Tạo ra bò và cừu biến đổi gen từ tế bào gốc đơn bội

Các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo thành công tế bào gốc đơn bội (chỉ mang bộ gen của bố) ở bò và cừu, đồng thời phát triển một phương pháp mới để tạo ra thế hệ con cái từ những tế bào này. Đây được coi là một bước tiến đột phá của công nghệ sinh học chăn nuôi và kỹ thuật di truyền (mặc dù trước đây đã thực hiện trên chuột), mở ra những hướng đi mới trong chỉnh sửa bộ gen ở vật nuôi có giá trị kinh tế và sinh thái.

1. Tiền đề từ nghiên cứu trên chuột năm 2012

Cách đây 13 năm, các nhà khoa học Trung Quốc đã phân lập được tế bào gốc sinh dục đực đơn bội (haploid androgenetic stem cell – haSC) ở chuột bằng cách chuyển nhân tinh trùng vào tế bào trứng đã loại bỏ nhân để tạo nên phôi, sau đó tách tế bào gốc từ phần nút phôi (inner cell mass) của túi phôi (blastocyst) tương tự như tách tế bào gốc phôi chuột. Những tế bào này chỉ chứa bộ nhiễm sắc thể đơn bội từ cơ thể bố, trở thành công cụ có giá trị trong nghiên cứu chức năng gen, đặc biệt là gen lặn. Ngoài ra, do chứa bộ nhiễm sắc thể đơn bội, haSC có thể chỉnh sửa gen dễ dàng hơn tế bào gốc lưỡng bội, nên được coi là công cụ hữu hiệu để tạo động vật biến đổi gen.

Bằng cách tiêm haCS vào trứng, tương tự như kỹ thuật tiêm tinh trùng vào bào tương của trứng (Intracytoplasmic sperm injection – ICSI) trong hỗ trợ sinh sản, nhóm nghiên cứu đã tạo ra những con chuột bình thường, mang lại tiềm năng lớn trong nghiên cứu, cũng như ứng dụng để tạo động vật chuyển gen. Phương pháp này có ưu điểm rất lớn khi đạt hiệu quả cao hơn nhiều so với cấy chuyển nhân hay các phương pháp nhân giống phức tạp.

2. Tạo bò và cừu biến đổi gen từ tế bào gốc đơn bội

Mặc dù vậy, suốt thời gian qua, việc phân lập haSC ở các loài nhai lại như bò và cừu đã không thành công, chủ yếu do chưa tìm được công thức môi trường nuôi cấy để duy trì trạng thái tế bào gốc của chúng. Gần đây, nhóm nghiên cứu này đã phát triển công thức môi trường tái tổ hợp gọi là FACE, và sử dụng môi trường này để phân lập thành công haSC ở bò và cừu. Tương tự haSC ở chuột, haSC thu được từ bò và cừu đều thể hiện các đặc điểm đa tiềm năng giống tế bào gốc phôi, bao gồm khả năng biệt hóa in vitro thành các loại tế bào có nguồn gốc từ cả ba lá phôi, tạo thể phôi in vitro, tạo u quái in vivo,

Sử dụng phương pháp tương tự trên chuột, các nhà khoa học đã tiêm haSC vào bào tương trứng (intracytoplasmic haES cell injection – iCHI), trong đó haSC có khả năng thụ tinh với nhân của trứng để tạo thành phôi. Đáng tiếc rằng tất cả các phôi này đều không phát triển được sau khi cấy vào tử cung của động vật mang thai hộ. Nhằm nâng cao khả năng phát triển của phôi iCHI, nhóm nghiên cứu đã biểu hiện protein có tên protamine (là protein biểu hiện trong quá trình sinh tinh, đóng gói DNA chặt chẽ trong nhân tinh trùng), nhờ đó haSC tạo nên cấu trúc nhân giống tinh trùng, mô phỏng hình thái tự nhiên của giao tử đực khi thụ tinh. Nhờ vậy, kỹ thuật tiêm haSC biểu hiện protamine vào bào tương trứng (Pro-iCHI) đã cải thiện đáng kể khả năng phát triển của phôi, với những con non đạt đủ tháng trong bụng mẹ và được sinh ra ngoài. Pro-iCHI đã đánh dấu một kỹ thuật tiên phong kết hợp sinh học tế bào gốc với công nghệ sinh sản, tăng cường khả năng sống của phôi có nguồn gốc từ tế bào gốc đơn bội.

Nhờ lợi thế có bộ nhiễm sắc thể đơn bội, haSC dễ chỉnh sửa gen hơn các tế bào lưỡng bội, rất có ý nghĩa đối với tạo động vật chuyển gen mang những lợi thế trong nông nghiệp. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công cụ CRISPR để chỉnh sửa một gen của haSC một cách chính xác, hiệu quả, linh hoạt và an toàn, sau đó biến đổi haSC thành dạng giống tinh trùng và thực hiện Pro-iCHI. Sự kết hợp này đã tạo ra được bò và cừu cải biến di truyền mang gen được chỉnh sửa chính xác, giúp đẩy lùi những nhược điểm của phương pháp tạo động vật chuyển gen truyền thống.

3. Ý nghĩa của việc tạo ra bò và cừu biến đổi gen từ tế bào gốc đơn bội

Việc tạo ra vật nuôi cải biến di truyền có ý nghĩa sâu sắc với nông nghiệp và y sinh học. Động vật biến đổi gen có thể được tăng cường khả năng kháng bệnh, cải thiện năng suất, hoặc cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu y sinh học, bao gồm cấy ghép dị loài và nghiên cứu bệnh học ở người.

Ngoài ý nghĩa thực tiễn, nghiên cứu này đã làm sáng tỏ một số vấn đề về sinh học phát triển và di truyền ở động vật nhai lại, khác với các loài gặm nhấm. Sự biểu hiện protamine làm tăng hiệu quả thụ tinh và phát triển phôi cũng có ý nghĩa lớn trong nghiên cứu sinh học phát triển, cũng như ứng dụng trong nhân giống và bảo tồn động vật ở các loài. Sự kết hợp giữa công nghệ tế bào gốc, kỹ thuật hỗ trợ sinh sản và thao tác di truyền minh họa việc phối hợp đa ngành mang lại những thành tựu đột phá trong khoa học hiện đại.

Bên cạnh những thành công đó, báo cáo này cũng vạch ra những hướng đi tương lai. Cần có thêm những nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu quả của Pro-iCHI (hiện tại, khoảng một nửa số phôi ở bò và toàn bộ phôi cừu đều không phát triển hoặc chết lưu), cũng như theo dõi về đặc điểm sức khỏe và khả năng sinh sản của động vật có nguồn gốc từ Pro-iCHI. Việc chỉnh sửa gen ở vật nuôi sẽ cần chú ý các khuôn khổ đạo đức và pháp lý ở từng quốc gia trước khi chuyển sang các ứng dụng thương mại và lâm sàng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Yang L., et al. (2025). Generation of modified cows and sheep from spermatid-like haploid embryonic stem cells. Nature Biotechnology. DOI: https://doi.org/10.1038/s41587-025-02832-4
2. Li W., et al. (2012). Androgenetic haploid embryonic stem cells produce live transgenic mice. Nature, 490(7420), 407-411. DOI: https://doi.org/10.1038/nature11435
3. Yang H., et al. (2012). Generation of genetically modified mice by oocyte injection of androgenetic haploid embryonic stem cells. Cell, 149(3), 605-617. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2012.04.002