HỆ THỐNG GEN MMR VÀ ĐỘT BIẾN GEN MSH2 VỚI HỘI CHỨNG UNG THƯ ĐẠI TRỰC TRÀNG

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 được 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].

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 tác với dạng tương đồng mut L (từ exon 13 đến exon 16) mã hóa phần protein có 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 THƯ 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].

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.

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 ổn định không bền. Điều này có nghĩa là giữa các sợi đơn có thể xảy ra phản ứng hồi tính khi gặp sợi bổ sung với nó để hình thành dạng sợi kép như ban đầu. Hoặc cũng có khi trên cùng một sợi đơn cũng xảy ra hiện tượng bắt cặp giữa các trình tự bổ sung với nhau. Kết quả là, chúng bắt cặp với nhau tạo nên các cấu trúc vòng hoặc nếp gấp làm thay đổi hoàn toàn cấu hình không gian của chúng. Chính sự khác biệt về cấu hình không gian và sự khác nhau về trình tự các nucleotide giữa hai sợi đơn sẽ làm chúng di chuyển với tốc độ khác nhau trên cùng một bản gel điện di mặc dù kích thước (số lượng nucleotide) của hai sợi đơn này là như nhau. Ngoài ra, SSCP sử dụng gel điện di là gel polyacrylamide cho nên cho phép phân tách được các băng có sai khác nhỏ chỉ 1 nucleotide. Vì thế, những đột biến dạng thêm, mất 1 nucleotide cũng được phát hiện. Ưu điểm của kỹ thuật này là ít tốn kém về tiền bạc, tiện lợi, dễ tiến hành và cho độ nhạy khá cao trong xác định các đột biến gen. Đặc biệt, khi tiến hành kỹ thuật này với những điều kiện tối ưu, có tới 80 – 90% các đột biến được phát hiện. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là tốn khá nhiều thời gian và các đột biến chỉ được phát hiện tại các gen đơn locus.

Đây là phương pháp phát hiện đột biến tương đối hiệu quả dựa vào sự sai khác trong độ dịch chuyển của các sợi kép dị hợp so với các sợi kép đồng hợp. Trong phương pháp này, các sợi kép dị hợp được tạo ra bằng cách biến tính hỗn hợp mẫu (bao gồm ADN của người bình thường và ADN của người bị bệnh) rồi để hỗn hợp hồi tính. Tiếp theo, hỗn hợp được nạp lên các giếng đã được tạo sẵn trên bản gel polyacrylamide không biến tính để điện di kiểm tra. Các sợi kép dị hợp sẽ có cấu hình di chuyển khác hoàn toàn với các sợi kép đồng hợp (chúng nằm ở phía trên và tách biệt với các sợi kép đồng hợp ở phía dưới) [42]. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thấp và khá đơn giản về mặt kỹ thuật nhưng hiệu quả phát hiện đột biến thấp hơn SSCP (<80%).

Điện di gel gradient biến tính là phương pháp được mô tả lần đầu tiên bởi Myers và cộng sự (1987) [22]. Trong phương pháp này, người ta sử dụng các điều kiện biến tính như nhiệt độ, hóa chất gây biến tính không hoàn toàn phân tử ADN. Sự gia tăng các điều kiện nhiệt độ hay nồng độ hóa chất xung quanh phân tử ADN không chỉ khiến các phân tử ADN biến tính không hoàn toàn mà còn làm giảm độ di động của chúng trên gel. Kết quả là, chúng dịch chuyển đến các vị trí khác nhau trên bản gel. Tùy thuộc vào kích thước của đoạn ADN điện di (thông thường từ 25 đến vài trăm nucleotide) mà chúng được biến tính ở các điều kiện khác nhau. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thấp, tỷ lệ phát hiện đột biến khoảng 50 – 100%. Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi về máy móc, trang thiết bị, các thao tác phức tạp và tốn khá nhiều thời gian.

Từ cuối những năm 1970, trình tự các nuleotide trên phân tử ADN được xác định một cách đơn giản và nhanh chóng nhờ sự ra đời của hai phương pháp khác nhau bao gồm phương pháp hóa học và phương pháp enzym. Tuy nhiên, từ những năm cuối của thập kỷ 20 thế kỷ XX, trình tự các nucleotide được xác định trên máy đọc tự động ngày càng phổ biến. Ưu điểm của phương pháp này là giảm thiểu các thao tác, tiết kiệm các hóa chất và trình tự đọc được dài hơn hẳn so với các phương pháp trước đó [2].

Các phương pháp xác định trình tự đều liên quan đến kỹ thuật điện di các đoạn ADN dạng sợi đơn trên gel polyacrylamide. Đặc điểm của những đoạn ADN là có kích thước sai khác nhau chỉ 1 nucleotide. Trên các máy xác định trình tự hiện đại, gel polyacrylamide được nhồi trong các mao quản và các thông số của quá trình điện di như điện thế, nhiệt độ, thời gian cũng như lưu cất dữ liệu…được kiểm soát một cách tự động [2].

1.5. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu

Sử dụng một số kỹ thuật sinh học phân tử (PCR-SSCP và giải trình tự ADN) để phân tích một số trình tự mã hóa (exon) của gen MSH2 từ các bệnh nhân ung thư đại trực tràng.

Đề tài được thực hiện với các nội dung chính bao gồm:

1. Thu thập và bảo quản các mẫu bệnh phẩm (mô ung thư) của 42 bệnh nhân người Việt Nam bị mắc ung thư đại trực tràng và dạ dày cùng 5 mẫu đối chứng.

2. Tách chiết ADN tổng số từ các mẫu sinh phẩm thu được.

3. Nhân bản 09 exon cần quan tâm (gồm các exon 2, 3, 6, 7, 8, 12, 13, 14, 15) bằng các cặp mồi đặc hiệu.

4. Sử dụng kỹ thuật PCR – SSCP để phân tích và xác định đột biến ở các exon nghiên cứu.

5. Giải trình tự một số exon gen MSH2 từ một số mẫu bệnh phẩm.

Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. VẬT LIỆU, ĐỊA ĐIỂM, HÓA CHẤT VÀ THẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU

2.1.1. Vật liệu nghiên cứu

Vật liệu nghiên cứu gồm 42 mẫu mô của 42 bệnh nhân mắc bệnh ung thư đại trực tràng và dạ dày đang được điều trị tại Khoa U bướu Bệnh viện Đại học Y Hà Nội. Riêng 5 mẫu đối chứng được lấy từ người khỏe mạnh, không bị mắc bệnh ung thư và ở độ tuổi trên 50 nhằm đảm bảo yêu cầu khách quan của mẫu đối chứng.

Đề tài được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Di truyền học và phòng Phân tích di truyền thuộc Trung tâm nghiên cứu Khoa học Sự sống, Khoa Sinh học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội.

- Nhóm hóa chất trong phản ứng PCR: đệm Buffer 10X (+Mg²⁺), dNTPs, Taq – polymerase, mồi đặc hiệu tương ứng với mỗi exon nghiên cứu.

- Nhóm hóa chất điện di: agarose, đệm TAE, ethidium bromide, thang chuẩn ADN.

- Nhóm hóa chất SSCP: acrylamide, Bis – acrylamide, formalmide, TEMED, APS.

- Nhóm hóa chất nhuộm và một số hóa chất khác: Ethidium bromide, AgNO₃, ADN loading dye 6x, Na₂CO₃, CH₃COOH, EDTA, NaOH, ethanol, HNO­₃ ...

Các hóa chất thí nghiệm nêu trên đảm bảo đạt tiêu chuẩn về thời hạn sử dụng cũng như nguồn gốc xuất xứ và chế độ bảo quản theo khuyến cáo của nhà sản xuất.

2. 
   Các thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: