1. Chẩn đoán sớm giới tính của thai
Như chúng ta đã biết, ở sát bên trong màng nhân tế bào của nữ có một thể nhuộm màu đậm, mà ở tế bào của nam không có. Từ năm 1948, Murray Barr đã phát hiện vật thể giới tính này (thể Barr), gọi là vật thể giới tính vì nó giúp phân biệt nam và nữ. Ở động vật có vú cũng tương tự, con cái thì có còn con đực thì không.
Thể Barr này có ở các loại tế bào khác nhau như tế bào niêm mạc da, niêm mạc âm đạo, tế bào chân tóc, tế bào các tuyến... Đến nay, người ta có thể dùng kỹ thuật chọc ối để xét nghiệm thể Barr, chẩn đoán sớm giới tính và chẩn đoán dị hình, quái thai, để nếu cần phải sử dụng các liệu pháp can thiệp sớm.
Ở nhiễm sắc thể giới tính của nữ và động vật có vú cái có XX, ở nam và động vật có vú đực có XY. Nhiễm sắc thể Y về căn bản, rất ít gen. Số lượng gen liên kết giới tính chủ yếu nằm trong X. Đã có gen, thì tất yếu có các sản phẩm của gen tổng hợp. Trong X, có các gen tổng hợp nhiều loại protein enzyme như glucose-6-phosphatedehydrogenase, -globulin... Theo suy luận thông thường, nếu cả hai X ở nữ hoạt động, sinh tổng hợp protein, thì hàm lượng các loại enzyme trên ở nữ sẽ gấp đôi ở nam. Tuy nhiên, các thí nghiệm hóa sinh đã xác minh hàm lượng các loại enzyme nêu trên ở nam và nữ đều tương đương nhau.
Ứng với hiện tượng cân bằng di truyền nêu trên, người ta đã khẳng định thể Barr chính là một trong hai X của nữ, chuyển sang trạng thái dị nhiễm sắc chất, không hoạt động di truyền, bắt màu đậm. Ở nữ và động vật có vú cái, hai X này có nguồn gốc một từ bố và một từ mẹ. Trong cơ thể nữ và động vật có vú cái, dòng tế bào này thì X từ bố không hoạt động, dòng tế bào kia thì X từ mẹ không hoạt động, hoàn toàn theo tính chất ngẫu nhiên.
Trước đây, người ta xét nghiệm tế bào phôi (hợp tử) để phát hiện thể Barr từ 12-14 ngày sau khi thụ thai. Gần đây, với kỹ thuật tiên tiến hơn, đã phát hiện được thể Barr từ ba ngày đầu sau thụ thai, phôi còn mang đặc điểm lưỡng tính, chưa phân rõ nam, nữ nhưng từ ngày thứ ba sau thụ thai, đã có thể phân biệt giới tính thai nhờ kỹ thuật chọc ối.
Trong trường hợp có bệnh di truyền do gen trên nhiễm sắc thể giới tính (chủ yếu là trên X), với kỹ thuật chọc ối xét nghiệm sớm tế bào phôi non, sử dụng phương pháp chẩn đoán enzyme, dùng enzyme hạn chế, người ta có thể xác định gen đột biến gây bệnh. Vì gen bệnh này liên kết giới tính (nằm trên X), cho nên kỹ thuật enzyme hạn chế có thể giúp cho các bà mẹ có thai có phương hướng quyết định, hoặc chấp nhận liệu pháp sẩy thai, hoặc không, hy vọng vào may rủi, vì trong trường hợp này khả năng thai dị hình, quái thai có thể không xảy ra, mà cũng có thể là 100%, hoặc chỉ 50%. Ví dụ: một phụ nữ bình thường nhưng có mang gen máu không đông ở dạng thể dị hợp, đã có một con trai bị bệnh máu không đông, nay muốn sinh con tiếp. Vì không có kỹ thuật chẩn đoán trước khi sinh đối với bệnh này, người ta phải chấp nhận chọc ối để chẩn đoán gái, trai. Nếu là gái, thì yên tâm sinh đẻ, vì nếu chồng là người bình thường, thì con gái chỉ mang gen bệnh ở dạng thể dị hợp, và vẫn là bình thường, còn nếu là thai nam, muốn thực sự yên tâm, thì rõ ràng phải nạo thai, nhưng theo hướng này, cũng có thể có đến 50% trường hợp thai nam nạo đi vẫn là thai bình thường.
2. Chẩn đoán sớm dị hình, quái thai trước khi sinh
Tiến hành kỹ thuật chọc ối, kết hợp đồng thời phân tích máu bố mẹ bằng enzyme hạn chế, người ta có thể chẩn đoán sớm trước khi sinh (vì sử dụng enzyme hạn chế có khả năng phân biệt được gen đột biến với gen bình thường). Các đoạn DNA cắt ra, được phân tách qua phương pháp điện di,
đem lai với các mẫu dò DNA hoặc RNA đã đánh dấu phóng xạ bằng 32 P. Ảnh phóng xạ tự ghi cho ta thấy các đoạn DNA được lai với các mẫu dò. Các đoạn này được tách ra để nghiên cứu và xác định đột biến hay bình thường bằng enzyme hạn chế, vì một số đột biến di truyền có ảnh hưởng đến các vị trí dành cho enzyme hạn chế.
Ví dụ: bệnh thiếu máu hồng cầu liềm là do một đột biến của gen quy định cấu trúc của hemoglobin. Gen đột biến này dẫn tới biến đổi một amino acid trong chuỗi của phân tử hemoglobin, từ glutamic acid ở người bình thường (HbA) thay bằng valine ở người bệnh (HbS). Cháu bé bị bệnh này (HbSHbS) chết sơ sinh, có thể được sinh ra từ bố, mẹ bề ngoài bình thường, nhưng là thể dị hợp về gen đột biến (Ss Ss). Cặp vợ chồng này lại tiếp tục có thai, muốn biết lần này con sinh ra có lại bị bệnh không, người ta dùng kỹ thuật chọc ối, xét nghiệm tế bào thai non. Phân tích máu bố, mẹ bằng enzyme hạn chế để cắt đoạn, đã xác định DNA của bố và mẹ, đều có mang cả đoạn ngắn và đoạn dài trong khi ấy DNA của cháu bé sơ sinh do bị bệnh hồng cầu liềm chỉ có đoạn dài. Cũng bằng enzyme hạn chế, người ta thấy DNA tế bào thai non cũng có cả đoạn ngắn và đoạn dài. Kết quả này cho phép chẩn đoán thai lần này cũng mang gen bệnh, nhưng bệnh không biểu hiện (không bị bệnh) vì ở dạng thể dị hợp như bố mẹ.
Ở người bệnh Đao, cặp nhiễm sắc thể 21 có đến 3 chiếc (không phải 2 như bình thường), bị dị hình, si đần bẩm sinh, lùn, cổ rụt, má phệ, không có khả năng sinh dục. Vợ chồng có con bị bệnh Đao nay lại tiếp tục có thai có thể nhờ kỹ thuật chọc ối, chẩn đoán sớm trước khi sinh về kiểu hình di truyền tế bào, để biết có nên sinh hay phải dùng liệu pháp sẩy thai.
3. Chẩn đoán phát hiện các tác nhân gây bệnh ngoại lai
Ứng dụng các kỹ thuật sinh học phân tử trong lĩnh vực này có nhiều thuận lợi hơn các phương pháp cổ điển. Thứ nhất, có thể rút ngắn được thời gian nhờ ứng dụng kỹ thuật PCR, chẳng hạn chẩn đoán bệnh HIV-1, dùng phương pháp PCR chỉ mất một ngày so với 3-4 tuần nuôi cấy của phương pháp truyền thống. Thứ hai, đối với các tác nhân gây bệnh khó nuôi cấy hay không thể nuôi cấy thì kỹ thuật sinh học phân tử là giải pháp duy nhất, chẳng hạn Chlamydia, Brucella, viêm gan B... Thứ ba, việc tạo dòng một gen dùng làm probe đơn giản hơn việc sản xuất kháng thể đặc hiệu, hơn nữa với một probe người ta có thể phát hiện tất cả các kiểu huyết thanh
(serotype) của tác nhân gây bệnh, điều mà chỉ một kháng thể không thể làm được. Cuối cùng, nếu trước kia phải cần đến nhiều kỹ thuật (quan sát dưới kính hiển vi, nuôi cấy trên một loạt môi trường, miễn dịch học...) thì hướng chẩn đoán bằng sinh học phân tử chỉ cần một kỹ thuật (lai phân tử hoặc PCR). Ngoài ra, chúng ta có thể tạo dòng ngay chính gen gây bệnh để sản xuất ra mẫu thử tương ứng.
Đối với tác nhân là virus, các kỹ thuật lai phân tử và PCR đã cho phép chẩn đoán nhiều nhóm như papillomavirus, HBV, HIV. Đặc biệt phương pháp lai tại chỗ còn cho phép xác định trực tiếp virus trên lát cắt sinh thiết.
Đối với các tác nhân vi khuẩn, đã có nhiều bộ kit chẩn đoán sinh học phân tử được thương mại hóa cho các loài: Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium pneumoniae, Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Salmonella, ...
Đối với các tác nhân ký sinh trùng, người ta cũng đã thành công trong chẩn đoán Plasmodium, Schistosoma, Trypanosoma, Toxoplasma, Leishmania bằng lai phân tử. Phương pháp PCR còn cho phép phát hiện tác nhân ngay trong vật trung gian truyền bệnh.
Phương pháp chẩn đoán bằng lai phân tử và PCR không chỉ giới hạn trong y học mà nó còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thực vật. Chẩn đoán các virus gây bệnh thực vật có ý nghĩa quan trọng trong bảo vệ cây trồng. Ví dụ: phát hiện các viroid ở thực vật, vì chúng không có vỏ protein nên không thể phát hiện bằng các kỹ thuật miễn nhiễm như ELISA.
4. Chẩn đoán các bệnh di truyền
Cho đến nay, người ta đã biết được hàng trăm bệnh di truyền do gen lặn. Các bệnh này hầu như chưa có cách chữa trị, hiện chỉ hy vọng liệu pháp gen.
Chiến lược hiện nay ở nhiều nước là dự phòng. Trước kia, việc phát hiện gen lặn ở cả cha lẫn mẹ đều dị hợp tử rất khó thực hiện và chỉ biết được khi đứa trẻ ra đời. Hướng giải quyết trong các trường hợp này là chẩn đoán sớm bệnh ở thai nhi trong bụng mẹ để cho sẩy thai sớm.
Phương pháp PCR đã làm tăng đáng kể hiệu quả chẩn đoán phân tử. Nhờ sự khuếch đại nucleic acid không cần tạo dòng, nên chẩn đoán phân tử có thể thực hiện thậm chí với một tế bào thôi.
Corner và cộng sự (1983) đã xây dựng phương pháp phân tích có hiệu quả và trực tiếp để xác định đột biến ở các gen hemoglobin α và β. Hai đoạn
oligonucleotide (gần 19 nucleotide mỗi đoạn) đã được tổng hợp, một trình tự bổ sung với đoạn gen có đầu NH2 của β-globin (βA) bình thường và đoạn kia bổ sung cho β-globin (βS) bệnh hồng cầu hình liềm. Các oligonucleotide được đánh dấu phóng xạ và sử dụng để phân tích Southern blot. Trong các điều kiện thích hợp các mẫu có thể phân biệt giữa allele bình thường và bệnh. DNA của cá thể đồng hợp tử bình thường chỉ lai với mẫu βA và dị hợp tử lai với cả hai mẫu, người bệnh hồng cầu hình liềm đồng hợp tử lai với mẫu βS. Các kết quả này cho thấy các mẫu lai oligonucleotide có thể phân biệt một bắt cặp sai của đoạn lai. Phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều chẩn đoán khác nhau, chẳng hạn hội chứng nhiễm sắc thể X dễ gãy (X-Fragile syndrome).
Hiện nay, trong y học lâm sàng nhiều bệnh di truyền và sai hỏng bẩm sinh được chẩn đoán ở các bà mẹ mang thai hoặc trẻ sơ sinh. Tuy nhiên, tiến bộ kỹ thuật làm nảy sinh nhiều vấn đề xã hội liên quan đến đạo đức sinh học (bioethics). Ví dụ: giả sử khi phát hiện có locus tình dục đồng tính (homosexuality) thì có nên cho sẩy thai hay không?
5. In dấu DNA (DNA fingerprinting)
In dấu DNA được sử dụng trong phân tích phả hệ ở chó, mèo và trong lai tạo giống. Ở người, nó được dùng để xác định nguồn gốc và sự di cư của các quần thể người cổ. Tuy nhiên, kỹ thuật này còn được sử dụng đặc biệt nhiều trong pháp y (forensis science). Phương pháp in dấu DNA sử dụng trong xác định tội phạm có nhiều ưu thế:
- Vệt máu, lông hay tinh trùng trên áo trước đó nhiều năm có thể dùng xác định nhân thân.
- Mẫu bẩn vẫn sử dụng được. - Tính đặc hiệu cao.
Lần đầu tiên phương pháp này được sử dụng ở Anh và đến nay đã bắt đầu lập thư viện in dấu DNA của nhiều người. Sau đó, Mỹ và nhiều nước phương Tây khác sử dụng rộng rãi. Có nhiều ví dụ rất rõ về tiềm năng của phương pháp này:
Chẳng hạn, năm 1984 một đứa bé người Ghana bị từ chối nhập cư vào Anh vì nghi nó không phải là con, mà là cháu một người đàn bà được phép nhập cư. Việc phân tích protein huyết tương, các kháng nguyên và enzyme
của máu không xác định được là con hay cháu. Sau đó, phương pháp in dấu di truyền được thực hiện. Kết quả phân tích bảng điện di cho thấy trong 61 đoạn DNA hiện dấu, đứa bé có 25 đoạn đặc hiệu giống với những đoạn của người đàn bà. Phân tích in dấu DNA chứng minh chắc chắn đứa bé là con với xác suất trùng hợp các đoạn DNA rất cao.
Tài liệu tham khảo/đọc thêm
1. Hồ Huỳnh Thùy Dương. 1998. Sinh học phân tử. NXB Giáo dục, Hà Nội. Nội.
2. Khuất Hữu Thanh. 2004. Liệu pháp gen-nguyên lý và ứng dụng. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
3. Bains W. 2003. Biotechnology from A to Z. Oxford University Press Inc. New York, USA. New York, USA.
4. Coleman WB and Tsongalis GJ.1997. Molecular Diagnostics (For The Clinical Laboratorian). Humana Press Inc. Totowa, New Jersey, USA. Clinical Laboratorian). Humana Press Inc. Totowa, New Jersey, USA.
5. Klefenz H. 2002. Industrial Pharmaceutical Biotechnology. Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany. Verlag GmbH, Weinheim, Germany.
6. Marshak DR, Gardner RL and Gottlieb D. 2001. Stem Cell Biology.
Cold Spring Harbor Laboratory Press, USA.
7. Pollard JW and Walker JM. 1997. Basic Cell Culture Protocols.
Humana Press Inc. Totowa, New Jersey, USA.
8. Ratledge C and Kristiansen B. 2002. Basic Biotechnology. Cambridge University Press, UK. University Press, UK.
9. Shuler ML and Kargi F. 2002. Bioprocess Engineering-Basic Concepts. 2nd ed. Prentice Hall Inc. New Jersey, USA. 2nd ed. Prentice Hall Inc. New Jersey, USA.
10. Walker JM and Rapley R. 2002. Molecular Biology and Biotechnology. 4th ed. The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK. Biotechnology. 4th ed. The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK.