Chương 1. Đặc điểm của ADN ty thể người ADN ty thể người (mitochondrial DNA – mtDNA) là một trong những đối tượng được nghiên cứu nhiều nhất đối với hệ thống di truyền người. Trong đó, phần lớn các đột biến được tập trung trên vùng điều khiển D-loop (vùng siêu biến). Chính vì điều này, vùng điều khiển D-loop nắm giữ chìa khóa quan trọng đối với lịch sử tiến hóa và các mối quan hệ di truyền quần thể [9].
Cấu trúc ADN ty thể Hệ gen ty thể người là phân tử ADN mạch kép, có cấu trúc dạng mạch vòng với kích thước 16569 bp, nằm bên trong ty thể và không liên kết với protein histon. Phân tử ADN ty thể người được chia thành hai vùng là vùng mã hóa chứa 37 gen và vùng không mã hóa (vùng D-loop). ADN ty thể bao gồm hai chuỗi nucleotide: chuỗi nặng (H-strand) có chứa nhiều guanin và chuỗi nhẹ (L-strand) chứa nhiều cytosin. Trong đó, 37 gen mã hóa cho 22 tRNA, 2 rRNA (12S và 16S) tham gia vào quá trình dịch mã ở ty thể và 13 chuỗi polypeptide cần thiết cho hệ thống phosphoryl hóa oxy hóa [35].
Hình 1 thể hiện rõ 13 chuỗi polypeptide này bao gồm 7 tiểu phần của phức hệ I (NADH dehydrogenase) là ND1, ND2, ND3, ND4L, ND4, ND5 và ND6; 1 tiểu phần của phức hệ III (phức hệ bc1) là cytochrome b (Cytb); 3 tiểu phần của phức hệ IV (cytochrome c oxidase) là CO I, CO II và CO III; và 2 tiểu phần của phức hệ V (ATP synthase) là ATPase 6 và 8. Còn tất cả các protein khác của ty thể bảo gồm 4 tiểu đơn vị của phức hệ II (succinate dehydrogenase), tiểu đơn vị ADN polymerase γ của ty thể, các thành phần của RNA polymerase của ty thể, yếu tố phiên mã (mtTFA), các protein ribosome của ty thể, các yếu tố kéo dài chuỗi và các enzyme trao đổi chất của ty thể đều được mã hóa bởi ADN nhân [18]. Hầu hết các gen trên ADN ty thể là liên tục không chứa các đoạn intron, chỉ cách nhau bởi một hoặc hai cặp base không mã hóa. Mã di truyền trên ADN ty thể chỉ sử dụng hai codon kết thúc: 'AGA' và 'AGG', trong khi DNA nhân sử dụng ba codon kết thúc: 'UAA', 'UGA' và 'UAG'.
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc của ADN ty thể người https://www.com/science/article/pii/S0531556514001181 1. Cấu trúc vùng điều khiển D-loop ở ADN ty thể Vùng duy nhất không mã hóa ở ADN ty thể là vùng điều khiển, hay còn gọi là vùng D-loop (displacement loop) chiếm khoảng 7% ADN ty thể. Vùng D-loop có chức năng điều hòa sự sao chép của ADN ty thể và sự biểu hiện của các gen.
Vùng D-loop chứa các điểm khởi đầu sao chép của chuỗi nặng và chuỗi nhẹ và chứa promoter cho sự phiên mã chuỗi nặng và chuỗi nhẹ. Cấu trúc của D-loop là cấu trúc sợi ba, có kích thước 1121 bp, chứa các trình tự promoter cho quá trình phiên mã và trình tự khởi đầu sao chép cho chuỗi nặng và nhẹ. Các loại ty thể khác nhau thuộc các nhóm đơn bội (halogroup) khác nhau dựa trên trình tự đặc trưng của vùng D-loop. Vùng D-loop định vị ở vị trí 16024-576 trên genome ty thể bao gồm hai đoạn siêu biến 1 và 2 (HV-I và HV-II).
Trình tự đoạn siêu biến 1 (HV-I) có kích thước 359 bp (vị trí 16024-16383) và đoạn siêu biến 2 (HV-II) có kích thước 315 bp (vị trí 57-372). Các đoạn siêu biến HV-I và HV-II có các đoạn lặp lại liên tiếp các nucleotide Cytosin, thường được gọi là các đoạn poly C [9]. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc vùng D-loop của ADN ty thể người https://www.com/science/article/pii/S0531556514001181 Trên ngân hàng dữ liệu gen quốc tế về ADN ty thể đã công bố hàng nghìn trình tự hoàn chỉnh vùng D-loop của nhiều dân tộc khác nhau thuộc các châu lục trên thế giới.
Tuy nhiên, do hai vùng siêu biến HV-I và HV-II có tần số đột biến cao và có chứa nhiều điểm đa hình nên được tập trung nghiên cứu. ADN ty thể, vùng D-loop và hai đoạn siêu biến HV-I và HV-II trong nghiên cứu di truyền quần thể người ADN ty thể (mtADN) có tốc độ tiến hóa nhanh, không xảy ra hiện tượng tái tổ hợp, đặc điểm quan trọng là di truyền theo dòng mẹ, số lượng bản sao lớn và tỷ lệ đột biến cao, vì vậy mtADN được lựa chọn là một công cụ hữu hiệu trong các nghiên cứu về nhân chủng học tiến hóa người [27]. Phân tích các biến thể trên chuỗi ADN ty thể đã được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu quan hệ tiến hóa của các cá thể và quần thể, cả trong phạm vi giữa các loài. Vì vậy, những dữ liệu mtADN có thể phục vụ như là một “mã vạch” phân loại cho các loài mục tiêu [37].
Các đột biến trên ADN ty thể xảy ra nhiều hơn 5 đến 10 lần so với ADN nhân [10]. Điều này là có thể vì ở ADN nhân có nhiều cơ chế để sửa chữa các sai hỏng khi quá trình sao chép mắc lỗi. Bên cạnh đó, ty thể là nơi luôn diễn ra các quá trình oxy hóa và sản sinh ra các chất oxy hóa mạnh như các gốc tự do. Các chất này là một nhân tố phát sinh đột biến khi chúng tác động lên hệ gen của ty thể [18].
Một tế bào có trung bình khoảng 4000 ty thể nên các đột biến có hại có thể xảy ra ở tất cả các mô, sinh dưỡng và sinh dục. Ở tế bào sinh dưỡng, các đột biến 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com làm giảm việc sản xuất năng lượng cho tế bào, trong khi đó, ở tế bào sinh dục của mẹ, các đột biến sẽ được truyền cho thế hệ sau và tạo ra các đa hình ADN ty thể. năm 1988 đã chỉ ra rằng mỗi tế bào chứa 1 bản sao của ADN nhân nhưng lại có hàng trăm bản sao của ADN ty thể cùng với việc ADN ty thể tồn tại ở dạng vòng, nằm trong tế bào chất, do đó việc thu nhận ADN ty thể dễ dàng hơn. Điều này hữu ích với việc thu thập mẫu cho các nghiên cứu [30].
Trong phân tử ADN ty thể, dù mang chức năng quan trọng, nhưng vùng điều khiển (D-loop) lại có tỷ lệ đột biến cao gấp 10 lần so với vùng mã hóa. Tuy nhiên, sự biến đổi trên vùng D-loop phân bố không đều, trong đó mật độ biến đổi cao nhất của các vị trí đa hình được tìm thấy ở hai đoạn siêu biến 1 và 2 (HV-I và HV-II) [11]. HV-I và HV-II chứa nhiều điểm đa hình, có trình tự thay đổi theo thời gian và khác nhau giữa các vùng địa lý, nên được tập trung nghiên cứu nhiều [15]. Sơ đồ mô tả quá trình di cư của các nhóm đơn bội ADN ty thể người [32] Do hệ gen ty thể có đặc tính di truyền theo mẹ nên các đa hình được tích luỹ và phát tán theo các dòng phả hệ mẫu hệ, tạo nên tính đa hình ADN ty thể hay các nhóm đơn bội (Haplogroup) đặc trưng theo quần thể.
Theo đó, mỗi haplogroup có một bộ các đa hình nucleotide đơn (Single Nucleotide Polymorphisms – SNP) đặc trưng. Việc phân loại và sắp xếp các nhóm haplogroup sẽ giúp phân tích các dòng ADN ty thể theo phả hệ mẫu hệ, từ đó có thể dựng cây phả hệ tiến hóa các nhóm 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com haplogroup và con đường di cư của ADN ty thể. Các nghiên nhân chủng học phân tử cho thấy, người hiện đại bắt đầu xuất hiện ở châu Phi cách đây khoảng 200. Nghiên cứu hoàn chỉnh trình tự hệ gen ty thể đã hỗ trợ cho việc xác định lịch sử nhân chủng học tiến hóa của loài người ở các châu lục trên thế giới.
Người châu Phi đặc trưng bởi Macro-haplogroup L và 7 haplogroup (L0, L1, L2, L3, L4, L5 và L6) phân bố khắp các lục địa châu Phi.000 năm trước, haplogroup L3 di cư ra khỏi vùng Đông Phi tới các lục địa châu Á và châu Âu, các vùng rất đa dạng về môi trường, các dân tộc, các nền văn hóa và ngôn ngữ. Hai dòng ADN ty thể M và N xuất hiện từ L3 là tổ tiên của tất cả các dòng ADN ty thể trên lục địa Á, Âu. Các haplogroup phát sinh từ Macro-haplogroup M xuất hiện tại các lục địa Ấn Độ và Đông Nam Á, điều này chứng tỏ đã có một quá trình thực dân hóa rất nhanh dọc theo bờ biển phía nam châu Á vào khoảng 60. Một sự mở rộng khác của Macro-haplogroup M theo hướng Bắc châu Á vào khoảng 45.000 năm trước đã tạo ra hơn 30 haplogroup khác.
Với quần thể người châu Âu, haplogroup L3 và Macro-haplogroup N tạo nên 9 Macro-haplogroup (H, I, J, K, T, U, V, W và X), xuất hiện phổ biến rộng khắp châu lục cách đây khoảng 45. Trong khi với người châu Mỹ, các nghiên cứu nhân chủng học phân tử chỉ ra họ là con cháu của người châu Á, đặc trưng bởi các Macro-haplogroup: A, B, C, D và X vào khoảng 18. Tại châu Á, Đông Nam Á là vùng rất đa dạng về môi trường, các dân tộc, các nền văn hóa và ngôn ngữ. Các nhà khoa học hiện đang tập trung nghiên cứu về một sô vấn đề như: các dân tộc cư trú ban đầu ở khu vực Đông Á, hướng di cư giữa Đông Nam Á và Bắc Á, các mối quan hệ di truyền của Đông Á, và tác động di truyền của thực tiễn xã hội khác nhau trên dân cư Đông Á.
Những hiểu biết bắt nguồn từ ADN ty thể và/hoặc dữ liệu nhiễm sắc thể Y, nghiên cứu các SNP hoặc nhiều locus dữ liệu trong tái sắp xếp toàn bộ gen, kết hợp với việc sử dụng các mô phỏng, phương pháp dựa trên mô hình để suy ra các thông số về nhân chủng học chắc chắn sẽ cung cấp thêm vào lịch sử dân số của khu vực Đông Á [13, 34]. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tình hình nghiên cứu di truyền quần thể người Việt Nam dựa trên hai đoạn siêu biến HV-I và HV-II thuộc vùng D-loop và ý nghĩa thực tiễn của đề tài luận văn Các nghiên cứu về cấu trúc genome ty thể nói chung và vùng D-loop nói riêng của các dân tộc người Việt Nam còn ít, các thông tin còn rất hạn chế và rời rạc. Năm 2002, Oota và cộng sự đã công bố về đoạn HV-I thuộc vùng D-loop trên genome ty thể của 35 cá thể người Việt Nam định cư tại Hoa Kỳ.