Di truyền y học là ngành khoa học vận dụng những hiểu biết về Di truyền học người vào y học A. để giải thích, chẩn đoán các tật, bệnh di truyền
B. để điều trị trong 1 số trường hợp bệnh lí
C. chỉ để phòng ngừa, hạn chế các bệnh, tật di truyền
D. giúp cho việc giải thích, chẩn đoán, phòng ngừa, hạn chế các bệnh tật di truyền và điều trị trong 1 số trường hợp bệnh lí.
: Di truyền y học là khoa học nghiên cứu về
Di truyền y học: Là khoa học nghiên cứu, chẩn đoán, phòng ngừa, hạn chế các bệnh, tật di truyền và điều trị trong một số trường hợp bệnh lí.
Đáp án cần chọn là: A
Hai từ này có vẻ giống nhau, nhưng thật sự có những khác biệt đáng kể.
Di truyền học [Genetics] là khoa học nghiên cứu tính di truyền và biến dị của cơ thể sống, các tính trạng được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác thông qua DNA, nghiên cứu cấu tạo và chức năng của gen hoặc nhóm gen.
Hệ gen học [Genomics] là khoa học nghiên cứu toàn bộ các gen của genome trong cơ thể. Genomics chỉ mới thực sự hình thành sau khi dự án genome người kết thúc [2003] và phát triển nhanh trong hơn một thập kỉ gần đây, nhờ ứng dụng công nghệ giải trình tự gen, kết hợp với tin sinh học [bioinformatics]. Các nhà khoa học genomics thế giới đang tập trung nghiên cứu các dữ liệu trình tự gen người để tìm ra các biến thể di truyền ảnh hưởng đến sức khỏe, bệnh tật, đáp ứng thuốc, tăng trưởng và phát triển, lão hóa,...
Craig Venter - Một trong những nhà khoa học đặt nền móng cho Genomics
Có thể thao khảo: International Journal of Genetics and Genomics; International Summit in Human genetics and genomics; Duke University“Program in genetics and genomics”; American Board of medical genetics and genomics; Genetics and genomics in nursing and healthcare; Cancer genetics and genomics…
Archibald Edwards Garrod - Cha đẻ của di truyền y học
Di truyền y học [Medical genetics] ngày nay trở thành một phần không thể thiếu của y học, đang phát triển mạnh mẽ. Di truyền y học không chỉ dừng lại ở những nghiên cứu về cơ sở di truyền của sức khỏe và bệnh tật, mà đang tập trung nghiên cứu phát triển công nghệ mới phục vụ chẩn đoán, sàng lọc, dự báo, dự phòng, điều trị bệnh di truyền [xem tiếp phần Bệnh di truyền].
Trong lĩnh vực y học hệ gen [Genomic medicine] các nhà khoa học, các bác sĩ y khoa đang dần khám phá ra các nguyên nhân di truyền của rất nhiều bệnh, từ bệnh đơn gen, cho đến các bệnh ung thư, bệnh tim mạnh, bệnh chậm phát triển trí tuệ, tự kỷ, dị dạng bẩm sinh,...
DNA là một đại phân tử acid nucleic mang thông tin di truyền trong tế bào của sinh vật sống và một số virus. Vì vậy DNA được coi là vật chất di truyền cấp độ phân tử, mã hóa các thông tin liên quan đến hoạt động sinh trưởng, phát triển của sinh vật.
Watson and Crick - tác giả của mô hình DNA xoắn kép, giải thưởng Nobel 1962
Nucleotide là một đơn phân trong phân tử DNA. Cấu tạo của một nucleotide gồm một đường deoxyribose [C5H10O4] kết hợp với một acid phosphoric [H3PO4] và một trong bốn loại base nitơ adenine [A], thymine [T], cytosine [C], guanine [G]. Trong đó, A và G là các purine [có kích thước lớn] còn T và C, có kích thước nhỏ hơn [pyrimidine]. Các nucleotide trong một mạch đơn nối với nhau bằng liên kết 3’-5’ phosphodieste. Cứ ba nucleotide tạo thành một mã di truyền [codon], mỗi codon sẽ tương ứng với một đơn phân [acid amine] trong chuỗi polypeptide của protein.
Hầu hết các phân tử DNA tồn tại trong tự nhiên dạng cấu trúc bậc 2 gồm 2 mạch xoắn kép ngược nhau liên kết theo nguyên tắc bổ sung A liên kết với T bằng hai liên kết hydro, C liên kết với G bằng ba liên kết hydro. Với cấu tạo một base lớn liên kết với một base nhỏ tạo khoảng cách đều đặn giữa hai mạch đơn; base kỵ nước ở trong, chồng khít nhau, acid ưa nước ở ngoài liên kêt với nước đảm bảo tính ổn định của phân tử. Lượng lớn liên kết hydro ở giữa đảm bảo tính bền vững, liên kết hydro là liên kết yếu, dễ phân ly giúp mạch xoắn kép có thể dễ dàng tách thành mạch đơn trong các hoạt động nhân đôi DNA hay phiên mã.
Phần lớn phân tử DNA tồn tại ở dạng B là dạng cổ điển do Watson-Crick mô tả, xoắn theo chiều từ trái sang phải, đường kính 2nm, 1 chu kỳ gồm 10,4 bp dài 3,4 nm. Ngoài ra còn một số dạng tồn tại khác như dạng A xoắn từ trái qua phải, có đường kính lớn [2,6 nm], 1 chu kỳ 11 bp dài 2,8 nm hay dạng Z có chiều xoắn từ phải qua trái, đường kính 1,8nm, 1 chu kỳ gồm 12bp dài 4,5nm. Ở một số virus, vi khuẩn, ty thể và lạp thể phân tử DNA tồn tại dưới dạng cấu trúc bậc 3 đóng vòng kín.
Nếu nói DNA là vật chất di truyền mức phân tử thì vật chất di truyền mức tế bào là nhiễm sắc thể. Nhiễm sắc thể cấu tạo từ mạch DNA liên kết với các phân tử protein đảm bảo cho phân tử DNA ổn định và dễ dàng trong quá trình phân bào. Mỗi nhiễm sắc thể chứa nhiều gen và các trình tự nucleotide khác.
Một số dạng của phân tử DNA
Nhiễm sắc thể có cấu trúc gồm bốn bậc cấu trúc không gian. Cấu trúc bậc một là chuỗi xoắn kép DNA. Các cấu trúc bậc cao hơn là sự cuộn xoắn của DNA đó, kết hợp với các protein như protein histon, protamin và các protein không phải histon.
Từ DNA đến NST
Một người bình thường sở hữu 23 cặp NST trong đó có 22 cặp NST thường và 1 cặp NST giới tính [ XX ở nữ và XY ở nam]. Một nửa trong số NST được thừa hưởng từ bố, còn nửa kia thừa hưởng từ mẹ.
Bộ NST [Karyotype] của người nữ [XX] và nam [XY]
Bộ NST người thường được nghiên cứu vào kỳ giữa [metaphase] hoặc kỳ giữa sớm [pro-metaphase]. Căn cứ vào độ dài của NST và vị trí tâm của mỗi NST [tâm giữa, tâm lệch, tâm đầu], bộ NST người được chia làm 8 nhóm:
| Nhóm A gồm NST 1, 2, 3 Nhóm B gồm NST 4,5 Nhóm C gồm NST 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, X Nhóm D gồm NST 13, 14, 15 Nhóm E gồm NST 16, 17, 18 Nhóm F gồm NST 19, 20 Nhóm G gồm NST 21, 22, Y |
Là NST lớn nhất trong bộ gen được tạo nên từ hơn 249 triệu đơn vị DNA và đại diện cho khoảng 8% toàn bộ DNA của tế bào. Có khoảng 2000-2100 gen ở NST 1, mã hóa cho nhiều protein với nhiều vai trò khác nhau trong cơ thể. Một số bệnh khi có đột biến ở NST 1 là: U nguyên bào thần kinh, hội chứng TAR [thrombocytopenia-absent radius], bệnh Alzheimer hay cườm nước…
Là NST có kích thước lớn thứ 2 trong hệ gen được xây dựng từ 243 triệu đơn vị DNA chiếm 8% toàn bộ DNA của tế bào. NST 2 chứa từ 1300 cho đến 1400 gen mã hóa cho nhiều protein trong cơ thể.
Có một vài bệnh về gen thường xuất hiện ở NST 2 như:Bệnh đột biến mất đoạn ở vị trí 2q37 gây ra nhiều bệnh khác như tự kỉ, bệnh lùn hay béo phì.Ung thư máu hay hội chứng rối loạn sinh tủy.
Chứa khoảng 198 triệu đơn vị DNA, chiếm 6.5% lượng DNA trong tế bào. NST 3 bao gồm 1000-1100 gen mã hóa cho nhiều loại protein khác nhau. Bệnh điếc, tự kỉ hay thậm chí một số loại ung thư như: ung thư trực tràng, ung thư vú, ung thư phổi… đã được nghiên cứu có liên quan đến NST này.
Chứa khoảng 191 triệu đơn vị phân tử DNA chiếm khoảng 6% lượng DNA trong tế bào. NST 4 có số lượng gen tương đương như NST 3. Một vài loại bệnh ung thư đã được tìm thấy có liên quan đến NST này chính là bệnh bạch cầu ác tính, bệnh loạn dưỡng cơ vân [Facioscapulohumeral muscular dystrophy],hội chứng Wolf-Hirschorn…
Được cấu tạo từ khoảng 181 triệu phân tử DNA, đóng góp gần 6% vào tổng lượng DNA của tế bào. Có khoảng 900 gen trên NST 5. Một số bệnh được nghiên cứu có liên quan đến NST này là: Hội chứng Cockayne, thoái hóa cơ tủy [Spinal Muscolar Atrophy], bệnh suyễn, bệnh gây biến dạng có tên là Diastrophic dysplasia...
Có khoảng 171 triệu phân tử DNA tham gia vào cấu tạo NST 6, chiếm khoảng 5.5% đến 6% DNA trong tế bào và có 1000-1100 gen trên NST này.Hội chứng tiếu não, tiểu đường, thừa chất sắt, động kinh…. là những bệnh di truyền hay gặp liên quan đến NST này.
Chứa hơn 159 triệu phân tử DNA, chiếm hơn 5% số lượng DNA trong tế bào và có số gen tương đương NST 6 [1000-1100 gen]. Thay đổi trên NST này là một trong những nguyên nhân gây ra bệnh béo phì, tiểu đường, ngoài ra còn có hội chứng rối loạn bẩm sinh William hay bệnh xơ nang [cystic fibrosis].
Có khoảng 146 triệu phân tử DNA hình thành nên NST 8, chiếm khoảng 4.5-5% tổng số DNA trong tế bào. Có trên dưới 700 gen trên NST 8 tham gia mã hóa protein cho tế bào. NST này có thể gây ra một trong những căn bệnh rất hiếm gặp đó là hội chứng rối loạn lão hóa [Werner syndrome] hoặc burkit lymphoma…
Có khoảng 141 triệu phân tử DNA cấu thành nên NST 9, đại diện cho 4.5% tổng số DNA hiện diện trong tế bào. Đồng thời đóng góp 800-900 gen mã hóa cho nhiều protein với chức năng khác nhau. Hiện nay NST 9 được nghiên cứu có liên quan đến những nguyên nhân dẫn đến bệnh ung thư bàng quang, ung thư da melanoma, ung thư bạch cầu mãn tính...
Có hơn 135 triệu phân tử DNA, chứa khoảng 4-4.5% lượng DNA của tế bào và có khoảng 800-900 gen. Thay đổi trong NST này là nguyên nhân gây ra bệnh Crohn, viêm võng mạc sắc tố…
Có khoảng 135 triệu đơn vị DNA cấu thành nên NST, chiếm tỷ lệ khoảng 4-4.5% toàn bộ DNA trong tế bào. Tuy có số lượng đơn vị cấu thành không nhiều như các NST ở trên nhưng NST 11 có tới 1100-1300 gen. Bên cạnh đó, NST được báo cáo có là có liên quan tới một số bệnh như: viêm võng mạc sắc tố [Beckwith-Wiedemann], ung thư liên kết xương [Ewing’s Sarcoma], tăng sinh đa tuyến nội tiết [Multiple Endocrine Plasia]…
Bao gồm 134 triệu phân tử DNA chiếm 4.5% DNA trong tế bào. Người ta tìm thấy xấp xỉ 1100-1200 gen ở NST này, mã hóa cho nhiều protein phục vụ cho hoạt động của tế bào. Nếu có 3 NST số 12 có thể gây ra bệnh bạch cầu Lympho bào mãn tính, hoặc bị đột biến ở gen PXR1 gây ra bệnh Zellwegwe…
Chứa khoảng 115 triệu phân tử DNA, chiếm xấp xỉ 3.5% - 4% lượng DNA của tế bào. Tuy nhiên người ta chỉ mới tìm được 300-400 gen trên NST này, thấp hơn rất nhiều so với các NST có số phân tử DNA tương đương. Đột biến xảy ra ở gen RB1 trên NST số 13 có thể gây ung thư nguyên bào võng mạc [retinoblastoma], hay một phần của gen ATP7B không hoạt động sẽ gây ra bệnh Wilson [còn được gọi là bệnh thoái hóa gan], bệnh điếc, ung thư vú…
Chứa khoảng 107 triệu phân tử DNA, chiếm xấp xỉ 3.5% tổng số DNA trong tế bào. Các nhà nghiên cứu đã tìm ra khoảng 800-900 gen trên NST số 14 mã hóa tạo ra các protein cho tế bào. Một vài bệnh được đã được tìm hiểu và chỉ ra có liên quan khi NST 14 bị đột biến đó là: bệnh Alzheimer, bệnh thiếu men alpha-1-antitrypsin…
Chứa khoảng 103 triệu đơn vị phân tử chiếm 3% toàn bộ lượng DNA của tế bào. Khoảng 600-700 gen trên NST 15. Đột biến NST 15 có thể gây ra hội chứng Angelman, hội chứng Prader-Willie, hội chứng Marfan, bệnh Tay-Sachs…
Có hơn 90 triệu phân tử DNA tham gia cấu thành NST 16, chiếm gần 3% lượng DNA của tế bào. NST 16 chứa khoảng 800-900 gen, các gen này mã hóa cho nhiều loại protein trong tế bào. Một số bệnh di truyền liên quan đến đột biến ở NST này là: bệnh thiếu máu alpha-thalassemia, bệnh thận đa nang [Polycystic kidney disease], hội chứng Rubinstein-Taybi,…
Được cấu thành từ hơn 81 triệu phân tử DNA, chiếm khoảng 2.5%-3% số AND trong tế bào. NST 17 chứa khoảng 1200 gen. Hội chứng Miller—Dieker, hội chứng Smith-Magenis, hội chứng Charcot-Marie-Tooth hay ung thư vú là một vài bệnh di truyền liên quan đến sự đột biến NST này.
NST 18 sở hữu số lượng phân tử DNA khá khiêm tốn 78 triệu đơn vị và chiếm 2.5% lượng DNA trong tế bào, gen trên NST này cũng rất ít chỉ khoảng 200-300 gen. Một vài bệnh tiêu biểu có liên quan đến tình trạng bất thường ở NST 18 là: ung thư tuyến tụy, bệnh Niemann-Pick, có 3 hay 4 NST ở NST 18 gây ra một số rối loạn về phát triển,...
Có khoảng 59 triệu phân tử DNA tham gia cấu thành, chiếm gần 2% lượng DNA trong tế bào. Người ta tìm thấy khoảng 1900 gen trên NST này, các gen này mã hóa tạo ra các protein khác nhau cho tế bào. Một vài bệnh tiêu biểu liên quan đến đột biến NST 19 là: bệnh suy giảm miễn dịch kết hợp nghiêm trọng, bệnh Ketone niệu, bệnh loạn dưỡng cơ vân,…
Có gần 63 triệu phân tử DNA cấu thành nên NST này, chiếm xấp xỉ 2% lượng DNA trong tế bào. NST 20 chứa khoảng 500-600 gen, chúng tạo ra nhiều protein khác nhau phục vụ cho cơ thể. Đột biến xảy ra ở NST này có thể dẫn đến bệnh suy giảm miễn dịch nghiêm trọng [giống NST 19], hội chứng alagille cũng như một vài loại trong ung thư máu như: đa hồng cầu nguyên phát, rối loạn sinh tủy...
Là NST nhỏ nhất trong bộ gen người chứa khoảng 48 triệu đơn vị phân tử DNA, chiếm 1.5% - 2% lượng DNA có trong tế bào. Trong năm 2000, NST 21 đã được giải mã toàn bộ chuỗi nucleotide. Bệnh lý liên quan đến NST này tiêu biểu nhất là hội chứng Down [có 3 NST 21], ngoài ra đột biến NST này còn liên quan đến bệnh tăng lympho bào cấp tính…
Là NST cuối cùng trong nhóm NST thường, cũng là NST nhỏ thứ hai trong bộ gen người, chỉ chứa khoảng 51 triệu đơn vị phân tử DNA, chiếm 1.5-2% lượng DNA trong tế bào. Vào năm 1999, các nhà khoa học trong dựán bộ gen người thông báo rằng họđã giải mã toàn bộ trình tự của NST 22, cũng là NST đầu tiên được giải mã. Có khoảng 500-600 gen trên NST này mã hóa cho các protein trong cho cơ thể. Đột biến NST nàycó thể dẫn đến bệnh bạch cầu mãn tính, bệnh u sợi thần kinh, hội chứng DiGeorge…
NST X là 1 trong 2 NST giới tính trong hệ gen người. NST X sở hữu khoảng 155 triệu đơn vị phân tử DNA. Một người bình thường sẽ có 1 trong 2 NST giới tính trong từng tế bào, nữ sẽ có 2 NST X trong khi nam có 1 NST X và 1 NST Y. Trong giai đoạn đầu thai kì của thai nhi nữ, một trong hai NST X sẽ bị bất hoạt 1 cách ngẫu nhiên trong tế bào sinh dưỡng. Hiện tượng này được gọi là bất hoạt NST X. Bất hoạt X xảy ra ngẫu nhiên, ở một số tế bào NST bị bất hoạt có nguồn gốc từ bố và ở một số tế bào khác thì NST bị bất hoạt này thừa hưởng từ mẹ. Hiện tượng này đảm bảo sẽ có 1 bản sao của NST X hoạt động bình thường trong mỗi tế bào của cơ thể.
Tuy nhiên có một số gen trên NST X không trải qua quá trình bất hoạt này, một số vùng trên NST này vẫn duy trì trạng thái hoạt động bình thường trên các bản sao của nó như những vùng đầu tận cùng trên 2 nhánh của NST. Vùng đầu mút nhánh ngắn và vùng Xq21.3 trên nhánh dài của NST X có độ tương đồng rất cao với phần xa ở nhánh ngắn của NST Y. Các gen nằm ở vùng này di truyền theo quy luật giống như các gen nằm trên NST thường nên vùng này còn gọi là vùng giả NST thường [pseudoautosomal region] bao gồm: PAR 1 [27Mbp], PAR 2 [330 Kbp] và PAR 3 [Xq21.3 và Yp11.2].
Theo nghiên cứu có khoảng 800-900 gen trên NST X. Các bệnh tiêu biểu khi có hiện tượng đột biến xảy ra ở NST này là: hội chứng Turner [45,X],Ba nhiễm sắc thể X [XXX]… [xem thêm phần bệnh di truyền]
Là một trong 2 NST giới tính trong bộ gen người, NST Y nhỏ hơn rất nhiều so với NST X chỉ chứa khoảng 59 triệu đơn vị phân tử DNA, chiếm gần 2% tổng DNA trong tế bào. Mỗi người bình thường sẽ có 1 cặp NST giới tính, NST Y hiện diện trong bộ gen của người nam sẽ là XY, trong khi người nữ là XX.
Nghiên cứu chỉ ra rằng có khoảng 50-60 gen trên NST Y, chúng chịu trách nhiệm mã hóa tạo ra protein cần thiết cho cơ thể và đóng vai trò quan trọng với khả năng sinh sản của nam giới. Bởi vì NST này chỉ xuất hiện ở nam, các gen trên NST Y quyết định giới tính và sự phát triển của nam.
Có nhiều gen xuất hiện trên NST Y tạo ra 1 khu vực gọi là vùng giả NST thường [pseudoautosomal], vùng này có mặt trên cả hai NST giới tính. Nhiều gen ở các vùng giả NST thường rất cần thiết cho sự phát triển bình thường.
Một số bệnh gặp phải khi có dột biến xảy ra ở NST Y: Hội chứng Klinerfelter [XXY], hội chứng Jacobs [XYY], hội chứng 48 [XXYY],… [xem thêm ở phần bệnh di truyền].
Gen là đơn vị của di truyền, là một đoạn phân tử DNA [một loại acid nucleic] mang thông tin di truyền, có khả năng phiên mã ra thành RNA [một loại acid nucleic khác], rồi từ RNA lại tiếp tục được giải mã ra protein để xây dựng nên cấu trúc tế bào và thực hiện hầu hết các chức năng khác của tế bào.
Mô hình vi tính đoạn gen mã hóa yếu tố tăng trưởng
Các gen trên DNA ty thể
Bộ gen [Genome] là tập hợp chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền của một cơ thể sinh vật cần cho quá trình sinh trưởng, phát triển và sinh sản được mã hóa trong DNA. Các gen rất khác nhau về kích thước, có thể từ dưới 100 cặp đến vài triệu cặp base. Ở sinh vật bậc cao, các gen hợp thành các phân tử DNA rất dài nằm trong các cấu trúc được gọi là nhiễm sắc thể [NST]. Ở người có khoảng 25.000 đến 30.000 gen phân bố trên 23 cặp NST, trong đó có 22 cặp NST thường [autosome] và 1 cặp NST giới tính [X và Y].
Xét ở mỗi gen, chỉ một mạch của chuỗi xoắn kép là mạch khuôn dùng để tạo ra phân tử RNA thông tin [mRNA] cho tổng hợp chuỗi polypeptide. Mạch kia được gọi là mạch không làm khuôn [mạch bổ sung]. Cả hai mạch trên phân tử DNA đều có thể được dùng làm mạch để mã hoá cho các gen khác nhau. Ngoài ra, người ta còn dùng một số thuật ngữ khác để chỉ mạch khuôn và mạch không làm khuôn, như mạch đối nghĩa / mạch mang nghĩa, mạch không mã hoá / mạch mã hoá. Cần chú ý là, mạch đối nghĩa và mạch không mã hóa chính là mạch khuôn để tổng hợp phân tử RNA.Khả năng lưu giữ thông tin di truyền của DNA là rất lớn. Với một phân tử DNA có n base sẽ có 4n khả năng tổ hợp trình tự base khác nhau. Trongthực tế, chỉ một số lượng hạn chế các trình tự DNA mang thông tin mã hóa các phân tử RNA hoặc protein có chức năng sinh học.
- Trình tự khởi đầu phiên mã [promoter]
Sự biểu hiện của gen được điều khiển rất chặt chẽ. Những gen khác nhau được hoạt hoá biểu hiện vào những thời điểm và ở những tế bào khác nhau chứ không phải đều được biểu hiện đồng thời. Tất cả các gen được biểu hiện trong một tế bào sẽ xác định đặc tính và chức năng của tế bào đó. Ví dụ, các gen biểu hiện trong tế bào cơ khác với các gen được biểu hiện trong tế bào máu. Sự biểu hiện của gen được điều khiển bắt đầu từ một đoạn trình tự DNA đứng trước [nằm ngược dòng về phía đầu 5’] so với đoạn trình tự mã hóa được gọi là trình tự khởi đầu phiên mã, hay còn gọi là trình tự khởi động [promoter,]. Đoạn trình tự khởi động chứa trình tự đặc hiệu được RNA polymerase và các yếu tố phiên mã nhận biết để gắn vào trong quá trình phiên mã của gen. Mức độ biểu hiện của gen trong tế bào được xác định bằng mức độ gắn kết [ái lực] của RNA polymerase và các yếu tố phiên mã với promoter.
Ở các sinh vật bậc cao [sinh vật nhân chuẩn], thông tin di truyền mã hoá trên các NST thường bị phân cắt thành nhiều đoạn trình tự DNA cách biệt được gọi là các exon. Các exon bị ngăn cách bởi những trình tự không mang thông tin tổng hợp protein được gọi là các intron. Độ dài của các intron và exon cũng rất biến động, nhưng các intron thường dài hơn và chiếm phần lớn trình tự của gen. Trước khi thông tin trong gen được sử dụng để tổng hợp phân tử protein tương ứng, thì các intron phải được cắt bỏ khỏi phân tử RNA nhờ quá trình được gọi là quá trình cắt bỏ [quá trình hoàn thiện phân tử mRNA]. Trong quá trình đó, các exon được giữ lại và nối lại với nhau thành một trình tự mã hoá liên tục.
Cấu trúc chung của gen chia làm 3 vùng trình tự nucleotide theo thứ tự sau:- Vùng điều hòa [vùng khởi đầu]: nằm ở đầu gen, mang tín hiệu khởi động và kiểm soát quá trình phiên mã.
- Vùng mã hóa: nằm ở giữa gen, mang thông tin mã hóa axit amin, một gen có thể thực hiện được nhờ các intron điển hình có trình tự bắt đầu là 5’-GU
- Vùng kết thúc: nằm ở cuối gen, mang tín hiệu kết thúc phiên mã AG-3’.
Dựa vào vai trò của các sản phẩm gen, gen được chia thành gen cấu trúc và gen điều hòa
Gen cấu trúc: mang thông tin mã hóa cho các sản phẩm tạo nên thành phần cấu trúc hay chức năng tế bào.
Gen điều hòa: gen tạo ra sản phẩm kiểm soát hoạt động của gen khác.
Cũng có thể dựa vào cấu trúc vùng mã hóa của gen người ta chia ra hai loại gen là gen phân mảnh và gen không phân mảnh.
Gen phân mảnh: có vùng mã hóa không liên tục, gồm các đoạn mã hóa axit amin [exon] và các đoạn không mã hóa axid amin [intron] xen kẻ nhau. Loại gen phân mảnh có ở sinh vật nhân thực
Gen không phân mảnh: có vùng mã hóa liên tục mã hóa axit amin. Loại gen không phân mảnh có ở sinh vật nhân sơ.
Ở trên chỉ trình bày hai cách phân loại gen cơ bản thường gặp. Ngoài ra đâu đó các bạn cũng có thể nghe các tên gọi như: gen gối [hay gen phủ lên nhau], gen nhảy...
- Một số trình tự gen đặc biệt
Gen giả [pseudogene]
Có một số gen giống với các gen khác nhưng trình tự base của chúng có những sai sót làm cho chúng không có khả năng chứa những thông tin sinh học hữu ích. Những gen đó được gọi là những gen giả và những sai sót hoặc đột biến trong trình tự DNA của chúng xuất hiện trong quá trình tiến hoá làm thông tin bị lẫn lộn đến mức không còn điều khiển quá trình sinh tổng hợp protein bình thường được nữa. Những gen giả là dấu vết của quá trình tiến hoá. Trải qua tiến hoá, những sự biến đổi ban đầu các base gây mất thông tin được lặp đi lặp lại đến mức thậm chí trình tự base của các gen giả khác hẳn với trình tự gen gốc ban đầu.
Gen nhảy [transposon]
“Gen nhảy” hay yếu tố di truyền vận động: là một số trình tự nucletide đặc biệt có khả năng di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác hoặc tạo ra các bản sao rồi chèn vào các vị trí khác nhau trong hệ thống gen. Phần lớn các yếu tố di truyền vận động không phải là các gen vì chúng không mã hóa cho một sản phẩm nhất định. Vì vậy, hiện nay người ta hay dùng thuật ngữ yếu tố di truyền vận động mà ít dùng thuật ngữ gen nhảy. Nghiên cứu yếu tố di truyền vận động cho thấy chúng có thể gây nên đột biến gen hoặc đột biến tái cấu trúc NST. Khi các yếu tố di truyền vận động di chuyển, chúng có thể chuyển các gen nhất định từ trí này sang vị trí khác và do vậy sự biểu hiện của gen có thể bị thay đổi, có thể gây mất đoạn, thêm đoạn hay chuyển đoạn, làm ảnh hưởng đến hoạt động của các gen xung quanh. Người đầu tiên phát hiện ra các gen nhảy là bà Barbara McClintock [đã đoạt giải Nobel Y học năm 1983].
Dự án Bản đồ gen người [Human Genome Project - HGP] là một dự án nghiên cứu khoa học mang tầm quốc tế. Mục đích chính của dự án là xác định trình tự của các cặp base tạo thành phân tử DNA và xác định khoảng 25.000 gen trong bộ gen của con người.
Dự án khởi đầu vào năm 1990 với người đứng đầu là James D. Watson. Bản phác thảo đầu tiên của bộ gen đã được cho ra đời vào năm 2000 và hoàn thiện vào năm 2003. Một dự án song song cũng được thực hiện bởi một công ty tư nhân tên là Celera Genomics. Tuy nhiên, hầu hết trình tự chuỗi được xác định là tại các trường đại học và các viện nghiên cứu từ các nước Mỹ, Canada, và Anh. Việc xác định toàn bộ bộ gen Người là một bước tiến quan trọng trong việc phát triển thuốc và các khía cạnh chăm sóc sức khỏe khác.
Trong khi mục đích chính của dự án là tìm hiểu sự cấu thành về mặt di truyền của loài người, dự án cũng tập trung vào các sinh vật khác như vi khuẩn Escherichia coli, ruồi dấm, và chuột trong phòng thí nghiệm.
Bộ gen của bất kì cá nhân nào [ngoại trừ trường hợp sinh đôi cùng trứng và nhân bản] đều là duy nhất. Vì thế dự án tập trung việc ánh xạ đến bộ gen người bao gồm cả việc xác định trình tự của nhiều biến thể của mỗi gen. Dự án không nghiên cứu toàn bộ DNA tìm thấy trong tế bào con người; một số vùng heterochromatic [chiếm khoảng 8%] vẫn chưa được xác định trình tự.
Dù việc tìm hiểu nội dung của bản đồ gen người vẫn còn ở bước khởi đầu, nhưng cũng đã đem lại những lợi ích to lớn trong đột phá y khoa và công nghệ sinh học. Một số công ty, như Myriad Genetics đã bắt đầu đưa ra các giải pháp đơn giản để quản lí các kiểm tra về di truyền mà có thể cho biết nguy cơ mắc bệnh của người được kiểm tra, bao gồm ung thư vú, rối loạn hemostasis, cystic fibrosis, bệnh về thận và các bệnh khác.
Bên cạnh đó, dự án còn cung cấp các thông tin, từ đó tạo các lợi ích hiển nhiên của khoa học sinh học. Ví dụ, nhà nghiên cứu về một loại bệnh ung thư khi truy cập vào cơ sở dữ liệu chung về một gen gây bệnh, nhà khoa học này có thể biết thông tin về gen này mà các nhà khoa học khác đã làm, bao gồm:
- Cấu trúc 3 chiều của protein sản phẩm của gen đó
- Chức năng của gen
- Mối quan hệ tiến hóa với các gen khác của người, hay với gen của chuột/men/ruồi giấm
- Các đột biến có hại có thể xảy ra
- Khả năng tương tác với các gen khác
- Mô trong cơ thể mà gen này được kích hoạt
- Các bệnh tật gắn với gen này
- Các loại dữ liệu khác
Việc phân tích về sự giống nhau giữa các chuỗi DNA từ các sinh vật khác nhau cũng mở ra hướng mới trong việc nghiên cứu lí thuyết tiến hóa. Trong nhiều trường hợp, các câu hỏi về tiến hóa có thể được trả lời trong khía cạnh của sinh học phân tử.
Ngoại di truyền là nghiên cứu những thay đổi di truyền trong biểu hiện gen không xảy ra do những thay đổi trong trình tự DNA. Những thay đổi về ngoại di truyền có thể hoạt hoá hoặc bất hoạt gen, xác định protein nào sẽ được phiên mã.
Ngoại di truyền can thiệp vào rất nhiều quá trình của tế bào. Trên thực tế, tế bào của chúng ta có cùng DNA nhưng cơ thể của chúng ta lại chứa rất nhiều loại tế bào khác nhau: tế bào thần kinh, tế bào gan, tế bào miễn dịch, tế bào tuyến tuỵ… Sự thật là các tế bào, mô, cơ quan khác nhau bởi vì chúng có cơ chế kích hoạt và ức chế biểu hiện những nhóm gen khác nhau. Những biến đổi ngoại di truyền là một trong những cơ chế ảnh hưởng đến sự biệt hoá của tế bào hoặc tác động đến cơ chế gây bệnh. Những thay đổi ngoại di truyền là cơ chế điều hoà tự nhiên nhưng cũng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố như tuổi tác, môi trường, lối sống, và tình trạng bệnh lý. Tuy nhiên, những thay đổi gần đây trong việc sử dụng thuật ngữ đã gợi ý cần phải bỏ bớt tính chất di truyền, vì vậy thuật ngữ epigenetic nên được định nghĩa lại là “sự thích ứng cấu trúc của nhiều vùng trên NST để xác định, khởi động tín hiệu hay biến đổi hoạt động”.
Có ba phương thức tương tác qua lại lẫn nhau để tạo nên cơ chế của ngoại di truyền là sự methyl hoá DNA, biến đổi histone, và RNA-associated silencing.
- Methyl hoá DNA [DNA Methylation]
Sự methyl hoá DNA là quá trình thêm nhóm methyl [-CH3] lên DNA. Quá trình này luôn xảy ra trong vùng CpG [vùng có một cytosine kế bên một guanine và được nối với nhau bằng một phosphate]. Việc gắn thêm nhóm methyl làm thay đổi cấu trúc DNA, dẫn đến thay đổi tương tác giữa gen và nhân tố phiên mã.
- Sự biến đổi Histone [Histone modification]
Histone là những protein cần thiết cho hình thành cấu trúc chất nhiễm sắc [chromatin] để tạo thành nhiễm sắc thể.
Khi histone bị biến đổi sau khi chúng được dịch mã thành protein, chúng có thể ảnh hưởng đến cách sắp xếp của chromatin, cách sắp xếp này sẽ quyết định DNA được phiên mã hay không. Nếu DNA không cuộn chặt vào histone, DNA có thể được phiên mã. Ngược lại, nếu DNA và histone cuộn chặt vào nhau [tạo thành heterochromatin], DNA không thể phiên mã được.
Histone bị biến đổi theo hai hướng: acetyl hoá và methyl hoá [thêm nhóm acetyl hoặc methyl vào amino acid lysine của histone]. Sự acetyl hoá histone thường làm giãn xoắn giữa histone và DNA, giúp DNA phiên mã còn sự deacetyl thì ngược lại. Khác với acetyl hoá, sự methyl hoá có thể hoạt hoá hoặc bất hoạt vùng chromatin.
Gen có thể bị bất hoạt bởi RNA [là các RNA không mã hoá hoặc RNA interference], những RNA này có thể tác động đến biểu hiện gen bằng việc khởi phát sự biến đổi histone hoặc methyl hoá DNA.
Y tế công cộng là khoa học phòng bệnh, kéo dài tuổi thọ và tăng cường sức khỏe thông qua những cố gắng có tổ chức của xã hội. Trọng tâm can thiệp của y tế công cộng là phòng bệnh trước khi đến mức phải chữa bệnh thông qua việc theo dõi tình trạng và điều chỉnh hành động bảo vệ sức khỏe. Nói tóm lại, trong nhiều trường hợp thì chữa bệnh có thể gây nguy hiểm đến tính mạng hơn so với phòng bệnh từ trước, chẳng hạn như khi bùng phát bệnh lây nhiễm.
Áp dụng genomics vào y tế công cộng là việc sử dụng các thông tin về hệ gen với mục đích mang lại lợi ích cho sức khỏe cộng đồng, cung cấp các phương pháp phòng ngừa, điều trị bệnh hiệu quả và đặc hiệu hơn dựa vào nền tảng di truyền của từng bệnh nhân. Genomics y tế công cộng còn giữ nhiệm vụ nghiên cứu đánh giá tác động của các gen, sự tương tác của gen với thói quen, chế độ dinh dưỡng và môi trường sống đối với sức khỏe của cộng đồng.
Genomics y tế công cộng được nghiên cứu trong khoảng một thập kỷ gần đây. Một số cố vấn, các trường đại học, và các chính phủ [bao gồm Hoa Kỳ, Anh, và Úc] đã bắt đầu nghiên cứu dự án Genomics y tế công cộng. Việc nghiên cứu hệ gen của con người cung cấp nhiều kiến thức mới để thay đổi các chương trình và chính sách y tế công cộng. Những tiến bộ trong khoa học về hệ gen người đang ngày càng được sử dụng rộng rãi để cải thiện sức khỏe, ngăn ngừa bệnh tật.
Những vấn đề công chúng quan tâm đối với các thông tin di truyền cá nhân là sự bảo mật, quyền tiếp cận và sử dụng các thông tin di truyền.
Các quy định và chính sách bảo vệ con người chống lại sự phân biệt di truyền như đối xử bất bình đẳng với người có bất thường về di truyền hoặc có mang bệnh di truyền cần được quy định rõ và thực hiện triệt để; sự phân biệt di truyền có thể tác động tiêu cực đến việc làm, bảo hiểm và những sư phân biệt kinh tế xã hội khác. Vì vậy việc xây dựng các chính sách chống lại sự phân biệt di truyền trong bối cảnh hiện tại là rất cần thiết.
Một trong nhiều khía cạnh liên quan đến genomics y tế công cộng là vấn đề đạo đức. Các ý kiến cho rằng hạn chế quan trọng nhất trong việc sử dụng thông tin di truyền là tình trạng xâm phạm đời tư. Những vấn đề đạo đức được đặt ra là: thông tin cá nhân, nguồn gốc của gen, tính công bằng khi áp dụng, và sự kiểm soát. Sự phát triển và ứng dụng của genomics phụ thuộc vào tiến bộ trong nghiên cứu khoa học, tuy nhiên phải có những chính sách quản lý các vấn đề đạo đức để đảm bảo việc sử dụng công nghệ một cách hiệu quả và công bằng nhất.
Các biến thể gen [SNPs] là những base đơn bị thay thế [biến đổi] trong một trình tự gen khác với trình tự gen gốc. SNPs có thể không có tác động lên biểu hiện gen, hoặc có thể thay đổi hoàn toàn chức năng của một gen. Trong một vài trường hợp, việc thay đổi biểu hiện gen có thể gây bệnh, hoặc gây ra tính nhạy cảm với bệnh.
- Chia sẻ cơ sở dữ liệu gen
Việc nghiên cứu các gen trên toàn bộ hệ gen của sinh vật cũng được sử dụng để tham khảo thông tin trên gen, hoặc thu thập và lưu trữ dữ liệu di truyền, bao gồm cả chức năng thông tin liên quan đến gen và phân tích các dữ liệu kết hợp, lập mô hình và mạng lưới bằng các thuật toán máy tính.
Đặc biệt, genomics rất phù hợp với các nghiên cứu về hệ thống miễn dịch. Nghiên cứu miễn dịch sử dụng genomics, cũng như sử dụng proteomics và transcriptomics [bao gồm thông tin – hồ sơ về gen, mRNA] được gọi là immunomics. Việc dự đoán chính xác và độ nhạy của bệnh, hoặc phát hiện bệnh trong giai đoạn sớm, có thể cho phép việc phòng hoặc hạn chế sự phát triển của bệnh bằng phương pháp điều trị miễn dịch.
Việc biên soạn và chia sẻ cơ sở dữ liệu gen rất quan trọng, việc đưa các dữ liệu về kiểu hình, môi trường và thời gian tác động lên bệnh sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bệnh. HUGenet [Human Genome Epidemiology Network] là một dự án được CDC - Centers for Disease Control and Prevention [Trung tâm phòng ngừa và kiểm soát dịch bệnh] của Hoa Kỳ khởi xướng, được xem là một nguồn dữ liệu khổng lồ về metagenomics – phân tích bộ gen cộng đồng ở người. Dự án này nhằm thúc đẩy việc chia sẻ và hợp tác các dữ liệu mang tính quốc tế.
Pharmacogenomics
Tổ chức Y tế Thế giới đã xác định pharmacogenomics như một nghiên cứu về biến đổi trình tự DNA vì nó liên quan đến phản ứng thuốc trong cơ thể, trong đó có những tác dụng phụ của thuốc lên bệnh nhân.Trong tương lai gần, Pharmacogenomics có thể được các nhân viên y tế công cộng sử dụng để xác định loại thuốc điều trị tốt nhất, cải thiện hiệu quả các phương pháp điều trị và làm giảm thiểu các tác dụng phụ của thuốc.
Dinh dưỡng
Dinh dưỡng là rất quan trọng trong việc xác định trạng thái sức khỏe. Nutrigenomics dựa trên quan niệm rằng các thức ăn vào cơ thể của một người đều ảnh hưởng đến bộ gen của cá nhân. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng chế độ dinh dưỡng có thể gia tăng các SNPs có nguy cơ gây bệnh, và việc thay đổi chế độ dinh dưỡng lành mạnh hơn [bổ sung các loại thực phẩm như rau xanh, bông cải,…] làm thay đổi quá trình trao đổi chất, ngăn chặn sự hình thành các biến thể SNPs.
Chăm sóc sức khỏe
Hầu như tất cả các rối loạn và các bệnh ở người đều là sự phản ánh tương tác giữa gen và môi trường; tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu vai trò cụ thể của gen đối với các rối loạn thường gặp và bệnh. Ví dụ, sự gia tăng tỷ lệ ung thư gần đây trên toàn thế giới có thể nguyên nhân không chỉ do di truyền mà còn do gia tăng về số lượng các chất độc hại sử dụng trong cuộc sống hàng ngày. Trong tương lai gần, genomics y tế công cộng, cụ thể là y tế môi trường sẽ trở thành một phần quan trọng của y tế.
Các lợi ích tiềm năng của việc giải mã bộ gen người sẽ được tập trung hơn vào việc xác định nguyên nhân của bệnh và cách điều trị bệnh đơn giản hơn thông qua việc cải tiến các phương pháp chẩn đoán, phát hiện sớm một biến thể di truyền, pharmacogenomics và liệu pháp gen.
Nền tảng di truyền khác nhau ở mỗi cá nhân, và điều đó được kế thừa từ nền tảng di truyền của gia đình, các thành viên trong một gia đình có thể không bị nhiễm một căn bệnh nào đó, đồng thời đáp ứng tốt với một số loại thuốc và liệu pháp điều trị bệnh, hoặc họ dễ mắc một số bệnh, trong đó có những bệnh mà chưa có phương pháp chữa trị. Tuy nhiên chúng ta có thể ngăn ngừa bệnh bằng những biện pháp: tăng cường giáo dục về bệnh đến những người có nguy cơ, thay đổi cách sống, tìm kiếm các phương pháp phòng ngừa, xác định các yếu tố môi trường có thể gây bệnh. Với những tiến bộ trong di truyền học, chúng ta hy vọng rằng trong tương lai, ứng dụng những hiểu biết về hệ gen người vào y tế công cộng sẽ thúc đẩy một cộng đồng khỏe mạnh hơn.
Sàng lọc sơ sinh
Sàng lọc sơ sinh có thể phát hiện được các bệnh hiếm gặp về mặt di truyền, như những bệnh di truyền gen lặn trên NST thường, các rối loạn trao đổi chất, các vấn đề liên quan đến việc chuyển hóa trong cơ thể, các bất thường về máu, sự thay đổi các thành phần hormon [như tuyến giáp]. Khi phát hiện các rối loạn tiềm ẩn này trong giai đoạn sớm có thể ngăn ngừa hoặc chữa trị trước khi có những triệu chứng nghiêm trọng hơn, như chậm phát triển thể chất và tâm thần.
Hiện nay sàng lọc sơ sinh đang phát triển khá mạnh mẽ, đây là một lĩnh vực đầy hứa hẹn, có thể phát hiện nhiều loại bệnh di truyền khác nhau ở trẻ sơ sinh, tạo tiền đề cho những mục tiêu sức khỏe cho cộng đồng trong tương lai.
Omics dùng để chỉ một lĩnh vực khoa học nghiên cứu trong sinh học có kết thúc bằng –omics như là genomics, exomics, hoặc proteomics. Bên cạnh đó thì omes lại liên quan đến các đối tượng nghiên cứu của các lĩnh vực này, chẳng hạn như genome, exome, hoặc proteome là các đối tượng nghiên cứu tương ứng với các lĩnh vực nghiên cứu đã kể trên.
Omes và omics là một trong những cuộc cải cách sâu rộng, hữu ích nhất của sinh học kể từ các khái niệm tiến hóa và di truyền [từ giữa năm 1800] và giải mã thành công các chuỗi và cấu trúc phân tử [giai đoạn 1960 và 1970]. Các nhà nghiên cứu đang rất quan tâm và sử dụng rất nhanh omes và omics, thông qua việc sử dụng các thuật ngữ này trên PubMed trong suốt thập kỷ vừa qua. Một số nhà sinh vật học cũng đã dự đoán sinh học sẽ được cơ cấu lại trong tương lai gần bằng các khái niệm omes và omics.
Sau đây là một số OMEs và OMICs thông dụng hiện nay:
| Genome | Genomics |
| Exome | Exomics |
| Transcriptome | Transcriptomics |
| Metagenome | Metagenomics |
| Microbiome | Microbiomics |
| Epigenome | Epigenomics |
| Metabolome | Metabolomics |
| Proteome | Proteomics |
| Lipidome | Lipidomics |
| Chromonome | Chromonomics |
| Immunome | Immunomics |
| Pharmacogenome | Pharmacogenomics |
| Cytome | Cytomics |
| Foodome | Foodomics |
| Nutrigenome | Nutrigenomics |