DNA

DNA là gì?

DNA, hay axit deoxyribonucleic, là vật liệu di truyền của con người và hầu hết các sinh vật sống. Về cơ bản, DNA chứa đựng tất cả các thông tin di truyền hướng dẫn mọi hoạt động của tế bào, từ phát triển, sinh trưởng đến sinh sản và các chức năng khác. DNA đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với sức khỏe con người, quyết định các đặc điểm di truyền, nguy cơ mắc bệnh và nhiều khía cạnh sinh học khác. Một số thống kê cho thấy, bộ gen người chứa khoảng 3 tỷ cặp base DNA, mã hóa cho hàng nghìn gen khác nhau, mỗi gen lại đóng một vai trò riêng biệt trong cơ thể.

Tổng quan về DNA

Cấu trúc

DNA có cấu trúc xoắn kép phức tạp, thường được ví như một “cầu thang xoắn”. Cấu trúc này được tạo thành từ các đơn vị cơ bản gọi là nucleotide. Mỗi nucleotide bao gồm ba thành phần:

• Đường deoxyribose: Một loại đường 5 carbon tạo thành “trụ cột” của cầu thang DNA.
• Nhóm phosphate: Gắn với đường deoxyribose, cũng tạo nên trụ cột của DNA và liên kết các nucleotide lại với nhau.
• Base nitơ: Có bốn loại base nitơ trong DNA:
  • Adenine (A)
  • Guanine (G)
  • Cytosine (C)
  • Thymine (T)

  Các base nitơ này tạo thành “bậc thang” của cầu thang xoắn. Adenine (A) luôn ghép cặp với Thymine (T), và Guanine (G) luôn ghép cặp với Cytosine (C) thông qua liên kết hydro.

Hai chuỗi nucleotide này xoắn lại với nhau tạo thành cấu trúc xoắn kép. Cấu trúc này rất ổn định và bảo vệ thông tin di truyền bên trong. DNA trong tế bào nhân thực (như tế bào người) được tổ chức thành các cấu trúc lớn hơn gọi là nhiễm sắc thể. Con người có 23 cặp nhiễm sắc thể, tổng cộng 46 nhiễm sắc thể trong mỗi tế bào (trừ tế bào sinh sản).

Nguồn gốc

DNA được hình thành thông qua quá trình tự sao chép DNA. Quá trình này diễn ra trước khi tế bào phân chia, đảm bảo mỗi tế bào con nhận được bộ gen đầy đủ và giống hệt tế bào mẹ. Quá trình tự sao chép DNA bắt đầu bằng việc enzyme helicase tách hai chuỗi xoắn kép DNA. Sau đó, enzyme DNA polymerase sử dụng mỗi chuỗi làm khuôn để tổng hợp chuỗi bổ sung mới, tuân theo nguyên tắc ghép cặp base (A-T, G-C). Kết quả là từ một phân tử DNA ban đầu, tạo ra hai phân tử DNA giống hệt nhau.

Cơ chế

Cơ chế hoạt động chính của DNA xoay quanh việc lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền. DNA chứa các gen, là các đoạn DNA mã hóa cho protein. Thông tin di truyền từ DNA được sử dụng để tổng hợp protein thông qua hai quá trình chính:

• Phiên mã (Transcription): Thông tin từ một gen trong DNA được sao chép thành một phân tử RNA thông tin (mRNA). Quá trình này diễn ra trong nhân tế bào, với sự tham gia của enzyme RNA polymerase.
• Dịch mã (Translation): Phân tử mRNA mang thông tin di truyền từ nhân tế bào đến ribosome trong tế bào chất. Tại ribosome, thông tin này được “dịch” thành trình tự amino acid để tổng hợp protein. tRNA (RNA vận chuyển) đóng vai trò quan trọng trong việc mang các amino acid phù hợp đến ribosome dựa trên mã di truyền trên mRNA.

Thông qua cơ chế phiên mã và dịch mã, DNA điều khiển việc tổng hợp protein, và protein thực hiện hầu hết các chức năng trong tế bào và cơ thể, từ cấu trúc, xúc tác phản ứng hóa học (enzyme), vận chuyển, đến điều hòa các quá trình sinh học.

Chức năng của DNA

Lưu trữ thông tin di truyền

Đây là chức năng quan trọng nhất của DNA. DNA chứa toàn bộ thông tin di truyền cần thiết cho sự phát triển, hoạt động và sinh sản của một sinh vật. Thông tin này được mã hóa trong trình tự các base nitơ (A, T, G, C) dọc theo chuỗi DNA. Mỗi gen là một đoạn DNA mang thông tin cho một protein cụ thể.

Sao chép và di truyền thông tin di truyền

DNA có khả năng tự sao chép chính xác, đảm bảo thông tin di truyền được truyền từ thế hệ tế bào này sang thế hệ tế bào khác, và từ cha mẹ sang con cái. Quá trình sao chép DNA đảm bảo tính ổn định của bộ gen và sự di truyền các đặc điểm di truyền.

Hướng dẫn tổng hợp protein

DNA đóng vai trò như một bản thiết kế cho việc tổng hợp protein. Thông qua quá trình phiên mã và dịch mã, thông tin di truyền trong DNA được sử dụng để tạo ra các protein khác nhau, thực hiện vô số chức năng sinh học trong cơ thể.

Ảnh hưởng đến sức khỏe

DNA bình thường hoạt động chính xác, đảm bảo các quá trình sinh học diễn ra trơn tru. Tuy nhiên, DNA có thể bị tổn thương hoặc biến đổi (đột biến) do nhiều yếu tố như tác nhân môi trường (tia UV, hóa chất), lỗi trong quá trình sao chép DNA, hoặc do di truyền. Những bất thường này có thể dẫn đến nhiều vấn đề sức khỏe khác nhau.

Bình thường với bất thường

Các bệnh lý liên quan

Các bất thường DNA có thể dẫn đến nhiều bệnh lý khác nhau, bao gồm:

• Ung thư: Đột biến gen có thể gây ra sự phát triển không kiểm soát của tế bào, dẫn đến ung thư. Nhiều loại ung thư liên quan đến đột biến ở các gen kiểm soát chu kỳ tế bào, gen sửa chữa DNA, hoặc gen ức chế khối u. Ví dụ, ung thư vú, ung thư phổi, ung thư đại tràng, ung thư máu (leukemia).
• Bệnh di truyền: Các bệnh di truyền thường do đột biến gen đơn gen hoặc đa gen, di truyền từ cha mẹ sang con cái. Ví dụ:
  • Bệnh xơ nang (Cystic fibrosis): Do đột biến gen CFTR, ảnh hưởng đến chức năng của phổi, tuyến tụy, và các cơ quan khác.
  • Bệnh hồng cầu hình liềm (Sickle cell anemia): Do đột biến gen hemoglobin, gây ra hồng cầu có hình dạng bất thường, dẫn đến thiếu máu và các biến chứng khác.
  • Hội chứng Down (Trisomy 21): Do thừa một nhiễm sắc thể số 21, gây ra các vấn đề về phát triển trí tuệ và thể chất.
  • Bệnh Huntington: Do đột biến gen HTT, gây thoái hóa thần kinh tiến triển.
• Bệnh tim mạch: Một số bệnh tim mạch có liên quan đến yếu tố di truyền và đột biến gen, ảnh hưởng đến chức năng tim và mạch máu. Ví dụ, bệnh cơ tim phì đại (Hypertrophic cardiomyopathy).
• Bệnh Alzheimer: Yếu tố di truyền đóng vai trò trong một số trường hợp bệnh Alzheimer, đặc biệt là Alzheimer khởi phát sớm. Đột biến ở các gen như APP, PSEN1, PSEN2 có thể làm tăng nguy cơ mắc bệnh.
• Rối loạn tự miễn dịch: Một số bệnh tự miễn dịch như lupus ban đỏ hệ thống (Systemic lupus erythematosus), viêm khớp dạng thấp (Rheumatoid arthritis) có liên quan đến yếu tố di truyền và biến đổi gen ảnh hưởng đến hệ miễn dịch.

Nguyên nhân gây bệnh lý liên quan đến DNA rất đa dạng, bao gồm yếu tố di truyền, môi trường, lối sống và sự kết hợp của các yếu tố này. Hậu quả của các bệnh lý này phụ thuộc vào loại bệnh, mức độ nghiêm trọng và khả năng đáp ứng điều trị.

Chẩn đoán và điều trị khi bất thường

Các phương pháp chẩn đoán

Có nhiều phương pháp chẩn đoán khác nhau để phát hiện các bất thường DNA, tùy thuộc vào loại bất thường và mục đích chẩn đoán:

• Xét nghiệm di truyền (Genetic testing): Đây là nhóm xét nghiệm phổ biến nhất để phân tích DNA, xác định các đột biến gen, biến thể di truyền, hoặc bất thường nhiễm sắc thể. Có nhiều loại xét nghiệm di truyền khác nhau, bao gồm:
  • Xét nghiệm gen đơn gen: Tìm kiếm đột biến ở một gen cụ thể, thường được sử dụng để chẩn đoán các bệnh di truyền đơn gen như xơ nang, hồng cầu hình liềm.
  • Xét nghiệm đa gen: Phân tích nhiều gen cùng lúc, thường được sử dụng để đánh giá nguy cơ mắc các bệnh phức tạp hoặc tầm soát ung thư di truyền.
  • Xét nghiệm toàn bộ hệ gen (Whole-genome sequencing – WGS) hoặc toàn bộ hệ exon (Whole-exome sequencing – WES): Giải trình tự toàn bộ hệ gen hoặc vùng mã hóa protein của hệ gen, giúp phát hiện các đột biến mới hoặc hiếm gặp.
  • Xét nghiệm nhiễm sắc thể đồ (Karyotyping): Phân tích hình dạng và số lượng nhiễm sắc thể, phát hiện các bất thường số lượng hoặc cấu trúc nhiễm sắc thể như hội chứng Down, hội chứng Turner.
  • FISH (Fluorescence in situ hybridization): Sử dụng các đoạn dò huỳnh quang để phát hiện các đoạn DNA cụ thể trên nhiễm sắc thể, thường dùng để phát hiện các vi mất đoạn hoặc chuyển đoạn nhiễm sắc thể.
  • PCR (Phản ứng chuỗi polymerase) và giải trình tự Sanger: Các kỹ thuật cơ bản trong xét nghiệm di truyền, được sử dụng để khuếch đại và phân tích các đoạn DNA cụ thể.
• Chẩn đoán trước sinh (Prenatal diagnosis): Các xét nghiệm di truyền được thực hiện trong thai kỳ để phát hiện các bất thường di truyền ở thai nhi. Ví dụ:
  • Chọc dò nước ối (Amniocentesis)
  • Sinh thiết gai nhau (Chorionic villus sampling – CVS)
  • Xét nghiệm sàng lọc trước sinh không xâm lấn (Non-invasive prenatal testing – NIPT): Xét nghiệm DNA tự do của thai nhi trong máu mẹ.
• Xét nghiệm sàng lọc sơ sinh (Newborn screening): Xét nghiệm máu gót chân của trẻ sơ sinh để sàng lọc một số bệnh di truyền phổ biến, giúp phát hiện và can thiệp sớm.

Các phương pháp điều trị

Các phương pháp điều trị các bệnh lý liên quan đến bất thường DNA ngày càng phát triển, tập trung vào các hướng sau:

• Liệu pháp gen (Gene therapy): Mục tiêu là sửa chữa hoặc thay thế các gen bị lỗi bằng gen bình thường. Có nhiều phương pháp liệu pháp gen đang được nghiên cứu và ứng dụng, bao gồm:
  • Liệu pháp gen thay thế (Gene augmentation therapy): Thêm bản sao gen bình thường vào tế bào để bù đắp cho gen bị lỗi.
  • Liệu pháp gen ức chế (Gene silencing therapy): Ức chế hoạt động của gen gây bệnh.
  • Chỉnh sửa gen (Gene editing): Sử dụng các công nghệ như CRISPR-Cas9 để chỉnh sửa trực tiếp trình tự DNA bị lỗi.
• Liệu pháp tế bào (Cell therapy): Sử dụng tế bào khỏe mạnh để thay thế hoặc hỗ trợ các tế bào bị tổn thương do bất thường DNA. Ví dụ, ghép tủy xương để điều trị bệnh bạch cầu (leukemia).
• Thuốc điều trị nhắm trúng đích (Targeted therapy): Sử dụng thuốc tác động chọn lọc lên các phân tử hoặc con đường bị rối loạn do đột biến gen trong tế bào ung thư.
• Liệu pháp enzyme thay thế (Enzyme replacement therapy): Cung cấp enzyme bị thiếu hụt do đột biến gen, thường được sử dụng cho một số bệnh di truyền rối loạn chuyển hóa.
• Điều trị triệu chứng và hỗ trợ: Giảm nhẹ các triệu chứng và biến chứng của bệnh, cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân.

Việc lựa chọn phương pháp điều trị phụ thuộc vào loại bệnh, mức độ nghiêm trọng, tình trạng sức khỏe của bệnh nhân và các yếu tố khác. Nghiên cứu trong lĩnh vực di truyền học và liệu pháp gen đang phát triển nhanh chóng, hứa hẹn mang lại nhiều phương pháp điều trị hiệu quả hơn trong tương lai.

Liên kết với các bộ phận khác trong cơ thể

Hệ thần kinh

DNA trong tế bào thần kinh chứa thông tin di truyền quyết định sự phát triển, chức năng và sự sống còn của các tế bào này. Gen điều khiển sản xuất protein cần thiết cho cấu trúc và hoạt động của synapse, dẫn truyền thần kinh và quá trình học tập, trí nhớ. Các đột biến DNA có thể gây ra các bệnh lý thần kinh như bệnh Huntington, Alzheimer, Parkinson, ảnh hưởng đến chức năng não bộ, vận động và nhận thức.

Hệ tim mạch

DNA đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và chức năng của tim và mạch máu. Gen điều khiển quá trình hình thành cơ tim, van tim, mạch máu và điều hòa huyết áp. Đột biến DNA có thể gây ra các bệnh tim mạch di truyền như bệnh cơ tim phì đại, hội chứng Marfan, tăng cholesterol máu gia đình, làm tăng nguy cơ mắc bệnh tim, đột quỵ.

Hệ tiêu hóa

DNA trong tế bào niêm mạc ruột và các cơ quan tiêu hóa khác chứa thông tin di truyền điều khiển quá trình tiêu hóa, hấp thụ dinh dưỡng và bảo vệ niêm mạc ruột. Gen ảnh hưởng đến sản xuất enzyme tiêu hóa, protein vận chuyển, và chức năng miễn dịch của ruột. Đột biến DNA có thể gây ra các bệnh lý tiêu hóa như bệnh viêm ruột (IBD), bệnh celiac, ung thư đại tràng.

Hệ miễn dịch

DNA trong tế bào miễn dịch (tế bào lympho, bạch cầu) chứa thông tin di truyền điều khiển sự phát triển và chức năng của hệ miễn dịch. Gen mã hóa cho các thụ thể miễn dịch (kháng thể, thụ thể tế bào T), cytokine, và các protein khác tham gia vào phản ứng miễn dịch. Đột biến DNA có thể gây ra các bệnh suy giảm miễn dịch di truyền, rối loạn tự miễn dịch như lupus ban đỏ hệ thống, viêm khớp dạng thấp.

Hệ nội tiết

DNA trong tế bào tuyến nội tiết (tuyến giáp, tuyến thượng thận, tuyến tụy) chứa thông tin di truyền điều khiển sản xuất hormone và điều hòa chức năng nội tiết. Gen mã hóa cho hormone, thụ thể hormone và các enzyme liên quan đến quá trình tổng hợp hormone. Đột biến DNA có thể gây ra các bệnh nội tiết di truyền như đái tháo đường MODY, suy giáp bẩm sinh, cường giáp trạng.

Mọi người cũng hỏi

DNA nằm ở đâu trong cơ thể?

Hầu hết DNA trong tế bào người nằm trong nhân tế bào, được gọi là DNA nhân. Một lượng nhỏ DNA cũng được tìm thấy trong ty thể, được gọi là DNA ty thể (mtDNA). DNA nhân chứa phần lớn thông tin di truyền, trong khi mtDNA đóng vai trò trong sản xuất năng lượng tế bào.

DNA có chức năng gì?

Chức năng chính của DNA là lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền. DNA chứa các gen, mã hóa cho protein, quyết định các đặc điểm di truyền và điều khiển mọi hoạt động của tế bào và cơ thể. DNA cũng có khả năng tự sao chép, đảm bảo thông tin di truyền được truyền qua các thế hệ tế bào và sinh vật.

Xét nghiệm DNA để làm gì?

Xét nghiệm DNA được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm chẩn đoán bệnh di truyền, xác định nguy cơ mắc bệnh, sàng lọc trước sinh, xác định quan hệ huyết thống, phân tích pháp y, và nghiên cứu khoa học. Xét nghiệm DNA cung cấp thông tin quan trọng về bộ gen của một người, giúp cá nhân hóa chăm sóc sức khỏe và đưa ra các quyết định y tế phù hợp.

DNA có thể thay đổi không?

DNA có thể thay đổi do đột biến, là những thay đổi trong trình tự DNA. Đột biến có thể xảy ra tự nhiên trong quá trình sao chép DNA hoặc do tác động của các yếu tố môi trường như tia UV, hóa chất. Hầu hết các đột biến là vô hại, nhưng một số đột biến có thể gây ra bệnh hoặc ảnh hưởng đến các đặc điểm di truyền.

DNA và RNA khác nhau như thế nào?

DNA và RNA là hai loại axit nucleic quan trọng trong tế bào. DNA là vật liệu di truyền chính, cấu trúc xoắn kép, chứa đường deoxyribose và base thymine (T). RNA có cấu trúc đơn chuỗi (thường), chứa đường ribose và base uracil (U) thay cho thymine. RNA có nhiều loại và chức năng khác nhau, chủ yếu tham gia vào quá trình phiên mã và dịch mã, tổng hợp protein từ thông tin di truyền trong DNA.

Làm thế nào để bảo vệ DNA?

Để bảo vệ DNA, cần hạn chế tiếp xúc với các tác nhân gây hại như tia UV (sử dụng kem chống nắng, tránh nắng gắt), hóa chất độc hại (tránh hút thuốc, hạn chế tiếp xúc hóa chất công nghiệp), và duy trì lối sống lành mạnh (ăn uống cân bằng, tập thể dục thường xuyên, ngủ đủ giấc, giảm căng thẳng). Ngoài ra, khám sức khỏe định kỳ và tầm soát ung thư có thể giúp phát hiện sớm và can thiệp kịp thời các vấn đề liên quan đến DNA.

DNA có thể sửa chữa được không?

Tế bào có các cơ chế sửa chữa DNA tự nhiên để khắc phục các tổn thương DNA. Tuy nhiên, khả năng sửa chữa DNA có giới hạn, và một số tổn thương DNA không thể sửa chữa hoàn toàn. Nghiên cứu về liệu pháp gen và chỉnh sửa gen đang mở ra những hướng mới trong việc sửa chữa DNA bị lỗi và điều trị các bệnh di truyền.

DNA có giống nhau ở tất cả mọi người không?

Khoảng 99,9% trình tự DNA của con người là giống nhau. Sự khác biệt 0,1% tạo nên sự đa dạng di truyền giữa các cá nhân, quyết định các đặc điểm riêng biệt như màu mắt, màu tóc, chiều cao, và nguy cơ mắc bệnh. Sự khác biệt này chủ yếu nằm ở các biến thể di truyền (polymorphisms) trong trình tự DNA.

DNA có thể lưu trữ thông tin không?

DNA có khả năng lưu trữ thông tin di truyền một cách hiệu quả và ổn định trong thời gian dài. Khả năng lưu trữ thông tin của DNA đã được ứng dụng trong công nghệ lưu trữ dữ liệu kỹ thuật số. DNA có thể lưu trữ một lượng lớn thông tin trong một không gian nhỏ, và có độ bền cao hơn so với các phương tiện lưu trữ truyền thống.

DNA có thể bị phá hủy không?

DNA có thể bị phá hủy bởi nhiều yếu tố, bao gồm tia UV, tia X, hóa chất độc hại, nhiệt độ cao, và các gốc tự do. Tổn thương DNA có thể dẫn đến đột biến, ngừng hoạt động tế bào, hoặc gây chết tế bào. Tuy nhiên, tế bào có các cơ chế bảo vệ và sửa chữa DNA để giảm thiểu tác động của các yếu tố gây hại.

Tài liệu tham khảo về DNA

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002. DNA, Chromosomes, and Genomes.
• National Human Genome Research Institute (NHGRI)
• National Library of Medicine (NLM) – MedlinePlus
• Mayo Clinic
• World Health Organization (WHO)
• Genetics Home Reference – NIH
• Khan Academy – Biology – DNA as the genetic material
• Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000. DNA Structure, Chromosomes, and Chromatin.