Transcriptome và transcriptomics là gì?
Quá trình biểu hiện gen bao gồm hai bước chính:
- Phiên mã: trình tự ADN (A, T, G, C) chuyển thành trình tự mARN (A, U, G, C)
- Dịch mã: trình tự ARN chuyển thành axit amin tạo nên protein
Phần lớn tế bào trong cơ thể có cùng bộ gen nhưng các gen trong mỗi tế bào hoạt động khác nhau. Ngoài ra, số lượng bản sao gen giữa người bình thường và người mang bệnh lí có thể bằng nhau nhưng chúng có mức độ biểu hiện khác biệt. Vì vậy, trong một số trường hợp, kĩ thuật phân tích ADN không phản ánh đúng nguyên nhân hay nguy cơ mắc bệnh. Thay vào đó, thông tin về mARN như vị trí, số lượng và thời điểm xuất hiện có thể giúp bác sĩ chẩn đoán chính xác hơn về những thay đổi trong cơ thể.
Bên cạnh mARN mang thông tin di truyền, tế bào còn chứa nhiều dạng ARN khác tham gia kiểm soát quá trình biểu hiện gen.
Những loại ARN giữ vai trò điều hoà biểu hiện gen bao gồm:
- ARN dài không mã hoá (long non-coding RNA – lncARN)
- ARN nhỏ (microRNA – miARN)
- ARN vận chuyển (transfer RNA – tARN)
- ARN ribosome (ribosomal RNA – rARN)
- ARN nhỏ trong nhân (small nuclear RNA – snARN)
- ARN nhỏ trong hạch nhân (small nucleolar RNA – snoARN)
- ARN can thiệp ngắn (short interfering RNA – siARN)
- ARN tương tác với protein PIWI (PIWI-interacting RNA – piARN)
Hệ phiên mã học hay hệ ARN học (transcriptomics) là hướng nghiên cứu tập trung vào transcriptome—toàn bộ phân tử ARN hiện diện trong một hay một nhóm tế bào tại thời điểm cụ thể. Phần lớn các đường tín hiệu trong tế bào đều liên quan đến quá trình phiên mã. Những bất thường trong hoạt động điều hoà phiên mã thường dẫn đến nhiều bệnh lí như ung thư, bệnh tự miễn, rối loạn phát triển và hệ thần kinh, bệnh lí về chuyển hoá và tim mạch,…
Hiện nay, người ta tập trung nghiên cứu ARN và quá trình phiên mã nhằm tìm ra những kiến thức mới về cơ chế gây bệnh cũng như cải thiện các phương pháp chẩn đoán và điều trị.
Nguồn: MDPI
Các phương pháp nghiên cứu transcriptome
Trước đây, người ta sử dụng kỹ thuật Northern blotting—phân tách các phân tử ARN trên gel điện di dựa trên khác biệt về kích thước và lai chúng với đầu dò được đánh dấu—nhằm phát hiện ARN mục tiêu. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nhiều thời gian và chỉ có thể phân tích một lượng nhỏ ARN.
Hiện nay, các công nghệ phân tích transcriptome hiệu quả đã được phát triển.
Công nghệ vi mảng (microarray)
Microarray sử dụng các tấm kính nhỏ chứa đầu dò ADN mang trình tự bổ sung với ARN mục tiêu. Sau khi ARN được tách chiết từ mẫu phân tích, người ta thực hiện phản ứng phiên mã ngược nhằm chuyển trình tự ARN thành ADN bổ sung (complementary DNA – cADN), đánh dấu huỳnh quang cADN và lai chúng với đầu dò trên kính.
Thông thường, các tín hiệu được ghi nhận như sau:
- Đỏ: cADN chỉ xuất hiện trong tế bào mang bệnh lí
- Xanh: cADN chỉ xuất hiện trong tế bào bình thường
- Vàng: cADN hiện diện trong cả hai loại tế bào
Microarray thường được ứng dụng trong nghiên cứu mARN khối u nhằm xác định các gen liên quan đến cơ chế gây bệnh cũng như tìm ra những dấu ấn sinh học của khối u.
Nguồn: BiteSizeBio
Phản ứng chuỗi polymerase phiên mã ngược định lượng (qRT-PCR)
Trong phương pháp này, người ta tạo cADN từ ARN và thực hiện phản ứng PCR nhằm nhân bản cADN mục tiêu. Các cặp mồi trong phản ứng được đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ hoặc huỳnh quang, nhờ đó người ta ghi nhận kết quả khi lượng bản sao cADN vượt ngưỡng tín hiệu nền. qRT-PCR là công cụ vô cùng hữu ích trong nghiên cứu về dấu ấn sinh học khối u nhằm chẩn đoán, tiên lượng bệnh ung thư cũng như xác định vị trí di căn và phát hiện các tế bào ung thư tuần hoàn.
Giải trình tự ARN thế hệ mới (ARN-NGS)
Đối với microarray và qRT–PCR, người ta cần có thông tin về trình tự gen mục tiêu trước khi phân tích. Trong khi đó, phương pháp giải trình tự ARN có thể phân tích những gen hoàn toàn mới. Hiện nay, nhiều công nghệ giải trình tự hiện đại hoạt động dựa trên tín hiệu phát quang: khi một dNTP gắn vào mạch đang tổng hợp dựa trên mạch khuôn, sản phẩm phụ được giải phóng tạo ra phản ứng phát quang. Người ta ứng dụng giải trình tự ARN thế hệ mới trong các nghiên cứu về biểu hiện gen của tế bào khối u ác tính, xác định dấu ấn sinh học khối u cũng như định hướng phát triển liệu pháp điều trị mới.
Nguồn: Annual Review of Biomedical Data Science
Ứng dụng trong ung thư chính xác
Các dạng ung thư được chia thành nhiều nhóm nhỏ nhằm tìm ra phương pháp điều trị phù hợp đối với mỗi bệnh nhân.
Bảng sau phân loại các dạng ung thư vú dựa trên đặc điểm sinh học phân tử của khối u:
| Phân loại ung thư vú | Phân tử dương tính | Phân tử âm tính |
|---|---|---|
| Luminal A | ER và/hoặc PgR | HER2 và CK5/6 |
| Luminal B | ER, HER2 và/hoặc PgR | CK5/6 |
| Tế bào đáy | CK5/6 | ER, PgR, HER2 |
| HER2+ | HER2 | ER, PgR, CK5/6 |
| Bình thường | Không bao gồm các đặc điểm trên | |
Ngoài ra, nhiều nghiên cứu cũng đã được tiến hành nhằm phân loại các bệnh ung thư khác như:
- Ung thư đại trực tràng
- Ung thư biểu mô tuyến dạ dày
- U nguyên bào thần kinh đệm
Phát hiện sớm các dấu ấn sinh học ung thư
Dấu ấn sinh học (biomarker) là những phân tử hiện diện trong máu, mô hoặc dịch cơ thể giúp bác sĩ đánh giá các quá trình sinh học trong cơ thể người bệnh. Chẳng hạn, đối với bệnh nhân mắc ung thư buồng trứng, người ta ghi nhận mARN của protein bám yếu tố tăng trưởng giống insulin loại 4 (IGFBP-4) tăng biểu hiện vào đầu và cuối quá trình tiến triển bệnh.
Tương tự, những dấu ấn sinh học sau được sử dụng nhằm sàng lọc sớm nguy cơ mắc ung thư biểu mô tế bào vảy thực quản:
- Cyfra21–1
- CA19–9
- CA72–4
- CEA
- SCC-Ag
- CHI3L1, MMP-13, SPP-1
Trong đó, chẩn đoán dựa trên nhiều biomarker thường cho kết quả chính xác hơn một biomarker.
Các nghiên cứu gần đây kết hợp giải trình tự mARN với tin sinh học nhằm phân tích đồng thời biểu hiện của toàn bộ gen cũng như đánh giá vai trò của chúng, từ đó những gen hữu ích trong chẩn đoán bệnh được chọn ra. Mặt khác, người ta cũng bắt đầu nghiên cứu các phân tử ARN khác để tìm ra những biomarker mới trong y học chính xác.
Một số ARN không mang thông tin di truyền giữ vai trò biomarker trong các bệnh ung thư bao gồm:
| Bệnh | Biomarker ARN không mã hoá |
|---|---|
| Ung thư phổi không tế bào nhỏ | Các snoARN, 4-miRNA |
| Ung thư dạ dày | Các lncARN, miR-106b, miR-20a, and miR-221 |
|
Ung thư thận Ung thư biểu mô tế bào gan U nguyên bào thần kinh đệm Ung thư dạ dày |
Các piARN |
Chẩn đoán và tiên lượng
Các xét nghiệm về biểu hiện của nhiều gen cung cấp thông tin quan trọng đối với chẩn đoán và tiên lượng bệnh.
Sau đây là một số xét nghiệm ung thư đa gen dựa trên ARN:
| Loại ung thư | Tên xét nghiệm |
|---|---|
| Ung thư vú |
MammaPrint® Oncotype DX® Prosigna® (PAM50) EndoPredict® |
| Ung thư đại tràng | Oncotype DX® Colon Cancer Assay |
| Ung thư tuyến giáp |
Afirma® ThyroidPrint® ThyroSeq v3 RosettaGX Reveal ThyraMIR/ThyGenX™ |
Nghiên cứu dị biệt nội khối u và vi môi trường khối u
Mỗi nhóm tế bào trong cùng một khối u có thể mang hình thái, chức năng và khả năng đáp ứng điều trị khác nhau do những khác biệt trong quá trình biểu hiện gen. Ngoài ra, tương tác giữa tế bào ung thư với vi môi trường khối u—bao gồm nguyên bào sợi liên quan ung thư và tế bào nền, miễn dịch, nội mô—cũng ảnh hưởng đến khả năng tăng trưởng khối u.
Giải trình tự ARN một tế bào (single-cell RNA sequencing) là công cụ hữu ích đối với những phân tích về đặc điểm này. Tuy nhiên, phương pháp này được kiểm chứng thêm trước khi đưa vào ứng dụng trong lâm sàng.
Nguồn: International Journal of Nanomedicine
Điều trị bằng liệu pháp ARN
Các phân tử miARN thường kích hoạt quá trình phân giải mARN và ức chế dịch mã. Biểu hiện của chúng có thể tăng hoặc giảm bất thường trong các tế bào ung thư. Mỗi loại miARN hoạt động khác nhau với vai trò như chất gây ung thư hoặc ức chế khối u. Do đó, hai hướng tiếp cận điều trị ung thư dựa trên ARN bao gồm ức chế miARN sinh ung thư và khôi phục miARN ức chế khối u. Hiện nay, hai dự án thử nghiệm lâm sàng SOLAR và PRISM đang đánh giá hiệu quả và tính an toàn của Cobomarsen (MRG-106)—chất ức chế miARN sinh ung thư gọi là miR-155—trong điều trị u lympho tế bào T trên da, u lympho tế bào T người trưởng thành, bệnh bạch cầu lympho mãn tính và u lympho tế bào B lớn lan tỏa.
Cơ hội
Transcriptomics đã mở ra những hướng đi mới trong lĩnh vực nghiên cứu ung thư cũng như chẩn đoán, tiên lượng và điều trị. Các bước phát triển nhanh chóng của công nghệ phân tích transcriptome như giải trình tự ARN mang lại những hiểu biết mới về cơ chế phân tử của bệnh ung thư, qua đó các liệu pháp điều trị cá nhân hóa được hiện thực. Hiện nay, nhiều xét nghiệm biểu hiện gen đã được ứng dụng trong lâm sàng. Trong tương lai, khi chi phí xét nghiệm giảm và quy trình phân tích được chuẩn hóa, transcriptomics có thể trở thành một trong những phương pháp tiêu chuẩn trong y học ung thư.
Thách thức
Một trong những thách thức chính trong phân tích transcriptome liên quan đến quá trình xử lý mẫu. Kỹ thuật cố định mô khối u bằng formalin và paraffin thường làm ARN phân mảnh, phân huỷ hoặc nhiễm tạp chất và tế bào bình thường. Ngoài ra, dữ liệu transcriptome rất lớn và phức tạp, vì vậy người ta cần sử dụng những thiết bị hiện đại và thuật toán tin sinh học hiệu quả, chính xác. Ứng dụng transcriptomics trong lâm sàng hiện nay đòi hỏi chi phí lớn, thời gian dài và đội ngũ kĩ thuật viên có trình độ chuyên môn cao.
Lời kết
Transriptomics là hướng tiếp cận y học dựa trên transcriptome nhằm nghiên cứu biểu hiện của toàn bộ các gen trong tế bào. Phương pháp này giữ vai trò quan trọng đối với các phân tích về biomarker cũng như những bảng gen trong chẩn đoán và tiên lượng ung thư. Các kỹ thuật nổi bật trong xu hướng nghiên cứu này bao gồm microarray, qRT-PCR và giải trình tự ARN. Hiện nay, nhiều xét nghiệm ARN đã xuất hiện trong lâm sàng; ngoài ra, những dự án khác vẫn đang được tiến hành nhằm phát triển các phương pháp chẩn đoán và theo dõi điều trị cá nhân hoá.
References
- National Institute of Health. Transcriptomes and Proteomes. Retrieved April 18, 2025 from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21121
- National Institute of Health. Transcriptional Regulation: Molecules, Involved Mechanisms, and Misregulation. Retrieved April 18, 2025 from https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6471904
- National Institute of Health. Leveraging transcriptomics for precision diagnosis: Lessons learned from cancer and sepsis. Retrieved April 18, 2025 from https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10036914
- National Institute of Health. Current Achievements and Applications of Transcriptomics in Personalized Cancer Medicine. Retrieved April 18, 2025 from https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7866970
- Science Direct. Transcriptomics and solid tumors: The next frontier in precision cancer medicine. Retrieved April 18, 2025 from https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044579X20301966
