi phân tử DNA lạ xâm nhập vào vùng không gian giàu GC, nếu phân tử này cũng giàu GC, nó sẽ tiếp hợp và cài đặt ở đây một cách ổn định và được phiên mã. Nếu phân tử này giàu AT, hiện tượng im lặng gen sẽ xảy ra. Trường hợp nó xâm nhập vào vùng không gian giàu AT, nó sẽ im lặng hoàn toàn cho dù nó chứa chuỗi mã giàu AT hay GC. Hiện tượng bắt cặp lệch vị trí cũng tham gia vào kết quả làm im lặng gen. 5. Triển vọng phát triển vaccine thực phẩm Sản xuất vaccine thực phẩm là một kế hoạch kết hợp sự đổi mới của nền khoa học y học và công nghệ sinh học chuyển gen ở thực vật (Mason và cs 2002). Dùng thực vật để sản xuất vaccine là một giải pháp rất kinh tế. Gần đây, sự tiến bộ về chuyển gen thực vật hứa hẹn đã giúp tăng mức độ biểu hiện của gen, tạo ra nhiều kháng nguyên để phát triển vaccine thực phẩm (Mason và cs 2002). Vaccine dựa trên cơ sở thực vật được phát hiện đầu tiên vào năm 1990, khi Curtiss và Cardineau tiến hành chuyển gen kháng nguyên độc tố bề mặt của Streptococcus mutans (SpaA) vào cây thuốc lá. Khi cho chuột ăn cây thuốc lá này, chất miễn dịch với SpaA đã được sinh ra trong cơ thể của chúng (Walmsley và cs 2000). Tiếp theo công trình trên là hàng loạt các thông báo về vaccine thực phẩm như tạo vaccine phòng bệnh than, bệnh sởi, dịch tả, tiêu chảy do E. coli, viêm gan, uốn ván, Mason và cs (1998), Lauterslager và cs (2001) đã chuyển gen LTB phòng bệnh đường ruột do E. coli vào khoai tây, khi thử nghiệm trên động vật đã chứng minh được trong cơ thể đã sinh ra kháng thể trung hòa độc tố của E. coli. Năm 2004, Tacket và cs đã chuyển gen kháng nguyên LTB tái tổ hợp vào các cây ngũ cốc để tạo ra vaccine cho con người. Tính khả thi của vaccine dựa trên cơ sở thực vật đã được chứng minh, 1 mg sản phẩm protein LTB trong cây ngũ cốc hòa với đệm cho động vật ăn thì có 78% động vật thí nghiệm tạo ra kháng thể IgG kháng bệnh tiêu chảy (trong huyết thanh), 44% phát triển kháng thể IgA. Kang và cs (2004) đã cải thiện mức độ biểu hiện của gen kháng nguyên độc tố E. coli ở lục lạp cây thuốc lá bằng cách thay serine thành lysine tại điểm 63 trên tiểu phần A (LTK63), kết quả đã tăng lượng protein LTK63 ở lục lạp cây thuốc lá lên xấp xỉ 3,7% TSP. LTK63 ở trong tế bào cây thuốc lá được sử dụng như một tá dược để phát triển thành vaccine thực phẩm kháng bệnh tiêu chảy. Nghiên cứu của Daniell và cs (2001), bằng cách lắp ráp những oligomer chức năng ở tế bào trần (protoplast) cây thuốc lá đã cải thiện mức độ biểu hiện của gen CTB lên 4,1% TSP. Kang và cs (2003) đã thiết kế lại cấu trúc của gen CTB của vi khuẩn bằng cách tối ưu các bộ ba của gen CTB, vẫn giữ lại chuỗi mã hóa amino acid của gen tự nhiên ngoại trừ vị trí số 2, nghĩa là bộ ba ATT của isoleucine được thay thế bởi bộ ba GTG của valine. Đặt G ngay sau mã khởi đầu AUG và gắn thêm chuỗi Kozak vào đầu 5’ đã tăng hiệu quả dịch mã lên 10 lần (Kozak, 1989). Sự thay đổi này sẽ không biến đổi trình tự của gen CTB hoàn chỉnh được sản xuất trong tế bào thực vật, do peptide tín hiệu ở đầu tận cùng NH 2 đã được loại bỏ trong suốt quá trình sản xuất và hoàn thiện protein. Các chuỗi DNA có thể làm mất tính ổn định của RNA trong thực vật, như chuỗi tín hiệu polyadenyl AATAAA, được loại khỏi gen tổng hợp (sCTB). Trình tự SEKDEL được gắn vào đầu 3' của khung đọc mở CTB. Kết quả làm tăng mức độ biểu hiện lên khoảng 1,5% TSP. Mason và cs (1998) đã 8 thiết kế, lắp ghép và tổng hợp lại gen LTB của vi khuẩn. Gen sLTB chứa trình tự của gen hoang dại, ngoại trừ codon thứ 2 được thay thế từ ATT mã hóa cho asparagine thành GTG mã hóa cho valine, nhằm cung cấp một vị trí NcoI xung quanh vị trí phiên mã. Viêm gan B là một bệnh truyền nhiễm mãn tính do virus viêm gan B gây ra. HBsAg (hepatitis B surface antigen) là protein kháng nguyên bề mặt của virus viêm gan B, khi hiện diện trong cơ thể nó sẽ kích thích hệ miễn dịch sinh kháng thể chống lại virus viêm gan B. Hiện nay, người ta đã sản xuất vaccine DNA tái tổ hợp HBsAg trong nấm men hoặc vi khuẩn, tuy nhiên việc thu vaccine theo phương pháp này rất tốn kém và công phu. Vì thế, một dạng vaccine mới đã ra đời đó là vaccine dựa trên cơ sở thực vật với giá thành rẻ được sử dụng phục vụ cho các nước nghèo, nơi mà dịch bệnh viêm gan B đang bùng phát và lây lan mạnh (Kong và cs 2001). Mason và cs (1992) lần đầu tiên đã chuyển gen kháng nguyên bề mặt viêm gan B vào cây thuốc lá. Kapusta và cs (1999) cũng đã tạo ra cây đậu lupin và cây rau diếp có chứa kháng nguyên bề mặt viêm gan B (HBsAg). Các thí nghiệm trên chuột sau đó cho thấy cơ thể đã có khả năng đáp ứng miễn dịch ở mức độ cao. Với những người tình nguyện đã ăn những cây rau diếp chuyển gen, trong máu cũng đã có phản ứng trả lời (Kapusta và cs 1999). Kong và cs (2001) đã chuyển gen này vào lúa mì và khoai tây, chứng minh kháng nguyên được bảo vệ tốt trong tế bào thực vật, không làm mất khả năng miễn dịch khi vào trong ống tiêu hóa. Tác giả cũng chứng minh được khi cho chuột ăn khoai tây chuyển gen HBsAg cơ thể của chúng đã đáp ứng miễn dịch sinh ra kháng thể ở phúc mạc và phát sinh ra những đáp ứng miễn dịch thứ cấp ở mức độ cao. Gao và cs (2003) đã nghiên cứu và chuyển gen HBsAg vào cây Physalis ixocarpa, đây là một loại trái cây có thể dùng ăn tươi (không bị mất tính kháng nguyên khi đun nấu) và họ đã chứng minh được mức độ biểu hiện cao của protein HBsAg trong lá (300 ng/g mô tươi), trong quả (10 ng/g mô tươi) và thử nghiệm trên động vật đã cho kết quả khả quan. Ma và cs (2003) đã tiến hành chuyển gen kháng bệnh viêm gan E (HEV) ORF2 vào cây cà chua để tạo vaccine thực phẩm phòng bệnh viêm gan E. Tác giả đã chứng minh được mức độ biểu hiện của protein tái tổ hợp của kháng nguyên phòng bệnh viêm gan E là rất cao, trong quả đạt 61,22 ng/g mô tươi, trong lá khoảng 47,9-6,37 ng/g mô tươi. Attar và cs (2004) đã tạo ra cây thuốc lá có chứa kháng nguyên bệnh viêm gan C (hepatitis C virus- HCV), gen này được phân lập từ virus bệnh khảm ở cây cỏ linh lăng (Medicago sativa) và tổng hợp lại sau đó chuyển vào vào thực vật. Trước đây, Tregoning và cs đã nghiên cứu chuyển gen phòng bệnh uốn ván vào thực vật, nhưng mức độ biểu hiện của protein kháng nguyên rất thấp. Năm 2003, nhóm tác giả này đã sử dụng phương pháp mới, chuyển gen phòng bệnh uốn ván (TetC) vào lục lạp của cây thuốc lá và đã làm tăng mức độ biểu hiện của protein kháng nguyên lên 25% TSP (Tregoning và cs 2004). Bệnh than là một bệnh nguy hiểm có nguồn gốc từ những động vật ăn cỏ, được gây ra bởi vi khuẩn Bacillus anthracis. Khi người bị nhiễm bệnh, vi khuẩn sẽ phá hủy 3 cơ quan là da, ruột và cơ quan hô hấp. Vi khuẩn than có 3 protein ngoại độc tố: kháng nguyên bảo vệ (PA, 83 kDa), nhân tố gây chết (LF, 90 kDa) và nhân tố gây phù (EF, 89 kDa). Dựa vào những đặc điểm này, Aziz và cs (2002) đã chuyển gen kháng nguyên PA vào trong hệ gen nhân của cây thuốc lá. Kim và cs (2003), đã tạo dòng cDNA -amyloid từ những người bị bệnh Alzheimer sau đó được chuyển vào khoai tây và chúng tổng hợp nên những protein kháng nguyên mã hóa từ gen -amyloid. Khandelwal và cs (2003), đã sản xuất ra hemagglutinin protein trong cây thuốc lá để sản xuất loại vaccine thực phẩm phòng bệnh do virus rinderpest gây ra ở gia súc, vaccine này đã được thử nghiệm trên chuột cho đáp ứng miễn dịch cao. Bệnh sởi là căn bệnh truyền nhiễm do virus, nguyên nhân chính là do sự lây lan của 9 Paramyxovirus trong không khí. Gần đây, các nhà khoa học đã tạo ra protein kháng nguyên bệnh sởi trong cây thuốc lá, khoai tây, lúa, rau diếp, chuối và cà rốt. Các thí nghiệm kiểm tra huyết thanh lấy từ các loại động vật ăn cây chuối chuyển gen cho thấy trong huyết thanh của chúng có chứa các sinh kháng thể hemagglutinin (Webster và cs 2002). Bệnh dịch tả lợn (PEDV- porcine epidemic diarrhea virus) đã làm chết hàng loạt đàn lợn và gây tổn thất kinh tế rất lớn, vì vậy việc phát triển vaccine phòng bệnh là rất quan trọng. Xuất phát từ những yêu cầu đó, Bae và cs (2003) đã tạo ra cây thuốc lá chuyển gen có chứa protein kháng nguyên làm trung hòa độc tố PEDV. Kết quả thử nghiệm cho lợn ăn cây chuyển gen này trong cơ thể lợn đã có phản ứng miễn dịch chống lại độc tố của mầm bệnh. Tài liệu tham khảo Arakawa T, Chong DK, Merritt JL and Langridge WH. 1997. Expression of cholera toxin B subunit oligomers in transgenic potato plants. Transgenic Research 6: 403-413. Attar AKE, Shamloul AM, Shalaby AA, Riad BY, Saad A, Mazyad HM and Keith JM. 2004. Expression of chimeric HCV peptide in transgenic tobacco plants infected with recombinant alfalfa mosaic virus for development of a plant-derived vaccine against HCV. African Journal of Biotechnology 3 (11): 588-594. Aziz MA, Singh S, Kumar PA and Bhatnagar R. 2002. Expression of protective antigen in transgenic plants: a step towards edible vaccine against anthrax. Biochemical and Biophysical Research Communications 299: 345-351. Bae JL, Lee JG., Kang TJ, Jang HS, Jang YS and Yang MS. 2003. Induction of antigen-specific systemic and mucosal immune responses by feeding animals transgenic plants expressing the antigen. Vaccine 21: 4052-4058. Daniell H, Lee SB, Panchal T and Wiebe PO. 2001a. Expression of the native cholera toxin B subunit gene and assembly as functional oligomers in transgenic tobacco chloroplasts. Journal of Molecular Biology 311: 1001-1009. Daniell H, Stephen JS and Keith W. 2001b. Medical molercular farming: production of antibodies, biopharmaceutical and edible vaccines in plants. Trends in Plant Science 6: 21226. Gao Y, Ma Y, Li M, Cheng T, Li SW, Zhang J and Xia NS. 2003. Oral immunization of animals with transgenic cherry tomatillo expressing HbsAg. World Journal of Gastroenterology 9 (5): 996-1002. Goldstein DA and Thoman JA. 2004. Biopharceutical derived from genetically modified plants. Q J Med 97: 705-716. Golds TJ, Eibl C and Koop HU. 2004. Green factory: Recombinant Protein production in chloroplast. Bioforum Europe. 32-34. Jani D, Meena LS, Rizwan UHQM, Singh Y, Sharma AK and Tyagi AK. 2002. Expression of cholera toxin B subunit in transgenic tomato plants. Transgenic Research 1: 447-454. Kang TJ, Loc NH, Jang MO and Yang MS. 2003a. Modification of the cholera toxin B subunit coding sequence to enhance expression in plants. Molecular Breeding 13: 143-153. Kang TJ, Loc NH, Jang MO and Jang YS, Kim YS, Seo JE and Yang MS. 2003b. Expression of the B subunit of E. coli heat-labile enterotoxin in the chloroplasts of plants and its characterization. Transgenic Research 12: 683-691. Kang TJ, Han SC, Kim MY, Kim YS and Yang MS. 2004. Expression of non-toxic mutant of Escherichia coli heat-labile enterotoxin in tobacco chloroplasts. Protein Expression and Purification 38: 123-128. Kapusta J, Modelska A, Figlerowicz M, Pniewski T, Letellier M, Lisowa O, Yusibov V, Koprowski H, Plucienniczak A and Legocki AB. 1999. A plant-derived edible vaccine against hepatitis B virus. The FASEB Journal 13: 1796-1799. 10 Khandelwal A, Stita L and Shaila MS. 2003. Expression of hemagglutinin protein of rinderpest virus in transgenic tobacco and immunogenicity of plant-derived protein in a mouse model. Virology 308: 207-215. Kim HS, Euym JW, Kim MS, Lee BC, Jung IM, Jeon JH and Joung H. 2003. Expression of human -amyloid peptide in transgenic potato. Plant Science 165: 1445-1451. Kim TG., Gruber A and Langridge WHR. 2004. HIV-1 gp 120 V3 cholera toxin B subunit fusion gene expression in transgenic potato. Protein Expression and Purification 37: 196-202. Kong Q, Richter L, Yang YF, Arntzen CJ, Mason HS and Thanavala Y. 2001. Oral immunization with hepatitis B surface antigen expressed in transgenic plants. Proc National Academy Sciences U S A 98 (20): 11539-11544. Lauterslager TGM, Florack DEA, Wal TJV, Molthoff JW, Langeveld JPM, Bosch D, Boersma WJA and Hilgers LAT. 2001. Oral immunisation of naive and primed animals with transgenic potato tubers expressing LT-B. Vaccine 19: 2749-2755. Lessard PA, Kulaveerasingam H, York GM, Strong A and Sinskey AJ. 2002. Manipulating gene expression for the metabolic engineering of plants. Metabolic Engineering 4: 67-79. Ma JKC, Drake PMW and Christou P. 2003. The production of recombinant pharmaceutical proteins in plant. Nature Reviews 4: 794-805. Ma Y, Lin SQ, Gao Y, Li M, Luo WX, Zhang J, Xia NS. 2003. Expression of ORF2 partial gene of hepatitis E virus in tomatoes and immunoactivity of expression products. World Journal of Gastroenterology 9 (10): 2211- 2215. Mason HS, Lam DMK and Arntzen CJ. 1992. Expresion of hepatitis B surface antigen in transgenic plants. Proc Natl Acad Sci USA 89: 1745-11749. Mason HS, Haq TA, Clements JD and Arntzen CJ. 1998. Edible vaccine protects mine against Escherichia coli heat-labile enterotoxin (LT): potatoes expressing a synthetic LT-B gene. Vaccine 16: 1336-1343. Mason HS, Warzecha H, Mor T and Arntzen CJ. 2002. Edible plant vaccines: application for prophylactic and therapeutic molecular medicine. Trends in Molecular Medicine 8: 324-329. Sala F, Rigano MM, Barbante A, Basso B, Walmsley AM and Castiglione S. 2003. Vaccine antigen production in transgenic plants: strategies, gene constructs and perspectives. Vaccine 21: 803-808. Silva JV, Garcia AB, Flores VMQ, Macedo ZS and Acosta EM. 2002. Phytosecretion of enteropathogenic Escherichia coli pilin subunit A in transgenic tobacco and its suitability for early life vaccinology. Vaccine 20: 2091-2101. Smith ML, Richter L, Arntzen CJ, Shuler ML and Mason HS. 2003. Structural characterization of plant-derived hepatitis B surface antigen employed in oral immunization studies. Vaccine 21: 4011-4021. Tacket CO and Mason HS. 1999. A review of oral vaccination with transgenic vegetables. Microbes and Infection 1: 777-783. Tacket CO. 2000. Human immune responses to novel Norwalk virus vaccine delivered in transgenic potatoes. J. Infect 182: 302-305. Tacket CO, Pasetti MF, Edelman RE, Howard JA and Streatfield S. 2004. Immunogenicity of recombinant LT-B delivered orally to humans in transgenic corn. Vaccine 73: 301-310. Thanavala J, Yang Y, Lyon P, Mason HS and Arntzen CJ. 1995. Immunogennicity of transgenic plant-derived hepatitis B surface antigen. Proc Natl Acad Sci USA 92: 3358-3361. Tregoning J, Maliga P, Dougan G and Nixon PJ. 2004. New advances in production of edible plant vaccines: chloroplast expression of a tetanus vaccine antigen, TetC. Phytochemistry 65: 989- 994. Tripurani SK, Reddy NS and Sambasiva Rao KRS. 2003. Green revolution vaccines, edible vaccines. African Journal of Biotechnology 2 (12): 679-683. Walmsley AM and Arntzen CJ. 2000. Plants for delivery of edible vaccines. Current Opinion in Biotechnology 11: 126-129. [...]... amount of bio-mass can be easily produced by cultivation in fields with relatively few inputs Vaccines and antibodies play a key role in healthcare However, the cost of production and maintaining a chain for vaccine distribution has so far hampered realizing their full potential Expression of antigens as vaccines, and of antibodies against antigens of pathogens in transgenic plants is a convenient... Rybicki E, Williamson AL, Clements JD and Rose RC 2003 Oral Immunogenicity of human papillomavirus-like particles expressed in potato American Society for Microbiology 77 (16): 8702-8711 Edible vaccines-New generation vaccines Nguyen Hoang Loc Institute of Resources, Environment and Biotechnology, Hue University SUMMARY Most of the drugs used by man, until very recently, were being derived from plants, which... their native functional forms Edible vaccine against diarrhoea, expressed in potato, and antibody against dental caries, expressed in tobacco, is already in pre-clinical human trials Attempts are being made to express many proteins of immunotherapeutic use at high levels in plants and to use them as bio-reactors of the modern era The first report on production of edible vaccine appeared in 1990 in the form... form of a patent application, the concept of edible vaccine got impetus after Arntzen and co-workers expressed hepatitis B surface antigen in tobacco in 1992 to produce immunologically active ingredient via genetic engineering of plants This generated a good deal of excitement among biotechnologists, particularly in light of the potential of edible vaccines and antibodies for immunotherapy for developing . vào thực vật với mục đích tạo ra kháng nguyên (antigent) để sản xuất các vaccine thực phẩm (edible vaccine) phòng bệnh cho người và động vật. Vaccine thực. triển vaccine thực phẩm Sản xuất vaccine thực phẩm là một kế hoạch kết hợp sự đổi mới của nền khoa học y học và công nghệ sinh học chuyển gen ở thực vật