Phân tích cấu trúc di truyền DNA

ứng dụng trong Y pháp nhận dạng

BS Nguyễn Đình Nguyên ( Sedney- Australia )

Từ những năm 30s dấu vân tay được đưa vào ứng dụng trong Y Pháp (Forensics) và trở thành một công cụ cần thiết trong phòng thí nghiệm của cảnh sát hình sự và thám tử để nhận dạng. Tuy nhiên dấu vân tay bộc lộ nhiều khiếm khuyết một khi áp dụng trong thực tế. Chẳng hạn, dấu vân tay thông thường chỉ có thể lấy mẫu được từ các đầu ngón tay mà thôi. Đã thế ngày nay nó không còn đặc hiệu cho từng cá thể nữa từ khi phẫu thuật chỉnh hình phát triển mạnh, người ta có thể chủ định thay đổi dấu vân tay qua phẫu thuật. Chỉ trong vòng trên dưới 50 năm từ khi cấu trúc chuỗi di truyền DNA được Watson và Crick công bố [1], ngành sinh học phân tử đã phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi. Một trong những ứng dụng quan trọng của sinh học phân tử là sử dụng đặc tính của cấu trúc chuỗi di truyền DNA của từng cá thể vào trong Y pháp để nhận dạng đối tượng coi như là một cuộc cách mạng trong Y học hình sự của nhân loại.

Tương tự như dấu vân tay, mỗi một con người đều có một đặc trưng riêng về cấu trúc di truyền của mình, được xác định bằng chuỗi di truyền DNA.

Cấu trúc của DNA [1], và"điểm chỉ" DNA:

Đặc tính của tất cả các sinh vật, kể cả con người, đều được cấu tạo từ đơn vị căn bản nhất là tế bào, từ nguyên thuỷ là hợp tử được thụ tinh bởi trứng và tinh trùng. Về phương diện sinh học phân tử, mỗi tế bào của cơ thể (trừ hồng cầu) đều có nhân, trong nhân chứa các chất liệu di truyền, nhiễm sắc thể (chromosome) quyết định cấu trúc đặc tính cho mỗi cá thể. Con người có 23 bộ nhiễm sắc thể (22 đôi thường và một đôi xác định giới tính). Các nhiễm sắc thể này được tạo bởi các chuỗi chất liệu chứa đựng thông tin di truyền DNA (viết tắt của từ DeoxyriboNucleic Acid) thừa kế từ cha và mẹ. Mỗi cá thể sống nhận chất liệu DNA 50% từ cha và 50% từ mẹ.

Có thể hình tượng cấu trúc phân tử của một DNA như là một cái phéc-mơ-tuya (zip), mỗi răng kéo là một trong bốn khối chất liệu căn bản, viết tắt bằng các ký tự A (adenine), C (cytosine), G (guanine), và T (thymine), mà mỗi một ký tự đó gọi là một nucleotide, chúng cũng đứng song đôi như các răng kéo của phéc-mơ-tuya theo cặp cố định A-T hoặc G-C. Thông tin chứa đựng trong DNA được xác định cơ bản bằng chuỗi tiếp nối các ký tự này dọc theo cái "phéc-mơ-tuya" di truyền đó. Các 'ký tự' này đứng theo một thứ tự và một số lượng nhất định để tạo thành đơn vị lớn hơn gọi là gien. Nhiều gien nối lại với nhau tạo thành nhiễm sắc thể. Theo ước tính mới nhất, con người có khoảng 35000 bộ gien. Trong đó chỉ có 1% số lượng gien đóng vai trò chức năng (thí dụ như gien quy định màu da, tóc v.v..), 99% còn lại là những gien không có chức năng, các gien này rất đa dạng, khác nhau ở từng cá thể. Cho nên chẳng thể có người nào giống người nào về cấu trúc di truyền DNA cả, trừ đó là người sinh đôi cùng trứng.

'Hồ sơ' DNA (tạm dịch từ DNA profiling) là một phần nhỏ trích từ cấu trúc toàn bộ của chuỗi DNA (của một cá thể), tức là các bộ gien và thuộc phần gien không có chức năng, đủ để phản ánh đặc thù riêng nhất của mỗi cá thể không lẫn lộn với người khác. Và cũng từ đó mà thuật ngữ "Điểm chỉ" DNA (tạm dịch từ DNA fingerprint)- cũng chính là 'hồ sơ DNA', do một nhà Di truyền học người Anh, Alec Jeffreys đề xuất, để nói lên một đặc trưng duy nhất cho mỗi cá thể giống như là dấu vân tay (hay điểm chỉ). 'Điểm chỉ' DNA là hoàn toàn giống nhau ở tất cả các tế bào, tổ chức mô, tạng phủ trong một cơ thể; và điểm chỉ DNA không có thể thay đổi được bằng bất cứ hình thức nào với tri thức của nhân loại hiện nay.

Về nguyên lý nhận dạng cá thể sống bằng DNA rất đơn giản, đó là nguyên lý so sánh và ghép cặp. Đối với nhận dạng vết tích thì người ta đem mẫu DNA của vết tích so sánh với mẫu DNA dự trữ hoặc với các mẫu nghi ngờ. Đối với việc nhận dạng quan hệ huyết thống (cha mẹ chẳng hạn), người ta đem so sánh DNA của cha, mẹ với cá thể đó để xem có quan hệ di truyền hay không. Nói nôm na là như biển số đăng ký xe. Mỗi một chiếc xe có một biển số riêng, người ta có thể dựa vào hồ sơ đăng ký có thể xác định chính xác chủ nhân hiện thời của chiếc xe đó, tương tự mỗi chủ nhân có một thẻ đăng ký xe, khi mất xe họ có thể dùng số đăng ký đó đi truy tìm chiếc xe ở đâu. Kỹ thuật nhận dạng bằng DNA cũng y như vậy nhưng điều đặc biệt là DNA không thể thay đổi được, và nó 'ẩn' bên trong cơ thể, phải dùng các phương pháp kỹ thuật nhất định để có thể đọc được nó mà thôi.

Tuy nhiên như đã trình bày vì cấu trúc di truyền DNA đầy đủ của mỗi một cá thể rất phức tạp, người ta không thể và không cần thiết phải sử dụng toàn bộ 35 nghìn bộ gien để đi phân tích, so sánh. Do đó chỉ sử dụng những bộ gien (khoảng chừng 12 gien hoặc ít hơn) hoặc các marker (đoạn đặc trưng) của các gien (không có chức năng) sao cho đủ để đặc trưng cho mỗi cá thể để phân tích mà thôi.

Ứng dụng thực tế của công nghệ điểm chỉ DNA:

Điểm chỉ DNA được ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày với mục đích: (a) Trong Y pháp, hình sự : để xác định quan hệ phụ hoặc mẫu hệ; để nhận dạng tội phạm cũng như loại trừ nghi can thông qua dấu vết của cơ thể để lại hiện trường; nhận dạng cá nhân, nạn nhân vô thừa nhận. (b) Trong Y học điều trị: để chẩn đoán các bệnh về di truyền; phát triển các phương pháp để chữa các rối loạn về di truyền. (c) Trong các ngành khoa học khác: Như trong khảo cổ học; hoặc trong nông-lâm-ngư nghiệp dùng để vẽ bản đồ gien (mapping), tạp giao, lai giống, chuyển gien, để nhận dạng dấu vết các loài thú quý hiếm. Một trong ứng dụng mới nhất của công nghệ phân tích điểm chỉ DNA trong nông nghiệp là để bảo vệ tác quyền thương mại các sản phẩm, hay giống lai tạo mới.

Tuỳ theo các mục đích khác nhau mà người ta tiến hành cách thức thu thập mẫu để có được chuỗi DNA cơ bản đầu tiên để phân tích khác nhau. Trong ứng dụng nhận dạng con người các mẫu thu thập cũng tuỳ theo yêu cầu mà có thể lấy mẫu máu, tóc, lông, da v..v đặc biệt trong nhận dạng tội phạm hình sự, mẫu thu thập rất đa dạng tuỳ theo tính chất sự kiện các dấu vết được để lại hiện trường.

Các kỹ thuật phân tích điểm chỉ DNA hiện hành [2]:Có nhiều kỹ thuật phân tích nhưng hai kỹ thuật thông dụng nhất hiện nay là:

Kỹ thuật phân tích RFLP (đọc là / ri-flip/- viết tắt của Restriction Fragment Length Polymorphism) (tạm dịch là các đoạn gien có độ dài giới hạn đa hình thái). Xuất phát từ thực tế là các đoạn DNA chức năng và các đoạn DNA không chức năng có thể tồn tại dưới nhiều hình thái khác nhau. Bằng cách sử dụng các enzyme đặc hiệu, chẳng hạn Restriction enzyme, có thể cắt ra các đoạn gien RFLP. Người ta đã có thể nhận dạng được đến vài nghìn loại RFLP, rất đặc hiệu cho cơ thể.

Kỹ thuật phân tích PCR/STR (Polymerase chain reaction/Short Tandem Repeat)

Tức là kỹ thuật dùng phản ứng chuỗi enzyme đa phân để 'khuếch đại' các đoạn gien ngắn có độ lặp ngắn theo thứ tự (Short Tandem Repeat, STR). Ở đây polymesase tức là một loại enzyme có thể cho phản ứng tạo ra nhiều bản copy của một đoạn DNA nào đó; phản ứng chuỗi tức là một phản ứng diễn ra liên tục. Như vậy bằng kỹ thuật PCR có thể trong một thời gian ngắn tạo ra hàng triệu triệu đến hàng tỷ bản copy của một STR. Kỹ thuật này còn được gọi là kỹ thuật "khuếch đại DNA" hay "Photocopy phân tử" trong một lối nói rộng rãi hơn.

Đây là một kỹ thuật hiện đại nhất hiện nay được dùng trong Y pháp DNA. Về mặt cơ bản kỹ thuật này cũng tiến hành tương tự như kỹ thuật RFLPs. Lợi điểm của kỹ thuật này so với RFLP là:

- Mẫu thu thập không nhất thiết phải đạt tiêu chuẩn cao, những mẫu lấy từ các mô bị huỷ hoại hoặc cháy bỏng nặng, xác thối rữa do chôn lâu đều có thể dùng được, hoặc chỉ lấy các 'vi vết' như tàn thuốc lá, vết dính nước bọt, những mẫu bệnh phẩm bị trộn lẫn như máu của nạn nhân lẫn với máu hay dịch của phạm nhân.

Các đặc điểm khác nhau về kỹ thuật cơ bản giữa PCR/STR vơi RFLP là: (a) Trong nhận dạng quan hệ huyết thống, nếu phân tích một gien bằng kỹ thuật RFLP chỉ có thể cho ra tối đa hai dị hợp tử (allele) và ba kiểu gien (genotype), trong khi đó dùng kỹ thuật PCR để khuếch đại số lượng gien này lên, thì có thể cho ra đến 20 dị hợp tử và đến (20x21)/2 kiểu gien, và vì thế kỹ thuật này cho phép đánh giá chính xác hơn, (b) kỹ thuật PCR/STR gắn huỳnh quang rất tốt, nên rất dễ phát hiện tự động, thuận lợi cho phân tích pháp y, bảo quản và dễ phục hồi số liệu.

Sau khi có các đoạn gien cần thiết được cắt đoạn, xếp theo kích thước, phân loại, thông qua hai kỹ thuật trên, các đoạn DNA này được chuyển dạng, nhuộm màu hoặc gắn huỳnh quang và tạo thành các thanh (như các thanh mã (bar codes) trong các gói hàng bán trong siêu thị), và dùng để so sánh đối chiếu.

Tuy nhiên công nghệ DNA cũng như moị công nghệ khoa học khác, ưu điểm và nhược điểm vẫn luôn song đôi với nhau.

Một số vấn đề đối với điểm chỉ DNA

Kết quả sai lầm của điểm chỉ DNA không phải do sự trùng hợp giữa cấu trúc di truyền của nhiều người mà do sai sót trong khâu kỹ thuật cũng như điều kiện tối ưu để cho ra kết quả chính xác. Ngoài ra kỹ thuật phân tích điểm chỉ DNA còn liên hệ đến mặt đạo đức.

Thứ nhất phải kể đến tình trạng nhiễm DNA ngoại lai, có khi bị nhiễm ngay trên kính hiển vi khi soi tiêu bản. Do đó cần phải đặt vấn đề tiêu chuẩn chất lượng của phòng thí nghiệm phải đạt yêu cầu. Ngay ở Mỹ cũng chỉ có 20 trên tổng số 60 phòng thí nghiệm làm DNA tiêu bản được Ban giám đốc kiểm nhận phòng thí nghiệm của Hiệp Hội Tội phạm của Mỹ công nhận đạt tiêu chuẩn mà thôi. Ở Úc, cho đến 1991 vẫn chưa có một cơ quan kiểm nhận chất lượng các phòng thí nghiệm DNA nào [3], cũng như không có các chương trình kiểm tra chất lượng của nội bộ phòng thí nghiệm đó.

Thứ hai, liên quan đến kỹ thuật chọn mẫu, nhiều khi mẫu không đại diện, không điển hình, hoặc mẫu bị thoái hoá. Tuy nhiên với kỹ thuật mới PCR/STR nêu trên có thể khắc phục được nhược điểm này, nhưng kỹ thuật này lại không cho độ chính xác cao.

Cũng trong vấn đề phân tích kết quả, cần phải đề cập đến độ tin cậy của dữ kiện trong quần thể (population data). Ví dụ như FBI đã xây dựng được một hệ dữ liệu thống kê quần thể tham khảo cho các sắc dân da trắng, đen, da màu và dân Á châu. Vấn đề là ngay trong mỗi nhóm sắc dân đó cũng có sự biến đổi (chẳng hạn Á châu thì gồm Đông Á, Tây Á, Đông Nam Á v.v..). Xác suất để có thể khớp được một mẫu DNA với một mẫu trong quần thể tham khảo là rất thấp (1 phần 6 triệu!), do đó xác suất này có thể cao hơn nếu dùng phụ nhóm của quần thể tham khảo (có thể tăng lên 1/800000).

Một trở ngại khác liên quan đến bằng chứng. Kết quả báo cáo của chuyên viên DNA được toà ghi nhận, thế nhưng lại không có bằng chứng cụ thể nào để xác nhận mẫu DNA đó là sản phẩm lấy từ mẫu bệnh phẩm nguyên thuỷ cả.

Điểm sau cùng trong tính phức tạp của kỹ thuật điểm chỉ DNA là liên quan đến vấn đề đạo đức và pháp lý. Đây là vấn đề tranh cãi rất nhiều và chưa hoàn toàn thống nhất trong hệ thống pháp luật của nhiều quốc gia. Thứ nhất là về ngân hàng dữ liệu DNA tội phạm. Luật lệ nhiều nước gần như thống nhất là tội phạm hoặc như nghi phạm bắt buộc phải làm DNA. Còn những người bình thường thì không có cơ sở luật pháp bắt họ phải làm, như vậy về mặt dữ liệu sẽ bị thiếu hụt. Trong một số trường hợp những bệnh nhân bình thường, vì lý do gì đó phải xét nghiệm DNA thì đây là một trong những trường hợp nguy cơ kết quả DNA bị lạm dụng. Hoặc giả sử một trường hợp khác vừa liên quan đến đạo đức, vừa luật pháp. Ví dụ một đôi vợ chồng có một đứa con bị bệnh Cystis Fibrosis (hay CF, dịch là bệnh xơ nang tổn thương chủ yếu là tuỵ tạng và phối) là một bệnh di truyền lặn, do đó về di truyền thì bố mẹ phải có gien ẩn của bịnh này mới 'truyền' được cho đưá con. Nhưng khốn thay, khi xét nghiệm ra thì chỉ có người mẹ mang gien lặn mà thôi. Vấn đề đặt ra là, liệu có nên thông báo cho người chồng của bà mẹ biết rằng ông không phải là bố của đứa trẻ hay không? Và có nên thông báo cho cha chính thức của đứa trẻ rằng chính ông có mang gien lặn của bệnh CF, về mặt di truyền ông không nên cưới vợ có cùng mang gien lặn bệnh như ông nữa, hay không?

Điểm chỉ DNA và vụ thảm hoạ hoả hoạn ở ITC thành phố HCM tháng 10/2002:

Áp dụng của điểm chỉ DNA trong nhận dạng tử thi của thảm hoạ hoả hoạn vừa mới xảy ra trong hạ tuần tháng 10 vừa qua tại ITC, thành phố HCM [4], theo báo cáo của nhà chức trách thì có 60 người tử vong, do sự huỷ hoại của lửa, 7 tử thi không có khả năng nhận dạng. Giới chuyên môn có thẩm quyền có hứa hẹn sẽ thu mẫu làm điểm chỉ DNA cho các trường hợp đó. Vậy ta có quyền hy vọng không? Câu trả lời là hoàn toàn có thể nếu dưạ trên bài tổng quan trên đây. Thực sự nhận dạng cá thể trong trường hợp này không hoàn toàn phức tạp như truy tìm dấu vết tội phạm. Các bước cần phải làm là chỉ cần thu mẫu mô bệnh phẩm, rồi lấy mẫu của thân nhân có người mất tích nghi ngờ trong vụ hoả hoạn. Chế khắc nhược điểm của mô bị cháy, nhiễm bẩn thì kỹ thuật phân tích PCR/STR hoàn toàn có khả năng. Vấn đề chỉ còn là kinh phí và khả năng thực hiện kỹ thuật.

Về mặt thực te, giới chuyên môn Phillipines đã thành công trong việc ứng dụng công nghệ điểm chỉ DNA để nhận dạng các nạn nhân trong một vụ thảm hoạ hoả hoạn [5] tại một trại mồ côi ở Paco, Manila năm 1998. Vụ hoả hoạn này đã cướp đi ít nhất là 28 sinh mạng, trong đó hầu hết là trẻ em. Điều phức tạp là tất cả những thi thể đã gần như cháy thành than ngoài khả năng nhận dạng cơ học, và các thi thể này vì lý do vệ sinh lúc đó đã được chôn cất đến 3 tháng mới được khai quật để lấy mẫu. Vấn đề đạo đức đặt ra trong trường hợp này là sau vụ thảm nạn, nhiều bố mẹ trước đó đã từng gửi con vào trại mồ côi ở đây, bây giờ không biết nạn nhân có phải là con của mình không, nếu nhận dạng được thì họ có thể làm được điều duy nhất họ có thể là nhang khói cho đứa con xấu số của mình trong quá khứ họ không có khả năng nuôi dưỡng.

Mặc dù có một số nhược điểm, nhưng cho đến nay điểm chỉ DNA vẫn được coi là công nghệ tối tân nhất trong khoa học nhận dạng cá thể đặc hiệu và chính xác, do tính đặc trưng duy nhất cho mỗi cá thể. Điểm chỉ DNA đã không những đưa hình sự Y pháp lên một bước tiến mới mà nó còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học khác, kể cả ứng dụng trong nghiên cứu tế bào mầm và tạo sinh vô tính.

NĐN

Phụ chú:

[1] Xem thêm: "Giải Nobel Y và Sinh học 2002", của Nguyễn Văn Tuấn, đăng trên báo Người Việt, Úc 2/11/2002., và "Bộ gien trong cây lúa và hứa hẹn" của cùng tác giả trên www.giaodiem.com

[2] Thông tin tham khảo ở: Dự án "Forensic DNA Analysis: Technology and Appication", Thomas Curran, Parliamentary Research Branch, Canada 1997; "DNA fingerprinting witness for the prosecution", Discover, June/1988; "Molercular advances in genetics disease" Science, May 1992; Thông tin của " Human Genome Project" Mỹ, http://www.orlngov/hgmis

[3] Xem DNA profiling: Principles, Pitfalls and Potential, của Easteal và cộng sự (1991) Harwood Academic Publisher

[4] Xin đọc tin trên www.vnexpress.net, mục Xã hội.

[5] Xin đọc báo cáo về ứng dụng của phân tích DNA trong pháp Y ở Philippines www.supremecourt.gov.ph