Vai trò của công nghệ giải trình tự gen trong y học

Bộ gen người gồm 3,2 tỷ nucleotit được xếp thành 23 cặp nhiễm sắc thể và chứa khoảng 23.500 gen mã hóa protein. Mỗi gen bao gồm các đoạn mã hóa protein, được gọi là exome; các trình tự xen kẽ không mã hóa được gọi là intron; và các vùng điều hòa trên mỗi đầu của gen.

Có khoảng 180.000 exome (chiếm khoảng 1% bộ gen) nên kích thước của exome là khoảng 30 triệu nucleotide; do đó, khoảng 99% bộ gen người không mã hóa protein. Tuy nhiên, những vùng exome có các chức năng sinh học có thể ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen và có liên quan đến các biến dị di truyền gây bệnh ở người. Trong khoa học y tế, giải trình tự gen được tập trung chủ yếu trên các đoạn exome để xác định các gen chịu trách nhiệm cho các rối loạn di truyền. Bộ gen người gồm 3,2 tỷ nucleotit

Giải trình tự toàn bộ hệ gene (WGS): phân tích toàn bộ 3.2 tỉ nucleotit trong bộ gen người, bao gồm vùng mã hóa (exome – của khoảng 23.500) và vùng không mã hóa (intron).

Giải trình tự toàn bộ vùng mã hóa (WES): công nghệ này chỉ tập trung phân tích vùng mã hóa protein (exome) của khoảng 23.500 gen. Mặc dù chỉ chiếm khoảng 1% kích thước của toàn bộ bộ gen, nhưng hơn 85% các đột biến gây bệnh lại xảy ra ở vùng mã hóa. So với WGS, WES là phương pháp được ứng dụng nhiều trong y học nhờ hiệu quả cũng như tiết kiệm chi phí hơn.

Công nghệ giải trình tự gene (WGS)

Giải trình tự toàn bộ hệ gene (Whole geneome sequencing – WGS) và giải trình tự toàn bộ vùng mã hóa (Whole exome sequencing – WES) cho phép tìm kiếm và xác định các biến dị di truyền … có trong cá thể, quần thể đối với những loài đã có hệ gene tham chiếu. Việc tìm ra các biến dị di truyền giúp phát hiện các biến thể gây bệnh di truyền đã biết, từ đó tiến hành sàng lọc các bệnh như ung thư, chẩn đoán nguy cơ mắc bệnh … hay định hướng phương pháp điều trị phù hợp cho người bệnh.

Sự sao chép của bộ gen thực chất không toàn hoàn hoàn hảo. Sự sai khác nhỏ trong quá trình nhân đôi của DNA tạo thành khoảng 30 biến thể mới ở mỗi đời con (được gọi là biến thể de novo vì chúng không có trong bộ gen của bố mẹ). Sự ra đời của các biến thể mới trong trình tự DNA (DSV) trong suốt quá trình tiến hóa của loài người cùng sự gia tăng nhanh chóng của dân số đã tạo ra 1 lượng rất lớn DSV trong hệ gen của quần thể người. Do đó, phần lớn các DSV trong hệ gen của quần thể người là tương đối mới.

• Biến thể nucleotit đơn (SNV): là sự thay thế một nucleotide đơn lẻ cho một nucleotide khác
• Đa hình đơn nucleotit (SNP): là một trong những loại biến thể di truyền phổ biến nhất trong bộ gen của con người
• Indels – các biến thể chèn hoặc xóa các đoạn nhỏ của AND (thường ít hơn 50 cặp bazo) được xem là biến thể phong phú thứ 2 trong hệ gen
• Biến thể cấu trúc (SV): các biến thể sao chép, xóa bỏ, đảo đoạn và sắp xếp lại trình tự gen của hệ gen
• Biến thể nucleotit đơn không đồng nghĩa (nsSNV): ảnh hưởng đến trình tự axit amin của các protein được mã hóa
• Biến thể mất chức năng (LoF): những biến thể vô hiệu hóa chức năng của các protein được mã hóa

Một số các biến dị gây bệnh được WES xác định có thể phân thành các loại như sau:

• Biến thể khác biệt trong gia đình: có lẽ thông tin có giá trị nhất là sự phân biệt của các biến thể với sự di truyền của kiểu hình trong các gia đình
• nsSNV: bằng cách thay đổi trình tự axit amin trong protein, các nsSNV có nhiều khả năng gây bệnh hơn các biến thể đồng nghĩa. Phần lớn trong số 13.500 nsSNV trong mỗi exome không có khả năng gây bệnh.
• Biến thể dạng hiếm: các biến thể hiếm có nhiều khả năng gây bệnh hơn các biến thể thông thường
• Biến thể LoF: dẫn đến việc làm giảm số lượng protein được mã hóa, chẳng hạn như đột biến codon dừng và các biến thể lệch khung, là những biến thể thường gây bệnh mạnh hơn.
• Biến thể De novo: Các biến thể hiện diện trong các nhóm bị ảnh hưởng nhưng không có ở các cặp bố mẹ khỏe mạnh
• Biến thể hiếm về chức năng liên quan đến cơ chế bệnh sinh: hiếm gặp trong các gen gốc đã biết.
• Các biến thể phổ biến và không phổ biến: tác động trên lâm sàng của các biến thể này tương đối khiêm tốn.

• Các biến dị gây bệnh. Những biến thể này rất hiếm trong mỗi bộ gen và thường là nguyên nhân gây ra các bệnh đơn gen. Việc xác định các biến thể này thông qua WES có ảnh hưởng quan trọng đến việc chăm sóc cho cá nhân và gia đình của người mang các biến dị trên
• Các biến dị có khả năng gây bệnh. Các biến thể này thường là các biến thể mất chức năng (LoF) hiếm gặp không có trong dân số chung. Các biến thể này có tầm ảnh hưởng lớn thứ hai đến kiểu hình.
• Các biến dị liên quan đến bệnh tật. Các biến thể này có tác động lâm sàng tương đối khiêm tốn.
• Các biến dị chức năng không liên quan đến một bệnh. Những biến thể này ảnh hưởng đến chức năng gen và protein được mã hóa nhưng không liên quan đến kiểu hình bị bệnh.
• Biến dị không rõ chức năng sinh học. Những biến thể này thường không gây bệnh.

WES mang lại cơ hội xác định phần lớn DSV trong exome và đang ngày càng được ứng dụng trong y tế. Việc áp dụng dữ liệu WES vào thực hành lâm sàng đòi hỏi kiến ​​thức chuyên sâu về di truyền y học cũng như y học lâm sàng. Hiện nay, các biến thể gây bệnh và các biến thể có khả năng gây bệnh rất được quan tâm. Tác động lâm sàng của các biến thể liên quan đến bệnh là không đáng kể. Hai loại còn lại (các biến dị chức năng không liên quan đến bệnh và biến dị không rõ chức năng), về mặt sinh học có thể không quan trọng, hiện không có ý nghĩa lâm sàng trực tiếp. Sau khi nắm được thông tin của những người mang biến thể nguy cơ, việc sàng lọc các thành viên trong gia đình cần được thực hiện để góp phần can thiệp và chăm sóc sức khỏe được tốt hơn.

Nguồn: Trung tâm Thông tin Công nghệ sinh học Quốc gia (Hoa Kỳ)

Người dịch: Lư Nguyễn Cẩm San