Giải trình tự DNA thế hệ mới và các ứng dụng trong y tế, sức khoẻ

“Hiện nay, công nghệ giải trình tự gen đang được ứng dụng nhiều ở lĩnh vực chẩn đoán, tầm soát và chữa trị bệnh. Các thai phụ có thể làm những chẩn đoán trước sinh nhanh và chính xác mà không cần phải chịu những rủi ro và nguy hiểm do chọc ối. Các bệnh di truyền có thể được phát hiện sớm hơn. Trong điều trị, trình tự DNA của bệnh nhân có thể giúp các bác sỹ điều chỉnh phác đồ điều trị phù hợp và hiệu quả hơn. Tất cả những điều này có được là nhờ vào những tiến bộ của công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới với thời gian và chi phí ngày càng giảm”

Giải trình tự DNA có thể được sử dụng để xác định trình tự của các gen riêng lẻ, các vùng di truyền lớn hơn (tức là các cụm gen hoặc operon), nhiễm sắc thể đầy đủ hoặc toàn bộ bộ gen của bất kỳ sinh vật nào. Giải trình tự DNA cũng là cách hiệu quả nhất để giải trình tự gián tiếp RNA hoặc protein (thông qua khung đọc mở của chúng). Trên thực tế, giải trình tự DNA đã trở thành một công nghệ then chốt trong nhiều lĩnh vực sinh học và các ngành khoa học khác như y học, pháp y và nhân chủng học.

Giải trình tự gen thế hệ mới (next genration sequencing – NGS) là tên gọi cho phương pháp giải trình tự để phân biệt với phương pháp giải trình tự thế hệ đầu tiên do Frederick Sanger phát triển vào năm 1977. Vào thời điểm đó, phương pháp Sanger không phải là duy nhất, nhưng hiệu quả và dễ sử dụng hơn cả, nên rất được ưa chuộng. Trong suốt 25 năm sau đó, phương pháp này liên tiếp được cải tiến và tự động hoá để chế tạo thành máy giải trình tự (sequencer) thế hệ đầu tiên và đóng vai trò chủ đạo trong dự án giải trình tự bộ gen người đã được công bố vào năm 2001.

Để hình dung sự khác nhau cơ bản trong nguyên tắc của hai phương pháp giải trình tự gen thế hệ mới và thế hệ đầu tiên, chúng ta hãy nhớ lại một chút về hình dạng của phân tử DNA. Nếu được phóng đại lên, sợi DNA có hình dạng giống sợi mì (hình 1), nhưng thay vì được cấu thành từ các đơn phân là glucose như sợi mì, thì sợi DNA này được kết nối bởi hàng triệu phân tử nucleotide gọi tắt là A, T, C, G (mỗi chữ cái tương ứng với một trình tự).

Giải trình tự gen là đi tìm thứ tự đúng của từng phân tử A, T, C, G trên một gen nhỏ hoặc trong toàn bộ gen của sinh vật. Mỗi tế bào người (thường) có 46 “sợi mì” DNA khổng lồ (tức là các nhiễm sắc thể). Lấy ví dụ một sợi mì nhỏ nhất của người là nhiễm sắc thể thứ 21, có khoảng 50 triệu trình tự. Trong khi đó, các phương pháp hiện nay chỉ giải được cho một cọng mì nhỏ xíu có chiều dài khoảng 500-2.000 trình tự mà thôi. Như vậy, người ta phải cắt nhỏ sợi mì thứ 21 ra thành 20.000-100.000 cọng mì nhỏ để giải (con số có tính chất ước lượng, trên thực tế có thể nhiều hơn vì các cọng mì bị cắt ra có thể chồng lên nhau và phải được giải nhiều lần để tăng độ chính xác), rồi ráp nối kết quả lại với nhau. Mỗi lần giải với phương pháp Sanger thường chỉ giải 1 cọng mì nhỏ, nên chi phí khá cao và hiệu quả thấp. Ngược lại, phương pháp NGS cho phép xử lý hàng triệu cọng mì nhỏ cùng một lúc, kết quả được ghi chép và lưu trữ dưới dạng dữ liệu tin học. Vì vậy, hai điểm mạnh của NGS là rút ngắn thời gian và giảm chi phí. Nếu lấy trên đơn vị là 1 triệu trình tự, thì phương pháp Sanger sẽ tốn tới 2.400 USD, trong khi phương pháp NGS chỉ tốn 0,05- 0,15 USD. Với giá thành thấp như vậy, người ta có thể giải với số lượng nhiều và thu được lượng dữ liệu rất lớn. Nhưng từ kho dữ liệu này đến kết quả đáng tin cậy để gửi trả cho khách hàng là một đoạn đường dài, đòi hỏi các phương pháp tính toán từ sinh – tin học và xác suất thống kê hợp lý. Vì vậy, ngoài máy móc và công nghệ, thì quan trọng là người phân tích cần có hiểu biết trong cả 3 lĩnh vực: sinh học, tin học và tiến hoá phân tử.

Với cách thiết kế đa dạng và linh động, phương pháp giải trình tự thế hệ mới có thể được biến đổi để phù hợp cho nhiều mục đích khác nhau. Trong ứng dụng, có 3 quy trình phổ biến nhất:

• Giải trình tự cả bộ gen: là xác định trình tự cho cả bộ gen của sinh vật, trong đó có con người. Mặc dù công nghệ hiện nay tiến bộ như vậy, nhưng vẫn chưa có bộ gen của động vật có vú nào, kể cả con người được giải mã hoàn toàn. Mặc dù vẫn còn nhiều hạn chế và thách thức khi ứng dụng rộng rãi, nhưng quy trình này đã tìm ra được các vị trí trong bộ gen liên quan đến nhiều loại bệnh như tự kỷ, xơ cứng teo một bên,rối loạn trương lực (dystonia)…
• Giải toàn bộ exon: exon chỉ chiếm 1% của bộ gen nhưng chứa thông tin trực tiếp mã hoá cho các protein thực hiện chức năng trong cơ thể. Vì vậy, những thay đổi trình tự của exon có thể liên quan trực tiếp đến bệnh tật hay tình trạng sức khoẻ của con người. Quy trình này đã được thương mại hoá nên dễ thực hiện và khá phổ biến.
• Giải một/vài gen cụ thể: là xác định trình tự của một/vài gen có liên quan đến một loại bệnh nào đó, ví dụ nhóm các gen liên quan đến hội chứng ung thư di truyền. Vì số lượng ít và mục tiêu rõ ràng, nên kết quả và độ chính xác của việc giải trình tự này sẽ cao hơn, còn chi phí sẽ thấp hơn.

Có thể thấy, giải trình tự DNA hỗ trợ rất nhiều cho y tế, nghiên cứu… và hiện nay không khó để một cá nhân có thể tiếp cận công nghệ giải trình tự . Việc ứng dụng rộng rãi kỹ thuật giải trình tự gây ra những tranh luận. Các vấn đề đạo đức cũng được đặt ra do việc sử dụng ngày càng nhiều việc sàng lọc biến thể di truyền, cả ở trẻ sơ sinh và người lớn. Nhiều quan điểm cho rằng việc sàng lọc các biến thể di truyền là có hại và không cần thiết bởi nó làm tăng sự lo lắng ở những người được phát hiện có nguy cơ mắc bệnh, trong khi vẫn còn rất nhiều yếu tố có thể tác động đến khả năng phát bệnh và người không mang gen nguy cơ vẫn có thể mắc bệnh.Thêm vào đó, hiểu biết quá rõ về gen gây ra những lo ngại rằng con người đang can thiệp quá nhiều vào sự sống, cản trở quá trình sàng lọc tự nhiên.

Nguồn:

Nguyễn Thị Kim Vy,”Giải trình tự DNA thế hệ mới và các ứng dụng trong y tế, sức khoẻ”, Tạp chí khoa học và cộng nghệ Việt Nam , số 10, 2018,

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4391380/.

 https://www.statnews.com/2017 /06/20/human-genome-not-fullysequenced/

https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_sequencing.

https://en.wikipedia.org/wiki/ Whole_genome_sequencing.