Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Mở đầu Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Các kỹ thuật giải trình tự thế hệ mới (NGS), với khả năng phân tích mạnh mẽ và giá thành rẻ, đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây và trở thành một công cụ phân tích quan trọng cho nhiều nhà nghiên cứu di truyền học. Những cơ hội mới trong khía cạnh nghiên cứu của khoa học hình sự nổi lên nhờ tận dụng được sức mạch của công nghệ NGS, thứ có thể được dùng để phân tích đồng thời nhiều locus trong nhiều hoàn cảnh khác nhau, như là nhiễm sắc thể thường, nhiễm sắc thể giới tính hoặc DNA ty thể. Hơn nữa, NGS có thể cũng có tiềm năng ứng dụng trong nhiều khía cạnh khác. Có thể kể đến như xây dựng cơ sở dữ liệu DNA, luận suy tổ tiên và kiểu hình, nghiên cứu sinh đôi cùng trứng, xác định mẫu và dịch cơ thể hay phân tích động thực vật và vi sinh vật trong hình sự.Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Các bạn có thể xem chi tiết về các thế hệ giải trình tự gen mới ở đây.

Các trường hợp ứng dụng NGS trong hình sự

Ứng dụng của các công nghệ DNA trong điều tra hình sự đã biến phân tích DNA trở thành một công cụ quan trọng trong khoa học hình sự. So với các lĩnh vực khác của khoa học sự sống, phân tích DNA hình sự phải đối mặt với những mẫu có số lượng bản sao (DNA) rất thấp, mẫu đã bị phân hủy hoặc bị tạp nhiễm, yêu cầu về tính chính xác và độ tin cậy cũng như thời gian gian và giá cả phải được xem xét. Trước đó, đa số các xét nghiệm DNA trong hình sự dựa vào PCR và các kỹ thuật phân tích phân đoạn dựa vào điện di mao quản để phát hiện những khác biệt về độ dài của các dấu ấn ngắn lặp lại liên tục (short tandem repeat/STR).

Giải trình tự Sanger dựa vào điện di mao quản đã được dùng để phân tích các vùng đặc trưng của DNA ty thể (mtDNA). Sự phát triển của điện di gel trong ống rất nhỏ và sự tự động trong việc nạp thành phần phản ứng cũng như đọc tín hiệu đã cho phép phương pháp của Sanger trở thành tiêu chuẩn vàng cho giải trình tự DNA. Tuy nhiên, phân tích dựa vào điện di mao quản cũng có những hạn chế của nó, ví dụ như không thể phân tích được nhiều đa hình di truyền trong một phản ứng duy nhất sử dụng một quy trình duy nhất, các kết quả phân tích các dấu chuẩn có độ phân giải thấp (không rõ ràng), làm mất các thông tin di truyền hữu ích từ các mẫu DNA đã bị phân giải, và chất lượng phân tích hỗn hợp hay mtDNA cũng kém. Những điểm yếu của giải trình tự gen thế hệ thứ nhất đã thúc đẩy các nhà khoa học hình sự trên toàn thế giới khám phá ra các kỹ thuật giải trình tự mới hữu ích cho khoa học hình sự. Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

 Phân tích STR Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Phân tích STR có vẻ vẫn là kỹ thuật phân tích di truyền thường được dùng và quan trọng bậc nhất trong khoa học hình sự trong tương lai gần. Nó thể hiện nhiều ưu điểm, như là xác định alen nhanh và chính xác, chỉ đòi hỏi lượng khuôn DNA rất thấp, khuếch đại đồng thời nhiều trình tự quan tâm và phát hiện dựa vào huỳnh quang, các kết quả được kỹ thuật số hóa và sử dụng phong phú nhiều yếu tố di truyền học. Hiện nay, hơn 60 quốc gia trên thế giới đã xây dựng các cơ sở dữ liệu DNA hình sự dựa vào STRs, và các dữ liệu này tiếp tục lớn lên nhanh chóng. Khả năng trùng khớp ngẫu nhiên giữa hai người khác nhau sẽ tăng nếu các phân tích tống kê chỉ dựa vào Hệ thống 13 dấu ấn STR tiêu chuẩn phổ biến (CODIS) (CSF1PO, FGA, THO1, TPOX, VWA, D3S1358, D5S818, D7S820, D8S1179, D13S317, D16S539, D18S51 và D21S11). Để tránh điều này, người ta khuyên kết hợp nhiều STR vào các phân tích hình sự thông thường. Tuy nhiên phát hiện đồng thời nhiều STRs hơn sẽ rất khó nếu dựa vào máy giải trình tự thế hệ 1, khi mà các alen bằng nhau về kích cỡ nhưng khác nhau về trình tự không thể phân biệt được.

Khi NGS mới được áp dụng trong genomic, nó không phù hợp cho các xét nghiệm STRs do độ dài nó đọc được là quá nhỏ. Nhưng với những tiến bộ công nghệ, độ dài trung bình của trình tự đọc tăng dần. Vì các alen có độ dài tương đương có thể được phân biệt dễ dàng sử dụng NGS và đọc kết quả bằng số hóa đã hỗ trợ đáng kể cho việc xác định các mẫu DNA hỗn hợp và phân tích các ca xác định cha con phức tạp, một số nhà nghiên cứu đã bắt đầu sử dụng NGS cho xét nghiệm STRs.

Kỹ thuật NGS nhiều ưu điểm rất tiềm năng cho phân tích STR. Chúng bao gồm lưu lượng phân tích cao (high throughput), giá thành thấp, phát hiện đồng thời một số lượng lớn locus STR trên cả nhiễm sắc thể thường và nhiễm sắc thể giới tính cũng như khả năng phân biệt các alen với độ dài bằng nhau.

Phân tích hệ gen ty thể Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

mtDNA đã được chứng minh là có ích như là một công cụ của hình sự trong các trường hợp mà lượng DNA thu được thấp hoặc trong đó dòng mẹ cần được điều tra, do các đặc tính của nó là kích thước nhỏ, nhiều bản sao, di truyền theo dòng mẹ, tần số đột biến cao cũng như không xảy ra sự tái tổ hợp. Khoảng 5 năm trước, phân tích mtDNA thường chỉ phát hiện các đa hình trong vùng siêu biến đổi. Tuy nhiên, đối với mtDNA được sử dụng như là các dấu ấn di truyền haplotype (một nhóm các alen di truyền cùng nhau, tránh nhầm với một số định nghĩa khác là “kiểu gen đơn bội”), các locus di truyền khác nữa sẽ cần để tăng cường khả năng phân biệt. Vì thế, công nghệ NGS có tiềm năng để hỗ trợ tuyệt vời trong phân tích toàn bộ các trình tự của ti thể.

Với sự mở rộng ứng dụng của NGS trong nhiều lĩnh vực khác nhau, giá thành của máy móc và hóa chất liên quan giảm đáng kể. Song song với đó các công nghệ giải trình tự cho phép phân tích đồng thời nhiều alen, cũng đã  dẫn đến sự hiệu quả về chi phí. Ví dụ, số lượng đĩa picotiter (đĩa chứa các giếng xếp đều đặn có kích cỡ chỉ hàng chục micromet mỗi giếng, trong mỗi giếng xảy ra một phản ứng giải trình tự) được sử dụng trong máy GS – FLX đã tăng từ 2 lên 16 và mỗi kênh có thể phân tích đồng thời 192 mẫu sử dụng công nghệ multiplex identifier (MID).

mtDNA của người có tính dị mô là chuyện bình thường và tính dị mô của các tế bào từ các mô khác nhau của cùng một người đã được quan sát. Tính dị mô của mtDNA là một trong nhưng yếu tố tác động đến việc tiến hành phân tích trong hình sự. Việc phát hiện tính dị mô ở mức độ toàn bộ hệ gen ty thể cũng đã được báo cáo, ủng hộ cho những ưu điểm của NGS trong để phát hiện tính dị mô mtDNA, bao gồm độ nhạy và độ chính xác cao, lưu lượng phân tích lớn, giá thành thấp và quy trình đơn giản. Từng có một nghiên cứu, nhiều vùng siêu biến của mtDNA, một locus STR của nhiễm sắc thể giới tính (D18S51) và một locus STR của nhiễm sắc thể Y (DYS389I/II) đã được phân tích đồng thời sử dụng hệ thống máy GS Junior. Kết quả đã xác định rằng hỗn hợp mẫu DNA với tỉ lệ trộn là 1:250 có thể phát hiện, và tác giả khẳng định rằng khi tăng độ dài trình tự đọc, tỉ lệ trộn 1:1000 cũng vẫn có thể phát hiện được. Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự 

Phân tích nhiễm sắc thể Y Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Các dấu ấn di truyền trên nhiễm sắc thể Y đã được cho là có vai trò đáng kể trong sinh học phân tử hình sự. Phổ biến nhất là Y-STRs được dùng để phân tích thành phần thuộc về nam giới trong một hỗn hợp DNA mà chứa nhiều DNA của nữ giới không quan tâm (background), hoặc để xác nhận mối quan hệ huyết thống của cha và con trai. Sử dụng NGS, hơn 10 triệu nucleotide của nhiễm sắc thể Y được so sánh giữa hai người đàn ông có tổ tiên chung từ  … 13 thế hệ trước! Bốn khác biệt di truyền đã được phát hiện, gợi ý rằng giải trình tự nhiễm sắc thể Y có thể giải quyết vấn để về sự phân biệt giữa các mẫu trộn lẫn của những người con trai có chung bố mẹ. Ngoài ra, cũng có người đã phát triển thứ gọi là AMY-tree sử dụng SNP trên nhiễm sắc thể Y và xác định thành công những khác biệt giữa 118 người đàn ông không họ hàng từ 109 vùng địa lý khác nhau. Nghiên cứu kể trên xác nhận rằng AMY-tree có thể xác định phả hệ nhiễm sắc thể Y và xác định các Y-SNP chưa biết từ các vùng địa lý khác nhau.

Phân tích DNA động thực vật Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Việc định danh loài là một trong những công việc quan trọng nhất của thực nghiệm hình sự. Ví dụ, trong một số trường hợp săn trộm và buôn bán các loài nguy cấp, nó đã được sử dụng để cung cấp thông tin quan trọng và hỗ trợ điều tra của cảnh sát. Trong công nghiệp thực phẩm, việc xác định “các loài” có mặt trong các sản phẩm thịt là có thể làm được, hay trong khảo cổ học, di cảo người vẫn có thể phân biệt được với di cảo không phải của người. Hiện nay, phần lớn phương pháp phân tích trình tự DNA để định danh loài dựa trên PCR sử dụng các cặp mồi đặc hiệu cho loài. Tuy nhiên các khà khoa học hình sự thường đối mặt với các tình huống trong đó không có sẵn thông tin về một loài biết trước (tức là người ta không biết mình đang phân tích “cái gì” nên không thể dùng cặp mồi PCR đặc hiệu cho loài được). Sự phát triển của NGS đã cho phép phân tích DNA được dùng nhiều hơn trong các dự án liên quan đến định danh loài. Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Nghiên cứu tổ tiên và Luận suy kiểu hình Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Thông tin được “niêm phong” trong hệ gen người có thể cung cấp cái nhìn sâu chiều vào các đặc tính cá nhân như là dân tộc, các đặc điểm vật lý và sinh lý hoặc tuổi. Trong nghiên cứu hình sự, các đặc điểm suy ra từ phân tích DNA cho phép điều tra tội phạm tiến hóa từ giai đoạn “so sánh thụ động” thành “tìm kiếm chủ động”. Trong các ca phạm tội mà khi đó không có kẻ tình nghi hay cơ sở dữ liệu nào, nó có thể nhanh chóng thu hẹp diện tình nghi bằng cách sử dụng các nghiên cứu tổ tiên và suy luận kiểu hình từ một mẫu DNA. Ví dụ, trong vụ đánh bom tàu hỏa ở Madrid 2004, quần thể xuất thân của các nghi phạm đã được suy ra từ 34 SNP trên nhiễm sắc thể thường có liên quan đến tổ tiên của quần thể. Các nghiên cứu khác cũng đã báo cáo về các SNP có liên quan chặt chẽ đến màu đồng tử, màu tóc với độ chính xác 90%. Trong các nghiên cứu này chỉ có các chip quét SNP được sử dụng, vậy nếu NGS dùng để giải trình tự cả hệ gen mà ứng dụng trong các trường hợp ấy, chắc hẳn nhiều thông tin hơn nữa có thể được khai thác. Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Phân tích di truyền ngoại gen  Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Trong thập kỷ trở lại đây, một số lượng lớn nghiên cứu đã gợi ý rằng các dấu ấn di truyền ngoại gen (di truyền biểu sinh) có thể cũng có nhiều ứng dụng trong khoa học hình sự. Ví dụ, các bằng chứng đã ủng hộ rằng dấu ấn ngoại gen có thể phân biệt cặp so sinh cùng trứng, dự đoán loại mô và xác định chính xác tuổi của một người qua DNA. Phương pháp di truyền ngoại gen dựa trên công nghệ NGS bao gồm giải trình tự bisulfite toàn hệ gen, giải trình tự bisulfite tối giản đại diện, giải trình tự kết tủa miễn dịch DNA methyl hóa và methylation beadchips. Các phương pháp giải trình tự này đòi hỏi lượng DNA lớn, khả năng của chúng khi dò tìm các mẫu DNA vì thế cũng ảnh hưởng tới thành công của các phân tích di truyền ngoại gen trong hình sự. Thú vị là, lượng DNA rất nhỏ (100 pg) vẫn được phân tích thành công thông qua khuếch đại toàn hệ gen từ khuôn DNA đã xử lý bisulfite, sau đó là định lượng methyl hóa sử dụng pyrosequencing (giải trình tự thế hệ 2). Ngoài ra, một nghiên cứu đáng khen khác đã thực hiện giải trình tự bisulfite DNA hệ gen chỉ với vết máu tương với thể tích uL.

Phân tích các cặp sinh đôi cùng trứng tiếp tục là một chủ đề nóng trong lĩnh vực khoa học hình sự. Khi mà cả hai có bộ trình tự DNA giống nhau, các phương pháp xác định trình tự thông thường như là STR, SNP, STR nhiễm sắc thể giới tính hay phân tích mtDNA không thể phân biệt được họ. Năm 2014 đã có người mô tả cách xác định các đột biến cực hiếm bằng NGS cực sâu (giải trình tự lặp đi lặp lại rất nhiều lần) có thể phân biệt song sinh cùng trứng, gợi ý về một phương pháp để xác định huyết thống và các ca hình sự liên quan đến song sinh. Năm 2010, BGI và tổ chức nghiên cứu sinh đôi TwinsUK tại viện King, London đã đồng tài trợ cho các dự án nghiên cứu di truyền ngoại gen sử dụng NGS để thực hiện một nghiên cứu sâu nhằm tìm ra các khác biệt tinh vi trong các tín hiệu di truyền ngoại gen từ 5000 cặp sinh đôi. Kết quả nghiên cứu có vẻ có tính ứng dụng cao trong việc xác định các cặp song sinh phục vụ cho hình sự. Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Phân tích microRNA Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Mặc dù phân tích miRNA đã trở thành một kỹ thuật được xây dựng cẩn thận trong nhiều phòng thí nghiệm pháp y, miRNA chỉ năm năm trở lại đây mới được đưa vào khoa học hình sự. miRNA là nhóm các phân tử RNA nội sinh kích thước 18 – 24 nu. Với kích cỡ nhỏ, khả năng kháng phân hủy và đặc hiệu mô, chúng phù hợp cho xác định dịch cơ thể, định loài và suy luận khoảng thời gian tử vong (PMI). Trước đó, các phân tích miRNA chủ yếu nhờ vào realtime PCR và chip sinh học, trong khi đó chỉ có các trình tự miRNA đã biết được phân tích. Năm 2009, Hanson và các cộng sự đã đưa hồ sơ miRNA vào khoa học hình sự và chỉ ra rằng 452 miRNA được phân tích nhờ PCR định lượng từ các mẫu pháp y. Nghiên cứu khác, mức độ biểu hiện của 719 miRNA trong tinh dịch, nước bọt, máu ven, máu kinh nguyệt và dịch tiết âm đạo đã được phân tích trên microarray. Trong số đó, 14 miRNA đặc hiệu được xác định, mang lại những công cụ tiềm năng cho điều tra dịch cơ thể. Sử dụng NGS, hàng triệu trình tự miRNA có thể nhanh chóng được phân tích để xác định sự biểu hiện gen đặc trưng mô và đặc trưng giai đoạn phát triển, cũng như sự biểu hiện miRNA trong các trạng thái bệnh khác nhau, vì thế cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho phân tích hình sự.

Kết luận Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Mặc dù NGS có vẻ có thể hiện tầm qian trọng trong khoa học hình sự, nhiều nghiên cứu hơn cần được thực hiện để đạt được trọn vẹn mục đích này. Quy trình hướng dẫn cho ứng dụng NGS trong khoa học hình sự cũng cần phải được chuẩn bị. Với những tiến bộ kỹ thuật của công nghệ NGS và những nỗ lực chuyển dịch không ngừng của các nhà khoa học hình sự, chúng ta có thể tin tưởng rằng NGS sẽ trở thành một phương pháp thường quy dễ dàng tiếp cận trong điều tra thực tế. Giải trình tự thế hệ mới trong khoa học hình sự

Nguồn tham khảo: Yang Y, Xie B, Yan J. Application of next-generation sequencing technology in forensic science. Genomics, proteomics & bioinformatics. 2014 Oct 31;12(5):190-7.

Đọc thêm: Giải trình tự gen thế hệ mới

Những bí ẩn của hệ gen người

Iceberg (biên tập)

tapchisinhhoc.com