Di truyền tế bào thế hệ tiếp theo: Phát hiện biến thể cấu trúc có độ phân giải cao bằng bản đồ bộ gen quang học

Mặc dù là một kỹ thuật có độ phân giải thấp và tốn nhiều công sức, nhưng Karyotyping vẫn được sử dụng trên toàn thế giới trong xét nghiệm chẩn đoán thông thường như một công cụ chẩn đoán toàn bộ bộ gen. Phương pháp tiếp cận toàn bộ bộ gen này có khả năng phát hiện các SV như đảo đoạn và chuyển đoạn cân bằng mà các kỹ thuật tế bào học phân tử không nhắm mục tiêu khác không tìm thấy. FISH nhạy cảm hơn Karyotyping nhưng chỉ áp dụng đối với từng locus được nhắm mục tiêu và các xét nghiệm đối với những từng bất thường được nhắm mục tiêu. Microarray nhiễm sắc thể (CMA) và những kỹ thuật giải trình tự thế hệ mới (NGS) đã mang lại sự cải thiện lớn trong khả năng chẩn đoán di truyền bằng cách tăng độ nhạy; trước đây, chúng chủ yếu tập trung vào phát hiện biến thể số lượng bản sao (CNV) và biến thể đơn nucleotide (SNV). Lập bản đồ bộ gen quang học (Optical genome mapping – OGM) được giới thiệu có thể phân tích tất cả các lớp SVs và CNVs trên toàn bộ bộ gen, trong một xét nghiệm duy nhất, khiến nó trở thành ứng cử viên tiềm năng thay thế các phương pháp di truyền tế bào cổ điển trong tương lai.

OGM cung cấp hình ảnh trực tiếp các phân tử DNA siêu dài bằng Hệ thống Saphyr. Hệ thống Saphyr chụp ảnh các phân tử DNA được tuyến tính, siêu dài được gắn nhãn theo các motif trình tự riêng. Phân tích so sánh các mẫu nhãn giữa các lần đọc dài liền kề toàn bộ bộ gen cho thấy các biến thể cấu trúc (>500bp).

Quy trình này sử dụng DNA có trọng lượng phân tử rất cao (ultra-high-molecular-weight UHMW) thu được bằng cách sử dụng các bộ dụng cụ thương mại, các nhãn huỳnh quang được gắn vào motif trình từ 6 bp, xảy ra trung bình 20 lần trên 100 kbp. Các nhãn huỳnh quang được gắn thông qua công nghệ nhuộm và nhãn trực tiếp (DLS) không phá hủy và giữ nguyên các mẫu DNA. Kết quả là DNA tinh khiết và được dán nhãn có số lượng đáng kể các phân tử có chiều dài cơ sở lớn và thường có kích thước trung bình > 350 kbp và đủ dài để trải dài về cơ bản tất cả các yếu tố lặp lại trong bộ gen để phân tích SVs. Các kênh nano của Saphyr Chip cũng cho phép một phân tử DNA được tuyến tính hóa duy nhất di chuyển trong khi kiểm soát phân tử này không bị rối hoặc tự cuộn lại. Môi trường chất lỏng nano này cho phép các phân tử di chuyển nhanh chóng đồng thời qua hàng trăm nghìn kênh nano song song, cho phép xử lý thông lượng cao để xây dựng bản đồ bộ gen Bionano chính xác. Vì quá trình này xảy ra liên tục và được kiểm soát bởi các chu kỳ điện di và chụp ảnh, người sử dụng có thể quyết định lượng dữ liệu phù hợp và mỗi chip cho phép chụp ảnh song song ba mẫu và mang lại hiệu suất lên tới 5 Tbp trên mỗi mẫu (tương đương ~ 1600 × độ bao phủ cho một mẫu). Khả năng đạt được độ bao phủ cao như vậy bằng cách sử dụng các phân tử lớn hơn 150 kbp (và lên đến 2,5 Mbp) làm cho công nghệ này trở nên đặc biệt hấp dẫn để nghiên cứu các mẫu phức tạp, không đồng nhất như trong các khối u ác tính về huyết học và khối u rắn.

Quy trình xét nghiệm bản đồ bộ gen quang học

Dữ liệu thô được xử lý dựa trên một số thuật toán như: thuật toán phân tích biến thể hiếm (phát hiện các biến thể cấu trúc trên toàn bộ gen bao gồm phân tích các mẫu khối u/khảm không đồng nhất xuống mức phát hiện trung bình của tỷ lệ alen biến thể 5%), phân tích số lượng nhiễm sắc thể, chú thích/annotation biến thể (lọc tất cả các biến thể cấu trúc dựa trên tần suất của các biến thể tron cơ sở dữ liệu có sẵn tích hợp với cơ sở dữ liệu bên ngoài), lắp ráp De novo (xây dựng các bản đồ đồng thuận cho các dự án lắp ráp bộ gen để dàn dựng trình tự sắp xếp thành các cụm có chiều dài cánh nhiễm sắc thể hoặc để gọi các biến thể cấu trúc dị hợp tử)…

Kết quả được trình bày dưới dạng biểu đồ Circos được tạo tự động báo cáo thông tin toàn bộ bộ gen, bao gồm 4 vòng tròn đồng tâm:

• Cytobands của nhiễm sắc thể tương ứng.
• Các biến thể cấu trúc:  Chèn đoạn, mất đoạn, lặp đoạn, đảo đoạn được xác định từ bản đồ.
• Các biến thể số lượng bản sao (CNV).
• Chuyển đoạn

Kết quả phân tích bản đồ bộ gen quang học

Mỗi biến thể sẽ được sử dụng với độ phân giải cao hơn trong ứng dụng trình duyệt bộ gen khi sử dụng các bản đồ quang học được hiệu chỉnh theo vị trí và gen tham chiếu. Một ứng dụng thứ ba được bao gồm trong phân tích dữ liệu là cấu hình CNV toàn bộ bộ gen, giống như các phần mềm microarray hiện nay.

Hiện tại, nhiều nghiên cứu thẩm định lâm sàng theo thời gian và hồi cứu bổ sung đang được tiến hành, nhằm đánh giá và định lượng ứng dụng của OGM trong lâm sàng. Những nghiên cứu tế bào học này được kỳ vọng sẽ là tiền đề để phát triển các xét nghiệm bổ sung để chẩn đoán thông thường ở những bệnh nhân chậm phát triển, thiểu năng trí tuệ, các bệnh ung thư máu, ung thư hạch và các khối u rắn.

Hiện nay hệ thống Bionano Saphyr® cung cấp quy trình làm việc thông qua OGM được phát triển và cung cấp bởi công ty Bionano Genomics. (For Research Use Only. Not for use in diagnostic procedures)

Tài liệu tham khảo

1. Yannick Delpu, Hayk Barseghyan, Sven Bocklandt, Alex Hastie, and Alka Chaubey. Next-generation cytogenomics: High-resolution structural variation detection by optical genome mapping. In: Thomas Liehr. Cytogenomics. Elsevier Science; 2021. p. 123-130.

0