UNG THƢ ĐẠI TRỰC TRÀNG 1.3.1. Hệ thống gen MMR
Tất cả các hệ thống sửa chữa ADN (bao gồm cả hệ thống MMR) để hoạt động có hiệu quả cần có sự phối hợp hoạt tính của nhiều protein tạo nên phức hợp protein – protein và ADN – protein. Những đột biến gây bất hoạt ở các tế bào mầm của một trong các gen MLH1, MSH2, MSH6, PMS2 dẫn đến sự thay đổi hoạt tính của protein do chính các gen trên tạo ra. Cũng chính sự thay đổi hoạt tính của các protein này là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến tình trạng toàn bộ hệ thống MMR của cơ thể bị bất hoạt. Khi hệ thống MMR bị bất hoạt, các lỗi sai hỏng trong quá trình tái bản ADN không được sửa chữa và tích tụ ngày càng nhiều qua các lần phân bào
của cơ thể. Đây chính là nguyên nhân sâu xa của hầu hết các bệnh ung thư trong đó có ung thư đại trực tràng.
Người ta đã thống kê được một số gen chính trong hệ thống MMR có liên quan đến ung thư đại trực tràng được biết đến thông qua Bảng 3.
Bảng 3: Các gen MMR liên quan đến ung thư đại trực tràng
Gen Vị trí trên NST Số exon Số axit amin Số đột biến đã đƣợc phát hiện MLH1 3p21 19 756 >250 MSH2 2p16 16 934 >170 MSH6 2p15 10 1360 >30 PMS2 7p22 15 862 Rất ít
Trong đó, gen MLH1 nằm trên vai ngắn của NST số 3 (3p21) với 19 exon có kích thước khoảng 57,36 kb [37]. Hiện nay đã phát hiện được trên 250 đột biến tại gen này. Các đột biến trên MLH1 chiếm 50% các trường hợp đột biến ở HNPCC và gây ra hội chứng HNPCC điển hình. Phân tích di truyền các gen MMR ở người cho thấy rằng trên 90% bệnh nhân mắc HNPCC là do đột biến gen ở hai gen MLH1 và
MSH2. Riêng MLH1 có tần số đạt đến 1/400 và MSH2 là 1/500 ở nhiều quần thể [25].
Gen MSH2 nằm ở vai ngắn của NST số 2 (2p21) với 16 exon kích thước khoảng 80,10 kb [37]. Hiện nay đã phát hiện được trên 170 đột biến ở gen này. Các đột biến trên MSH2 chiếm khoảng trên 40% các trường hợp đột biến trong hệ thống MMR và gây ra hội chứng ung thư đại trực tràng dạng HNPCC điển hình. Các đột biến MSH2 liên kết mạnh với các dạng ung thư ngoài ruột kết hơn so với các đột biến ở MLH1[35].
Gen MSH6 nằm trên vai ngắn của NST số 2 (2p15) kích thước khoảng 9,4 kb với 10 exon [37]. Đột biến trong MSH6 có khoảng 7% đến 10% các gia đình có HNPCC. Đột biến dòng mầm của gen MSH6 gây nên một dạng HNPCC không điển hình, đặc trưng bởi độ tuổi được chẩn đoán ung thư và khả năng mắc ung thư nội mạc tử cung cao hơn đột biến ở gen MLH1 và MSH2 [13].
Gen PMS2 nằm trên vai ngắn của NST số 7 (7p22) kích thước khoảng 16 kb với 15 exon [37]. Đột biến ở gen này chiếm khoảng 3% các trường hợp mắc HNPCC, hơn nữa còn liên quan đến sự hình thành hội chứng Turcot - một hội chứng mà các bệnh nhân có nguy cơ cao mắc ung thư não và ung thư trực tràng khi còn khá trẻ [4].
Tất cả các gen trên đều thuộc nhóm gen có khả năng gây đột biến khi xảy ra sai hỏng. Đột biến ở những gen này đều có xu hướng dẫn đến sự tích lũy các sai sót trong sao chép ADN và làm tăng tần số đột biến trong các tế bào (đặc biệt là trong các tế bào sôma) một cách nhanh chóng. Ở nấm men, đột biến về các gen thuộc nhóm MSH có thể được làm tăng từ 100 đến 700 lần so với tốc độ đột biến ở các đoạn lặp 2 nucleotide. Ở người, đột biến gen MSH2 làm tăng tần số sai hỏng trong sao chép ADN khoảng 10 lần [3].
Bảng 4: Tỷ lệ các đột biến thường gặp trong hai gen MLH1 và MSH2 (De la Chapelle A, 2004) [11] Gen Tỷ lệ đột biến thƣờng gặp Tỷ lệ gặp phải trong CRC Các đột biến thay thế nucleotide Các đột biến sắp xếp lại hoặc mất nucleotide MLH1 ~ 50% 90% - 95% 5% - 10% MSH2 ~ 40% 50% - 80% 17% - 50%
Không giống như các sai hỏng do các gen điều hòa gây ra hội chứng FAP, sự sai hỏng của các gen gây ra ung thư đai trực tràng không ảnh hưởng trực tiếp đến sự tăng sinh tế bào. Thay vào đó, sự bất hoạt gen MMR gây nên sai hỏng trong sửa
chữa ADN, một dạng của tính bất ổn di truyền. Các tế bào mang sai hỏng MMR có tần số đột biến cao hơn các tế bào bình thường và do vậy có khả năng mang các đột biến gây ung thư cao hơn. Các đột biến gen ở hội chứng ung thư đại trực tràng, gây đột biến liên quan đến sửa chữa ADN, qua đó mới gây ra những sai hỏng ở các gen khác. Do vậy, các bệnh nhân mắc ung thư đại trực tràng dạng HNPCC hình thành các polyp lành tính với tỷ lệ tương tự như quần thể bình thường. Tuy nhiên, tỷ lệ đột biến tăng lên do MMR sai hỏng khiến cho một tỷ lệ cao các polyp lành tính này phát triển thành ung thư [4]. HNPCC cho thấy một vai trò rõ rệt đối với việc mất tính ổn định di truyền trong quá trình phát sinh khối u. Sự bất ổn di truyền do thiếu hụt MMR thúc đẩy tốc độ các khối u phát triển thành ung thư. Điều này cũng giải thích tại sao các cá thể bị ảnh hưởng bởi HNPCC bị ung thư từ khi tuổi đời còn khá trẻ. Bảng thống kê dưới đây sẽ cho ta một cái nhìn tổng quát về khả năng mắc một số bệnh ung thư ở người có đột biến gen MMR liên quan đến hội chứng ung thư đại trực tràng đặc biệt là dạng HNPCC.
Bảng 5: Nguy cơ mắc một số bệnh ung thư ở người có đột biến gen liên quan đến ung thư đại trực tràng dạng HNPCC so với các cá thể bình thường (Aarnio M 1999) [8]
Ung thƣ
Tỷ lệ mắc bệnh của cá thể bình
thƣờng
Cá thể có liên quan tới HNPCC Tỷ lệ mắc bệnh Độ tuổi trung bình bắt đầu mắc bệnh Đại trực tràng 5.5% 80% 44 Nội mạc tử cung 2.7% 20% - 60% 46 Dạ dày <1% 11% - 19% 56 Buồng trứng 1.6% 9% - 12% 42.5
Tuyến mật <1% 2% - 7% Chưa có báo cáo
Đƣờng tiết niệu <1% 4% - 5% ~ 55
Ung thư đại trực tràng dạng HNPCC được nhận biết bằng việc xác định một số lượng lớn thành viên trong gia đình bị ảnh hưởng hoặc dựa vào những sàng lọc di truyền. Tuy nhiên, xét nghiệm di truyền cho thấy rằng, các đột biến gen MMR có độ thâm nhập khá cao trong các cá thể mang ung thư nội mạc tử cung và ung thư đại trực tràng di truyền, hầu hết trong số đó không phải là thành viên của các gia đình có HNPCC. Trong số các bệnh nhân ung thư ở độ tuổi 50 hay trẻ hơn, ít nhất có một người họ hàng bị ung thư, có khoảng 25% là mang các đột biến dòng mầm ở một trong các gen MMR bị đột biến cao, MSH2 hoặc MLH1[26].
1.3.2. Gen MSH2 và đột biến gây ung thƣ đại trực tràng
Gen MSH2 có vị trí phân tử nằm tại vị trí 21 trên vai ngắn NST số 2 (2p21) (Hình 4) [40]. Nó có kích thước khoảng 80,10 kb. Gen này nằm giữa 2 gen EPCAM
và RP11-436K12 (Hình 5) [45]. Toàn bộ cấu trúc gen bao gồm 16 exon với kích thước khác nhau (Hình 6-A) và phân bố không đồng đều trên gen về khoảng cách (Hình 6-B) [38].
Đây cũng là gen quy định tổng hợp một loại protein đóng vai trò quan trọng trong quá trình sửa chữa ADN. Cấu trúc gen gồm 3 domain mã hóa cho 3 phần protein với chức năng các phần khác nhau. Khi ADN sao chép để chuẩn bị cho tế bào phân chia, domain bám ADN (từ exon 1 đến exon 6) của gen MSH2 sẽ quy định tổng hợp một phần protein có chức năng bám vào vị trí bắt cặp nhầm của các đơn nucleotide. Riêng domain tương tác với gen MSH3/MSH6 (từ exon 7 đến exon 12) mã hóa phần protein có vai trò kết hợp với một trong hai loại protein do gen MSH3
và MSH6 để tạo nên một phức hợp protein hoạt động là mutSα (MSH2 – MSH6) hoặc mutSβ (MSH2 – MSH3). Dạng protein phức hợp này sẽ xác định chính xác vị trí xảy ra những sai hỏng trong quá trình sao chép ADN. Cuối cùng, domain tương
nhiệm vụ tương tác với dạng tương đồng mutL (Hình 7). Và việc sửa chữa những lỗi sai hỏng sẽ chỉ diễn ra khi có sự tham gia của phức hợp protein MLH1 – PMS2. Vì thế, gen MSH2 được xem là thành phần của tập hợp các gen sửa chữa bắt cặp sai MMR [40].
Khoảng 40% các trường hợp bị hội chứng Lynch với một đột biến được xác định có liên quan đến đột biến gen MSH2. Các dạng đột biến chủ yếu gồm thay thế nucleotide (50 – 80%), mất hoặc sắp xếp lại trình tự các nucleotide (17 – 50%) (Hình 8). Hàng trăm đột biến gen này có khả năng dẫn đến làm cho con người bị ung thư đại trực tràng và các loại ung thư khác liên quan đến HNPCC. Những đột
biến này có thể gây ra việc sản xuất một loại protein bất thường hoặc làm cho gen
MSH2 bị bất hoạt và không thể thực hiện chức năng bình thường của nó. Khi các protein do gen MSH2 tổng hợp bị thiếu hụt hoặc hoạt động không hiệu quả sẽ dẫn đến những sai hỏng tăng lên đáng kể trong quá trình phân chia tế bào mà không được sửa chữa. Nếu các tế bào này tiếp tục phân chia, các lỗi được tích lũy trong ADN ngày càng nhiều sẽ làm cho các tế bào không thể hoạt động hiệu quả và có thể tạo thành khối u trong ruột kết hoặc một khối u nào đó trong cơ thể [40].
Những người bị đột biến ở gen MSH2 có khả năng làm gia tăng một số khối u hiếm gặp trên da ngoài bệnh ung thư đại trực tràng. Đây là một sự kết hợp gọi là hội chứng Muir – Torre. Những khối u da hiếm gặp này bao gồm u tuyến bã nhờn và ung thư da. Nguyên nhân là do tại các tuyến da (tuyến bã nhờn) sản xuất một chất nhờn gọi là sebum. Chính dạng chất nhờn này đã gây nên các khối u trên da. Các khối u này có thể phát triển nhanh chóng gây ra hiện tượng gai bướu sừng khi tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời [40].
1.4. MỘT SỐ KỸ THUẬT DI TRUYỀN SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU UNG THƢ ĐẠI TRỰC TRÀNG
Trong nghiên cứu ung thư đại trực tràng, đặc biệt là trong những nghiên cứu đột biến gen MMR cần có sự hỗ trợ của các phương pháp nghiên cứu hiện đại. Tuy nhiên, dù tiến hành theo phương pháp nào cũng đều dựa trên cơ sở nhân bản ADN bằng kỹ thuật PCR. Chính vì thế, việc Kary Mullis phát minh ra kỹ thuật PCR (năm 1985) không những gây được tiếng vang lớn trong lĩnh vực hóa sinh học mà còn “châm ngòi” cho sự bùng nổ của sinh học phân tử đặc biệt là trong mấy thập niên trở lại đây. Việc kết hợp giữa PCR với các kỹ thuật di truyền hiện đại khiến hàng loạt tật bệnh di truyền được phát hiện cũng như phục vụ ngày càng hiệu quả cho từng mục đích nghiên cứu.
Chúng tôi xin giới thiệu một số kỹ thuật di truyền thường được sử dụng trong nghiên cứu ung thư đại trực tràng cũng như nghiên cứu một số tật bệnh di truyền khác.
1.4.1. Kỹ thuật phân tích các trình tự lặp lại đơn giản SSR
SSR là kỹ thuật dựa trên sự tồn tại của các vi vệ tinh (microsatellite), đó là các trình tự ADN lặp lại trong hệ gen có kích thước rất nhỏ từ 2 đến 6 nucleotide, điển hình là những trình tự chỉ gồm 2 đến 3 nucleotide. Các trình tự này được lặp lại từ 9 đến 30 lần [1]. Sự lặp lại của các vi vệ tinh là ngẫu nhiên, chúng có thể lặp lại hoàn toàn, không hoàn toàn hoặc lặp lại phức tạp. Bên cạnh đó, các vi vệ tinh phân bố một cách rải rác trong hệ gen người, đặc biệt mật độ các vi vệ tinh thường có xu hướng tăng cao đối với những người mắc hội chứng ung thư đại trực tràng di truyền dạng HNPCC. Ở trạng thái này, các vi vệ tinh thể hiện tính bất ổn rõ rệt. Chính sự bất ổn này đã khiến SSR được xem là một trong những phương pháp quan trọng được sử dụng trong nghiên cứu HNPCC. Ưu điểm của kỹ thuật SSR là chính xác và cho hiệu quả cao trong phát hiện đa hình di truyền. Đây cũng là kỹ thuật tương đối đơn giản, dễ thực hiện và ít tốn kém. Tuy nhiên, kỹ thuật này khó nghiên cứu các đột biến gen do các vi vệ tinh thường nằm ngoài gen. Mặt khác, kỹ thuật này có khá nhiều bước tiến hành, cặp mồi sử dụng trong SSR phải được thiết kế đặc hiệu, tương ứng với vùng sườn để có thể nhân các SSR nằm rải rác trong hệ gen [1].
1.4.2. Kỹ thuật đa hình chiều dài các đoạn cắt giới hạn RFLP
Trong nghiên cứu ung thư đại trực tràng, việc phát hiện ra những sai hỏng của hệ thống các gen MMR là một vấn đề rất quan trọng trong chẩn đoán và điều trị hội chứng này. Chính vì thế, RFLP được sử dụng như một phương pháp nhằm xác định có hiệu quả những biến đổi của phân tử ADN mà cụ thể là những đột biến xảy ra với hệ thống gen MMR. Đây là phương pháp sử dụng một nhóm enzym đặc hiệu gọi là enzym giới hạn. Những enzym này được tổng hợp bởi các loại vi sinh vật khác nhau. Chúng có khả năng nhận biết các vị trí “đích” hay còn gọi là những vị trí
giới hạn chứa một trật tự nucleotide đặc thù trong ADN và cắt ADN tại trật tự đó. Kết quả là, một phân tử ADN ban đầu có kích thước lớn sau khi được xử lí bởi enzym giới hạn sẽ bị cắt thành nhiều đoạn nhỏ có kích thước khác nhau. Số lượng và kích thước các đoạn cắt phản ánh sự phân bố của các vị trí bị cắt trong phân tử ADN. Sự hiện diện của những đoạn cắt này mang tính đặc trưng cho từng tổ hợp ADN/enzym giới hạn. Cũng chính sự khác nhau về kích thước bởi các đoạn được tạo ra do xử lí enzym giới hạn đối với các phân tử ADN trong nhân hoặc trong các cơ quan tử khác nhau được gọi là tính đa hình chiều dài các đoạn cắt giới hạn [6]. Ưu điểm của phương pháp này là cho độ chính xác cao, đánh giá được tính đa hình di truyền của gen cần nghiên cứu đồng thời xác định được sự có mặt của các đột biến xảy ra trong hệ thống gen MMR gây ung thư đại trực tràng. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là khó khăn trong việc tìm ra enzym giới hạn đặc hiệu với vị trí cắt và cần phải biết trước trình tự đoạn gen nghiên cứu để xác định vị trí cắt của enzym giới hạn.
1.4.3. Kỹ thuật phân tích đa hình sợi đơn SSCP
Năm 1989, Orita và cộng sự đã công bố một phát hiện mới về kỹ thuật phân tích đa hình sợi đơn [24]. Kể từ đó tới nay, kỹ thuật này được xem như một phương pháp hiệu quả trong việc phát hiện tính đa hình sợi đơn của phân tử ADN hay các đột biến có liên quan đến trình tự của phân tử ADN. SSCP ra đời nhanh chóng trở nên phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu thuộc lĩnh vực y học. Kỹ thuật này cho phép phát hiện những sai khác dựa trên khả năng di chuyển khác nhau của các đoạn ADN sợi đơn có cùng kích thước nhưng khác nhau về trình tự. Vì sự chuyển động của ADN trong gel điện di phụ thuộc vào kích thước và cấu hình không gian của chúng. Tuy nhiên, sự chuyển động của các sợi đơn lại bị ảnh hưởng bởi những thay đổi dù là rất nhỏ trong trình tự của chúng mà sự thay đổi này có thể chỉ gồm một nucleotide trong hàng trăm nucleotide có trong sợi đơn đó. Mặt khác, phân tử ADN sợi kép sau khi bị biến tính (tách thành các sợi đơn) sẽ thể hiện tính