Nghiên cứu mối liên quan giữa đột biến ty thể và bệnh ung thư phổi - Trần Mạnh Hà

Nghiên cứu đột biến vùng điều khiển hệ gen ty thể và bệnh ung thư phổi. Tìm hiểu mối liên quan, cơ chế sinh học và tiềm năng ứng dụng trong điều trị ung thư.

• Tác giả: Trần Mạnh Hà
• Người hướng dẫn: Pgs. Lê Quang Huấn
• Trường học: Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật
• Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm
• Đề tài: Nghiên Cứu Mối Liên Quan Giữa Đột Biến Trong Vùng Điều Khiển Hệ Gen Ty Thể Và Bệnh Ung Thư Phổi
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Giới thiệu chung về ty thể
• 1.2. Cấu trúc ty thể
• 1.3. Chức năng của ty thể
• 1.4. Hệ gen ty thể
• 1.5. Sự phân chia ty thể và quá trình sao chép gen ty thể
• 1.6. Di truyền gen ty thể và đột biến gen ty thể liên quan đến bệnh học
• 1.6.1. Di truyền gen ty thể
• 1.6.2. Đột biến gen ty thể liên quan đến bệnh học
• 1.7. Mối liên quan giữa ung thư phổi và đột biến gen ty thể
• 1.7.1. Giới thiệu chung về ung thư
• 1.7.2. Định nghĩa ung thư và dịch tễ học ung thư
• 1.7.3. Cơ chế và nguyên nhân gây ung thư
• 1.7.4. Ung thư phổi
• 1.7.5. Giới thiệu về ung thư phổi và tình hình dịch tễ
• 1.7.6. Nguyên nhân gây ung thư phổi và quá trình phát triển ung thư phổi
• 1.7.7. Mối liên quan của chức năng của ty thể và sự phát triển ung thư
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Trang thiết bị
• 2.2. Phần mềm tin sinh học
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương pháp tách chiết DNA từ mẫu máu
• 2.3.2. Định lượng DNA tách chiết bằng phương pháp quang phổ kế
• 2.3.3. Nhân đoạn gen bằng PCR
• 2.3.4. Phương pháp giải trình tự
• 2.3.5. Phương pháp phân tích chất lượng dữ liệu trình tự
• 2.3.6. Phương pháp tìm đột biến gen
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả tách chiết DNA
• 3.2. Kết quả nhân gen PCR
• 3.3. Kết quả giải trình tự gen
• 3.4. Kết quả phân tích đột biến
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 2. Mục tiêu
• 3. Nội dung
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Giới thiệu chung về ty thể
• 1.2. Cấu trúc ty thể
• 1.3. Chức năng của ty thể
• 1.4. Hệ gen ty thể
• 1.5. Sự phân chia ty thể và quá trình sao chép gen ty thể

Tóm tắt

I. Cách đột biến ty thể ảnh hưởng đến phát triển ung thư phổi

Ty thể, thường được biết đến là “nhà máy năng lượng” của tế bào, đóng một vai trò thiết yếu vượt xa chức năng sản xuất ATP. Bất kỳ sự thay đổi nào trong cấu trúc và chức năng của bào quan này đều có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là trong quá trình hình thành và phát triển ung thư. Nghiên cứu về đột biến ty thể đang mở ra một hướng đi mới trong việc tìm hiểu cơ chế sinh bệnh của ung thư phổi. Hệ gen ty thể (mtDNA) là một phân tử DNA vòng, sợi kép, có kích thước nhỏ nhưng lại cực kỳ quan trọng. Nó mã hóa cho 13 polypeptide thiết yếu của chuỗi hô hấp tế bào và các phân tử RNA cần thiết cho quá trình dịch mã. Do tốc độ đột biến cao hơn nhiều so với gen trong nhân và hệ thống sửa chữa kém hiệu quả, mtDNA trở thành mục tiêu dễ bị tổn thương bởi các tác nhân gây oxy hóa. Các đột biến này có thể làm suy giảm chức năng sản xuất năng lượng, tăng sản sinh các gốc oxy hóa tự do (ROS), và quan trọng hơn là làm rối loạn quá trình chết tế bào theo chương trình (apoptosis). Trong bối cảnh ung thư phổi, các tế bào ác tính cần một lượng năng lượng khổng lồ để tăng sinh không kiểm soát. Những thay đổi trong chức năng ty thể có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển này. Các nghiên cứu gần đây, bao gồm cả luận văn của Trần Mạnh Hà (2013), đã tập trung vào việc xác định mối liên quan giữa các đột biến ty thể cụ thể và nguy cơ mắc bệnh, mở đường cho các phương pháp chẩn đoán và điều trị tiên tiến hơn.

1.1. Giới thiệu tổng quan về hệ gen ty thể mtDNA

Hệ gen ty thể (mtDNA) ở người là một phân tử DNA sợi kép, cấu trúc vòng với kích thước 16.569 cặp base (bp). Dù nhỏ bé so với hệ gen nhân, mtDNA lại mang thông tin di truyền tối quan trọng, mã hóa cho 13 polypeptide là thành phần của phức hệ phosphoryl hóa oxy hóa (OXPHOS), cùng với 22 RNA vận chuyển (tRNA) và 2 RNA ribosome (rRNA). Một đặc điểm nổi bật của mtDNA là cơ chế di truyền theo dòng mẹ, nghĩa là con cái thừa hưởng gần như toàn bộ ty thể từ trứng của người mẹ. Điều này tạo ra một phả hệ di truyền đặc trưng cho các bệnh lý liên quan đến đột biến ty thể. Vùng không mã hóa chính của mtDNA được gọi là vùng D-loop, nơi chứa các yếu tố điều hòa quan trọng cho quá trình sao chép và phiên mã. Đây cũng là khu vực có tần suất đột biến cao nhất, đặc biệt tại các vùng siêu biến HV1 và HV2, khiến nó trở thành tâm điểm của nhiều nghiên cứu về ung thư và các bệnh lão hóa.

1.2. Mối liên hệ giữa chức năng ty thể và quá trình apoptosis

Ty thể đóng vai trò trung tâm trong việc điều hòa quá trình chết tế bào theo chương trình (apoptosis), một cơ chế sinh học thiết yếu giúp loại bỏ các tế bào bị tổn thương hoặc không cần thiết, duy trì sự cân bằng của mô. Khi nhận được tín hiệu gây chết, ty thể sẽ giải phóng các yếu tố như cytochrome c vào tế bào chất. Cytochrome c sau đó kích hoạt một chuỗi phản ứng enzyme (caspase), dẫn đến sự phân hủy có kiểm soát của tế bào. Trong các tế bào ung thư, khả năng lẩn tránh apoptosis là một trong những đặc điểm cốt lõi. Các đột biến ty thể có thể làm thay đổi tính thấm của màng ty thể hoặc ảnh hưởng đến hoạt động của các protein điều hòa apoptosis như Bcl-2. Kết quả là, tế bào ung thư không bị tiêu diệt dù mang nhiều tổn thương di truyền, cho phép chúng tiếp tục tăng sinh và hình thành khối u. Do đó, việc nghiên cứu rối loạn chức năng ty thể trong ung thư phổi là cực kỳ cần thiết để hiểu rõ cơ chế kháng lại sự chết theo chương trình của tế bào ác tính.

II. Vì sao chẩn đoán ung thư phổi sớm vẫn còn nhiều thách thức

Ung thư phổi là một trong những loại ung thư phổ biến và có tỷ lệ tử vong hàng đầu trên toàn thế giới, bao gồm cả Việt Nam. Một trong những thách thức lớn nhất trong việc điều trị căn bệnh này là việc phát hiện ở giai đoạn muộn. Ở giai đoạn đầu, ung thư phổi thường không có triệu chứng rõ ràng hoặc các biểu hiện dễ bị nhầm lẫn với các bệnh lý hô hấp thông thường như ho kéo dài, khó thở, viêm phế quản tái phát. Theo tài liệu nghiên cứu, “ung thư phổi có tiên lượng xấu bởi tiến triển nhanh, di căn sớm, phát hiện bệnh thường ở giai đoạn muộn”. Khi các triệu chứng trở nên rõ rệt như ho ra máu, đau ngực dữ dội, sụt cân không rõ nguyên nhân, khối u thường đã phát triển lớn hoặc di căn đến các cơ quan khác, khiến các phương pháp điều trị như phẫu thuật trở nên hạn chế và kém hiệu quả. Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh hiện nay như X-quang hay CT scan, dù hữu ích, vẫn có những giới hạn nhất định trong việc phát hiện các khối u kích thước nhỏ. Do đó, nhu cầu tìm kiếm các dấu ấn sinh học (biomarker) phân tử, có khả năng phát hiện bệnh từ giai đoạn rất sớm, trở nên cấp thiết. Các đột biến ty thể đang nổi lên như một ứng cử viên tiềm năng, hứa hẹn tạo ra một cuộc cách mạng trong việc chẩn đoán sớm và tiên lượng ung thư phổi.

2.1. Các triệu chứng lâm sàng dễ gây nhầm lẫn của bệnh

Các biểu hiện ban đầu của ung thư phổi rất mơ hồ và không đặc hiệu. Bệnh nhân có thể bị ho dai dẳng, một triệu chứng phổ biến của nhiều bệnh như cảm lạnh, viêm phế quản, hoặc dị ứng. Các triệu chứng khác bao gồm khàn giọng, khó thở nhẹ khi gắng sức, hoặc cảm giác mệt mỏi thường xuyên. Những dấu hiệu này thường bị bỏ qua hoặc tự điều trị bằng các loại thuốc thông thường. Chỉ khi bệnh tiến triển nặng hơn, các triệu chứng đặc hiệu mới xuất hiện, chẳng hạn như ho ra máu, đau ngực liên tục, nuốt nghẹn, hoặc phù nề vùng mặt và cổ. Sự tương đồng với các bệnh lý khác khiến việc chẩn đoán sớm trở nên khó khăn, làm trì hoãn thời điểm bệnh nhân tìm đến các cơ sở y tế chuyên khoa, dẫn đến mất đi “thời gian vàng” trong điều trị.

2.2. Hạn chế của các phương pháp chẩn đoán truyền thống

Các phương pháp chẩn đoán hình ảnh như chụp X-quang lồng ngực là công cụ sàng lọc ban đầu phổ biến nhưng có độ nhạy thấp, dễ bỏ sót các khối u nhỏ hoặc bị che khuất bởi các cấu trúc khác như xương sườn và tim. Chụp cắt lớp vi tính (CT) có độ phân giải cao hơn, nhưng lại tiềm ẩn nguy cơ phơi nhiễm tia xạ và có thể cho kết quả dương tính giả, đòi hỏi các thủ thuật xâm lấn hơn như sinh thiết để xác nhận. Sinh thiết, mặc dù là tiêu chuẩn vàng để chẩn đoán, là một quy trình xâm lấn, mang lại rủi ro cho bệnh nhân và không phải lúc nào cũng thực hiện được tùy thuộc vào vị trí khối u. Những hạn chế này nhấn mạnh sự cần thiết phải phát triển các phương pháp không xâm lấn, dựa trên dấu ấn sinh học trong máu hoặc các dịch cơ thể khác, để sàng lọc và chẩn đoán sớm ung thư phổi hiệu quả hơn.

III. Phân tích vùng D loop ty thể Hướng đi mới chẩn đoán ung thư

Vùng D-loop (displacement loop) là vùng không mã hóa lớn nhất trong hệ gen ty thể, có vai trò then chốt trong việc điều khiển quá trình sao chép và phiên mã mtDNA. Đây được xem là một “điểm nóng” đột biến, với tần suất thay đổi nucleotide cao hơn đáng kể so với các vùng mã hóa khác. Chính đặc tính này đã thu hút sự chú ý của giới khoa học trong việc nghiên cứu mối liên quan giữa đột biến ty thể và sự phát triển của ung thư phổi. Nghiên cứu của Trần Mạnh Hà (2013) đã tập trung vào việc giải trình tự vùng siêu biến HV1 trong D-loop từ mẫu máu của bệnh nhân ung thư phổi và nhóm đối chứng khỏe mạnh. Phương pháp này cho phép xác định chính xác các biến thể di truyền, hay các đột biến điểm, có thể liên quan đến bệnh. Việc phân tích vùng D-loop không chỉ cung cấp thông tin về nguy cơ di truyền mà còn có thể phản ánh những tổn thương do các yếu tố môi trường gây ra, chẳng hạn như khói thuốc lá. Bằng cách so sánh trình tự thu được với một trình tự tham chiếu chuẩn, như Cambridge Reference Sequence (CRS), các nhà nghiên cứu có thể xác định các đột biến đặc trưng cho nhóm bệnh nhân, mở ra tiềm năng phát triển các xét nghiệm di truyền để sàng lọc và chẩn đoán sớm ung thư phổi.

3.1. Vai trò điều hòa của vùng D loop trong sao chép mtDNA

Vùng D-loop chứa các trình tự khởi đầu quan trọng cho cả quá trình sao chép và phiên mã của mtDNA. Cụ thể, nó chứa điểm khởi đầu sao chép của sợi nặng (H-strand) và các promoter cho phiên mã của cả hai sợi. Bất kỳ đột biến điểm nào xảy ra trong các vùng chức năng này đều có khả năng làm thay đổi hiệu quả sao chép mtDNA, dẫn đến sự thay đổi số lượng bản sao mtDNA trong tế bào. Sự mất ổn định này có thể ảnh hưởng đến quá trình sản xuất năng lượng và cân bằng oxy hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho sự sống sót và tăng sinh của tế bào ung thư. Do đó, phân tích các biến thể trong D-loop không chỉ là tìm kiếm đột biến mà còn là khám phá cơ chế phân tử sâu xa mà qua đó đột biến ty thể góp phần vào quá trình sinh ung thư.

3.2. Phương pháp PCR và giải trình tự gen vùng siêu biến HV1

Để phân tích các đột biến điểm trong D-loop, nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật Phản ứng chuỗi Polymerase (PCR) để nhân một đoạn DNA cụ thể, trong trường hợp này là vùng siêu biến HV1 (hypervariable region 1). Cặp mồi được thiết kế đặc hiệu để khuếch đại một đoạn ADN dài 440 bp. Sau khi khuếch đại, sản phẩm PCR được tinh sạch và tiến hành giải trình tự bằng phương pháp Sanger. Quá trình này xác định thứ tự chính xác của các nucleotide (A, T, C, G) trong đoạn gen. Kết quả trình tự sau đó được so sánh với Cambridge Reference Sequence (CRS) bằng các công cụ tin sinh học như BLAST. Phương pháp này cho phép phát hiện những sai khác dù là nhỏ nhất, chỉ một nucleotide, giữa mẫu của bệnh nhân và trình tự tham chiếu, từ đó xác định các đột biến ty thể tiềm năng liên quan đến ung thư phổi.

IV. Bí quyết phát hiện đột biến ty thể đặc trưng trong ung thư

Việc xác định một đột biến ty thể đặc trưng cho ung thư phổi không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Nó đòi hỏi một phương pháp luận chặt chẽ, từ việc thu thập mẫu, phân tích di truyền đến so sánh thống kê. Chìa khóa thành công nằm ở việc so sánh một cách có hệ thống giữa nhóm bệnh nhân và một nhóm đối chứng khỏe mạnh, không có tiền sử ung thư. Trong nghiên cứu được đề cập, sau khi giải trình tự vùng D-loop của cả hai nhóm, dữ liệu được phân tích cẩn thận để tìm ra các điểm khác biệt. Kết quả cho thấy một số đột biến xuất hiện ở cả hai nhóm, cho thấy chúng có thể là các đa hình phổ biến trong dân số. Tuy nhiên, bí quyết để tìm ra đột biến đặc trưng là tập trung vào những biến thể có tần suất xuất hiện cao bất thường ở nhóm bệnh nhân nhưng lại hiếm hoặc không có ở nhóm đối chứng. Phân tích này đã dẫn đến một phát hiện quan trọng: đột biến điểm 16519 (T→C). Đột biến này chỉ được tìm thấy ở các bệnh nhân ung thư phổi, trong khi một đột biến khác tại vị trí 16189 (T→C) lại phổ biến ở cả người bệnh và người khỏe mạnh. Phát hiện này gợi ý rằng đột biến ty thể tại vị trí 16519 có thể là một dấu ấn sinh học tiềm năng, đặc hiệu cho ung thư phổi trong quần thể được nghiên cứu.

4.1. So sánh trình tự DNA với Cambridge Reference Sequence CRS

Cambridge Reference Sequence (CRS) là trình tự mtDNA người đầu tiên được giải mã hoàn chỉnh và được công bố vào năm 1981. Nó được sử dụng như một mốc tham chiếu chuẩn trong các nghiên cứu về di truyền ty thể. Bằng cách sử dụng các phần mềm tin sinh học, trình tự vùng D-loop thu được từ bệnh nhân ung thư phổi và nhóm đối chứng được so sánh trực tiếp với CRS. Quá trình này giúp tự động hóa việc xác định các vị trí có sự thay đổi nucleotide. Mọi sự khác biệt, dù là thay thế, thêm hay mất một base, đều được ghi nhận. Việc sử dụng một trình tự tham chiếu chung cho phép các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới có thể so sánh kết quả của họ một cách nhất quán, góp phần xây dựng một cơ sở dữ liệu toàn cầu về các đột biến ty thể liên quan đến bệnh tật.

4.2. Phân tích tần suất đột biến giữa nhóm bệnh và nhóm đối chứng

Sau khi xác định tất cả các biến thể so với CRS, bước tiếp theo và quan trọng nhất là phân tích tần suất. Một đột biến chỉ có giá trị như một dấu ấn sinh học nếu nó có mối liên hệ mật thiết với tình trạng bệnh. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã thống kê tần suất xuất hiện của từng đột biến điểm trong nhóm bệnh nhân ung thư phổi và so sánh với tần suất trong nhóm đối chứng. Kết quả phân tích cho thấy đột biến 16519 (T→C) có tần suất cao ở bệnh nhân nhưng hoàn toàn không xuất hiện ở người khỏe mạnh. Ngược lại, đột biến 16189 (T→C) xuất hiện với tỷ lệ tương đương ở cả hai nhóm (80% ở nhóm bệnh và 93% ở nhóm đối chứng), cho thấy nó có khả năng là một đa hình phổ biến không liên quan đến bệnh. Sự khác biệt rõ rệt về tần suất này là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy đột biến ty thể tại 16519 có thể đóng vai trò trong cơ chế bệnh sinh của ung thư phổi.

V. Đột biến 16519 T C Dấu ấn sinh học cho ung thư phổi

Phát hiện về đột biến điểm 16519 (T→C) trong vùng D-loop của mtDNA là kết quả nổi bật nhất từ nghiên cứu, mang lại ý nghĩa to lớn cho cả lĩnh vực nghiên cứu cơ bản và ứng dụng lâm sàng. Việc một đột biến chỉ xuất hiện ở nhóm bệnh nhân ung thư phổi mà không có ở nhóm đối chứng khỏe mạnh cho thấy nó có tiềm năng trở thành một dấu ấn sinh học (biomarker) đặc hiệu. Một dấu ấn sinh học lý tưởng cần phải nhạy và đặc hiệu, nghĩa là nó có thể phát hiện bệnh một cách chính xác và không nhầm lẫn với tình trạng khỏe mạnh hay các bệnh lý khác. Đột biến 16519 (T→C) đáp ứng được tiêu chí về độ đặc hiệu trong khuôn khổ nghiên cứu này. Mặc dù cần các nghiên cứu sâu hơn trên quy mô lớn hơn để xác nhận, kết quả ban đầu này mở ra khả năng phát triển các xét nghiệm sàng lọc không xâm lấn. Bằng cách phân tích mtDNA từ một mẫu máu đơn giản, các bác sĩ có thể xác định sự hiện diện của đột biến này, từ đó giúp chẩn đoán sớm ung thư phổi ngay cả trước khi các triệu chứng lâm sàng xuất hiện. Điều này sẽ cải thiện đáng kể tiên lượng cho bệnh nhân, tăng cơ hội điều trị thành công và giảm tỷ lệ tử vong do căn bệnh nguy hiểm này.

5.1. Ý nghĩa lâm sàng của việc xác định đột biến đặc trưng

Việc xác định được đột biến 16519 (T→C) như một dấu ấn sinh học tiềm năng cho ung thư phổi mang lại nhiều giá trị lâm sàng. Thứ nhất, nó có thể được sử dụng trong các chương trình sàng lọc cho những đối tượng có nguy cơ cao, chẳng hạn như người hút thuốc lá lâu năm. Một xét nghiệm máu đơn giản để tìm kiếm đột biến này sẽ ít xâm lấn và an toàn hơn nhiều so với sinh thiết. Thứ hai, nó có thể hỗ trợ trong việc tiên lượng bệnh. Sự hiện diện của một đột biến ty thể cụ thể có thể liên quan đến mức độ ác tính hoặc khả năng đáp ứng với một số liệu pháp điều trị nhất định. Cuối cùng, nó cung cấp một mục tiêu tiềm năng cho các liệu pháp điều trị mới, nhắm vào các con đường sinh học bị ảnh hưởng bởi rối loạn chức năng ty thể. Đây là một bước tiến quan trọng hướng tới y học cá thể hóa trong điều trị ung thư phổi.

5.2. Hạn chế của nghiên cứu và yêu cầu xác thực trên mẫu lớn

Mặc dù kết quả về đột biến 16519 (T→C) rất hứa hẹn, cần phải nhìn nhận các hạn chế của nghiên cứu. Quy mô mẫu trong nghiên cứu này còn nhỏ (13 bệnh nhân và 14 người đối chứng). Để khẳng định chắc chắn vai trò của đột biến này như một dấu ấn sinh học tin cậy cho ung thư phổi, cần tiến hành các nghiên cứu xác thực trên một quần thể lớn hơn, đa dạng hơn về mặt dân tộc và địa lý. Các nghiên cứu trong tương lai cũng nên kết hợp phân tích đột biến ty thể với các dữ liệu lâm sàng chi tiết khác như giai đoạn bệnh, loại mô học, và kết quả điều trị. Điều này sẽ giúp làm rõ hơn mối liên hệ giữa đột biến 16519 (T→C) và các đặc điểm của bệnh, củng cố giá trị ứng dụng của nó trong thực hành lâm sàng.

VI. Hướng phát triển mới trong điều trị ung thư phổi từ ty thể

Nghiên cứu về mối liên quan giữa đột biến ty thể và ung thư phổi không chỉ dừng lại ở việc tìm kiếm các công cụ chẩn đoán mới mà còn mở ra những chân trời hứa hẹn cho việc điều trị. Việc hiểu rõ cách thức các đột biến như 16519 (T→C) làm thay đổi chức năng ty thể và thúc đẩy sự phát triển của khối u sẽ cung cấp những mục tiêu phân tử mới cho các liệu pháp nhắm trúng đích. Thay vì các phương pháp hóa trị truyền thống gây độc cho cả tế bào lành và tế bào ung thư, các liệu pháp tương lai có thể tập trung vào việc khôi phục chức năng bình thường của ty thể hoặc khai thác các điểm yếu của tế bào ung thư do rối loạn chuyển hóa năng lượng. Chẳng hạn, các loại thuốc có khả năng điều chỉnh quá trình chết tế bào theo chương trình (apoptosis), buộc các tế bào ung thư phải tự hủy, đang được phát triển. Hơn nữa, sự phụ thuộc của tế bào ung thư vào các con đường chuyển hóa năng lượng đặc thù cũng là một gót chân Achilles có thể bị khai thác. Các nghiên cứu sâu hơn về hệ gen ty thể và vai trò của nó trong ung thư phổi sẽ là nền tảng để phát triển một thế hệ thuốc điều trị mới, hiệu quả hơn, ít tác dụng phụ hơn, và mang tính cá thể hóa cao, đáp ứng đúng với đặc điểm sinh học của khối u trên từng bệnh nhân.

6.1. Tiềm năng của liệu pháp nhắm vào chức năng ty thể

Các liệu pháp nhắm vào ty thể đang nổi lên như một chiến lược đầy triển vọng trong điều trị ung thư. Một hướng đi là sử dụng các hợp chất kích hoạt lại quá trình chết tế bào theo chương trình (apoptosis) bằng cách tác động trực tiếp lên các protein điều hòa tại màng ty thể. Hướng khác là nhắm vào sự khác biệt trong chuyển hóa năng lượng giữa tế bào ung thư và tế bào bình thường. Tế bào ung thư thường chuyển sang hình thức đường phân ngay cả khi có đủ oxy (hiệu ứng Warburg), và sự thay đổi này có liên quan đến chức năng ty thể. Các loại thuốc ức chế con đường chuyển hóa này có thể “bỏ đói” tế bào ung thư mà ít ảnh hưởng đến tế bào lành. Việc hiểu rõ các đột biến ty thể cụ thể trong ung thư phổi sẽ giúp lựa chọn liệu pháp phù hợp nhất cho từng bệnh nhân.

6.2. Tương lai của y học cá thể hóa trong điều trị ung thư

Y học cá thể hóa là tương lai của ngành ung thư học, nơi phác đồ điều trị được thiết kế riêng dựa trên hồ sơ di truyền của khối u ở mỗi bệnh nhân. Các đột biến ty thể, cùng với các đột biến trong gen nhân, sẽ trở thành một phần quan trọng của hồ sơ này. Việc giải trình tự mtDNA từ mẫu sinh thiết khối u hoặc từ DNA khối u lưu hành trong máu (ctDNA) có thể cung cấp thông tin quý giá về các điểm yếu của khối u. Dựa trên thông tin này, bác sĩ có thể lựa chọn một loại thuốc nhắm trúng đích có hiệu quả cao nhất. Nghiên cứu về đột biến ty thể trong ung thư phổi là một bước tiến quan trọng, đưa chúng ta đến gần hơn với kỷ nguyên mà việc điều trị ung thư không còn là “một phác đồ cho tất cả” mà là một giải pháp được “may đo” chính xác cho từng cá nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Từ những năm 1805 ty thể được các nhà khoa học phát hiện là một cấu trúc ngoài nhân tế bào (Ernster and Schatz, 1981). Sau gần 100 năm nghiên cứu kéo dài, mối liên hệ của ty thể và hô hấp tế bào được xác định và ngày nay ty thể được đánh giá là “trung tâm năng lượng của tế bào” (“Powerhouse of the Cell”). Ngoài ra, một trong những phát hiện đột phá về ty thể là việc xác định được sự tồn tại của vật liệu di truyền ty thể vào những năm đầu thập kỷ 60 của thế kỷ trước. Từ đó đến nay, các nghiên cứu trong lĩnh vực ty thể đã phát triển mạnh từ giải trình tự hệ gen ty thể, nghiên cứu chức năng cơ bản của ty thể và những bệnh liên quan tới rối loạn chức năng ty thể.

Tầm ảnh hưởng của ty thể tới sự phát triển bệnh ung thư ngày càng được giới nghiên cứu công nhận. Các đột biến của mtDNA (Mitochondrial Deoxyribonucleic) đã được phát hiện ở các bệnh ung thư như ung thư bàng quang, ung thư phổi, ung thư đại tràng, ung thư cổ và đầu, ung thư thận, gan, phổi, dạ dày và ung thư máu ác tính. Quan trọng hơn, vùng D-loop (displacement loop) của hệ gen ty thể lại là nơi có tần suất đột biến cao, đặc biệt là tại các vùng siêu biến như HV1 (hypervariable regions). Vì vậy đột biến tại vùng D-loop tiềm ẩn nhiều mối liên quan tới phát triển ung thư.

Ung thư phổi trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng là bệnh phổ biến và nguy hiểm trong tất cả các loại ung thư. Đây là bệnh có tiên lượng xấu bởi tiến triển nhanh, di căn sớm, phát hiện bệnh thường ở giai đoạn muộn. Ung thư phổi thường không có triệu chứng đặc biệt và có thể có các đặc điểm giống như ở các bệnh lý khác gây ra. Vì vậy việc tiến hành các chẩn đoán y học tin cậy là rất cần thiết.

Việc xác định trình tự nucleotide vùng điều khiển DNA ty thể được xem là công cụ hữu hiệu để đánh giá sự liên quan mật thiết giữa tỉ lệ đột biến vùng điều khiển gen ty thể với sự phát triển, biểu hiện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 2 ung thư phổi. Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi tiến hành “Nghiên cứu mối liên quan giữa đột biến trong vùng điều khiển hệ gen ty thể và bệnh ung thƣ phổi” 2. Mục tiêu Giải trình tự vùng D-loop tách chiết từ mẫu bệnh phẩm (máu) của bệnh nhân ung thư phổi tại bệnh viện Bạch Mai – Hà Nội – Việt Nam và người khỏe mạnh. So sánh trình tự đoạn gen HV1 vùng D-loop với các trình tự tham khảo công bố trên ngân hàng gen và tìm điểm đột biến đặc trưng cho bệnh nhân ung thư phổi ở Việt Nam.

Đề xuất chức năng đột biến gen ty thể liên quan tới bệnh ung thư phổi. Nội dung Tách chiết DNA tổng số từ máu của bệnh nhân mắc bệnh ung thư phổi và người bình thường. Nhân đoạn gen HV1 thuộc vùng D-loop. Xác định và phân tích trình tự gen vùng HV1 của các mẫu bệnh phẩm và mẫu đối chứng.

So sánh các trình tự với trình tự chuẩn Cambridge Reference Sequence (CRS) để tìm ra điểm đột biến sai khác. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu chung về ty thể Từ những năm 1805 ty thể được các nhà khoa học phát hiện là một cấu trúc ngoài nhân tế bào (Ernster and Schatz, 1981).

Tuy nhiên hơn 60 năm nghiên cứu về chức năng ty thể kể từ khi cấu trúc này được phát hiện, các nhà tế bào học mới lần đầu tiên nhận ra mối liên quan của ty thể và sự hô hấp tế bào bằng quan sát cấu trúc hình thái đơn thuần. Tiếp theo 30 – 40 năm tập trung nghiên cứu sinh hóa sau đó, ty thể được đánh giá là “trung tâm năng lượng của tế bào” (“Powerhouse of the Cell”) (Verschoor et al. Để có được kết luận này về chức năng của ty thể các nhà khoa học đã dựa trên một loạt các phát hiện mang tính sự kiện trong lĩnh vực nghiên cứu ty thể. Năm 1909, Corren và Baur độc lập phát hiện ra các trường hợp di truyền theo dòng mẹ nhưng chưa xác định được nguồn gốc và vị trí.

Các phân tích di truyền sau đó vào năm 1949 bởi Slonimski và Ephrussi đã chỉ ra rằng suy hô hấp tế bào ở nấm men có đột biến trong tế bào chất chứ không phải do đột biến gen trong nhân (Slonimski and Ephrussi, 1949). Và rất nhanh sau đó, hai tác giả này đã chứng minh được rằng suy hô hấp tế bào là do rối loạn chức năng ty thể. Dựa trên những phát hiện đầu tiên này, các phát hiện mang tính đột phá về ty thể liên tiếp được đưa ra. Một trong những phát hiện đột phá là việc xác định được sự tồn tại của vật liệu di truyền ty thể (Nass and Nass, 1963; Schatz and Klima, 1964).

Từ đó đến nay, các nghiên cứu trong lĩnh vực ty thể đã phát triển mạnh từ giải trình tự hệ gen ty thể, nghiên cứu chức năng cơ bản của ty thể cũng và những bệnh liên quan tới rối loạn chức năng ty thể. Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu về (1) cấu trúc ty thể, (2) hệ gen ty thể và di truyền gen ty thể, (3) Rối loạn cấu trúc/chức năng ty thể và các bệnh liên quan. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Cấu trúc ty thể Hình 1.

Cấu trúc ty thể Ty thể là bào quan phổ biến ở các tế bào nhân chuẩn (Hình 1. Tùy thuộc vào tế bào, ty thể có cấu trúc tổng thể khác nhau. Nhìn chung ty thể có hình hạng phổ biến là hình que hoặc bầu dục với kích thước 5 - 10 µm x 2 – 3 µm. Ty thể có cấu trúc màng kép bao gồm màng ngoài ty thể và màng trong ty thể.

Hai màng này có chức năng hoàn toàn khác biệt với nhau. Lớp màng ngoài ty thể bao trùm toàn bộ ty thể, tạo nên ranh giới ngoài của nó với tế bào chất. Lớp màng trong ty thể tạo thành các nếp gấp gọi là mào ty thể (cristae) hướng vào tâm. Mào ty thể là nơi chứa các bộ phận cần thiết cho quá trình hô hấp và tổng hợp ATP (adenosine triphosphate).

Các màng ty thể chia bào quan này thành hai khoang khác biệt nhau: “khoang chứa chất cơ bản” nằm bên trong ty thể, và “khoang liên màng” nằm giữa lớp màng ngoài và màng trong. Màng ngoài chứa các Protein tạo kênh (Porin) cho phép tất cả các phân tử < 5 kDa đi qua. Màng trong được cấu tạo phần lớn từ cardiolipin, là các nếp gấp, được gọi là mào ty thể. Lớp màng trong chỉ cho phép thấm lọc một số ion.

“Khoang liên màng ty thể” có chứa các enzyme tham gia quá trình phosphoryl hoá, oxy hoá và tổng hợp ATP. “Khoang chứa chất nền” bên trong chứa các ribosome, DNA ty thể, tRNA (transfer RNA hay tRNA) và nhiều loại enzyme cần thiết cho sự phiên mã và dịch mã hệ gen ty thể, ngoài Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 5 ra chất nền còn có chứa các acid béo, enzyme cần thiết tham gia vào chu trình acid tricarboxylic (Cooper, 2000). Chức năng của ty thể Chức năng chính của ty thể là tạo năng lượng cho tế bào ở dạng ATP. Tế bào sử dụng loại năng lượng này để duy trì sự sống và thực hiện các chức năng của tế bào.

Các phân tử carbohydrate, chất béo và protein chuyển hóa từ thức ăn được vận chuyển vào ty thể. Thông qua quá trình oxy hóa và phosphoryl hóa, năng lượng được chuyển đổi thành ATP, một dạng năng lượng dự trữ của cơ thể. (Dahout-Gonzalez et al. Chu trình tạo ATP diễn ra trong ty thể được thể hiện tại Hình 1.

Quá trình sinh tổng hợp ATP trong ty thể Ngoài chức năng tạo năng lượng cho tế bào, ty thể còn có chức năng trong quá trình gây chết tế bào theo chương trình (apoptosis). Thông thường ATP được tổng hợp sẽ được đi kèm với việc sử dụng oxy. Trong những điều kiện bất bình thường như là sốt, ung thư, đột quỵ, hoăc khi có các bất thường trong hoạt động ty thể, oxy được sử dụng nhiều hơn so với lượng oxy cần thiết để tạo ATP. Vì vậy lượng oxy trong ty thể trở nên dư thừa và vì thế tạo ra các gốc oxy hóa tự do cao (free radicals).

Khi số lượng các gốc tự do này quá cao, ty thể không còn khả năng thải loại độc tố thì chính các gốc tự do này làm thay đổi chức năng của ty thể bằng cách thay đổi cấu trúc mtDNA, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ 6 cấu trúc protein và cấu trúc màng ty thể. Điều này dẫn tới kết quả chết tế bào theo chương trình. Khi tế bào chết một cách bất bình thường do mất chức năng ty thể thì chức năng của các cơ quan sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng (Wu et al. Ty thể còn có các chức năng chuyên biệt khác tùy thuộc vào loại tế bào mang chúng.

Ty thể tham gia vào các quá trình xây dựng, phân hủy, tái tạo các sản phẩm cần thiết cho các hoạt động của tế bào biệt hóa. Ví dụ, một số các thành phần tạo DNA và RNA được tổng hợp trong ty thể. Ty thể còn tham gia tổng hợp một phần máu và hormone như estrogen và testosterone. Ty thể cũng rất quan trọng trong quá trình trao đổi chất và thải độc ammonia.

Vì vậy, nếu ty thể không hoạt động đúng chức năng, không những việc tạo năng lượng bị ảnh hưởng mà các sản phẩm phục vụ cho các chức năng tế bào chuyên biệt cũng bị ảnh hưởng (Hernandez-Resendiz et al. Hệ gen ty thể Như đã giới thiệu, ty thể có mang chất liệu di truyền (mtDNA) trong “khoang chứa chất nền”. Phần lớn các động vật có xương sống có hệ gen ty thể gồm 1000 – 5000 phân tử mtDNA dạng vòng (Goldstein và Shmookler Reis, 1984). mtDNA tập trung trong “khoang chứa chất nền” và thường gắn kết với các protein và lipid.

Ở người, hệ gen ty thể là một phân tử mtDNA sợi kép, cấu trúc vòng với kích thước 16.569 bp, mã hóa cho 13 polypeptide (Hình 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www. Cấu trúc hệ gen ty thể Tất cả 13 polypeptide này đều là thành phần cấu trúc của phức hệ phosphoryl hóa oxi hóa phức tạp (OXPHOS), bao gồm 7 tiểu đơn vị của phức hệ I (complex I), một tiểu đơn vị của phức hệ III (complex III), 3 tiểu đơn vị của phức hệ IV (complex IV), và hai tiểu đơn vị của phức hệ V (complex V).