Máy Tính Số Lượng Bản Sao DNA | Công Cụ Phân Tích Hệ Gen

Máy tính số bản sao DNA

Máy tính số bản sao DNA ước tính có bao nhiêu bản sao của một trình tự đích trong mẫu DNA. Công cụ này sử dụng nồng độ và thể tích của mẫu, cùng với số lần trình tự đích xuất hiện bên trong trình tự DNA lớn hơn. Các phòng thí nghiệm sinh học phân tử dùng dạng ước tính này để lập kế hoạch cho những thí nghiệm như qPCR (phản ứng chuỗi polymerase định lượng) trước khi tiến hành một phép xét nghiệm tốn kém hơn và chính xác hơn.

Số bản sao DNA có nghĩa là gì

Số bản sao DNA là số lần một trình tự cụ thể xuất hiện trong bộ gen hoặc mẫu. Một gen người điển hình xuất hiện dưới dạng hai bản sao, một bản được thừa hưởng từ cha và một bản từ mẹ. Một số yếu tố có thể làm thay đổi số lượng này.

• Khuếch đại: nhiều hơn hai bản sao. Các tế bào ung thư thường khuếch đại những gen thúc đẩy tăng trưởng, chẳng hạn như HER2 trong một số khối u vú.
• Mất đoạn: ít hơn hai bản sao, đôi khi không có bản sao nào. Mất đoạn có thể gây ra các rối loạn di truyền.
• Nhân đoạn: xuất hiện thêm một bản sao ở nơi đáng lẽ chỉ có một hoặc hai bản sao.
• Biến thiên số bản sao (CNV): sự khác biệt bình thường về số bản sao giữa các cá thể, xuất hiện trên một phần đáng kể của bộ gen người.

Công thức tính số bản sao DNA

Máy tính chuyển số lần xuất hiện của trình tự và khối lượng mẫu thành số bản sao theo công thức sau:

$\text{Số bản sao} = \frac{\text{Số lần xuất hiện} \times \text{Nồng độ} \times \text{Thể tích} \times N_A}{\text{Độ dài DNA} \times 660 \times 10^{9}}$

Trong đó:

• Số lần xuất hiện — số lần trình tự đích xuất hiện trong toàn bộ trình tự DNA, trong đó các lần khớp chồng lấp được tính riêng.
• Nồng độ — nồng độ DNA tính bằng nanogram trên microlit (ng/μL), thường được đo bằng máy quang phổ hoặc máy đo huỳnh quang.
• Thể tích — thể tích mẫu tính bằng microlit (μL).
• $N_A$ — số Avogadro, 6,022 × 10²³ phân tử trên mỗi mol. Đại lượng này chuyển số mol DNA thành số phân tử.
• Độ dài DNA — độ dài của toàn bộ trình tự DNA, tính bằng cặp base.
• 660 — khối lượng phân tử trung bình của một cặp base DNA, tính bằng gam trên mol (g/mol). Một cặp base gồm hai nucleotide bắt cặp, mỗi nucleotide thuộc một mạch DNA.
• 10⁹ — hệ số chuyển nanogram sang gam.

Trước tiên, công thức chuyển khối lượng mẫu thành số mol phân tử DNA, nhân với số Avogadro để nhận được tổng số phân tử DNA trong mẫu, rồi nhân với số lần trình tự đích xuất hiện trong mỗi phân tử.

Công cụ chỉ chấp nhận các chữ cái A, T, C và G. Khoảng trắng và ngắt dòng được bỏ qua, còn chữ thường được tính giống chữ hoa.

Cách tính số bản sao DNA: ví dụ minh họa

Xét một trình tự DNA gồm 12 cặp base, ATCGATCGATCG, có trình tự đích là ATCG, nồng độ 10 ng/μL và thể tích 20 μL.

Bước 1: Đếm số lần xuất hiện. ATCG xuất hiện 3 lần trong ATCGATCGATCG (tại các vị trí 1, 5 và 9).

Bước 2: Tìm tổng khối lượng DNA. Nồng độ × thể tích = 10 × 20 = 200 ng.

Bước 3: Chuyển sang số mol. 200 ng = 2 × 10⁻⁷ g. Chia cho (12 cặp base × 660 g/mol) = 7.920 g/mol. Kết quả là 2,53 × 10⁻¹¹ mol.

Bước 4: Chuyển sang số phân tử. Nhân với số Avogadro: 2,53 × 10⁻¹¹ mol × 6,022 × 10²³ phân tử/mol ≈ 1,52 × 10¹³ phân tử DNA.

Bước 5: Nhân với số lần xuất hiện. 3 × 1,52 × 10¹³ ≈ 4,56 × 10¹³, tương đương khoảng 45.621.212.121.212 bản sao.

Con số này rất lớn vì một mẫu 20 μL ở nồng độ 10 ng/μL vẫn chứa hàng nghìn tỷ phân tử DNA ngắn. Các mẫu thực tế thường sử dụng những trình tự dài hơn nhiều, làm giảm số phân tử với cùng một khối lượng.

Phân tích số bản sao DNA được sử dụng ở đâu

Chẩn đoán ung thư. Các phòng xét nghiệm bệnh học kiểm tra số bản sao HER2 trong mô khối u vú. Một tế bào bình thường mang hai bản sao. Một khối u đã khuếch đại có thể mang sáu bản sao trở lên, điều này ảnh hưởng đến khả năng sử dụng các thuốc điều trị đích như trastuzumab.

Xét nghiệm bệnh di truyền. Những tình trạng như hội chứng DiGeorge liên quan đến mất đoạn một phần nhiễm sắc thể. Hội chứng Down liên quan đến một bản sao thừa của nhiễm sắc thể 21 (thể ba nhiễm 21). Việc đếm số bản sao giúp xác nhận các chẩn đoán này.

Định lượng transgene và plasmid. Các nhà nghiên cứu kiểm tra có bao nhiêu bản sao của gen được đưa vào đã đi vào tế bào thực vật, động vật hoặc vi khuẩn. Một bản sao thường được ưu tiên, vì nhiều bản sao có thể khiến tế bào bất hoạt gen.

Theo dõi tác nhân gây bệnh và tải lượng virus. Ước tính số bản sao theo dõi lượng DNA virus hoặc vi khuẩn có trong mẫu, được sử dụng để giám sát nhiễm trùng và xét nghiệm môi trường.

Các phương pháp khác để đo số bản sao

Máy tính này đưa ra ước tính nhanh từ dữ liệu về trình tự và nồng độ. Các phòng thí nghiệm cần độ chính xác cao hơn thường sử dụng một trong các phương pháp sau:

• PCR định lượng (qPCR): khuếch đại và đo DNA theo thời gian thực; độ chính xác khoảng 15–20% khi có đường chuẩn tốt.
• PCR kỹ thuật số (dPCR): chia mẫu thành hàng nghìn phản ứng nhỏ để đếm trực tiếp mà không cần đường chuẩn.
• Lai huỳnh quang tại chỗ (FISH): đếm trực quan các trình tự dưới kính hiển vi trực tiếp trên tế bào hoặc nhiễm sắc thể; đây là phương pháp tiêu chuẩn tại nhiều phòng xét nghiệm chẩn đoán ung thư.
• Giải trình tự thế hệ mới (NGS): giải trình tự toàn bộ mẫu và lập hồ sơ số bản sao trên toàn bộ bộ gen cùng lúc.

Các câu hỏi thường gặp

Số bản sao DNA là gì? Đó là số lần một trình tự DNA nhất định xuất hiện trong bộ gen hoặc mẫu. Hầu hết các gen người xuất hiện hai lần, một lần từ mỗi cha hoặc mẹ. Các bản sao thừa hoặc thiếu có thể ảnh hưởng đến sức khỏe và nguy cơ mắc bệnh.

Máy tính này chính xác đến mức nào? Công cụ đưa ra ước tính lý thuyết dựa trên các dữ liệu đầu vào được cung cấp, không phải phép đo trong phòng thí nghiệm. Độ chính xác phụ thuộc vào mức độ chính xác của phép đo nồng độ và tính đặc hiệu của trình tự đích. Những phương pháp như PCR kỹ thuật số chính xác hơn đối với các kết quả được công bố.

Có thể sử dụng máy tính này cho RNA không? Không. RNA chứa uracil thay cho thymine và sử dụng một loại đường khác, vì vậy khối lượng phân tử của RNA khác DNA. RNA có khối lượng phân tử trung bình khoảng 330 g/mol trên mỗi nucleotide, so với khoảng 660 g/mol trên mỗi cặp base DNA. Dùng công thức DNA cho dữ liệu RNA sẽ cho kết quả sai.

Tại sao một trình tự chồng lấp lại được tính nhiều hơn một lần? Máy tính đếm mọi vị trí mà trình tự đích khớp, ngay cả khi các kết quả khớp dùng chung một số chữ cái. Trong ATATAT, trình tự ATA khớp hai lần, tại vị trí 1 và vị trí 3, vì mỗi vị trí bắt đầu được kiểm tra độc lập.

Khoảng nồng độ DNA nào hoạt động tốt nhất? Nồng độ 10–100 ng/μL cho kết quả đáng tin cậy nhất trên các thiết bị phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Dưới 10 ng/μL, sai số đo tăng lên, và nên dùng một phương pháp nhạy hơn như máy đo huỳnh quang thay cho máy quang phổ tiêu chuẩn.

Máy tính này có thể ước tính số bản sao plasmid không? Có. Nhập toàn bộ trình tự plasmid làm trình tự DNA và một vùng duy nhất của đoạn chèn làm trình tự đích, cùng với nồng độ plasmid và thể tích mẫu đã đo.