Cơ sở và Phương pháp Sinh học phân tử. Nxb. Đại học Sư phạm

Sách có tại Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên, bao gồm sách file giấy và file điện tử

Phương pháp phân tích di truyền hiện đại trong chọn giống cây trồng. Nxb Đại học Thái Nguyên

Sách có tại Trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên, sách file giấy

Tin Sinh học. Nxb Đại học Thái Nguyên, 2019

Sách có tại Trung tâm Thông tin thư viện, Trường Đại học Sư phạm-Đại học Thái Nguyên. File giấy

Sinh học hiện đại, một số vấn đề về nguyên lý và ứng dụng

Sách trình bày một số nội dung hiện đại của sinh học và công nghệ sinh học cùng với những thành tựu cũng như kết quả nghiên cứu của các tác giả. Sách do Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội xuất bản.

Hệ gen và phát sinh chủng loại của virus SARS-CoV2

Chu Hoàng Mậu

Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên

Bệnh viêm phổi cấp do SARS-CoV2

            Đối với virus, việc giải mã hệ gen được quan tâm với các virus gây bệnh truyền nhiễm, như virus gây bệnh cúm, virus gây bệnh suy đường hô hấp cấp... ở người và động vật và một số virus gây thiệt hại lớn đối với cây trồng. Các thông tin về cấu trúc hệ gen virus là cơ sở xây dựng hệ thống phát sinh chủng loại, xác định quan hệ di truyền, truy tìm nguồn gốc, tìm kiếm gen kháng nguyên để nghiên cứu sản xuất vaccine, tìm kiếm thuốc ức chế virus ...

Ví dụ bệnh viêm đường hô hấp cấp nặng do virus ở người là một hội chứng bệnh có căn nguyên do nhiều virus gây bệnh nguy hiểm, trong đó có bệnh SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome) do virus SARS–Corona gây nên (SARS – CoV).

SARS - CoV là một biến thể của virus Corona, thuộc họ Coronaviridae và SARS - CoV có cấu trúc phân tử giống 60-70% với cấu trúc của Coronavirus kinh điển, tuy nhiên độc lực mạnh hơn rất nhiều lần, độc tố của SARS - CoV làm liệt cơ co bóp phế nang, hủy hoại mạnh tế bào đường hô hấp, gây rối loạn các enzyme chuyển hoá và làm ngộ độc các cơ quan nội tạng. Từ cuối tháng 2/2003 đến 8/2003, đại dịch SARS đã xảy ra tại 29 nước trên toàn cầu với tổng số 8.098 trường hợp mắc bệnh và 774 trường hợp tử vong. Bệnh SARS lây nhiễm từ người bệnh sang người và nguồn truyền nhiễm động vật hoang dã. Bệnh virus corona 2019 hay COVID-19 (Coronavirus disease 2019) hay đại dịch COVID-19, còn được gọi là đại dịch viêm phổi cấp do chủng mới của virus corona. Virus corona gây hội chứng hô hấp cấp tính nặng 2, viết tắt SARS-CoV-2 (Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2), là một chủng coronavirus gây ra bệnh viêm đường hô hấp cấp do virus corona 2019 (COVID-19), xuất hiện lần đầu tiên vào tháng 12 năm 2019 ở thành phố Vũ Hán (Trung Quốc) và bắt đầu lây lan nhanh chóng sau đó, trở thành một đại dịch toàn cầu. Vào ngày 12 tháng 01 năm 2020, nó được Tổ chức Y tế Thế giới gọi tên là 2019-nCoV, dựa trên một phương thức đặt tên cho virus corona mới. Đến ngày 11 tháng 02 năm 2020, Ủy ban Quốc tế về Phân loại Virus (ICTV) quyết định đặt tên chính thức cho chủng virus corona mới này là SARS-CoV-2.

Hệ gen virus SARS-CoV2

Hệ gen của virus SARS-CoV-2 gồm các gen trên phân tử RNA sợi đơn có kích thước từ 27-32 kb (Hình 1), tương đồng 50% mã gen so với chủng virus MERS-CoV; 79,5% mã gen so với chủng virus SARS-CoV; 96% mã gen so với chủng virus Corona được phát hiện trong dơi, đặc biệt là dơi móng ngựa; 99% mã gen so với chủng virus Corona có trong loài Tê tê. Virus Corona SARS 2 và virus Corona SARS cùng thuộc virus Corona thế hệ B (Betacoronavirus Lineage B, Sarbecovirus). Hệ gen của SARS-CoV2 gồm các gen mã hóa 4 loại protein cấu trúc là S, M, N, và E. Protein spike (S) tạo thành các gai đặc trưng trong "vương miện" coronavirus. Các thành phần của protein S là kháng nguyên chính kích thích sinh kháng thể, protein M đóng vai trò quan trọng trong sự lắp ráp virus. Protein N (nucleocapsid) liên kết với hệ gen RNA để tạo thành nucleocapsid. Nó có thể tham gia vào quá trình điều hòa tổng hợp RNA của virus và có thể tương tác với protein M trong quá trình nảy chồi của virus. Protein E chưa rõ chức năng, nhưng trong SARS-CoV, protein E cùng với M và N là cần thiết để lắp ráp và giải phóng virus.

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ gen của SARS-CoV2

Tiến hóa phân tử và sự phát sinh chủng loại của SARS-CoV2

Hệ gen của virus SARS-CoV2 có mã số MT192773, với kích thước 29890 bp do Nguyen và cs (2020), Viện Pasteur, Thành phố Hồ Chí Minh giải mã từ virus nhiễm ở người, trường hợp nhập khẩu đầu tiên của CoVid-19 tại Việt Nam. Một số trình tự hệ gen khác có kích thước khoảng từ 29 kb-30 kb. Đến tháng 4 năm 2020 đã có gần 3500 trình tự hệ gen của virus SARS-CoV2 được giải mã bởi các nhà khoa học của nhiều quốc gia trên thế giới, như Trung Quốc, Đức, Hoa Kỳ, Pháp, Việt Nam…. Đây là cơ sở phục vụ nghiên cứu sản xuất vaccine kháng SARS-CoV2, nghiên cứu phát sinh chủng loại và xác định vật trung gian truyền nhiễm. Nghiên cứu tiến hóa phân tử của SARS-CoV2, các nhà khoa học của NCBI đã thiết lập cây phát sinh chủng loại phân tử từ một trình tự nuleotide của hệ gen mang mã số trên GenBank. Ví dụ trình tự nucleotide đầy đủ của hệ gen mang mã số MT019532.1 của SARS-CoV2 gây Hội chứng hô hấp cấp tính nặng ở người phân lập từ người mắc bệnh ở Wuhan, Hubei, Trung quốc được đăng ký trên GenBank ngày 11 tháng 2 năm 2020, có kích thước 29890 do nhóm tác giả Ren và cs thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm NHC về Hệ thống mầm bệnh sinh học và Phòng thí nghiệm Christophe Merieux, Viện Sinh học mầm bệnh, Viện Hàn lâm Khoa học Y học & hiệp hội Y học Bắc Kinh, Trung Quốc. Trình tự hệ gen của SARS-CoV2 mang mã số MT123290.1 được đăng ký bởi Shi và cs, Trung tâm công nghệ, Quảng Châu, Trung quốc trên GenBank ngày 28 tháng 2 năm 2020 có 29891 bp và nhiều trình tự khác của SARS-CoV2. Hệ gen SARS-CoV2 chứa 4 gen mã hóa các protein S, E, M, N. Bằng BLAST trên NCBI xác định được 54 trình tự hệ gen đầy đủ có độ tương đồng gần 100% là SARS-CoV2. Cây phát sinh chủng loại dựa trên trình tự hệ gen SARS-CoV2 và các virus khác trên GenBank được thiết lập với sự khác biệt lớn hơn 75% bởi công cụ BLAST trên NCBI (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov) dựa trên các hệ gen hoàn chỉnh của virus (Hình 2).              

Hình 2. Tiến hóa phân tử và mối quan hệ di truyền của SARS-CoV2 với các virus khác thiết lập dựa trên trình tự nucleotide hệ gen công bố trên GenBank theo phương pháp Neighbor Joining. Virus:54 là các virus SARS-CoV2 được khảo sát quan hệ tiến hóa phân tử, trong đó có SARS-CoV2 mang mã số MT019532.1 và MT123290.1. Các trình tự mang mã số MG772933, MG772934, MK211374, JX993988, KF294457, KF294455 là hệ gen của corona virus từ loài dơi ở Trung Quốc. Độ khác biệt là 0,009.

Phân tích tiến hóa phân tử của SARS-CoV2, so với các chủng SARS-CoV1 và các chủng betacoronavirus giống SARS được chia thành hai nhánh, trong đó SARS-CoV2 và SARS-CoV1 mỗi chủng phân bố riêng ở một nhánh (Hình 3).

Trên hình 3 cây phát sinh chủng loại được tạo ra bằng cách so sánh tương đồng theo từng cặp. BLAST căn chỉnh từng cặp giữa trình tự truy vấn (các trình hệ gen SARS-CoV2 như MT019532.1, MT123290.1 …) với các trình tự hệ gen trong cơ sở dữ liệu. Mẫu virus có trình tự hệ gen mang mã số MT019532.1 (hoặc MT123290.1) cùng 53 trình tự khác có cùng nguồn gốc với trình tự hệ gen của coronavirus giống như SARS ở loài dơi Trung Quốc mang mã số MG772933 và MG772934. SARS coronavirus (SARS-CoV), tác nhân gây ra dịch SARS lớn năm 2003, có nguồn gốc từ dơi. Nhiều loại coronavirus giống như SARS (SL-CoV) đã được phát hiện ở dơi, đặc biệt là những loài sống ở Trung Quốc, Châu Âu và Châu Phi (Hu và cs, 2018). Từ quan hệ tiến hóa trên cây phát sinh chủng loại này, một số nhà khoa học Truong Quốc đã giả thuyết rằng, dơi là động vật trung gian truyền SARS-CoV2.

Phân tích tiến hóa của 3088 trình tự hệ gen virus SARS-CoV2 đến ngày 5/4/2020, thiết lập cây phát sinh chủng loại (Hình 3) cho thấy mối quan hệ tiến hóa của virus SARS-CoV2 (hCoV-19) từ đại dịch coronavirus COVID-19 xuất hiện đầu tiên từ Vũ Hán, Trung Quốc, vào tháng 11-12 / 2019, sau đó là sự lây nhiễm từ người sang người và đến thnga 4/2020 vẫn đang tiếp diễn. Các mẫu truyền được suy luận cụ thể chỉ là một giả thuyết. Cây phát sinh chủng loại bắt nguồn từ các mẫu đầu ở Vũ Hán (Trung Quốc). Độ phân giải tạm thời giả định tỷ lệ thay thế nucleotide là 8.10^-4 mỗi nhánh/mỗi điểm/mỗi năm. Các dữ liệu được xử lý bằng Tin sinh học. Trên cây phát sinh chủng loại ở hình 6.9 cho thấy SARS-CoV2 đã phân thành hai nhánh lớn (A và B). Nhánh A đã chia ra 6 clade A1a, A2, A2a, A3, A6, A7 và nhánh B có 4 clade B, B1, B2, B4 (Hình 3).

Hình 3. Cây tiến hóa phân tử của các chủng betacoronavirus giống SARS. Coronavirus SARS-CoV-2 từ đại dịch COVID-19 có màu đỏ, Coronavirus SARS-CoV-1 từ dịch SARS năm 2002-2003 có màu vàng và  Coronavirus giống như SARS có màu xanh lam.

(https://www.gisaid.org/epiflu-applications/next-hcov-19-app/)

Đa hình nucleotide đơn (Single nucleotide polymorphism-SNP) ở người

Chu Hoàng Mậu 

Khoa Sinh học, Trường ĐHSP- ĐH Thái Nguyên

Đa hình nucleotide đơn (Single nucleotide polymorphism-SNP) được định nghĩa là một kiểu đa hình liên quan đến sự biến đổi của một cặp base duy nhất (Hình 1). Các nghiên cứu đang tìm kiếm các SNP trong hệ gen liên kết với bệnh, phản ứng thuốc và các kiểu hình khác của người.

Các SNP là loại biến dị di truyền phổ biến nhất ở người. Mỗi SNP đại diện cho sự khác biệt về một cặp nucleotide của DNA, đó là sự thay thế nucleotide loại này bằng nucleotide loại khác không bổ sung (ví dụ cytosine -C bằng thymine -T) trong một đoạn DNA nhất định. SNP xảy ra bình thường trong một phân tử DNA của người, tần suất xuất hiện các SNP là thấp. Mỗi vị trí SNP trong hệ gen có thể có tối đa bốn phiên bản, ứng với 4 loại nucleotide A, C, G và T. Tuy nhiên, không phải tất cả các thay đổi nucleotide đều là SNPs. Để được gọi là SNP, hai hoặc nhiều phiên bản của một trình tự phải có mặt trong ít nhất 1% cá thể trong quần thể. SNP xuất hiện trong toàn bộ hệ gen người với tần suất 1/300, nghĩa là cứ 300 bp có một SNP và trong 3 tỷ nucleotide của DNA người sẽ có khoảng 10 triệu SNP. Những biến thể SNP có thể là duy nhất hoặc xảy ra ở nhiều cá thể, hiện nay đã tìm thấy hơn 100 triệu SNP trong các quần thể người trên toàn thế giới. Sự phân bố các SNP trong quần thể theo tỷ lệ là: 40%A, 34%C, 25%G, 1%T.

SNP và đột biến gây bệnh ở người không giống nhau. SNP và đột biến đều mô tả tương tự là sự biến đổi ở một cặp nucleotide, cả SNP và đột biến gen đều là sự khác biệt cặp bp trong DNA, nhưng SNP khác với đột biến gây bệnh ở chỗ: i) SNP xuất hiện với tần suất ít nhất 1% số cá thể trong quần thể; đột biến gen gây bệnh có tần số rất thấp; ii) Hầu hết các đột biến gây bệnh xảy ra trong vùng mã hóa hoặc ở vùng điều hòa và ảnh hưởng đến chức năng của protein do gen mã hóa. Không giống như đột biến, SNP không nhất thiết phải nằm trong gen và chúng không phải lúc nào cũng ảnh hưởng đến chức năng của protein.

Có thể tra cứu các thông tin và dữ liệu SNP trên website https://www.ncbi.nlm.nih.gov/snp/.

SNP được chia thành hai loại chính:

1) SNP được liên kết (còn gọi là SNP chỉ định) không cư trú trong gen và không ảnh hưởng đến chức năng protein. Tuy nhiên, chúng tương ứng với một phản ứng thuốc cụ thể hoặc nguy cơ mắc một bệnh nào đó.

2) SNP ảnh hưởng đến chức năng của protein, liên kết với một bệnh hoặc ảnh hưởng đến phản ứng của cá thể với thuốc. SNP gây bệnh có hai dạng: SNP mã hóa là các SNP nằm trong vùng mã hóa của gen, làm thay đổi trình tự amino acid của protein do gen mã hóa. SNP không mã hóa, nằm trong trình tự điều hòa của gen, làm thay đổi thời gian, vị trí hoặc mức độ biểu hiện gen. Như vậy, những SNP được tìm thấy ở vị trí giữa các gen, hoạt động như chỉ thị phân tử liên quan đến bệnh ở người. Khi SNP xuất hiện trong một gen hoặc ở các vị trí gần gen, chúng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng của gen.

Xác định các SNP trong hệ gen người

Tiếp cận nghiên cứu xác định, lập danh mục và mô tả SNP trong hệ gen người theo hai cách chính như sau:

1) Phương pháp tiếp cận nghiên cứu hệ gen được sử dụng khi có bức tranh đầy đủ của hệ gen người, xác định và lập danh mục tất cả các SNP trong hơn 3 tỷ cặp base của hệ gen người. Thực hiện so sánh hệ gen của nhiều cá thể để xác định sự khác biệt và bằng kỹ thuật phân tích dữ liệu, các SNP được sắp xếp và lập danh mục trong cơ sở dữ liệu.

2) Phương pháp tiếp cận chức năng được sử dụng một bệnh hoặc sự phản ứng thuốc cụ thể. Quá trình sinh học và phản ứng thuốc liên quan đến một bệnh được kiểm soát bởi hoạt động của nhiều gen. Các gen đã biết liên quan đến phản ứng hoặc một bệnh cụ thể được kiểm tra ở những người bị bệnh và không bị bệnh; bằng cách so sánh có thể xác định được SNP tương ứng với một chức năng hoặc một phản ứng cụ thể.

            SNP lần đầu tiên được xác định từ trình tự DNA từ nhiều người, tuy nhiên, do giải trình trình tự DNA là tương đối tốn kém và mất thời gian, cho nên các nhà khoa học đã tìm ra các phương pháp khác để phát hiện các SNP trong hệ gen người. Sự mở rộng mồi là một phương pháp được sử dụng để xác định các phiên bản SNP của nhiều người từ một SNP đã biết của hệ gen một người. Phương pháp mở rộng mồi để xác định các SNP được tóm tắt ở sơ đồ hình 3.

Ứng dụng phân tích SNP trong điều trị bệnh ở người

Hầu hết SNP không ảnh hưởng đến sức khỏe hoặc sự phát triển của một cá thể, tuy nhiên, một số khác biệt di truyền đã được chứng minh là rất quan trọng trong nghiên cứu sức khỏe con người. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy các SNP có thể giúp dự đoán phản ứng của cá thể đối với một số loại thuốc, nhạy cảm với các yếu tố môi trường như độc tố, nguy cơ phát triển các bệnh cụ thể. SNP cũng có thể được sử dụng để theo dõi sự di truyền của các gen gây bệnh trong một gia đình. Việc xác định, lập danh mục và nghiên cứu các biến thể di truyền nhỏ ở người sẽ tạo cơ sở cho các phương pháp điều trị y tế chuyên biệt và hiệu quả hơn. SNP đáng tin cậy là chỉ thị cho quyết định về nhiều khía cạnh chăm sóc y tế, như các bệnh cụ thể, hiệu quả của các loại thuốc và phản ứng bất lợi với các loại thuốc cụ thể. Phương pháp dược lý này có thể tiết kiệm thời gian, tiền bạc cho hàng triệu bệnh nhân thông qua chẩn đoán chính xác và đưa ra phác đồ điều trị với các loại thuốc thích hợp. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ có tác dụng xác định SNP liên quan đến các bệnh phức tạp như bệnh tim, tiểu đường và ung thư.

Một khái niệm quan trọng khi tiếp cận ứng dụng SNP trong điều trị bệnh, đó là thể đơn bội (haplotype). Nếu chỉ có một SNP duy nhất (A T G  A/G G T A sẽ không thể có nhiều thông tin về một người. Để xác định mối liên quan giữa SNP và phản ứng với thuốc, cần phải xem xét nhiều SNP trên một đoạn DNA có kích thước lớn hơn. Ví dụ: một đọa DNA chứa 3 SNP:

C G T/C G A T A A/G G T A C C G/T A T

Cứ mỗi sự kết hợp của SNP được gọi là thể đơn bội-haplotype, do đó trong ví dụ này, dọc theo vùng DNA này khả năng sẽ có 8 haplotype như sau:

1. C G T G A T A A G T A C C G A TH 1
2. C G T G A T A G T A C C T A TH 2
3. C G T G A T A G G T A C C G A TH 3
4. C G T G A T A G G T A C C A TH 4
5. C G C G A T A A G T A C C G A TH 5
6. C G C G A T A A G T A C C T A TH 6
7. C G C G A T A G G T A C C G A TH 7
8. C G C G A T A G G T A C C T A TH 8

Khi xem xét các mẫu DNA từ một nhóm lớn thì chỉ có mặt 4 trong số các khả năng trên và thực tế chỉ có một số haplotypes có thể thực sự tồn tại.

C G T G A T A A G T A C C G A T

C G T G A T A G G T A C C G A T

C G C G A T A A G T A C C T A T

C G C G A T A G G T A C C T A T

Trong một gia đình, mỗi người con nhận được một haplotype từ mẹ và một haplotype thứ hai từ bố. Như vậy, hai haplotype hay một cặp haplotype (lưỡng bội) tạo thành hồ sơ SNP của mỗi người. Hai haplotypes trong một cặp có thể khác nhau hoặc giống nhau.

Khi xem xét phản ứng của một cá nhân trong nhóm đối với một loại thuốc, thì cần xem xét hồ sơ SNP duy nhất của người đó. Có thể quan sát ví dụ về ứng dụng SNP trong lựa chọn thuốc trị bệnh hen suyễn ở người.

Ngày 5-5-2020

VIẾT BẢN THẢO BÀI BÁO KHOA HỌC VÀ LỰA CHỌN TẠP CHÍ CHO CÔNG BỐ

Các bạn Nghiên cứu sinh, Học viên cao học và Nhà khoa học trẻ thân mến,

Tôi muốn chia sẻ đôi điều về viết bản thảo bài báo khoa học và lựa chọn tạp chí cho công bố:

Để viết và hoàn thành một Bản thảo (Manuscript) bài báo khoa học cần có ít nhất 5 thứ: 1) Nền tảng kiến thức về nghiên cứu khoa học; 2) Kết quả nghiên cứu và dữ liệu khoa học (sản phẩm); 3) Tài liệu liên quan xuất bản trong khoảng 5-10 năm): Bài báo, dữ liệu… và năng lực phân tích; 4) Kĩ năng viết; 5) Kinh nghiệm (thời gian, trải nghiệm, ….).

Để gửi bản thảo bài báo khoa học đến tạp chí khoa học công nghệ cần thực hiện ít nhất 3 việc: 1) Lựa chọn và tìm tạp chí (địa chỉ, hệ thống gửi bản thảo (Article Management System hoặc Editorial Manage)…;2) Đăng kí tác giả của tạp chí; 3) Bản thảo bài báo đã hoàn thành theo quy định của tạp chí về cấu trúc, định dạng… và kiểm tra đạo văn.

Người làm nghiên cứu khoa học cần có Mã định danh khoa học- Tài khoản trên Google Scholar hoặc Scopus, với các chỉ số trích dẫn (H-Index) - web cá nhân.

Và Người nghiên cứu trẻ cần có Khát vọng- Tiếp cận dữ liệu lớn - Kỹ năng phân tích dữ liệu.

Mời các bạn đọc chi tiết ở file đính kèm.

Chúc các bạn thành công.

GS.TS. Chu Hoàng Mậu

Xin mời đọc:

files/users/chuhoangmau/001_BAI_BOLA_CHN_TC_Post_Web-_nn-_nn.pdf

LLKH_2022

files/users/chuhoangmau/Chu_Hoang_Mu_LLKH-212-12-2022.pdf