Hệ gen học (genomics) là ngành học nghiên cứu về tất cả gen của một người (hệ gen), bao gồm cách thức chúng tương tác với nhau và với môi trường sống của người đó.
MỤC LỤC BÀI VIẾT
DNA là gì?
Deoxyribonucleic acid (DNA) là hợp chất hóa học chứa các chỉ dẫn cần thiết để phát triển và điều hành các hoạt động của gần như tất cả các sinh vật sống. Các phân tử DNA được tạo thành từ hai sợi xoắn, bắt cặp với nhau, thường được gọi là chuỗi xoắn kép.
Mỗi sợi DNA được tạo ra từ bốn đơn vị hóa học, được gọi là nucleotide base, tạo nên “bảng chữ cái” di truyền. Các base này là adenine (A), thymine (T), guanine (G) và cytosine (C). Các base trên các sợi đối nhau bắt cặp đặc thù: A luôn bắt cặp với T và C luôn bắt cặp với G. Thứ tự của các base A, T, C và G này xác định ý nghĩa của thông tin được mã hóa trong phần đó của phân tử DNA cũng giống như thứ tự của các chữ cái xác định nghĩa của một từ.
Hệ gen là gì?
Tập hợp DNA hoàn chỉnh của một sinh vật được gọi là hệ gen của nó. Hầu như mọi tế bào trong cơ thể đều chứa một bản sao hoàn chỉnh của khoảng 3 tỷ cặp base DNA, hoặc các chữ cái, tạo nên hệ gen người.
Với ngôn ngữ chỉ gồm bốn chữ cái, DNA chứa thông tin cần thiết để xây dựng toàn bộ cơ thể con người. Thông thường, gen được định nghĩa là đơn vị DNA mang các chỉ dẫn để tạo ra một protein hoặc một tập hợp các protein nào đó. Mỗi gen trong số ước tính khoảng 20.000 đến 25.000 gen trong hệ gen người mã hóa trung bình ba protein.
Nằm trên 23 cặp nhiễm sắc thể được đóng gói trong nhân tế bào người, các gen điều hành sản xuất protein với sự hỗ trợ của các enzyme và các phân tử truyền tin. Cụ thể, một loại enzyme sao chép thông tin trong DNA của gen vào một phân tử được gọi là ribonucleic acid thông tin (mRNA). mRNA này di chuyển ra khỏi nhân và vào tế bào chất của tế bào, nơi mRNA được đọc bởi một máy phân tử nhỏ gọi là ribosome và thông tin được sử dụng để liên kết với nhau các phân tử nhỏ được gọi là amino acid theo đúng trình tự để tạo thành một protein cụ thể.
Protein tạo nên cấu trúc cơ thể như các cơ quan và mô, cũng như kiểm soát các phản ứng hóa học và mang tín hiệu giữa các tế bào. Nếu DNA của tế bào bị đột biến, một loại protein bất thường có thể được sinh ra, phá vỡ các quá trình thông thường của cơ thể và dẫn đến một căn bệnh như ung thư.
Giải trình tự DNA là gì?
Giải trình tự đơn giản có nghĩa là xác định thứ tự chính xác của các base trong một chuỗi DNA. Vì các base tồn tại thành từng cặp và biết được một base trong cặp cho phép xác định base còn lại, các nhà nghiên cứu không cần phải biết trình tự của cả hai base trong một cặp.
Trong kiểu giải trình tự phổ biến nhất được sử dụng ngày nay, được gọi là giải trình tự bằng tổng hợp, DNA polymerase (enzyme trong tế bào tổng hợp DNA) được sử dụng để tạo ra một chuỗi DNA mới từ một sợi quan tâm. Trong phản ứng giải trình tự, enzyme thêm các nucleotide đơn lẻ đã được gắn nhãn hóa học bằng huỳnh quang vào sợi DNA mới. Trong lúc quá trình đó xảy ra, nucleotide bị kích thích bởi một nguồn sáng, và một tín hiệu huỳnh quang được phát ra và phát hiện. Tín hiệu khác nhau tùy thuộc vào loại nucleotide nào trong số bốn nucleotide được kết hợp. Phương pháp này có thể tạo ra các ‘reads’ (đoạn giải trình tự ngắn) dài 125 nucleotide liên tiếp và hàng tỷ lần đọc cùng một lúc.
Để tập hợp trình tự của tất cả các base trong một đoạn DNA lớn, chẳng hạn như gen, các nhà nghiên cứu cần đọc trình tự của các đoạn chồng chéo. Điều này cho phép chuỗi dài hơn được lắp ráp từ các mảnh ngắn hơn, giống như ghép một trò chơi ghép hình theo đường thẳng. Trong quá trình này, mỗi base phải được đọc không chỉ một lần mà ít nhất nhiều lần trong các mảnh nhỏ gối lên nhau để đảm bảo độ chính xác.
Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng giải trình tự DNA để tìm kiếm các biến thể di truyền và/hoặc các đột biến có thể đóng một vai trò trong sự phát triển hoặc tiến triển của bệnh. Sai khác này có thể nhỏ, như thay thế, xóa bỏ hoặc thêm vào một cặp base đơn lẻ hoặc lớn, như mất đi hàng nghìn base.
Dự án Hệ gen người là gì?
Dự án Hệ gen người, do Viện Nghiên cứu Hệ gen người Quốc gia chủ trì tại Viện Sức khoẻ Quốc gia (NIH), đã tạo ra một phiên bản chất lượng cao của trình tự hệ gen người, có sẵn miễn phí trong các cơ sở dữ liệu công cộng. Dự án quốc tế đó đã được hoàn thành thành công vào tháng 4 năm 2003, trong khuôn khổ ngân sách và sớm hơn hai năm so với kế hoạch.
Trình tự không phải của một người, mà là một tổng hợp bắt nguồn từ một số cá nhân. Do đó, đây chỉ là một chuỗi “đại diện” hoặc chung chung. Để đảm bảo tính ẩn danh của những người hiến tặng DNA, người ta đã lấy thêm gần 100 mẫu máu từ các tình nguyện viên so với con số thực tế dùng đến, và không có cái tên nào được gắn lên các mẫu được phân tích. Vì vậy, ngay cả những người hiến DNA cũng không biết liệu mẫu máu của họ có thực sự được sử dụng hay không.
Dự án Hệ gen người được thiết kế để tạo ra một nguồn tài nguyên có thể được sử dụng cho một loạt các nghiên cứu y sinh học. Một trong số đó là tìm kiếm các biến thể di truyền làm tăng nguy cơ mắc các bệnh cụ thể, chẳng hạn như ung thư, hoặc tìm kiếm loại đột biến gen thường thấy trong các tế bào ung thư. Sau đó, nhiều nghiên cứu hơn có thể được thực hiện để hiểu đầy đủ chức năng của hệ gen và khám phá base di truyền cho sức khỏe và bệnh tật.
Những tác động đối với khoa học y tế là gì?
Hầu như mọi bệnh tật của con người đều có một ít gốc gác trong gen của chúng ta. Cho đến gần đây, các bác sĩ mới quan tâm đến các nghiên cứu gen, hay di truyền học, trong các trường hợp dị tật bẩm sinh và một số bệnh khác. Đó là những tình trạng, chẳng hạn như bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm, có các mô thức di truyền rất đơn giản, có thể dự đoán được vì mỗi bệnh là do sự thay đổi trong một gen đơn lẻ.
Với kho dữ liệu khổng lồ về DNA của con người được tạo ra bởi Dự án Hệ gen người và các nghiên cứu hệ gen khác, các nhà khoa học và bác sĩ lâm sàng có nhiều công cụ mạnh mẽ hơn để nghiên cứu vai trò của nhiều yếu tố di truyền cùng tác động và với môi trường trong việc gây ra các bệnh phức tạp hơn nhiều. Những bệnh này, chẳng hạn như ung thư, tiểu đường và bệnh tim mạch chiếm phần lớn các vấn đề sức khỏe ở Hoa Kỳ. Nghiên cứu dựa trên hệ gen đã cho phép các nhà nghiên cứu y tế phát triển các chẩn đoán được cải tiến, các chiến lược điều trị hiệu quả hơn, các phương pháp tiếp cận thực chứng để chứng minh hiệu quả lâm sàng và các công cụ ra quyết định tốt hơn cho bệnh nhân và nhà cung cấp. Cuối cùng, dường như chắc chắn, các phương pháp điều trị sẽ được điều chỉnh cho phù hợp với cấu trúc hệ gen cụ thể của bệnh nhân. Vì vậy, vai trò của di truyền trong chăm sóc sức khỏe đang bắt đầu thay đổi sâu sắc và những ví dụ đầu tiên của kỷ nguyên y học hệ gen đang đến với chúng ta.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhận ra là thường mất nhiều thời gian, công sức và kinh phí để chuyển các khám phá từ phòng thí nghiệm khoa học đến phòng khám y tế. Hầu hết các loại thuốc mới dựa trên nghiên cứu hệ gen được ước tính sẽ còn ít nhất 10 đến 15 năm nữa, mặc dù những nỗ lực gần đây về hệ gen học trong liệu pháp hạ lipid đã rút ngắn đáng kể khoảng thời gian đó. Theo các chuyên gia công nghệ sinh học, thường mất hơn một thập kỷ để một công ty tiến hành các loại nghiên cứu lâm sàng cần thiết để nhận được sự chấp thuận của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm.
Tuy nhiên, các xét nghiệm sàng lọc và chẩn đoán đều đã có sẵn. Tiến bộ nhanh chóng cũng đang được thực hiện trong lĩnh vực dược lý học mới nổi, liên quan đến việc sử dụng thông tin về cấu tạo di truyền của bệnh nhân để điều chỉnh liệu pháp thuốc phù hợp hơn với nhu cầu cá nhân của họ.
Hiển nhiên, di truyền vẫn chỉ là một trong một số yếu tố góp phần vào nguy cơ mắc hầu hết các bệnh thông thường của con người. Chế độ ăn uống, lối sống và tiếp xúc với môi trường cũng có ảnh hưởng đối với nhiều bệnh lý, bao gồm nhiều loại ung thư. Tuy nhiên, hiểu biết sâu hơn về di truyền học sẽ làm sáng tỏ nhiều hơn những nguy cơ di truyền bằng cách tiết lộ các thành phần cơ bản của tế bào và cuối cùng, giải thích cách tất cả các yếu tố khác nhau phối hợp với nhau để ảnh hưởng đến cơ thể con người cả về sức khỏe và bệnh tật.
Nguồn: https://www.genome.gov/about-genomics/fact-sheets/A-Brief-Guide-to-Genomics
Dịch giả: Nickie Ferrante
LOBI Vietnam là công ty tiên phong trong lĩnh vực Đọc trình tự gen thế hệ mới NGS (Next Generation Sequencing) và Phân tích Tin sinh học. Liên hệ hotline/Zalo 092.510.8899 để biết thêm chi tiết.
