Trong nhiều thập kỷ, các dấu chuẩn nhóm máu và protein đã được sử dụng trong việc nhận dạng và cá thể hóa các mẫu sinh phẩm của con người, tuy nhiên bản chất của các dấu chuẩn máu và protein bị ảnh hưởng quá mức bởi môi trường. Sự ra đời của DNA fingerprinting và ứng dụng của nó vào năm 1986 đã mở ra một cách tiếp cận mới trong việc xử lý các bằng chứng dấu vết sinh học như máu, tinh dịch, mô, răng và xương. Một phương pháp nhận dạng con người đáng tin cậy (được tiêu chuẩn hóa và nhất quán) trong điều tra hình sự là điều cần thiết để đảm bảo công lý được duy trì. Cùng với các phân tích thống kê mạnh mẽ, cơ sở dữ liệu và khả năng phân biệt người này với người khác với độ chắc chắn cao mang lại sự tin tưởng lớn trong việc nhận dạng cá thể. Cơ sở dữ liệu DNA cũng có thể giúp xác định hồ sơ trước đó về sự liên quan của nghi phạm với các tội phạm trước đây và để xác minh hoặc phủ nhận sự liên quan của các cá nhân bị buộc tội.

DNA

Cấu trúc DNA

DNA là kho lưu trữ của tất cả các đặc tính di truyền của con người, nó có mặt trong tất cả các tế bào có nhân ngoại trừ tế bào hồng cầu dưới dạng cấu trúc xoắn kép liên kết chặt chẽ với các protein histone trong nhiễm sắc thể. DNA là không thay đổi từ tế bào này sang tế bào khác trong một cá thể và chứa tất cả thông tin di truyền cần thiết. Ở người, có 23 cặp nhiễm sắc thể gồm 22 cặp nhiễm sắc thể thường và một cặp nhiễm sắc thể giới tính – XX ở nữ và XY ở nam. Chuỗi xoắn kép DNA bao gồm hai chuỗi polynucleotide bao gồm các monomer nucleotide. Mỗi nucleotide bao gồm một đường (deoxyribose), một nhóm phosphate và một base chứa nitơ, cụ thể là adenine (A), thymine (T), guanine (G) hoặc cytosine (C). Adenine luôn liên kết với base bổ sung của nó, thymine, trong khi cytosine luôn liên kết với base bổ sung của nó, guanine. Liên kết hydro giữa các base bổ sung giữ chặt hai chuỗi polynucleotide của DNA. A và G có cấu trúc hai vòng. C và T chỉ có một vòng. Khoảng cách giữa hai chuỗi được giữ không đổi bởi các cặp base (bp). Điều này duy trì hình dạng đồng nhất của chuỗi xoắn kép DNA. Những cặp bp này (A-T hoặc G-C) nằm ở giữa chuỗi xoắn kép, tạo thành các bậc của cái thang xoắn ốc kép.

Có 3 tỷ bp được phân bố dọc theo chiều dài của 23 cặp nhiễm sắc thể người mã hóa cho khoảng 30.000 gen. Các đoạn DNA mã hóa cho một protein cụ thể được gọi là gen. Những gen này chỉ chiếm 1% – 2% trong số 3 tỷ bp và các trình tự đặc hiệu gen này được gọi là vùng mã hóa. 98% – 99% còn lại của bộ gen người được tạo thành từ DNA không mã hóa. Một allele là một dạng biến đổi hoặc thay thế của một gen nằm ở một vị trí xác định trên một nhiễm sắc thể cụ thể. Các trình tự mã hóa thường được xen kẽ với các trình tự lặp lại không mã hóa.

Các vùng không mã hóa thường chứa các trình tự DNA có thể là một bản sao đơn hoặc tồn tại dưới dạng nhiều bản sao được gọi là DNA lặp lại. Bên cạnh bộ gen nhân, có nhiều bản sao của bộ gen ty thể có mặt trong mỗi tế bào người cũng được sử dụng trong nhận dạng con người pháp y.

Đa hình DNA

Đa hình trong di truyền học có nghĩa là một đặc điểm khác nhau giữa các cá thể và thuật ngữ ‘biến thể” thường được sử dụng chỉ một đặc điểm đa hình. Trước kia, các nhóm máu, biến thể protein huyết thanh và nước bọt giữa các cá thể đã được sử dụng để nhận dạng/cá thể hóa các mẫu sinh phẩm của con người. Sự biến đổi ở protein là biểu hiện của sự biến đổi trong DNA. Sự biến đổi trong trình tự DNA giữa các cá thể được gọi là đa hình DNA và có thể di truyền. Sự biến đổi trong trình tự DNA là do đột biến, có thể phát sinh do lỗi sao chép hoặc được gây ra bởi các tác nhân bên ngoài như bức xạ hoặc các tác nhân gây đột biến hóa học. Những đột biến mới như vậy trong các trình tự mã hóa và không mã hóa tích lũy trong một khoảng thời gian và do đó không có hai người nào chia sẻ cùng một bộ gen ngoại trừ các cặp song sinh giống hệt nhau sẽ có DNA giống hệt nhau. Vì vậy, đa hình DNA có nghĩa là một trong hai hoặc nhiều allele của một vùng nhiễm sắc thể có trình tự nucleotide khác nhau hoặc có số lượng biến đổi các nucleotide lặp lại nối tiếp. Đa hình DNA trong bộ gen người bao gồm các đa hình nucleotide đơn (SNP), số lượng biến đổi các đoạn lặp lại nối tiếp (VNTR), các phần tử di chuyển (ví dụ: Alu), thay đổi cấu trúc và biến đổi số lượng bản sao.

Các Dấu Chuẩn Di Truyền Đa Hình DNA Trong Nhận Dạng Con Người

Đa hình nucleotide đơn (SNP)

SNP là một đột biến điểm và vị trí này được gọi là locus SNP. SNP là các thay thế, chèn hoặc xóa base xảy ra ở các vị trí đơn trong bộ gen của bất kỳ sinh vật nào.

SNP là loại biến đổi DNA phổ biến nhất, xảy ra với tần suất 1/350 bp và chiếm hơn 90% biến đổi trình tự DNA. Hầu hết SNP được tìm thấy có mặt trong các vùng không mã hóa của bộ gen. Do sự phong phú của chúng, SNP đã trở thành các dấu chuẩn di truyền quan trọng để lập bản đồ bệnh ở người, di truyền quần thể và nghiên cứu tiến hóa. SNP đã trở nên rất quan trọng kể từ khi các công nghệ giải trình tự DNA trở nên khả thi và có sẵn rộng rãi. Sự thiếu tái tổ hợp làm cho SNP ty thể và nhiễm sắc thể Y phù hợp như các dấu chuẩn dòng dõi và xét nghiệm huyết thống trong các trường hợp người mất tích.

 

Đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn (RFLP)

Các enzyme giới hạn như DNase cắt phân tử DNA bất cứ khi nào trình tự cụ thể được xác định, thường là một trình tự đối xứng 4-6 base. Mỗi endonuclease chỉ nhận ra một loại trình tự trong DNA , các vị trí nhận biết enzyme giới hạn có thể có mặt trong một số bộ gen và vắng mặt ở những bộ gen khác.

Một endonuclease cụ thể được sử dụng để cắt DNA có các vị trí giới hạn cho enzyme đó sẽ tạo ra các đoạn khác nhau về chiều dài của chúng do vị trí khác nhau của các vị trí nhận biết dọc theo chiều dài DNA của sinh vật. Hai cá thể thuộc cùng một loài sẽ khác nhau về số lượng đoạn bị cắt giới hạn và thể hiện tính độc nhất. Do tính đặc hiệu trình tự của enzyme, việc cắt một DNA cụ thể tạo các đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn (RFLP) hoặc sự khác biệt chiều dài trong các đoạn tương đồng giữa các mẫu DNA khác nhau. Những khác biệt về chiều dài này có thể là kết quả của một đột biến điểm xóa bỏ một vị trí giới hạn hiện có hoặc tạo ra vị trí giới hạn mới. Việc chèn hoặc xóa DNA giữa hai vị trí cắt enzyme giới hạn cũng dẫn đến RFLP mới.

RFLP là một trong những phương pháp phân tích sớm được sử dụng để cá thể hóa. Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi lượng DNA lớn và khá cồng kềnh để thực hiện.

Các đoạn lặp lại nối tiếp

DNA vệ tinh (Satellite DNA) chủ yếu có mặt trong dị nhiễm sắc, các vùng đóng gói chặt chẽ của nhiễm sắc thể ở tâm động, telomere và đôi khi ngay cả trong vùng nhiễm sắc thường (vùng hoạt động của bộ gen). DNA vệ tinh bao gồm các đoạn lặp lại nối tiếp hoặc các đoạn lặp lại được sắp xếp cạnh nhau theo kiểu đầu-đuôi. Những đoạn lặp lại này có thể nhỏ từ 1 bp – 6 bp hoặc có thể dài 9 bp – 100 bp. Các đoạn lặp lại ngắn nối tiếp (STR) (dài 1 bp – 6 bp) được gọi là vi vệ tinh hoặc các đoạn lặp lại trình tự đơn giản (SSR), trong khi các đoạn lặp lại nối tiếp dài hơn (9 bp – 100 bp) được gọi là tiểu vệ tinh hoặc số lượng biến đổi các đoạn lặp lại nối tiếp (VNTR).

Các vùng ở giữa hai đoạn lặp lại trình tự đơn giản hoặc vi vệ tinh được gọi là ‘các đoạn lặp lại giữa các trình tự đơn giản’ hoặc ISSR. Dựa trên độ dài của motif lặp lại, STR được phân loại thành các đoạn lặp lại mono-, di-, tri-, tetra-, penta- và hexanucleotide. Các đoạn lặp lại dinucleotide là phong phú nhất trong bộ gen người. Đoạn trình tự DNA ngắn trong DNA vệ tinh thay đổi từ cá nhân này sang cá nhân khác. Trong pháp y, các đoạn lặp lại tetra và penta nucleotide được chọn để sử dụng. STR có tỷ lệ đột biến cao hơn SNP. Tỷ lệ đột biến cho SNP xấp xỉ 10^-9 mỗi thế hệ và đối với STR là 10^-6 đến 10^-2 mỗi thế hệ. Ba cơ chế khiến tỷ lệ đột biến STR cao là (i) trao đổi chéo không bằng nhau trong giảm phân, (ii) cơ chế retrotransposition và (iii) sự nhân đôi trượt chuỗi. Người ta cho rằng tỷ lệ đột biến STR tăng tỷ lệ thuận với số lần lặp lại.

Trao đổi chéo không bằng nhau giữa các cặp nhiễm sắc thể tương đồng trong DNA vệ tinh ở kỳ đầu giảm phân dẫn đến việc thêm hoặc giảm số lượng đơn vị lặp lại. Trao đổi chromatid chị em trong kỳ đầu giảm phân cũng dẫn đến tăng hoặc giảm các đơn vị lặp lại.

Cơ chế retrotransposition cho rằng STR được tạo ra bởi các retrotranscript.

Hầu hết các nghiên cứu ủng hộ sự trượt là nguyên nhân chính cho quá trình đột biến STR. Sự ghép đôi sai trong vùng của các đơn vị lặp lại giữa DNA khuôn và DNA mới được tổng hợp xảy ra trong quá trình nhân đôi DNA dẫn đến việc thêm hoặc giảm số lượng STR.

DNA ty thể

Ty thể là bào quan có số lượng bản sao từ 500 – 1.000 trong tế bào người. Mỗi ty thể chứa DNA vòng, không có protein histone liên kết. Trình tự hoàn chỉnh của bộ gen DNA ty thể người (mtDNA) đã được xác định và nó được gọi là Trình tự Tham chiếu Cambridge (CRS). mtDNA của người dài khoảng 16.569 bp. Hai chuỗi của mtDNA khác nhau về mật độ do thành phần base và chúng được gọi là chuỗi nặng và chuỗi nhẹ. Chuỗi nặng chứa nhiều gen hơn so với chuỗi nhẹ. Các gen mtDNA của con người không có intron. Nguồn gốc của sự nhân đôi nằm ở vùng kiểm soát dài khoảng 1,2 kb, đó là phần không mã hóa của mtDNA bao gồm các vùng siêu biến (HV) có tính đa hình cao. Đoạn trình tự không mã hóa này bao gồm các vùng siêu biến HVI, HVII và HVIII. mtDNA không có cơ chế sửa chữa DNA và do đó có tỷ lệ đột biến cao so với bộ gen nhân. mtDNA được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác, về cơ bản không thay đổi, chỉ thông qua dòng mẹ của một gia đình. Trong quá trình thụ tinh của trứng, tinh trùng đực thường không đóng góp ty thể cho con cái. Do đó chỉ có một kiểu gen mtDNA (của mẹ) ở một cá thể và tất cả các bộ gen ty thể đều giống hệt nhau về mặt di truyền và tình trạng này được gọi là đồng bào tử. Tuy nhiên, trong nhiều bệnh ty thể, vì số lượng bản sao của ty thể trong một tế bào cụ thể là cao, các allele của mẹ kiểu hoang dã và đột biến cùng tồn tại và điều này được gọi là dị bào tử.

Bài viết được tham khảo từ bài báo DNA Profiling in Human Identification: From Past to Present

Để tìm hiểu chi tiết thêm về ứng dụng và tính năng của các sản phẩm phục vụ cho quá trình định danh cá thể và pháp y, vui lòng liên hệ chúng tôi để được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.