Phát hiện đột biến gen COL1A1 trên bệnh nhân tạo xương bất toàn bằng kỹ thuật PCR và giải trình tự gen

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y HÀ NỘI NGUYỄN THỊ HUYỀN TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN ĐỘT BIẾN GEN COL1A1 GÂY BỆNH TẠO XƯƠNG BẤT TOÀN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN Y KHOA KHãA 2008 - 2012 HÀ NỘI – 2012 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y HÀ NỘI NGUYỄN THỊ HUYỀN TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT HIỆN ĐỘT BIẾN GEN COL1A1 GÂY BỆNH TẠO XƯƠNG BẤT TOÀN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN Y KHOA KHãA 2008 - 2012 Giáo viên hướng dẫn: GS.TS. TẠ THÀNH VĂN HÀ NỘI – 2012 2 LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp là một bước ngoặt đánh dấu sự chuyển tiếp từ một sinh viên trở thành cử nhân kỹ thuật y học; là quá trình học tập, tích lũy kiến thức, kỹ năng để áp dụng vào thực tế. Trong suốt quá trình đó, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu. Với tất cả lòng kính trọng và biết ơn, tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: GS.TS. Tạ Thành Văn - Giám đốc trung tâm nghiên cứu Gen - Protein, Trường Đại học Y Hà Nội, người thầy đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện khóa luận tại trung tâm. TS.BS. Trần Vân Khánh - Trưởng bộ môn Bệnh học phân tử - Đại học Y Hà Nội, Phó giám đốc trung tâm nghiên cứu Gen – Protein người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, sửa chữa và góp ý cho tôi hoàn thành khóa luận. Ban giám hiệu, phòng quản lý và đào tạo đại học, bộ môn Hóa sinh, Thư viện và các phòng ban trong trường đại học Y Hà Nội Tập thể Trung tâm nghiên cứu Gen - Protein, Trường Đại học Y Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành khóa luận. Các Giáo sư, Phó giáo sư, Tiến sĩ trong hội đồng chấm khóa luận tốt nghiệp, các thầy cô đã cho tôi nhiều chỉ dẫn và kinh nghiệm quý để đề tài đi tới đích. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới tất cả người thân trong gia đình, bạn bè, các anh chị đi trước đã động viên, chia sẻ khó khăn với tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn! 3 Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc *** LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: Phòng Đào tạo Đại học – Trường Đại học Y Hà Nội Hội đồng chấm khóa luận tốt nghiệp. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, tất cả các số liệu trong khóa luận này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào khác. Hà nội, ngày 27 tháng 06 năm 2012 Người viết khóa luận Nguyễn Thị Huyền Trang 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT OI Osteogenesis imperfect (tạo xương bất toàn) COL1A1 Collagen týp I alpha 1 COL1A2 Collagen týp I alpha 2 DNA Deoxyribonucleic Acid cDNA Complementary Deoxyribonucleic Acid RNA Ribonucleic Acid mRNA Messenger Ribonucleic Acid (RNA thông tin) NST Nhiễm sắc thể Kb Kilo base bp Base pair dNTP deoxyribonucleoside triphosphate ddNTP dideoxyribonucleoside triphosphate PCR Polymerase Chain Reaction RT-PCR Reverse Transcription PCR (PCR sao mã ngược) EDTA Ethylendiamin Tetraacetic Acid BN Bệnh nhân Ala: Alanine Gly: Glycine Pro: Proline Arg: Arginine His: Histidine Ser: Serine Asn: Asparagine Ile: Isoleucine Thr: Threonine Asp:Aspartic Leu: Leucine Trp: Tryptophan Cys: Cysteine Lys: Lysine Tyr: Tyrorine Gln: Glutamine Met: Methionine Val: Valine Glu: acid Glutamic Phe: Phenylalanine Stop codon: mã kết thúc 5 ĐẶT VẤN ĐỀ Bệnh xương bất toàn có tên tiếng Anh là Osteogenesis Imperfecta, viết tắt là OI, còn gọi là bệnh xương thủy tinh hay bệnh giòn xương. Đây là bệnh phổ biến nhất trong các rối loạn di truyền về xương. Tần suất mắc bệnh khoảng 1/15.000 – 1/25.000 trẻ sinh ra và chủ yếu là di truyền trội trên nhiễm sắc thể thường [5]. Đặc điểm điển hình của bệnh là hệ xương không được hình thành một cách hoàn chỉnh. Nguyên nhân chính là do đột biến gen tổng hợp collagen týp I dẫn đến thiếu hụt hoặc bất thường cấu trúc phân tử collagen týp I, làm xương giòn và dễ gãy khi có va chạm như ho, hắt hơi hoặc ngay cả khi không có sang chấn. Bệnh không chỉ biểu hiện bất thường ở xương mà còn bất thường ở các tổ chức khác như: da, dây chằng, củng mạc mắt, răng… Trên lâm sàng, bệnh được chia làm 4 týp khác nhau tùy thuộc vào mức độ nặng nhẹ. Tuy nhiên, giòn xương, gãy nhiều xương, biến dạng xương là triệu chứng phổ biến của tất cả các týp [5]. Các nhà khoa học đã phát hiện có khoảng trên 90% các trường hợp bệnh tạo xương bất toàn gây nên do đột biến gen COL1A1 (Collagen týp I alpha 1) và COL1A2 (Collagen týp I alpha 2). Đây là hai gen mã hóa cho sự tổng hợp collagen týp I, một loại protein chiếm ưu thế trong chất cơ bản ngoại bào của hầu hết các mô [33]. Cũng như nhiều bệnh lý di truyền khác, bệnh xương bất toàn là một gánh nặng lâu dài với bản thân người bệnh, gia đình và xã hội. Việc điều trị đòi hỏi thời gian dài và còn tùy thuộc vào mức độ nặng nhẹ của bệnh. Cho đến nay bệnh vẫn chưa có phương pháp điều trị đặc hiệu mà chỉ dừng lại ở các biện pháp điều trị hỗ trợ và điều trị triệu chứng: giảm đau, giảm gãy xương tái phát nhằm giảm tới mức tối đa tỷ lệ tàn tật và suy giảm chức năng khác. Bởi vậy, chẩn đoán xác định bệnh bằng phương pháp phân tích gen tìm 6 đột biến trên bệnh nhân mắc bệnh xương bất toàn là cần thiết cho việc phát hiện sớm, để có những can thiệp, hỗ trợ kịp thời, nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân, động thời giảm bớt gánh nặng cho gia đình. Ngoài ra, một mục tiêu quan trọng nữa của việc phát hiện đột biến đó là xác định người lành mang gen bệnh, tạo tiền đề quan trọng giúp chẩn đoán trước sinh đối với những đối tượng có nguy cơ cao sinh con bị bệnh, để đưa ra những lời khuyên cần thiết. Với những ý nghĩa trên, đề tài “Nghiên cứu phát hiện đột biến gen COL1A1 gây bệnh tạo xương bất toàn” được thực hiện nhằm mục tiêu: Phát hiện đột biến gen COL1A1 trên bệnh nhân tạo xương bất toàn bằng kỹ thuật PCR và giải trình tự gen. 7 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Lịch sử phát hiện và tình hình nghiên cứu bệnh OI 1.1.1. Trên thế giới Theo nghiên cứu của Lowenstein E.J. ở Ai Cập thì bệnh OI đã xuất hiện từ 1000 năm trước công nguyên [21]. Tuy nhiên đến năm 1788 những mô tả khoa học đầu tiên về bệnh OI mới được Olaus Jakob Ekman đưa ra. Trong thế kỷ 20, những biến đổi lâm sàng đáng kể với mức độ nghiêm trọng khác nhau của bệnh OI được xác định. Looser đã tiến hành phân loại bệnh OI đầu tiên năm 1906, sau đó là Silence đề xuất phân loại OI thành 4 týp năm 1979. Tuy đã được chỉnh sửa nhiều lần nhưng cách phân loại này vẫn được áp dụng tới ngày nay [36]. Về mặt dịch tễ, tỷ lệ mắc bệnh OI vào khoảng 6-7/100,000. Tỷ lệ này khác nhau ở các týp khác nhau: týp I và týp IV chiếm hơn một nửa trong số tất cả các trường hợp. Với týp II, tỷ lệ mắc là 1-2/100,000 và đều tử vong sớm. Týp III có tỷ lệ mắc tương đương týp II, còn týp IV là loại hiếm gặp [36]. Năm 1974, những bất thường trong collagen của xương lần đầu tiên được nhìn thấy trên kính hiển vi điện tử. Ba năm sau, báo cáo của Sykes đã chỉ ra mối quan hệ tương tác giữa hai loại collagen trong sự tiêu biến của pepsin trên da những bệnh nhân OI bằng phương pháp điện di trên gel polyacrylamide [36]. Đột biến gen mã hóa collagen týp I lần đầu tiên được mô tả bởi Chu và cộng sự năm 1983 là đột biến xóa đoạn dài khoảng 0.5 kb trong 1 alen của chuỗi procollagen - α1. Phát hiện này đánh dấu sự khởi đầu làm sáng tỏ quá trình sinh tổng hợp collagen và cơ chế bệnh học phân tử của OI [5], [36]. 8 1.1.2. Ở Việt Nam Do tình hình bệnh tạo xương bất toàn ở Việt Nam vẫn còn rất ít và có duy nhất một trung tâm nghiên cứu về bệnh học phân tử: trung tâm nghiên cứu gen - protein tại Trường Đại học Y Hà Nội - Đống Đa - Hà Nội; còn lại chủ yếu nghiên cứu về mặt lâm sàng (viện nhi Trung ương); nên số lượng nghiên cứu về OI ở Việt Nam chưa nhiều, thông tin còn hạn chế. Một vài nghiên cứu được công bố gần đây đều được thực hiện tại trung tâm duy nhất này [1], [4]. 1.2. Đặc điểm của bệnh OI 1.2.1. Đặc điểm lâm sàng Năm 1979, Silence đã đề xuất phân loại OI thành 4 týp dựa trên đặc điểm lâm sàng và đặc điểm di truyền trên những bệnh nhân đã xác định chắc chắn là mắc bệnh OI tại Victoria, Autralia [36]. - Týp I: Là thể nhẹ nhất và hay gặp nhất, đặc trưng bởi mắt có màu xanh ở tất cả các độ tuổi, trẻ bắt đầu gãy xương từ khi tuổi còn nhỏ nhưng tần suất gãy xương thấp, không có biến dạng hoặc biến dạng xương ít, giảm thính lực hoặc điếc. Hầu hết tiền sử gia đình bệnh nhân có người điếc, dây chằng lỏng lẻo gây sai khớp. Đa số bệnh nhân không có tạo răng bất toàn. - Týp II: Là thể nặng nhất. Bệnh nhân thường chết ngay trong tử cung do gãy nhiều xương hoặc ngay sau khi sinh do rối loạn chức năng hô hấp (thiểu sản phổi, gãy xương sườn). Hiện nay OI týp II được chia làm hai loại là OI týp II-A và II-B. - Týp III: Là thể tương đối nặng, chỉ đứng sau týp II, trẻ thường sinh ra đã có gãy xương, biến dạng tiến triển xương dài, xương sọ, cột sống… Gãy xương tái phát nhiều lần gây hậu quả là chi ngắn và biến dạng tăng dần, mặt hình tam giác và có bướu trán. Củng mạc mắt thường quá trắng hoặc có màu xám, màu xanh, giảm chức năng hô hấp, giảm thính lực và bất thường về răng. 9 - Týp IV: Là thể trung gian giữa týp I và III. Gãy xương xuất hiện ở tuổi nhỏ, các biến dạng xương ở mức nhẹ đến trung bình, tần suất gãy xương thay đổi. Củng mạc mắt có thể bình thường hoặc xám; có hoặc không có tạo răng bất toàn; thường giảm thính lực ở tuổi trưởng thành và tiền sử gia đình có người điếc [5]. Xếp theo thứ tự từ nhẹ đến nặng sẽ là týp I, týp IV, týp III, týp II. Một số nghiên cứu mới đã phân loại thêm týp V, VI, VII, VIII. Bảng 1.1. Đặc điểm lâm sàng của bệnh OI [36] Týp Đặc điểm I II-A II-B III IV Di truyền Trội trên NST thường Trội trên NST thường Trội/Lặn trên NST thường Trội/Lặn trên NST thường Trội/Lặn trên NST thường Mức độ nghiêm trọng Nhẹ Tử vong trước sinh Nghiêm trọng Nhẹ vừa Vừa Gãy xương bẩm sinh Không Có Có Thường xuyên Hiếm gặp Biến dạng xương Hiếm gặp Rất nặng Nặng Nặng vừa Nhẹ vừa Tròng mắt Xanh Đen Đen Xanh/ Xám/ Trắng Bình thường Tầm vóc Bình thường Đặc biệt nhỏ Đặc biệt nhỏ Rất nhỏ Nhỏ có thay đổi Sự dịch chuyển khớp Có Có Có Có Có thể Mất chức năng nghe 60% các trường hợp Chưa rõ Chưa rõ Phổ biến 42% các trường hợp Tạo răng bất toàn Có thể Chưa rõ Chưa rõ Có Có thể Biến chứng hô hấp Không Có Có Có Không Biến chứng thần kinh Không Chưa rõ Chưa rõ Có Không 10 [...]... trên exon và trên intron của gen COL1A1: chiếm 87% các đột biến trên exon, 81% các đột biến trên intron (Hình 1.7) Trong các đột biến thay thế thì phổ biến nhất là đột biến thay thế glycin bằng một acid amin khác Hiện nay có hơn 700 đột biến thay thế glycin được phát hiện trên bệnh nhân OI và tổng hơp lại trên dữ liệu các đột biến gen COL1A1 [5], [15], [36] Hình 1.7 Tỷ lệ các đột biến gây bệnh OI trên. .. 23 1.4 Các kỹ thuật sinh học phân tử phát hiện đột biến gen COL1A1 Các đột biến trên gen COL1A1 chủ yếu là đột biến điểm do đó kỹ thuật PCR và giải trình tự trực tiếp được sử dụng để phát hiện đột biến Trong trường hợp các đột biến nằm trong vùng mã hoá axít amin (exon) như: đột biến sai nghĩa (missense), đột biến vô nghĩa (nonsense), đột biến gây lệch khung dịch mã (frameshift) thì chỉ cần PCR mẫu DNA... lặp, đột biến cắt nối, đột biến mất, đột biến thêm nucleotide Trong đó dạng đột biến thay thế là phổ biến nhất, chiếm khoảng 82% các đột biến trên gen COL1A1 (Hình 1.6) Hình 1.6 Tỉ lệ các đột biến trên gen COL1A1 gây bệnh OI (https://oi.gene.le.ac.uk) 19 Hầu hết các đột biến xảy ra trên exon, chiếm 83% tổng số đột biến trên gen COL1A1 Trong đó đột biến thay thế là phổ biến nhất ở cả hai vị trí đột biến. .. là do đột biến gen trội nằm trên gen COL1A1 hoặc COL1A2; còn lại 10% gây nên bởi các đột biến gen lặn trên một trong các gen hiện nay đã biết (CRTAP, LEPRE1, PPIB, SERPINH1, FKBP10, PLOD2, SP7, SERPINF1) hoặc trên các gen chưa đươc phát hiện [36], [39] 18 Hình 1.5 Tỷ lệ các gen đột biến gây bệnh OI (https://oi.gene.le.ac.uk) Các đột biến trên gen COL1A1 gây bệnh OI gồm: đột biến thay thế, đột biến. .. vậy để phát hiện đột biến trên gen COL1A1 cần chú ý tới 3 kỹ thuật chính là: PCR, RT -PCR và giải trình tự gen 1.4.1 Kỹ thuật Polymerase Chain Reaction (PCR) : PCR là kỹ thuật nhân bản DNA trong ống nghiệm Nguyên tắc của phản ứng PCR dựa trên đặc điểm của quá trình tự sao chép DNA trong tế bào: cần có DNA ở dạng sợi đơn, cần các đoạn mồi và các loại enzym xúc tác Kỹ thuật PCR sử dụng Taq polymerase (enzym... Đệm và Mgcl2 30 Chu trình nhiệt cho phản ứng PCR giải trình tự: 960C : 1 phút 960C : 10 giây 500C : 5 giây x 25 chu kỳ 600C : 4 phút 150C Kết quả của phản ứng PCR giải trình tự là có rất nhiều sợi DNA được tạo thành Các sợi này có độ dài hơn kém nhau 1 nucleotid Sản phẩm PCR giải trình tự sẽ được điện di và đọc kết quả trên máy Bước 2: Đọc trình tự trên máy tự động Để thực hiện đọc trình tự bằng máy tự. .. deoxyribose), là vị trí để các dNTP tiếp theo gắn vào Do đó, phản ứng tổng hợp DNA sẽ được dừng lại tại ngay vị trí mà ddNTP được gắn ngẫu nhiên vào thay cho dNTP 29 Hình 1.10 Hình ảnh minh họa kỹ thuật giải trình tự theo phương pháp Sanger [13] Giải trình tự một DNA có thể chia làm 2 bước lớn: PCR giải trình tự và đọc trình tự trên máy tự động Bước 1: PCR giải trình tự Thành phần của hỗn hợp phản ứng gồm:... tinh sạch và nồng độ Bước 3: Thực hiện phản ứng PCR gồm 2 bước: - Thực hiện phản ứng PCR để nhân đoạn gen đặc hiệu với OI - Chạy điện di kiểm tra sản phẩm Bước 4: Giải trình tự sản phẩm PCR gồm 3 bước: - Thực hiện phản ứng PCR giải trình tự - Tinh sạch sản phẩm PCR giải trình tự - Giải trình tự trực tiếp trên máy ABI-3100 2.3 Dụng cụ, trang thiết bị và hóa chất nghiên cứu 2.3.1 Dụng cụ, trang thiết... IV: hiện nay đã có hơn 1000 biến thể khác nhau trên gen COL1A1 và COL1A2 được phát hiện là gây bệnh OI (https://oi.gene.le.ac.uk) Các loại đột biến cũng như vị trí xuất hiện ảnh hưởng tới kiểu hình người bệnh OI týp I là phổ biến nhất, đặc trưng bởi sự giảm 50% lượng collagen týp I, thường là kết quả của những đột biến trên một alen của gen COL1A1, đôi khi là do xóa hoàn toàn một alen hoặc thay thế... đó giải trình tự trực tiếp tìm đột biến Nếu đột biến cùng intron (không mã hoá axit amin) nhưng ảnh hưởng đến vị trí bám của các hnRNP (heterogeneous nuclear ribonucloeprotein) thì cần thêm bước khuếch đại sản phẩm cDNA bằng phương pháp RT -PCR đế biết exon nào bị mất từ mRNA Tuy nhiên mẫu bệnh phẩm phải được lấy ở vùng có sự biểu hiện protein collagen týp I (da, xương) Như vậy để phát hiện đột biến trên . hiện đột biến gen COL1A1 trên bệnh nhân tạo xương bất toàn bằng kỹ thuật PCR và giải trình tự gen. 7 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Lịch sử phát hiện và tình hình nghiên cứu bệnh OI 1.1.1. Trên thế giới Theo. trên các gen chưa đươc phát hiện [36], [39]. 17 Hình 1.5. Tỷ lệ các gen đột biến gây bệnh OI. (https://oi.gene.le.ac.uk) Các đột biến trên gen COL1A1 gây bệnh OI gồm: đột biến thay thế, đột biến. bệnh, để đưa ra những lời khuyên cần thiết. Với những ý nghĩa trên, đề tài “Nghiên cứu phát hiện đột biến gen COL1A1 gây bệnh tạo xương bất toàn được thực hiện nhằm mục tiêu: Phát hiện đột biến