Lai so sánh bộ gen aCGH

Giới thiệu

Lai so sánh bộ gen (array Comparative Genomic Hybridization – aCGH) là kĩ thuật xét nghiệm phân tử nhằm xác định số lượng bản sao của các đoạn ADN mục tiêu trên toàn bộ gen. Trong đó, bộ gen mẫu được đánh dấu so với bộ gen cần xét nghiệm bằng các tín hiệu huỳnh quang khác nhau. Tiếp theo, chúng được lai với cùng đầu dò ADN để tìm ra những bất thường trên bộ gen của bệnh nhân.

Các phương pháp phân tích nhiễm sắc thể truyền thống như quan sát bằng kính hiển vi hay lập nhiễm sắc thể đồ không thể phát hiện những đột biến có kích thước nhỏ. Do đó, công nghệ lai so sánh bộ gen có thể được sử dụng nhằm tìm ra các đột biến nhỏ này.

Nguyên lí hoạt động

Công nghệ lai so sánh bộ gen hoạt động dựa trên liên kết đặc hiệu giữa một số vùng trên bộ gen với đầu dò. Người ta đánh dấu huỳnh quang khác nhau cho ADN bộ gen tham chiếu (ADN bình thường) và ADN của người bệnh, sau đó lai chúng với đầu dò mục tiêu được trải trên một mặt kính. Sau bước rửa, mặt kính giữ lại những đoạn ADN có thể liên kết đặc hiệu với đầu dò. Lúc này, người ta phân tích và so sánh tín hiệu huỳnh quang của hai mẫu ADN nhằm xác định những bất thường trên bộ gen của bệnh nhân so với bộ gen mẫu.

Đầu dò là phân tử ADN có khả năng liên kết đặc hiệu với một vùng cụ thể trên bộ gen. Chúng là đoạn oligonucleotide ngắn chứa khoảng 25–85 cặp base. Mặt khác, đầu dò có thể là sản phẩm tạo dòng trên nhiễm sắc thể vi khuẩn nhân tạo với kích thước 80.000–200.000 cặp base.

Độ phân giải của kĩ thuật này phụ thuộc kích thước đầu dò và khoảng cách giữa chúng. Ví dụ, xét nghiệm sử dụng các đầu dò kích thước ngắn và gần nhau sẽ cho độ phân giải tốt hơn.

Quy trình thực hiện

Bước 1. Thiết kế và trải đầu dò

Trong mỗi xét nghiệm, người ta có thể thiết kế nhiều loại đầu dò khác nhau và xếp chúng vào các ô trên mặt kính theo trình tự xác định.

Một số loại đầu dò phổ biến trong kĩ thuật lai so sánh bộ gen bao gồm:

• Đầu dò tạo khung sườn bao quanh bộ gen
• Đầu dò liên kết với vùng chứa nhiều gen
• Đầu dò liên kết với gen liên quan đến bệnh lí hay hội chứng
• Đầu dò liên kết với gen cần nghiên cứu

Bước 2. Thu mẫu

Thu mẫu mô hoặc tế bào từ máu, nước bọt, da của người cần xét nghiệm.

Bước 3. Tách chiết ADN

Tách chiết ADN từ mẫu mô hoặc tế bào, sau đó đánh giá nồng độ ADN bằng máy đo quang phổ, đồng thời sử dụng phương pháp điện di nhằm đảm bảo mẫu ADN có khối lượng phân tử cao và không bị phân huỷ.

Bước 4. Đánh dấu huỳnh quang

Cắt mẫu ADN thành nhiều đoạn nhỏ và đánh dấu chúng bằng phân tử phát huỳnh quang. Thông thường, mẫu ADN bình thường được đánh dấu màu đỏ và mẫu của bệnh nhân được đánh dấu màu xanh hoặc ngược lại.

Bước 5. Lai hoá

Trộn mẫu ADN bình thường và mẫu ADN bệnh phẩm, sau đó lai chúng với đầu dò trên mặt kính. Rửa mặt kính nhằm loại bỏ những đoạn ADN không liên kết đặc hiệu với đầu dò.

Bước 6. Đọc kết quả

Sau khi rửa, những phân tử ADN còn lại trên mặt kính phát tín hiệu huỳnh quang. Người ta ghi nhận tín hiệu này bằng hệ thống chụp ảnh điện tử và sử dụng phần mềm máy tính nhằm định lượng cường độ huỳnh quang trong mẫu.

Tỉ lệ tín hiệu huỳnh quang giữa mẫu xét nghiệm và tham chiếu tại nhiều vị trí khác nhau trên bộ gen cung cấp thông tin về số lượng bản sao của đoạn trình tự đó của người bệnh so với người bình thường.

Nếu ADN bình thường được đánh dấu bằng huỳnh quang màu đỏ và ADN của người bệnh được đánh dấu bằng huỳnh quang màu xanh, kết quả thể hiện qua tín hiệu màu sắc như sau.

• Vàng: lượng ADN của bệnh nhân và mẫu tham chiếu tương đương nhau
• Đỏ: lượng ADN tham chiếu nhiều hơn, cho thấy người bệnh có đột biến mất đoạn
• Xanh: lượng ADN của bệnh nhân nhiều hơn do đột biến lặp đoạn

Trường hợp hai mẫu ADN được đánh dấu huỳnh quang ngược lại, kết quả màu đỏ là dấu hiệu của đột biến lặp đoạn trong khi màu xanh là mất đoạn.

Ảnh: Đột biến mất đoạn nhiễm sắc thể
Nguồn: U.S. National Library of Medicine

Ảnh: Lặp đoạn nhiễm sắc thể
Nguồn: U.S. National Library of Medicine

Ứng dụng lai so sánh bộ gen

Nghiên cứu di truyền người

Công nghệ lai so sánh bộ gen thúc đẩy các nghiên cứu trong lĩnh vực di truyền người, qua đó mang lại những hiểu biết mới về cấu trúc và chức năng của ADN như:

• Cấu hình nhiễm sắc thể
• Biến đổi di truyền biểu sinh (methyl hoá ADN , acetyl hoá histone)
• Bất hoạt gen
• Thời gian sao chép ADN

Kĩ thuật này cũng được ứng dụng để xác định những vùng gen tiềm năng liên quan đến bệnh di truyền hay đột biến de novo liên quan đến một số hội chứng mới. Ngoài ra, lai so sánh bộ gen cũng nắm vai trò thiết yếu trong các nghiên cứu về ung thư. Kĩ thuật này xác định những dấu hiệu tiên lượng, qua đó hỗ trợ quá trình điều trị.

Ảnh: Methyl hóa ADN
Nguồn: nugenis.eu

Ảnh: Quá trình sao chép ADN
Nguồn: Designua/Shutterstock.com

Chẩn đoán trước sinh

Phương pháp phân tích nhiễm sắc thể của thai nhi bằng cách nhuộm băng G có nhiều hạn chế như quá trình nuôi cấy tế bào, xác định thời gian nuôi cấy khó khăn cũng như hình thái nhiễm sắc thể có độ phân giải thấp, kém chất lượng. Ngược lại, lai so sánh bộ gen có thể sử dụng ADN bộ gen thu nhận từ tế bào nhung mao màng đệm hoặc màng ối không nuôi cấy. Ngoài ra, kĩ thuật này có thể xác định những đột biến nhỏ mà phương pháp truyền thống không thể phát hiện.

Tuy nhiên, lai so sánh bộ gen không thể chẩn đoán đột biến chuyển đoạn cân bằng hay đa bội. Nếu thai phụ nhận kết quả lai so sánh bộ gen bình thường nhưng hình ảnh siêu âm bất thường, bác sĩ có thể chỉ định các xét nghiệm phân tích nhiễm sắc thể khác.

Chẩn đoán ung thư

Phương pháp lai so sánh bộ gen có thể cung cấp nhiều thông tin quan trọng về vị trí các gen liên quan đến chẩn đoán, phân loại và tiên lượng ung thư.

Một số dấu hiệu để nhận biết những gen liên quan đến ung thư bao gồm:

• Đoạn gen được sao chép nhiều lần
• Mất đoạn gen ức chế khối u trên cả hai nhiễm sắc thể tương đồng
• Mất đoạn hoặc chuyển đoạn gen tiền ung thư

Chẩn đoán thiểu năng trí tuệ và chậm phát triển

Theo thống kê, trên toàn thế giới ước tính có khoảng 1–3% người mắc chứng thiểu năng trí tuệ, tuy nhiên, hơn một nửa trường hợp trong số đó không rõ nguyên nhân. Lai so sánh bộ gen có thể chẩn đoán thiểu năng trí tuệ và chậm phát triển chính xác hơn phương pháp phân tích nhiễm sắc thể hay lai huỳnh quang tại chỗ.

Chẩn đoán tự kỉ

Tự kỉ là bệnh di truyền phổ biến. Bệnh ảnh hưởng đến quá trình phát triển thần kinh, dẫn đến các vấn đề ngôn ngữ, hành vi và khả năng chuyển động. Kĩ thuật lai so sánh bộ gen có khả năng chẩn đoán tự kỉ hiệu quả, đồng thời góp phần tìm ra những gen mới liên quan đến tự kỉ. Gần đây, người ta ghi nhận nhiều đột biến mất đoạn và lặp đoạn de novo quan trọng liên quan đến tự kỉ dựa trên kĩ thuật lai so sánh bộ gen.

Chẩn đoán dị tật bẩm sinh

Đột biến nhiễm sắc thể là nguyên nhân chính gây ra nhiều dị tật bẩm sinh. Trong số các phương pháp chẩn đoán hiện nay, lai so sánh bộ gen có thể phát hiện đột biến nhiễm sắc thể với độ nhạy cao nhất đối với bệnh nhân có đặc điểm khuôn mặt dị biệt hay dị tật cơ thể bẩm sinh.

Ưu điểm của lai so sánh bộ gen

Một trong những ưu điểm nổi bật của lai so sánh bộ gen so với những phương pháp khác là khả năng phát hiện đồng thời nhiều dạng đột biến khác nhau như lệch bội, mất đoạn và lặp đoạn trên toàn bộ gen với độ chính xác cao.

Hơn nữa, phương pháp này còn xác định được một số đột biến nhiễm sắc thể nhỏ đối với bệnh nhân mắc chứng thiểu năng trí tuệ hay các bệnh lí bẩm sinh không rõ nguyên nhân. Lai so sánh bộ gen có thể chẩn đoán 10–20% trường hợp mắc bệnh trong khi khả năng chẩn đoán của những phương pháp khác khoảng 3–5%.

Hạn chế của lai so sánh bộ gen

Kĩ thuật lai so sánh bộ gen không thể phát hiện những bất thường sau:

• Đột biến chuyển đoạn cân bằng
• Đột biến đảo đoạn
• Vị trí và cấu trúc đột biến
• Mất đoạn, lặp đoạn exon trong gen
• Đột biến khảm
• Đột biến tam bội
• Di truyền đơn gen
• Mất đoạn trung tính
• Mất một allele nhưng số lượng bản sao gen không đổi

Trong những trường hợp này, bệnh nhân cần thực hiện thêm một số xét nghiệm khác như lập nhiễm sắc thể đồ, lai huỳnh quang tại chỗ, khuếch đại đa trình tự bằng nhiều đoạn dò hay PCR huỳnh quang định lượng để kết quả chẩn đoán chính xác hơn.

Ảnh: Đảo đoạn nhiễm sắc thể
Nguồn: U.S. National Library of Medicine

Ảnh: Khảm nhiễm sắc thể
Nguồn: U.S. National Library of Medicine

Lời kết

Lai so sánh bộ gen được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu ung thư, gen gây bệnh, biến đổi di truyền biểu sinh và cấu trúc nhiễm sắc thể. Mặt khác, kĩ thuật này có thể phát hiện những đột biến mới liên quan đến thiểu năng trí tuệ, tự kỉ hay các dị tật bẩm sinh hiệu quả hơn so với những phương pháp truyền thống. Tuy còn tồn tại một số hạn chế, kĩ thuật lai so sánh bộ gen đang được cải tiến để có thể ứng dụng vào nhiều nghiên cứu và quy trình chẩn đoán lâm sàng trong tương lai.