III. Tài liệu tham khảo
Chương 5 MICROARRAY
MICROARRAY Giới thiệu chung
DNA microarray analysis lần đầu tiên được mô tả vào giữa thập kỷ 1990 và chúng được xem như là một phương tiện hữu ích cho việc khảo sát sự biểu hiện đồng thời của hàng ngàn gen và đã nhanh chóng trở thành một phương tiện hữu dụng cho việc nghiên cứu một loạt các quá trình sinh học. Hầu hết tất cả nghiên cứu đều được thiết kế với một mục đích đơn giản là nhằm so sánh hai họ sinh học để tìm hiểu sự khác nhau trong việc biểu hiện gen của chúng, các gen này có chức năng liên quan đến một loạt các quá trình sinh học như là sự phát triển của các tế bào ung thư, các nguyên nhân dẫn đến bệnh hen suyễn, bệnh về tim, sự rối loạn về thần kinh, hay là phân tích các yếu tố liên quan đến sự vô sinh. Một lượng thông tin có giá trị trong việc điều hòa nghĩa là hiện nay chúng đã có thể kiểm tra sự biểu hiện của một lượng lớn thông tin liên quan đến gen cũng như là RNA. Các nghiên cứu này về mặt nguyên tắc phải đòi hỏi sử dụng các công nghệ kỹ thuật cho phép đồng thời phát hiện nhiều gen cùng một lúc với một khoảng thời gian ngắn nằm trong giới hạn cho phép. Do đó, trong chương này chúng tôi đề cập đến các phương pháp phương tích sự biểu hiện của mRNA với một tần số cao.
Chúng tôi chia chương này thành ba phần. Phần một đề cập đến khả năng liên kết của DNA với chính bản thân nó; phần thứ hai đề cập đến vấn đề sử dụng phương pháp PCR (polymerase chain reaction) để khuếch đại một lượng lớn các cDNA. Và cuối cùng phần còn lại liên quan đến kỹ thuật dựa trên việc DNA sequencing để tiến hành định lượng các gen đã được gắn các dấu hiệu đánh dấu. Mỗi phương pháp kể trên đều có những ưu điểm riên của nó, tuy nhiên vẫn còn rất nhiều hạn chế trong việc phân tích một lượng lớn thông tin biểu hiện của các gen. Trong khi đó, phân tích sự biểu hiện các gen dựa trên phương pháp sử dụng DNA microarray là một công cụ hữu ích trong việc phân tích một lượng lớn các gen. Tuy nhiên, nhược điểm duy nhất của nó là phải biết được trình tự các đoạn DNA được gắn trên phiến DNA microarray. Hơn nữa, đây là một kỹ thuật rất tốn kém và xảy ra một vài vấn đề liên quan việc kiểm soát chất lượng và ít nhạy cảm. Khác với việc sử dụng RT-PCR một phương pháp không tốn kém, tuy nhiên có một ưu thế trong việc xác định mức độ biểu hiện gen của các gen chưa biết. Các phương pháp dựa trên gen sequencing như phương pháp Massively parallel signature sequencing (MPSS®) và serial analysis of gene expression (SAGE) cũng liên quan đến việc phân tích sự điều hòa các gen chưa biết nhưng các kỹ thuật này khá tốn kém và đòi hỏi phải có một mức độ cơ sở hạ tầng nào đó cho phép sử dụng các kỹ thuật để đạt được những kết quả tốt.
1. Giới thiệu DNA Microarrays
Rất nhiều phương pháp sinh học phân tử và hóa sinh đều là những công cụ hỗ trợ cho việc sử dụng phương pháp microarray. Ví dụng như Biochip có một kích thước nhỏ hơn khá nhiều so với một chiếc tem thư nhưng lại cho phép đo lường sự biểu hiện đồng thời của hàng ngàn gen. Biochip không chỉ thích hợp cho việc phân tích sự biểu hiện gen và cho việc sắp xếp các mà còn được ứng dụng cho việc chuẩn bị và phân tích mẫu. Hiện nay, đã có rất nhiều nỗ lực hướng tới việc phát triển các hệ thống các “lab-on-chip” tích hợp và tự động . Trong một tương lai không xa, các hệ thống như thế này sẽ trở thành một công cụ
nghiên cứu liên quan đến gen, và trở thành một công cụ phân tích chính xác và giảm được chi phí tiêu tốn. Bên cạnh ứng dụng trong lĩnh vực microtechnology, một trong những lĩnh vực quan trọng gần đây là ứng dụng trong lĩnh vực nanotechnology, sự phát triển của công cụ thang đo nanometer (10-9met). Việc thu nhỏ của mức độ này cung cấp khá nhiều lợi ích khác nhau bao gồm việc giảm thiểu chi phí các sản phẩm, tăng tính tự động, tính mềm dẻo của phương pháp. Lĩnh vực ứng dụng biochip trong việc thiết kế nucleic array thích hợp cho việc ứng dụng nanotechnology. Mục tiêu của chương này nhằm tổng kết lại các quá trình chính trong việc thiết kế các microarrays hay “DNA chips” như một công cụ phân tích biểu hiện như một tần số cao và trong tương lai sẽ ngày càng phát triển hành một công cụ hữu ích.
Thông tin các gen được mã hóa từ bộ genome người được đánh giá khoảng từ 30,000 đến 40,000 gen, tổng cộng các đoạn có thể lên tới mười phần trăm tổng số 3,2 tỷ nucleotide ((Lander và cs, 2001; Venter và cs, 2001; Zhuo và cs, 2001). Tuy nhiên, trong thời điểm ghi nhận, Chỉ duy nhất một phần mười số lượng các gen được biết rõ về cấu trúc chức năng của các protein và enzyme mà chúng mã hóa. Hầu như các chuỗi nucleic acids đã được xác định trên nhiễm sắc thể, những thông tin biểu hiện gen trong cơ sở dữ liệu vần còn gặp nhiều hạn chế. Do đó, hầu như cấu trúc, chức năng protein mà các chuỗi trình tự mã hóa protein (ESTs) vẫn chưa được biết đến. Một tiêu điểm của các nghiên cứu liên quan đến y dược và hóa sinh là tạo ra lượng thông tin về gen để giải thích cơ chế đồng hóa của tế bào, và đã trở thành một trong những cơ hội thách thức và đầy tiềm năng phát triển, nhưng ứng dụng này khá thú vị và nhiệm vụ này đã tốn mất khá nhiều thời gian trong vài thập kỷ qua. Những quá trình này tiến hành càng nhanh bởi việc ứng dụng DNA microarray trong việc phân tích sự biểu hiện của gen.