So sánh Giải trình tự bộ gen và Trình tự exome

Hai phương pháp giải trình là giải trình tự bộ gen và giải trình tự exome đều có những điểm tương đồng và khác biệt khác nhau. Đây là những công nghệ tiến bộ đóng góp rất nhiều vào nền y học như xác định các biến thể di truyền từ đó phát hiện ra bệnh lạ, bệnh di truyền…

Tổng quan về giải trình tự bộ gen và trình tự exome

Xác định thứ tự của các khối cấu tạo DNA (nucleotide) trong mã di truyền của một cá nhân, được gọi là giải trình tự DNA, đã nâng cao nghiên cứu về di truyền học và là một kỹ thuật được sử dụng để kiểm tra các rối loạn di truyền phổ biến. 

Công nghệ giải trình tự ban đầu là trình tự Sanger (được đặt theo tên của nhà khoa học đã phát triển nó, Frederick Sanger[1]). Đây là một bước đột phá giúp các nhà khoa học xác định mã di truyền của con người nhưng nó tốn nhiều thời gian và tốn kém tiền bạc.

Phương pháp Sanger đã được tự động hóa để làm cho nó nhanh hơn và vẫn được sử dụng trong các phòng thí nghiệm ngày nay để giải trình tự các đoạn DNA ngắn, nhưng nó vẫn sẽ mất nhiều năm để giải trình tự tất cả DNA của một người (được gọi là bộ gen của người đó). Giải trình tự thế hệ tiếp theo đã đẩy nhanh quá trình phân tích (chỉ mất vài ngày đến vài tuần để giải trình tự bộ gen người) giảm chi phí thực hiện hơn.

Phương pháp giải trình tự thế hệ tiếp theo phổ biến nhất hiện nay là giải trình tự toàn bộ exome và giải trình toàn bộ bộ gen. Với phương pháp giải trình tự thế hệ tiếp theo, giờ đây việc giải trình tự một lượng lớn DNA là khả thi. 

Giải trình tự exome là gì?

Giải trình tự toàn bộ vùng mã hóa hay còn gọi là giải trình trình tự toàn bộ exome (Whole exome sequencing, WES)  là một kỹ thuật gen để giải trình tự tất cả các vùng mã hóa protein của gen trong bộ gen (được gọi là exome hay exon). Nó bao gồm hai bước: 

• Bước đầu tiên là chọn tập hợp con của DNA mã hóa protein . Những vùng này được gọi là exon. Con người thường có 180.000 exon, chiếm khoảng 1% bộ gen người.
• Bước thứ hai là giải trình tự DNA exonic bằng cách sử dụng bất kỳ phương pháp giải trình thông lượng cao hoặc công nghệ giải trình tự DNA . 

Giải trình tự Exome phát hiện các biến thể trong các exon mã hóa, với khả năng mở rộng nội dung được nhắm mục tiêu để bao gồm các vùng chưa được dịch (UTR) và microRNA để có cái nhìn toàn diện hơn về quy định gen. Thư viện DNA có thể được chuẩn bị trong ít nhất 1 ngày và chỉ cần 4-5 Gb giải trình tự trên mỗi exome.

Giải trình tự toàn bộ exome là một phương pháp giải trình tự thế hệ tiếp theo (NGS) được sử dụng rộng rãi liên quan đến việc giải trình tự các vùng mã hóa protein của bộ gen. Exome của sinh vật, cá thể chỉ đại diện cho ít hơn 2% bộ gen nhưng chứa đến hơn 85% các biến thể liên quan đến bệnh tật đã biết khiến phương pháp này trở thành một phương pháp thay thế hiệu quả về chi phí cho việc giải trình tự toàn bộ bộ gen.

Ưu điểm của giải trình tự exome:

• Giải trình tự exome có thể xác định hiệu quả các biến thể mã hóa và ứng dụng trong nhiều nghiên cứu bao gồm nghiên cứu di truyền quần thể, bệnh di truyền và ung thư.
• Đạt được phạm vi bao phủ toàn diện của các vùng mã hóa
• Cung cấp giải pháp thay thế hiệu quả về chi phí so với giải trình tự toàn bộ bộ gen (chỉ mất 4–5 Gb giải trình tự trên mỗi exome so với ~ 90 Gb trên toàn bộ bộ gen người)
• Tạo tập dữ liệu nhỏ hơn, dễ quản lý hơn để phân tích dữ liệu nhanh hơn, dễ dàng hơn so với các phương pháp tiếp cận toàn bộ bộ gen

Giải trình tự toàn bộ bộ gen là gì?

Giải trình tự toàn bộ bộ gen (WGS) là một phương pháp toàn diện để phân tích toàn bộ bộ gen. Thông tin toàn bộ của bộ gen là công cụ xác định các rối loạn di truyền, mô tả đặc điểm của các đột biến thúc đẩy sự tiến triển của ung thư, bệnh tật và  theo dõi các đợt bùng phát bệnh.

Chi phí giải trình tự giảm nhanh chóng và khả năng tạo ra khối lượng lớn dữ liệu với các trình giải trình tự ngày nay làm cho việc giải trình tự toàn bộ bộ gen trở thành một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu bộ gen.

Ưu điểm của giải trình tự toàn bộ gen: 

• Cung cấp chế độ xem có độ phân giải cao đến từng cơ sở của bộ gen
• Nắm bắt cả các biến thể lớn và nhỏ có thể bị bỏ sót với các phương pháp tiếp cận được nhắm mục tiêu
• Xác định các biến thể gây bệnh tiềm ẩn cho các nghiên cứu tiếp theo về cơ chế điều hòa và biểu hiện gen
• Cung cấp khối lượng lớn dữ liệu trong một khoảng thời gian ngắn để hỗ trợ lắp ráp các bộ gen mới

Những điểm tương đồng của giải trình tự bộ gen và giải trình tự exome

Hai phương pháp gồm giải trình tự toàn bộ exome và giải trình tự toàn bộ bộ gen ngày nay được sử dụng nhiều hơn trong nghiên cứu và chăm sóc sức khỏe để xác định các biến thể di truyền; cả hai phương pháp đều dựa vào công nghệ mới cho phép giải trình tự nhanh chóng một lượng lớn DNA. Những cách tiếp cận này được gọi là giải trình tự thế hệ tiếp theo.

Ngoài việc được sử dụng trong các phòng khám và phòng xét nghiệm thì giải trình tự toàn bộ exome và toàn bộ bộ gen là những phương pháp có giá trị cho các nhà nghiên cứu học thuật cùng chẩn đoán lâm sàng. Như những biến thể trong exome có thể gây ra cả bệnh Mendel và các bệnh đa gen thông thường, chẳng hạn như bệnh Alzheimer.

Tham khảo Ưu điểm của Xét nghiệm Whole Exome Sequencing

Việc tiếp tục nghiên cứu trình tự gen và exome có thể giúp xác định xem liệu các biến thể di truyền mới có liên quan đến tình trạng sức khỏe hay không, điều này sẽ hỗ trợ chẩn đoán bệnh trong tương lai.

Cả hai phương pháp đều được sử dụng để xác định các biến thể từ đó phát hiện bệnh di truyền và các bệnh đa gen, bệnh phức tạp và mô tả cơ chế gây bệnh. Cả hai cũng đều được sử dụng để xác định gen ung thư. 

Đây là hai phương pháp giải trình thế hệ tiếp theo được sử dụng phổ biến nhất. Trong khi nhiều biến đổi di truyền có thể được xác định bằng giải trình tự toàn bộ exome và toàn bộ bộ gen hơn so với phương pháp giải trình khác nhưng ý nghĩa của phần lớn thông tin được mã hóa vẫn chưa được xác định.

Đây là do không phải tất cả các biến đổi di truyền đều có thể ảnh hưởng đến sức khỏe. Sẽ rất khó để biết liệu các biến thể đã xác định có liên quan đến tình trạng sức khỏe đang quan tâm hay không. Đôi khi, một biến thể đã xác định có liên quan đến một rối loạn di truyền khác chưa được chẩn đoán (chúng được gọi là những phát hiện ngẫu nhiên hoặc phát hiện thứ phát).

Những khác biệt chính của  giải trình tự bộ gen và giải trình tự exome

Mục đích sử dụng

Mục đích sử dụng của hai trình tự cũng có những khác biệt nhất định. Trong đó, sử dụng giải trình tự bộ gen khi:

• Phân tích toàn bộ bộ gen bao gồm mã hóa, không mã hóa và DNA ty thể
• Khám phá các biến thể bộ gen mới, sai lệch di truyền như biến thể nucleotit đơn, đột biến xóa, chèn  và sao chép,…
• Xác định các biến thể chưa biết trước đây cho các nghiên cứu được nhắm mục tiêu trong tương lai

Giải trình tự toàn bộ exome trong trường hợp:

• Phát hiện các biến thể di truyền hiếm gặp và phổ biến ở người
• Tăng khả năng thông lượng
• Tối ưu hóa chi phí cho mỗi mẫu 
• Phân tích các tập dữ liệu có thể quản lý và tối đa hóa khả năng lưu trữ dữ liệu

Chi phí

Chi phí thực hiện phương pháp WES thấp hơn nhiều lần so với GES. Đây là một phương pháp giải trình cần thiết và tiếp cận hiệu quả về chi phí khi GES đã trở nên không thực tế hoặc không cần thiết. Chỉ sắp xếp thứ tự các vùng mã hóa của bộ gen từ đó cho phép các nhà nghiên cứu tập trung nguồn lực của họ vào các gen có nhiều khả năng ảnh hưởng đến kiểu hình nhất và đưa ra sự kết hợp dễ tiếp cận giữa thời gian quay vòng và giá cả.

Điều này là do GES cần phân tích thông tin bộ gen hoàn chỉnh (100%) trong một mẫu hoặc cá thể (toàn bộ bộ gen). Exon là vùng mã hóa protein của bộ gen và được gọi chung là exome. Tỷ lệ exome tương đối nhỏ trong toàn bộ bộ gen (khoảng 1%).

Chức năng

Phương pháp WES là phương pháp sắp xếp trình tự của các exome. Phương pháp này cho phép xác định các biến thể trong vùng mã hóa protein của bất kỳ gen nào thay vì chỉ trong một số gen được chọn. Bởi vì hầu hết các đột biến đã biết gây bệnh xảy ra ở các exon, giải trình tự toàn bộ exome được cho là một phương pháp hiệu quả để xác định các đột biến có thể gây bệnh.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các biến thể DNA bên ngoài exon có thể ảnh hưởng đến hoạt động của gen và sản xuất protein và dẫn đến rối loạn di truyền – những biến thể mà toàn bộ trình tự exome sẽ bỏ lỡ. Giải trình tự toàn bộ bộ gen sẽ giúp xác định thứ tự của tất cả các nucleotide trong DNA của một cá nhân và có thể xác định các biến thể trong bất kỳ phần nào của bộ gen.

Không giống như các phương pháp tiếp cận tập trung như giải trình tự exome hoặc giải trình tự có mục tiêu, phân tích một phần giới hạn của bộ gen, giải trình tự toàn bộ bộ gen mang lại một cái nhìn toàn diện về toàn bộ bộ gen. Nó lý tưởng cho các ứng dụng khám phá, chẳng hạn như xác định các biến thể gây bệnh và lắp ráp bộ gen mới.

Giải trình tự toàn bộ bộ gen có thể phát hiện các biến thể nucleotide đơn, chèn,  xóa, thay đổi số lượng bản sao và các biến thể cấu trúc lớn. Do những đổi mới công nghệ gần đây, trình tự bộ gen mới nhất có thể thực hiện giải trình tự toàn bộ bộ gen hiệu quả hơn bao giờ hết.

Kết luận

Phương pháp giải trình tự bộ gen và trình tự exome với những ưu điểm cùng sự tương đồng, khác biệt đặc trưng đều có đóng góp rất lớn vào y học, lâm sàng và chẩn đoán phát hiện các bệnh di truyền cũng như bệnh đa gen, ung thư,…