Đặc điểm chủng của dấu vân tay ADN

Dấu vân tay ADN (DNA fingerprint) là một kỹ thuật trong phòng thí nghiệm được sử dụng để xác định danh tính có thể có của một người dựa trên trình tự nucleotide của một số vùng ADN của con người dành riêng cho từng cá nhân.

Dấu vân tay ADN được sử dụng trong nhiều tình huống khác nhau, chẳng hạn như điều tra tội phạm, các mục đích pháp y khác và xét nghiệm quan hệ huyết thống cha con. Trong những tình huống này, người ta nhằm mục đích “khớp” hai dấu vân tay ADN với nhau, chẳng hạn như mẫu ADN từ một người đã biết và một mẫu ADN từ một người chưa biết.

Trung bình, khoảng 99,9% ADN giữa hai người là giống nhau. Phần trăm còn lại là điều khiến chúng ta trở nên độc đáo (trừ khi bạn là một cặp song sinh giống hệt nhau).

Hệ gen của mỗi người có hơn 3 tỷ nucleotide nên mặc dù con số 0,01% ADN khác biệt giữa 2 người nghe có vẻ nhỏ nhưng điều đó có nghĩa là có khoảng ba triệu cặp nucleotide - đó là sự khác biệt giữa hai người. Những khác biệt này đủ lớn để có thể lựa chọn so sánh và sử dụng để giúp phân biệt giữa 2 người với nhau.

Các đoạn ADN vệ tinh nhỏ (Minisatellites) là các chuỗi ADN lặp đi lặp lại ngắn (dài 10-60 cặp bazơ) có độ biến đổi lớn từ người này sang người khác so với các phần khác của bộ gen. Sự thay đổi này được thể hiện ở số lượng đơn vị lặp lại hoặc 'sự lặp lại' trong chuỗi ADN vệ tinh nhỏ.

Trình tự ADN vệ tinh nhỏ được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1980.

Dấu vân tay ADN được phát minh vào năm 1984 bởi Giáo sư Sir Alec Jeffreys sau khi ông nhận ra rằng khoa học có thể phát hiện các biến thể trong ADN của con người, dưới dạng các vệ tinh nhỏ này.

Dấu vân tay ADN là một kỹ thuật phát hiện đồng thời nhiều trình tự ADN vệ tinh nhỏ trong bộ gen để tạo ra một mẫu duy nhất đặc trưng cho một cá thể. Đây là dấu vân tay ADN.

Xác suất để có hai người có cùng dấu vân tay ADN nhưng không phải là cặp song sinh giống hệt nhau là rất nhỏ.

Cũng giống như dấu vân tay thực tế của bạn, dấu vân tay ADN là đặc điểm sinh học mà mỗi người sinh ra đã có và là đặc trưng duy nhất đối với từng cá thể.

Quy trình thiết lập dấu vân tay ADN

Bước đầu tiên của quá trình lấy dấu vân tay DNA là trích xuất DNA từ mẫu vật chất của con người, thường là máu.

'Kéo' phân tử là các enzyme cắt giới hạn, được sử dụng để cắt ADN thành hàng ngàn đoạn ADN có kích thước dài ngắn khác nhau.

Những đoạn ADN này sau đó được phân tách theo kích thước bằng một quá trình gọi là điện di trên gel agarose:

  • Mẫu ADN sau khi trộn với DNA Loading Dye (Bromophenol blue, xylene cyanol FF, Sucrose/Orange G) được nạp vào các giếng ở một đầu của một loại gel xốp, hoạt động giống như một cái sàng.
  • Một dòng điện được đưa vào sẽ kéo ADN tích điện âm qua gel.
  • Các đoạn ADN ngắn hơn di chuyển qua gel dễ dàng nhất và do đó nhanh nhất. Các đoạn ADN dài hơn khó di chuyển qua gel hơn nên chúng di chuyển chậm hơn.
  • Kết quả là vào thời điểm dòng điện bị tắt, các mảnh ADN đã được tách ra theo thứ tự kích thước. Các phân tử DNA nhỏ nhất nằm cách xa nhất so với nơi mẫu ban đầu được nạp vào gel.

Sau khi ADN đã được phân tách bằng điện di, các mảnh ADN sẽ được chuyển hoặc 'thấm' ra khỏi lớp gel mỏng manh sang một miếng màng nylon chắc chắn và sau đó được 'giải nén' để tạo ra các chuỗi ADN đơn lẻ.

Tiếp theo màng nylon được ủ với đầu dò phóng xạ:

  • Đầu dò là những đoạn ADN nhỏ của vệ tinh nhỏ được gắn phốt pho phóng xạ.
  • Các đầu dò chỉ gắn vào các đoạn ADN mà chúng bổ sung cho nhau ? – trong trường hợp này chúng gắn vào các vệ tinh nhỏ trong bộ gen.

Sau đó, các vệ tinh nhỏ mà các đầu dò gắn vào sẽ được hiển thị bằng cách cho màng nylon tiếp xúc với nhiễu xạ tia X:

  • Khi tiếp xúc với chất phóng xạ, một mẫu gồm hơn 30 dải màu tối xuất hiện trên phim có chứa ADN được đánh dấu. Mẫu này chính là dấu vân tay ADN.
  • Để so sánh hai hoặc nhiều dấu vân tay ADN khác nhau, các mẫu ADN khác nhau được chạy cạnh nhau trên cùng một gel điện di.

quy trình thiết lập dấu vân tay ADN

Hình minh họa quy trình thiết lập dấu vân tay ADN.
Nguồn ảnh: Genome Research Limited

Hồ sơ ADN

Việc lập hồ sơ ADN (DNA profiling) ngày nay còn được gọi là phân tích STR và dựa vào các vệ tinh vi mô hơn là các vệ tinh nhỏ được sử dụng trong dấu vân tay ADN.

Các trình tự ADN siêu nhỏ (Microsatellites), hoặc các trình tự lặp lại song song ngắn (short tandem repeat - STR), là một dạng ngắn hơn của các trình tự ADN vệ tinh nhỏ (Minisatellites), thường dài từ 2-5 cặp bazơ. Giống như các đoạn ADN vệ tinh nhỏ, STR được lặp lại nhiều lần trong bộ gen của con người, ví dụ 'TATATATATATA'.

Quy trình thiết lập hồ sơ ADN

ADN được tách chiết từ ​​​​một mẫu sinh học. Phân tích STR cực kỳ nhạy cảm nên chỉ cần một lượng nhỏ ADN của ai đó để đưa ra kết quả chính xác. Kết quả là ADN có thể được chiết xuất từ ​​​​nhiều mẫu sinh học hơn, bao gồm máu, nước bọt và tóc.

Không giống như phương pháp lấy dấu vân tay ADN ban đầu, việc lập hồ sơ ADN không sử dụng enzyme giới hạn để cắt ADN. Thay vào đó nó sử dụng phản ứng chuỗi polymerase (PCR) để tạo ra nhiều bản sao của các chuỗi STR cụ thể.

  • PCR là một quy trình tự động tạo ra nhiều bản sao của một chuỗi ADN cụ thể. Kỹ thuật này chỉ cần một lượng nhỏ ADN để bắt đầu và thậm chí có thể tạo ra các bản sao từ mẫu ADN đã bị phân hủy một phần.
  • Trong PCR các đoạn ADN nhỏ được gọi là đoạn mồi (primer) liên kết với các trình tự bổ sung của ADN quan tâm và đánh dấu điểm bắt đầu cho quá trình sao chép trình tự ADN quan tâm.
  • Trong phân tích STR, các đoạn mồi được sử dụng trong PCR được thiết kế để gắn vào một trong hai đầu của chuỗi STR quan tâm.
  • Các đoạn mồi cho mỗi chỉ thị STR được dán nhãn bằng thẻ huỳnh quang có màu cụ thể. Điều này giúp việc xác định và ghi lại trình tự STR sau PCR dễ dàng hơn.

Sau khi PCR tạo ra đủ bản sao của trình tự, phương pháp điện di được sử dụng để phân tách các đoạn theo kích thước.

Mỗi mảnh đi qua một tia laser làm cho các mảnh có gắn thẻ huỳnh quang phát sáng với một màu cụ thể. Đầu ra được hiển thị dưới dạng một loạt các đỉnh màu (như trong hình bên dưới) làm nổi bật màu sắc và độ dài của mỗi chuỗi STR.

Càng nhiều chỉ thị STR được kiểm tra thì việc kiểm tra việc xác định ai đó càng chính xác hơn.

Các STR khác được sử dụng cho mục đích pháp y được gọi là Y-STR, chỉ có nguồn gốc từ nhiễm sắc thể Y của nam giới. Điều này rất hữu ích để xác định thủ phạm nam từ các mẫu ADN hỗn hợp.

Chỉ có một người trong số mỗi 10 nghìn tỷ (10.000.000.000.000) sẽ có hồ sơ STR đặc trưng. Với dân số thế giới ước tính hơn 8 tỷ người (8.000.000.000), do đó, rất khó xảy ra khả năng bạn sẽ có cùng hồ sơ với người khác, trừ khi bạn là một cặp song sinh giống hệt nhau.

quy trình thiết lập hồ sơ ADN

Minh họa các bước lập hồ sơ ADN.
Nguồn ảnh: Genome Research Limited

Ứng dụng hồ sơ ADN trong quản lý tội phạm

Hồ sơ ADN rất hữu ích trong giám định pháp y vì chỉ một mẫu vật rất nhỏ của con người bị bỏ lại sau một vụ án mạng cũng có thể đủ để nhận dạng ai đó.

Ở Anh, một hồ sơ ADN hoàn chỉnh bao gồm 11 chỉ thị STR cộng với thông tin xác định giới tính để xác nhận xem hồ sơ đó là của nam hay nữ. Giờ đây, tất cả các hồ sơ ADN khi làm mới lần đầu đều bao gồm 5 chỉ thị STR bổ sung để mang lại sự nhất quán xuyên biên giới ở khu vực liên minh Châuu.

Tại Hoa Kỳ, Cục Điều tra Liên bang (FBI) khuyến nghị nên thử nghiệm 13 chỉ thị STR. Nhiều tiểu bang đang tăng số lượng chỉ thị STR được thử nghiệm để cho phép điều tra hiệu quả hơn xuyên biên giới tiểu bang.

Sự trùng khớp được thực hiện giữa hồ sơ hiện trường vụ án và hồ sơ cá nhân sẽ xác định một nghi phạm có thể có.

Sự trùng khớp giữa các hồ sơ hiện trường vụ án khác nhau cho thấy có kẻ tái phạm tại nơi làm việc.

Cảnh sát có thể sử dụng bằng chứng ADN này để hỗ trợ các bằng chứng khác giúp truy tố ai đó về tội phạm. Hồ sơ ADN hoàn chỉnh đưa ra những kết quả trùng khớp rất đáng tin cậy và có thể cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho thấy nghi phạm có tội hoặc vô tội.

Hồ sơ ADN được lưu trữ như thế nào?

Vương quốc Anh là quốc gia đầu tiên thiết lập cơ sở dữ liệu quốc gia về hồ sơ ADN vào năm 1995. Cơ sở dữ liệu ADN Quốc gia Vương quốc Anh lưu giữ hồ sơ ADN từ một số cá nhân được chọn ở Vương quốc Anh, hầu hết đều có liên quan đến tội phạm nghiêm trọng.

Đạo luật Bảo vệ Tự do năm 2013 đảm bảo rằng 1.766.000 hồ sơ ADN lấy từ người lớn và trẻ em vô tội đã bị xóa khỏi Cơ sở dữ liệu ADN Quốc gia của Vương quốc Anh.

Hiện nay hầu hết các nước đều có cơ sở dữ liệu ADN quốc gia.

Sử dụng hồ sơ ADN xác minh huyết thống

Bạn nhận được một nửa DNA từ mẹ và một nửa từ cha bạn. Do đó, STR được truyền từ cha mẹ sang con cái.

Hồ sơ ADN có thể được sử dụng để giúp xác nhận xem hai người có quan hệ họ hàng với nhau hay không và thường được sử dụng để cung cấp bằng chứng cho thấy ai đó có phải là cha mẹ ruột của một đứa trẻ hay không.

Hồ sơ ADN cũng có thể được sử dụng để xác định nạn nhân của tội phạm hoặc thảm họa lớn và giúp đưa các gia đình ly tán trở lại với nhau.

Việc lập hồ sơ DNA có tỷ lệ thành công cao và tỷ lệ dương tính giả rất thấp.

minh họa hồ sơ ADN giữa Cha Mẹ và Con

Minh họa hồ sơ ADN giữa Bố Mẹ và Con