Trình tự bộ gen của virus cúm và đặc điểm di truyền

Virus cúm mùa liên tục thay đổi, trên thực tế là tất cả các virus cúm đều trải qua những thay đổi di truyền theo thời gian. Một bộ gen của virus cúm bao gồm nhiều gen. Trung tâm kiểm soát và phòng ngừa dịch bệnh CDC đã tiến hành theo dõi sự thay đổi bộ gen của các virus cúm lưu hành quanh năm. Công việc này được thực hiện như một phần của hoạt động giám sát dịch cúm thông thường.

Trình tự các nucleotide trong một gen giống như các chữ cái trong bảng chữ cái. Nucleotide là các phân tử hữu cơ tạo thành đơn vị cấu trúc axit nucleic, chẳng hạn như RNA hoặc DNA. Tất cả các virus cúm mùa bao gồm ARN sợi đơn, thay vì DNA chuỗi kép như bình thường. Các gen RNA của virus cúm được tạo thành từ các chuỗi liên kết nucleotide và mã hóa bằng các chữ cái A, C, G và U - tương ứng với adenine, cytosine, guanine và uracil. Trình tự bộ gen đầy đủ của virus có thể bao gồm khoảng 13,500 ký tự. So sánh thành phần của nucleotide trong một gen với thứ tự các nucleotide có thể tiết lộ các biến thể giữa hai loại virus khác nhau.

Các biến thể di truyền rất quan trọng vì có thể ảnh hưởng đến cấu trúc protein bề mặt của virus cúm. Protein được tạo thành từ các chuỗi axit amin. Việc thay thế một axit amin này bằng một axit amin khác có thể ảnh hưởng đến các đặc tính của virus, chẳng hạn như khả năng virus lây truyền giữa người với người, hoặc mức độ nhạy cảm của virus đối với thuốc và vắc-xin hiện tại.

Virus cúm A và virus cúm B chủ yếu lây nhiễm cho người là virus RNA có tám đoạn gen. Những gen này chứa “hướng dẫn” để tạo ra virus mới. Cụ thể là khi virus cúm lây nhiễm vào cơ thể con người, chúng sẽ “lừa” các tế bào tạo ra nhiều virus cúm hơn, từ đó sinh sôi lan rộng.

Mỗi năm, CDC nghiên cứu toàn bộ trình tự bộ gen trên khoảng 7.000 virus cúm từ các mẫu lâm sàng được thu thập. Một bộ gen virus cúm A hoặc virus cúm B có chứa tám đoạn gen mã hóa, xác định cấu trúc và tính năng 12 protein của virus. Hai protein bề mặt chính là hemagglutinin (HA) và neuraminidase (NA) - xác định các đặc tính quan trọng của virus cúm. Bao gồm cách virus phản ứng với một số loại thuốc chống virus, so sánh virus tương tự gen với virus cúm hiện tại, và khả năng virus cúm có nguồn gốc từ động vật lây nhiễm sang vật chủ là con người.

CDC và các phòng thí nghiệm y tế công cộng khác trên khắp thế giới đã giải trình tự các gen của virus cúm mùa từ những năm 1980. Các kết quả nghiên cứu trình tự gen cho phép so sánh các gen của virus cúm hiện đang lưu hành với gen của virus cúm cũ và virus được sử dụng chế tạo vắc-xin. Quá trình so sánh này được gọi là đặc tính di truyền, được sử dụng để:

• Xác định mức độ liên quan giữa các virus cúm có bộ gen di truyền tương tự nhau
• Theo dõi sự phát triển của virus cúm mùa
• Xác định các thay đổi di truyền ảnh hưởng đến thuộc tính của virus. Ví dụ, virus cúm có lan truyền dễ dàng hơn, gây bệnh nặng hơn hoặc phát triển kháng thuốc hay không
• Đánh giá mức độ hiệu quả của vắc-xin cúm dựa trên sự giống nhau về di truyền các loại virus
• Theo dõi sự thay đổi di truyền của virus cúm lưu hành trong quần thể động vật có lây nhiễm sang người không.

Sự khác biệt giữa một nhóm virus cúm mùa được thể hiện qua cây phả hệ, cho thấy các virus riêng lẻ có liên quan chặt chẽ với nhau như thế nào. Các virus được nhóm lại với nhau dựa trên tương đồng nucleotide trong gen. Cây phả hệ của virus cúm thường hiển thị mức độ giống nhau của các gen virus hemagglutinin (HA) hoặc neuraminidase (NA). Mỗi một loại virus cúm cụ thể sẽ có nhánh riêng trên cây. Mức độ khác biệt di truyền (số lượng khác biệt nucleotide) giữa các virus được biểu thị bằng chiều dài của các đường ngang (nhánh) trong cây phả hệ. Các virus nằm càng xa nhau thì có càng nhiều khác biệt về mặt di truyền.

Ví dụ, sau khi CDC giải trình tự virus cúm A (H3N2), sẽ phân loại với các chuỗi virus khác có gen HA (H3) và gen NA (N2) tương tự. Tiếp đến, CDC so sánh trình tự giữa các virus và tìm kiếm sự khác biệt. Sau đó, cây phả hệ được sử dụng để biểu thị trực quan sự khác biệt về mặt di truyền của các virus cúm A (H3N2).

Công việc so sánh đặc tính di truyền của virus cúm được thực hiện quanh năm. Dữ liệu di truyền này, kết hợp với dữ liệu đặc tính kháng nguyên của virus, giúp xác định loại vắc-xin nào nên được chọn cho mùa cúm ở Bắc hoặc Nam bán cầu sắp tới. Trước cuộc họp tham vấn vắc-xin của WHO vào tháng 2 và tháng 9, CDC thu thập virus cúm mùa để so sánh trình tự gen HA và NA với chủng cúm đang lưu hành. Cách này giúp đánh giá mức độ liên quan giữa các virus cúm lưu hành với các virus mà vắc-xin cúm theo mùa có khả năng chống lại.

Ví dụ, đôi khi trong suốt một mùa, các virus lưu hành sẽ thay đổi về mặt di truyền, khiến chúng trở nên khác biệt với virus dùng để bào chế vắc-xin. Đây là một dấu hiệu cho thấy cần lựa chọn loại vắc-xin khác để phòng bệnh cúm cho mùa tiếp theo.

Bên cạnh đó, các yếu tố như đặc tính kháng nguyên cũng ảnh hưởng lớn đến quyết định vắc-xin. Các protein bề mặt HA và NA của virus cúm mùa là kháng nguyên, được hệ miễn dịch của con người nhận ra. Sau khi chúng xâm nhập vào cơ thể, phản ứng miễn dịch được kích hoạt, cơ thể sản xuất kháng thể ngăn chặn nhiễm trùng. Quá trình phân tích phản ứng của virus với các kháng thể, giúp đánh giá mức độ liên quan của một loại virus được gọi là đặc tính kháng nguyên.

Một mẫu chứa nhiều hạt virus cúm nuôi trong ống nghiệm thường có khác biệt nhỏ về gen so với toàn bộ quần thể virus cùng chủng loại.

Trước đây, các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật giải trình tự bộ gen có tên là Phản ứng Sanger, để theo dõi sự tiến hóa của bệnh cúm. Phản ứng Sanger xác định trình tự di truyền chiếm ưu thế trong một chủng nhiều loại virus cúm mùa. Như vậy, các biến thể nhỏ trong mẫu quần thể virus chung không được kết quả cuối cùng phản ánh. Phương pháp này chỉ giải được một phần trình tự bộ gen của virus cúm, thay vì toàn bộ trình tự bộ gen.

Trong năm năm qua, CDC đã sử dụng các phương pháp luận của thế hệ tiếp theo (Next Generation Sequencing - NGS), để mở rộng lượng thông tin và mức độ chi tiết mà phân tích trình tự thu thập được. Phương pháp này dùng phân tử tiên tiến (AMD) để xác định trình tự gen của mỗi loại virus trong một mẫu. Do đó, có thể tiết lộ được các biến thể di truyền giữa nhiều hạt virus cúm mùa khác nhau trong mẫu và toàn bộ khu vực mã hóa của bộ gen. Mức độ chi tiết như vậy sẽ trực tiếp mang lại lợi ích cho sức khỏe cộng đồng, nhưng dữ liệu phải được giải thích cẩn thận bởi các chuyên gia được đào tạo chuyên sâu, kết hợp với bối cảnh thực tế. Tóm lại, lập bản đồ gen cúm hàng năm bằng NGS và AMD sẽ giúp cải thiện hiệu quả vắc-xin cúm mùa.

Nguồn tham khảo: cdc.gov