Đa hình số lượng lặp lại biến thiên (VNTR – Variable number tandem repeat)

Cấu trúc của VNTR

Một VNTR điển hình bao gồm:

• Motif: Một trình tự DNA ngắn, thường dài từ 10 đến 100 cặp base. Ví dụ, motif có thể là “GATA”. Độ dài của motif là một yếu tố quan trọng để phân biệt VNTR với các loại trình tự lặp lại khác như microsatellite (STR) có motif ngắn hơn (2-6 cặp base).
• Số lần lặp lại: Motif được lặp lại nhiều lần, và số lần lặp lại này biến thiên giữa các cá thể. Ví dụ, một locus VNTR có thể có 5 lần lặp lại của motif “GATA” ở một cá thể, và 12 lần lặp lại ở cá thể khác. Chính sự biến thiên này làm cho VNTR trở thành một công cụ hữu ích trong phân tích di truyền.
• Locus: Vị trí cụ thể của VNTR trên nhiễm sắc thể. Mỗi VNTR chiếm một vị trí xác định trên genome.

Ví dụ về VNTR

Nếu motif là “GATA” và số lần lặp lại là 3, thì trình tự VNTR sẽ là: “GATAGATAGATA”. Một cá thể khác có thể có 5 lần lặp lại của cùng motif này, tạo thành trình tự “GATAGATAGATAGATAGATA”. Sự khác biệt về số lần lặp lại này chính là cơ sở của tính đa hình VNTR.

Cơ chế tạo ra sự đa hình

Sự biến thiên về số lần lặp lại trong VNTR được cho là do các lỗi xảy ra trong quá trình sao chép DNA, chẳng hạn như trượt sợi (replication slippage) hoặc trao đổi chéo không cân bằng (unequal crossing-over). Trượt sợi xảy ra khi polymerase “bị trượt” trên sợi khuôn mẫu trong quá trình sao chép, dẫn đến việc chèn hoặc mất đoạn lặp lại. Trao đổi chéo không cân bằng xảy ra khi các nhiễm sắc thể tương đồng không bắt cặp chính xác trong quá trình giảm phân, dẫn đến sự trao đổi không đều các đoạn DNA, bao gồm cả VNTR.

Ứng dụng của VNTR

VNTR có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau:

• Xét nghiệm quan hệ huyết thống: Do tính đa hình cao, VNTR được sử dụng rộng rãi trong xác định quan hệ cha con và các mối quan hệ gia đình khác. Bằng cách so sánh các locus VNTR của các cá thể, có thể xác định được mức độ liên quan di truyền giữa chúng. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc mỗi cá thể nhận một allele VNTR từ cha và một allele từ mẹ.
• Nhận dạng pháp y: VNTR là một trong những marker di truyền được sử dụng trong phân tích DNA pháp y để xác định danh tính cá nhân từ các mẫu sinh học như máu, tóc, hoặc tinh dịch. Tính đa hình cao của VNTR cho phép phân biệt giữa các cá thể với độ chính xác cao.
• Nghiên cứu di truyền quần thể: Phân tích VNTR giúp nghiên cứu sự đa dạng di truyền trong quần thể, lịch sử di cư, và các yếu tố tiến hóa khác. Tần suất các allele VNTR khác nhau có thể cung cấp thông tin về cấu trúc di truyền của quần thể.
• Nghiên cứu liên kết gen: VNTR có thể được sử dụng làm marker để xác định vị trí của các gen gây bệnh trên nhiễm sắc thể. Bằng cách phân tích sự di truyền đồng thời của VNTR và một tính trạng bệnh lý, có thể xác định được liệu gen gây bệnh có nằm gần locus VNTR hay không.

Phân biệt với các loại trình tự lặp lại khác

VNTR khác với các loại trình tự lặp lại khác như đa hình số lượng lặp lại ngắn (STR – Short Tandem Repeat) về độ dài của motif. STR có motif ngắn hơn (2-6 cặp base) so với VNTR (10-100 cặp base). Cả hai đều được gọi chung là đa hình số lượng lặp lại (Variable Number of Tandem Repeats). Một số tài liệu sử dụng thuật ngữ minisatellite để chỉ VNTR và microsatellite để chỉ STR.

Kỹ thuật phân tích VNTR

Kỹ thuật Southern blotting thường được sử dụng để phân tích VNTR. Phương pháp PCR cũng được sử dụng, đặc biệt là với các VNTR có kích thước nhỏ hơn. PCR cho phép khuếch đại các đoạn VNTR cụ thể, giúp tăng độ nhạy và giảm thời gian phân tích.

Kỹ thuật RFLP và phân tích VNTR

Kỹ thuật Đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn (Restriction Fragment Length Polymorphism – RFLP) thường được sử dụng để phân tích VNTR. Enzyme cắt giới hạn được sử dụng để cắt DNA tại các vị trí nhận diện đặc hiệu. Nếu vị trí nhận diện nằm trong hoặc gần VNTR, sự khác biệt về số lần lặp lại sẽ dẫn đến sự khác biệt về chiều dài của các đoạn DNA được cắt ra. Các đoạn DNA này sau đó được phân tách bằng điện di trên gel agarose và quan sát dưới dạng các băng DNA. Mỗi cá thể sẽ có một kiểu hình băng DNA (DNA fingerprint) đặc trưng dựa trên số lần lặp lại của VNTR.

Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng VNTR

Ưu điểm:

• Tính đa hình cao: VNTR có mức độ đa hình cao, giúp phân biệt hiệu quả giữa các cá thể.
• Phân bố rộng rãi trong genome: VNTR được tìm thấy ở nhiều vị trí khác nhau trên genome.
• Ứng dụng rộng rãi: VNTR có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như đã đề cập ở trên.

Nhược điểm:

• Cần lượng DNA mẫu lớn: Kỹ thuật RFLP truyền thống yêu cầu lượng DNA mẫu tương đối lớn, đôi khi khó đáp ứng trong các trường hợp mẫu bị phân hủy hoặc số lượng ít.
• Tốn thời gian và công sức: Phân tích VNTR bằng RFLP là một quy trình phức tạp và tốn thời gian.
• Độ phân giải hạn chế: Đối với các VNTR có motif lớn, việc phân biệt các alen có số lần lặp lại gần nhau có thể gặp khó khăn.

Sự phát triển và xu hướng nghiên cứu

Với sự phát triển của công nghệ PCR, việc phân tích VNTR ngày càng trở nên nhanh chóng và hiệu quả hơn. Các kỹ thuật PCR đa locus (multiplex PCR) cho phép phân tích đồng thời nhiều locus VNTR trong một phản ứng, giúp tiết kiệm thời gian và giảm chi phí. Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào việc phát triển các phương pháp phân tích VNTR mới, chính xác hơn và có độ phân giải cao hơn, cũng như ứng dụng VNTR trong các lĩnh vực mới như nghiên cứu ung thư và dược lý di truyền. Việc phân tích VNTR bằng kỹ thuật sequencing thế hệ mới (NGS) cũng đang được phát triển và hứa hẹn sẽ mang lại những bước tiến mới trong lĩnh vực này.

• Nakamura Y, Leppert M, O’Connell P, et al. Variable number of tandem repeat (VNTR) markers for human gene mapping. Science. 1987;235(4796):1616-1622.
• Jeffreys AJ, Wilson V, Thein SL. Hypervariable ‘minisatellite’ regions in human DNA. Nature. 1985;314(6006):67-73.
• Butler JM. Forensic DNA Typing. 2nd ed. Elsevier Academic Press; 2005.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa VNTR và STR là gì, ngoài độ dài của motif?

Trả lời: Ngoài độ dài motif (VNTR: 10-100 bp, STR: 2-6 bp), VNTR thường được phân tích bằng kỹ thuật RFLP, trong khi STR thường được phân tích bằng PCR. VNTR có tính đa hình cao hơn STR, nhưng STR dễ phân tích hơn và ít bị ảnh hưởng bởi sự phân hủy DNA.

Làm thế nào mà “trượt sợi” (replication slippage) trong quá trình sao chép DNA có thể gây ra sự thay đổi số lần lặp lại trong VNTR?

Trả lời: Trong quá trình sao chép DNA, khi polymerase gặp vùng lặp lại, sợi DNA mới hoặc sợi khuôn mẫu có thể bị “trượt” và bắt cặp sai lệch với motif lặp lại. Điều này dẫn đến việc chèn hoặc mất một hoặc nhiều đơn vị lặp lại, tạo ra sự biến thiên về số lần lặp lại trong VNTR.

Ngoài RFLP và PCR, còn có kỹ thuật nào khác được sử dụng để phân tích VNTR?

Trả lời: Một số kỹ thuật khác bao gồm: phân tích đoạn DNA khuếch đại (Amplified Fragment Length Polymorphism – AFLP), phân tích chiều dài đoạn lặp lại đa dạng (Multiple Locus Variable Number Tandem Repeat Analysis – MLVA) và kỹ thuật sequencing thế hệ mới (Next Generation Sequencing – NGS) để xác định chính xác trình tự và số lần lặp lại của VNTR.

VNTR có vai trò gì trong nghiên cứu tiến hóa?

Trả lời: VNTR có thể được sử dụng như marker di truyền để nghiên cứu lịch sử tiến hóa của các loài. Sự biến đổi của VNTR theo thời gian có thể phản ánh quá trình tiến hóa, sự phân tách loài và quan hệ họ hàng giữa các loài. Phân tích sự đa dạng của VNTR trong quần thể cũng giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố tiến hóa như đột biến, trôi dạt di truyền và chọn lọc tự nhiên.

Hạn chế của việc sử dụng VNTR trong phân tích pháp y là gì?

Trả lời: Một số hạn chế bao gồm: cần lượng DNA mẫu lớn, dễ bị ảnh hưởng bởi sự phân hủy DNA, tốn thời gian và chi phí phân tích, khó phân tích các VNTR có kích thước lớn và phức tạp. Ngoài ra, việc diễn giải kết quả phân tích VNTR trong các trường hợp hỗn hợp DNA (ví dụ, mẫu từ nhiều cá thể) cũng có thể gặp khó khăn.