Chẩn đoán phân tử các bệnh di truyền
Kỹ thuật học của DTH phân tử
DTH phân tử (DTHPT) được xem là một lĩnh vực khoa học, được phát triển tới một nền kỹ thuật học ở tầm cao; các phương pháp mới thường được đưa vào đã cải tiến và làm thay đổi đáng kể những cách tiếp cận nghiên cứu cấu trúc và chức năng của gen. Cả ADN lẫn ARN đều được nghiên cứu trực tiếp về cấu trúc. ADN có thể được tạo thành đơn dòng, có nghĩa là một cấu trúc ADN có thể được phóng đại để tạo ra những số lượng không hạn chế. Kỹ thuật này đòi hỏi phải gài một cấu trúc ADN cụ thể vào một vectơ (ví dụ một virus hoặc một plasmid kháng lai kháng sinh) và có thể được nhân giống một cách vô tận trong các vi khuẩn. Bằng các kỹ thuật đơn giản, vectơ có chứa một cấu trúc ADN đã được gài vào, có thể được tinh chế, và cấu trúc ADN được gài vào lại có thể được tách ra. Những phương pháp khác giúp ARN được chuyển thành ADN thông qua vai trò của enzym để được tạo thành đơn dòng và có cấu trúc theo trình tự. Những đoạn kéo dài ra của ADN (<100 bp - cặp badơ) có thể được tổng hợp có hiệu quả bằng các phương pháp hóa học đơn thuần. ADN còn có thể được thao tác thông qua sử dụng đủ loại các enzym được tinh chế từ những nguồn thiên nhiên. Những đoạn hai phân tử ADN có thể được gắn với nhau thông qua tác động của enzym. ADN và ARN có thể dính với nhau bằng phản ứng hóa học có đánh dấu bằng phóng xạ hoặc huỳnh quang. Những enzym (ví dụ: men nuclease hạn chế, phân lập từ nhiều loại vi sinh) tách các cấu trúc ADN cụ thể ra (giữa 4 và 8 nucleotides theo chiều dài) và đã được dùng để phân đoạn ADN tại những vị trí cụ thể. Những công cụ này và những công cụ khác nữa cung cấp một năng lực phi thường để thao tác và mô tả những đặc điểm của các acid nucieic.
Ngoài ra, những cấu trúc ADN cụ thể có thể được phát hiện với tính đặc hiệu ở mức cao. Hết thảy các phương pháp phát hiện đều dựa trên thiết kế hai vòng xoắn của ADN. Cấu trúc ADN một vòng xoắn có đủ chiều dài (một đầu dò), tương ứng với một đoạn ADN trong hệ gen người sẽ tìm ra cấu trúc bổ sung của nó khi cho tiếp xúc với một ADN người đã được “hầm nhừ” thành những dây xoắn đơn. Bằng nhiều phương pháp khác nhau, việc tạo thành một cặp vòng xoắn giữa một đầu dò với bất cứ một ADN nào đã được chuẩn bị mà đầu dò được lai tạo với sản phẩm này, lai tạo là điều dễ dàng được phát triển.
Việc lai tạo bằng cơ chế phân tử được sử dụng vào kỹ thuật lai tạo ban đầu trong kỹ thuật lai tạo ban đầu một đoạn trải dài thể nhiễm sắc được chuẩn bị theo đúng như cái cách ta muốn chuẩn bị một typ nhân. Một đoạn ADN tương ứng với một cấu trúc bên trong hệ gen người, được ứng dụng cho thể nhiễm sắc được trải ra sau khi những sợi ADN đã được tách ra (hoặc bị biến chất). Sau một thời gian nào đó, đầu dò sẽ lai tạo với cấu trúc bổ sung của nó tại một vị trí chính xác nằm trên một thể nhiễm sắc cụ thể. Phương pháp phát hiện vị trí của đầu dò có nhiều biến thiên. Những đầu dò gắn bằng huỳnh quang được sử dụng phổ biến nhất và vị trí của chúng có thể được xác định nhờ quan sát typ nhân dưới kính hiển vi huỳnh quang. Kỹ thuật này mang tên lai tạo ban đầu (đúng chỗ) bằng huỳnh quang (FISH: fluorescent in situ hibridization). Những ổ chính xác trên thể nhiễm sắc có thể xác định bằng cách so sánh với những mốc trên TNS.
Một kỹ thuật khác được gọi là phản ứng dây chuyền polymerase (PCR) đã trở thành cực kỳ quan trọng trong DTHPT, Phương pháp này cho phép dùng enzym làm khuếch đại một cấu trúc ADN, bằng cách dùng những đầu dò ADN tổng hợp ngắn. Nếu một cấu trúc đã được biết, bằng cách sử dụng hai đầu dò, người ta có thể khuếch đại cấu trúc ADN cụ thể. Từ ADN có chứa trong một đơn tế bào (chủ yếu gồm một hoặc hai tế bào phân tử) ADN đủ tương ứng với một cấu trúc đặc thù có thể được tạo ra để cấu trúc ra nó, phát hiện nó bằng lai tạo hoặc bằng cách tạo ra đơn dòng của nó. Phương pháp này cho phép quan sát trực tiếp những, đột biến và có thể được ứng dụng vào những tình huống trong đó đã có sẵn ADN rất hạn chế. Phương pháp này cũng được dùng theo thường quy trong labô lâm sàng để phát hiện và mô tả những đặc điểm của các acid nucleic của các vi khuẩn và virus. Người ta còn có thể sử dụng PCR để phát hiện và định lượng sự biểu thị các gen bằng cách ứng dụng nó cho ARN thông tin viên tế bào. Nhờ sử dụng enzym sao chép ngược, mARN có thể được chép lại thành ADN, hoặc cADN bổ sung, sau đó lại được định lượng và cấu trúc thêm nửa. Theo cách nhìn của nhà DTH lâm sàng, việc phát triển kỹ thuật học PCR có nghĩa là ADN của bệnh nhân từ bất kỳ nguồn gốc nào (một vết niêm mạc mồm một mẫu máu, những tế bào ối lấy ra trước khi đẻ, và thậm chí những mẫu phẩm giải phẫu lưu trữ trong bảo tàng) đều có thể được phóng đại và mô tả đặc điểm bằng lai tạo, hoặc quan sát cấu trúc trực tiếp nhằm nhận diện những đột biến có trách nhiệm với những rối loạn di truyền.
Sau chót, hiện nay ta có những công cụ có hiệu lực phi thường có thể đem sử dụng vào việc nghiên cứu chức năng của bất cứ đoạn cấu trúc ADN nào. Một gen cần được sao chép trực tiếp thành ARN và phiên mã thành phân tử protein. Gen có thể được đem chuyển vào trong một tế bào sống có nhân, và sự biểu thị gen có thể được quan sát bằng cách sử dụng những phương pháp tổng hợp thích hợp. Bất kỳ một đoạn ADN nào cũng có thể làm thay đổi theo ý muốn thành thử hậu quả những thay đổi như vậy có thể đánh giá được trong nhiều hệ thống. Gen có thể được thiết kế lại và được biểu thị trong những tế bào vi khuẩn hoặc nấm và các sản phẩm protein được tạo ra với số lượng lớn. Trong một số trường hợp, ta có thể truyền ADN người trở lại vào dòng tế bào mầm của một con vật (con chuột chẳng hạn) và khám phá sự biểu thị của nó, ảnh hưởng của nó đến phát triển hoặc sinh lý. Tác động của sự thể mất đi chức năng của một đoạn ADN nào đó cũng có thể được nghiên cứu bằng phương pháp nhằm vào mục tiêu gen hoặc cái gọi là tạo ra tình trạng kỳ quái.
Chẩn đoán
Ưu điểm nổi bật nhất của chẩn đoán bệnh DT thông qua tiếp cận DTHPT là ở chỗ một gen có thể được nhận dạng qua quan sát ADN, lấy từ bất kỳ một tế bào nào của người bệnh. Tế bào có thể lấy tại bất cứ thời điểm nào trong cuộc sống của cá nhân. Trong quá khứ, ta thường chẩn đoán một bệnh bằng cách xem xét một khuyết tật enzym cụ thể hoặc sự hiện diện một protein khác thường. Giờ đây, khi nghi ngờ một bệnh hoặc một tình trạng mang gen bệnh, ta có thể tiến hành chẩn đoán bằng cách quan sát ADN của cá thể. Gắn mã hóa một enzym cụ thể của gen hoặc protein tế bào hồng cầu có thể được quan sát trong bất cứ một tế bào nào sẵn có lấy từ cá thể và từ mỗi thành viên của dòng họ. Bất cứ mô tế bào nào có ADN nguyên vẹn về mặt hóa học thì đều có thể nghiên cứu được. Với kỹ thuật PCR, ta có thể tiến hành nghiên cứu này trên ADN của một tế bào đơn và như vậy thậm chí không cần tế bào đó phải nguyên vẹn về mặt vật lý. Phân tử ADN được lấy ra từ một tế bào đơn bằng sinh thiết phôi người có thể được xác định về mặt gen. Thường thì, máu toàn phần được dùng làm một nguồn ADN lấy từ các tế bào nhân hiện diện trong máu tuần hoàn. Hoặc giả, những tế bào biểu mô ở mồm, những tế bào bong ra khỏi đường tiết niệu, thậm chí một tinh trùng đơn thuần có thể dùng làm nguồn quan sát ADN. Trong chẩn đoán trước khi đẻ, các gai sau có thể được sử dụng, hoặc các tế bào ối lấy từ chọc dò dịch ối. Các tế bào thai hiếm hoi trong tuần hoàn người mẹ cũng có thể được phân lập, và đây là cách tiếp cận không xâm lấn ADN của thai. Trong việc kết hợp với thụ thai trong ống nghiệm, một tế bào có thể được phẫu tích từ phôi người được nuôi cấy và được dùng để chẩn đoán trước khi cho thụ tinh.
Việc chẩn đoán một rối loạn DT có thể được thực hiện hoặc bằng tiếp cận trực tiếp hoặc gián tiếp. Trong tiếp cận trực tiếp, ta quan sát một gen về mặt đột biến có liên quan đến bệnh; trong tiếp cận gián tiếp, thường được ứng dụng trước khi một gen đã được hoàn toàn mô tả đặc điểm, ta theo dõi một gen “bệnh” trong nội bộ một gia đình dựa vào sự gắn kết của nó với những cấu trúc được xát định, mang tính đồng - di truyền với xác suất cao. Nội dung, việc quan sát trực tiếp tuột gen cho ta một chẩn đoán với mức chắc chắn tuyệt đối, và được xem là một mục tiêu cốt lõi trong tiến bộ về mặt chẩn đoán trong lĩnh vực DTHPT.
Nếu một bệnh thấy kết hợp với một đột biến duy nhất, thì ta có thể dễ dàng quyết định xem liệu một cá nhân có mang gen đột biến hay không.
Chẳng hạn, chẩn đoán bệnh thiếu máu hồng cầu liềm hoặc quyết đinh một trạng thái mang gen (đột biến) đều liên quan đến việc nhận diện dương tính hiện tượng đột biến cụ thể với gen globin bêta. Điều này có thể thực hiện bằng cách ứng dụng kỹ thuật học PCR hoặc bằng cách lại tạo với ADN, bằng cái đầu dò ADN ngắn, đặc hiệu đối với các cấu trúc bình thường hoặc đột biến, cho phép quan sát trực tiếp sự hiện diện một cấu trúc đặc thù ở tầm ADN kết hợp với sự biểu thị của protein đột biến.
Trong những bệnh, chẳng hạn như loạn dưỡng cơ Duchenne hoặc thiếu hụt yếu tố VIII (gây bệnh ưa chảy máu), trong đó có vô số các đột biến trong nội bộ các gen tương ứng đã được nhận dạng dẫn tới một bệnh có cùng một kiểu hiện chung, thì gen được quan sát thấy có những đột biến với tần suất cao nhất. Nếu định vị được đột biến trước đây không được thừa nhận, thì chính gen đó có thể được biết cấu trúc một cách trực tiếp, và những biến thiên so với cấu trúc bình thường thấy là kết hợp với biểu hiện của bệnh có thể được suy diễn trực tiếp. Nhờ tích lũy các dữ kiện xác định các đột biến trong nội bộ một gen, có trách nhiệm gây ra một bệnh cụ thể, nên năng lực nhận diện trực tiếp mỗi đột biến trong một gen gia tăng, và những danh mục liệt kê những dữ kiện như vậy ngày càng chứa đựng nhiều chi tiết đang tăng lên với một tốc độ phi thường.
Tuy vậy, trong nhiều bệnh, gen khuyết tật có trách nhiệm đã không được nhận diện. Chẩn đoán trước khi đẻ và tình trạng người mang gen (đột biến) phải được xác định thông qua phân tích sự tạo ra mối liên kết (linkage). Một nỗ lực được triển khai nhằm nhận diện các cấu trúc ADN mang tính đồng DT với các biểu hiện bệnh và dùng để đánh dấu thể nhiễm sắc được thấy có liên quan đến người mang alen khuyết tật. Nội dung, những cấu trúc có liên kết này, về mặt vật lý, nằm gần gen và là một phần của khung, tiêu biểu cho ADN phần nào mang tính đa định hình, mà các gen gắn vào đó. Các phương pháp DTHPT được sử dụng để phân biệt vùng xung quanh ADN của gen khuyết tật với vùng xung quanh ADN hoặc khung bao bọc một gen không bị ảnh hưởng của một dòng họ.
Khi một cá nhân được đưa ra để chẩn đoán, thì nhà DTHPT trước hết phải cố gắng nhận diện thể nhiễm sắc có liên quan đến gen bệnh trong một phả hệ. Nếu là bệnh DT ẩn thì cả những thể nhiễm sắc gần gũi với thể nhiễm sắc mang gen khuyết tật phải được “lấy dấu tay”. Trong trường hợp một rối loạn di truyền ẩn thì trước hết các TNS mang gen khuyết tật phải được nhận diện bằng cách quan sát ADN của một thành viên có rối loạn này trong phả hệ. Tiếp theo, phải quyết định xem hai TNS của mẹ và của cha có liên quan đến gen khuyết tật hay không. Nếu anh hay chị em không mắc bệnh thì có nghĩa là người đó không bị di truyền cùng một bộ alen như cá thể mắc bệnh, người này cho ta một kiểm chứng phân tích DTHPT. Chẩn đoán trước khi đẻ có nghĩa là tìm kiếm sự hiện diện một bộ thể nhiễm sắc cha và mẹ có mang các đột biến. Nếu chỉ có một cha hoặc mẹ có di truyền thì trẻ mắc bệnh được gọi là dị hợp tử hoặc người lành mang gen DT (carrier). Nếu không có TNS nào có di truyền, thì đứa trẻ sẽ không bị DT gen khuyết tật. Việc phát hiện người lành mang gen DT trong nội bộ một gia đình mở rộng là dựa trên cùng một nguyên lý như đối với TNS có mang khuyết tật mà gen bệnh có một liên kết với bệnh DT đó.
Chẩn đoán trước đẻ hoặc phát hiện người lành mang gen DT thông qua phân tích tạo ra mối liên kết đòi hỏi phải phân tích ADN của một cá nhân mắc bệnh. Cách làm này cho ta một phương pháp nhận diện những TNS có mang đột biến; ADN từ cả hai cha mẹ cho phép mô tả đặc điểm TNS có mang gen những khuyết tật; lý tưởng ra, ADN của người anh/em của “nhóm” không mắc bệnh sẽ cho ta một “bằng chứng” nói rằng sự liên kết TNS là đúng đắn. Phả hệ càng đông người, và sự phân biệt càng rõ những khác biệt cấu trúc mô tả đặc điểm TNS gần đó mà gen được gắn vào, thì chẩn đoán càng chính xác. Tuy vậy, cần thấy rằng chẩn đoán bằng phân tích sự tạo ra liên kết không bao giờ có thể mang lại kết quả chắc chắn 100% về khả năng di truyền của một gen. Vì lý do ta không thể quan sát thực sự được gen khuyết tật bằng phương pháp này mà chỉ là vết tích của nó bằng cách kết hợp TNS gần gũi của nó, nên việc tạo ra mối liên kết không bao giờ có giá trị chẩn đoán hoàn hảo cả: Mức không chắc chắn đáng kể bắt nguồn từ xác suất về gen có thể bị tách ra khỏi những cấu trúc ADN được nối kết trong giai đoạn phân bào giảm nhiễm, về xác suất này gia tăng và vì khoảng cách giữa những cấu trúc nối kết này với gen cũng gia tăng. Tuy vậy, nói chung, một khi TNS gần gũi của một gen đã được xác định rõ, thì nỗ lực chính sẽ hướng về việc mô tả đặc điểm của chính gen có khuyết tật. Nếu thực hiện được điều này, thì có thể chẩn đoán bằng quan sát trực tiếp một gen xem có hiện diện những đột biến đi kèm hay là không.
Những bệnh được biểu hiện tại các cơ quan biệt hóa cao độ (như gan, chẳng hạn...) xuất hiện muộn trong quá trình phát triển có thể được xác định thông qua quan sát trực tiếp một gen được quan sát từ hầu như bất cứ một tế bào nào của người bệnh. Khi một gen khuyết tật có trách nhiệm gây ra bệnh ở người được nhận diện và những đột biến đi kèm được mô tả đặc điểm, thì ta có thể sàng lọc trong quần thể sự hiện diện những đột biến đó. Những áp lực về đạo đức và xã hội thường quyết định xem bằng cách nào ta ứng dụng những kỹ thuật này trong thực tiễn.
Bản chất đột biến là gì?
DTH người có nhiệm vụ tìm ra những biến thiên giữa các cá nhân. Những biến thiên này phản ánh những khác biệt tồn tại ở tầm ADN. Những biến thiên nào có một tác động đến sự vận hành của một gen thì thường được quy về đột biến. Những biến thiên khác không có tác động gì đến sức khỏe hoặc sự vận hành của một cơ thể thì gọi là tính đa dạng (nhiều dạng: polymor-phism); điều nan giải được đặt ra là trong khi tiến hành nghiên cứu về mặt phân tử để quyết định xem một thay đổi mới được quan sát thấy có phải là một đột biến hay một tính đa dạng vô hại. Những đột biến có thể xuất hiện trong những tế bào thân cũng như trong các tế bào mầm, song chỉ những thay đổi nào hiện diện trong tế bào mầm mới có khả năng DT. Tính đ dạng những thay thế nucleotide đơn thuần (đặc biệt trong cấu trúc không mã hóa - intron, và tại những vùng bên sườn của ADN ngoài gen) có thể tạo ra hoặc loại bỏ một vị trí enzym giới hạn cụ thể, và do vậy dẫn tới những đa dạng chiều dài khi endonuclease hạn chế được sử dụng để tiêu hóa hoặc cắt bỏ ADN. Những biến thái trung tính khác gồm một số lặp lại kiểu xe tanđem, là đơn vị lặp lại gồm 10 đến 60 nucleotides. Hệ gen người cũng chứa cấu trúc (trình tự) ngắn lặp lại những dinucleotides hoặc trinucleotides. Nhiều trong số những đa dạng này được dùng trong phân tích DTH và được khai thác nhờ sử dụng các đầu dò ADN.
Đột biến bắt nguồn từ một thay đổi của một cặp base (bp) đơn nhất của ADN (sự thay thế), do mất đi hoặc cộng thêm vào ADN (mất đoạn, cài vào, nhân đôi, mở rộng) và do sắp xếp lại (đảo ngược hoặc đổi chỗ). Ảnh hưởng của đột biến tùy thuộc sự thay đổi số lượng hoặc cấu trúc của phân tử protein và hoặc là sự thay đổi diễn ra trong các lĩnh vực của protein có vai trò chủ chốt đối với chức năng bình thường của mình, chẳng hạn như vị trí xúc tác của các enzym hoặc lĩnh vực bắc qua xuyên màng cho các protein kết hợp với màng. Những thay đổi này trong cấu trúc protein có thể diễn ra trong quá trình phiên mã, trong những thay đổi sâu rộng sau phiên mã chi phối nhiều protein do sự im lặng trong sao chép hoặc biểu thị gen không thích hợp. Một đột biến trong đó một base được thay đổi bên trong exon (trình tự mã hóa của một gen) dẫn tới thay đổi một acid amin tương ứng trong phân tử acid amin, được gọi một đột biến hiểu lầm (missense).
Một đột biến như vậy có thể dẫn tới hậu quả làm mất đi đáng kể chức năng hoặc tính ổn định hoặc có thể chỉ ảnh hưởng nhẹ đến protein. Một cấu trúc protein thay đổi cũng có thể dẫn tới hậu quả định vị sai phân tử protein trong tế bào. Trong một số trường hợp, một thay đổi base đơn thuần có thể thêm một tín hiệu ngừng mới vào một phân tử ARN, do vậy điều khiển thể ribô (ribosome) đến giai đoạn phiên mã cuối cùng trước thời hạn, đột biến vô nghĩa: nonsense mutation) và tạo ra một phân tử protein bị ngắn lại.
Hệ gen người là một cấu trúc năng động, và những sự sắp xếp lại các cấu trúc ADN có thể diễn ra được xem là một bộ phận của cơ chế bình thường nhằm gia tăng tính đa dạng của biểu hiện gen. Một typ đột biến được nhận biết mới đây liên quan đến sự mở rộng các bộ ba nucleotide được nhắc đi nhắc lại trong “cỗ xe tanđem”. Những phân tử trinucleodide này lặp đi lặp lại một dãy các tập hợp, được thấy ở những cá thể bình thường trong một số gen và đôi khi có khả năng mở rộng kích thước thông qua sự gia tăng số lần lặp lại trinucleotide. Nếu con số lặp lại vượt qua một ngưỡng nào đó thì sự lặp lại này trở nên không ổn định và số kích thước thêm vào lại gia tăng sẽ có khả năng diễn ra trong những thế hệ tiếp theo. Typ đột biến không ổn định (năng động) này có thể dẫn tới một số bệnh ở những cá thể mang các cấu trúc lặp đi lặp lại mở rộng. Hiện thời những hiện tượng mở rộng lặp đi lặp lại trinucleostide rơi vào ba lớp tương ứng với các lớp kiểu hình. Lớp thứ nhất được mô tả đặc điểm là có những mở rộng của một trinucleotide CGG, dẫn tới cái gọi là một vị trí dễ tổn thương trong TNS. Một vị trí được mệnh danh như vậy là vì lý do nó kết hợp với hiện tượng gẫy (vỡ) TNS dưới một số điều kiện tăng trưởng nào đó trong ống nghiệm. Typ nguyên thủy của lớp này là hội chứng TNS X dễ tổn thương (fragile X syndrome), với kiểu hình lâm sàng chậm khôn, tật to tinh hoàn và những thay đổi khác ở nam giới mắc bệnh. Lớp thứ hai của rối loạn này là một hiện tượng mở rộng tương đối ít của cấu trúc lặp lại, di truyền theo kiểu trội, ví dụ bệnh Huntington, tức là bệnh thoái hóa thần kinh khởi phát muộn. Lớp thứ ba của rối loạn này tiêu biểu là loạn dưỡng cơ. Trong trường hợp này, một bộ ba lặp lại rơi vào một vùng không được phiên mã của gen thấy mở rộng rất nhiều. Ở những người mắc bệnh. Một đặc điểm thường được quan sát thấy của bệnh di truyền này là gia tăng mức nghiêm trọng của bệnh trong các thế hệ tiếp theo.
Một ví dụ khác về tính năng động bên trong hệ gen có thể dẫn tới sự biến thiên đa hình thái vô hại (do vậy thường không nhận biết được) hoặc dẫn tới một bệnh, tính năng động này gắn với các cấu trúc ADN được lặp đi lặp lại khi chúng được nhân đôi, tại giai đoạn phân chia tế bào, để thành những vị trí mới trong hệ gen. Mặc dầu chỉ có một trường hợp đơn nhất của typ đột biến này ở người (một ca bệnh ưa chảy máu A) để được quy cho chế này, trong những hiện tượng đổi chỗ ngược (retro transposon) như vậy có khả năng được nhận biết nhiều hơn, là vì việc khám phá chi tiết bệnh ở tâm phân tử vẫn tiếp tục.
Vì lý do nhiều điều kiện, nên nhiều đột biến khác nhau của cùng một gen, giải thích nhiều cả cá nhân của bất cứ bệnh một gen nào. Mãi gần đây, việc phân tích ADN lấy từ những người mắc bệnh ưa chảy máu A đã phát hiện những đột biến điểm, những hiện tượng tăng đôi, và những khuyết đoạn của gen yếu tố VIII được xem là những cơ chế đột biến nhưng lại không giải thích được cơ sở phân tử của nhiều trường hợp bệnh nặng hơn. Sau đó, người ta đã nhận ra rằng một hiện tượng đảo ngược chung, xảy ra bởi tái tổ hợp sai lạc trong khi sản xuất ra tinh trùng (gián phân ở nam), đã phá vỡ gen yếu tố VIII ở những người bệnh nói trên. Tương tự, một gen có thể bị phá vỡ bởi một hiện tượng chuyển vị, một sự kiện nối một đoạn ADN trên một TNS với một đoạn nằm ở vị trí bình thường trên một TNS khác. Trong trường hợp những tế bào ác tính của những người bệnh tăng bạch cầu mạn tính thể tủy, thì hiện tượng chuyển vị có cân bằng giữa những TNS 9 và 22 luôn luôn không được quan sát thấy. Sự chuyển vị này cùng xảy ra với hai gen (abl và ber), cho phép biểu thị một sự hợp nhất protein khác thường có hoạt tính men tyrosinkinasa mạnh (hành động để chuyển dẫn kích thích thúc đẩy sự tăng trưởng từ bên ngoài đối với nhân tế bào), cho phép diễn ra sự mở rộng đơn dòng mất điều hòa.
Tại tầm tế bào, những ảnh hưởng của đột biến ở những gen DT có trách nhiệm với các protein mang tính cấu trúc có thể tạo ra bệnh trong trạng thái dị hợp tử và do vậy được di truyền theo kiểu trôi tự thân. Những hậu quả lâm sàng nghiêm trọng của đột biến dị hợp tử ảnh hưởng đến các protein cấu trúc thì thường gặp nhiều hơn đối với các protein mang tính enzym, trong đó các dị hợp tử thường không bộc lộ những khác thường trên lâm sàng và DT của hai alen đột biến là cần thiết cho biểu thị kiểu hình, có bệnh (di truyền ẩn tự thân). Chẳng hạn, hình thái thường gặp nhất ở bệnh tạo xương không hoàn toàn (osteogenesis imperfecta – OI) typ 1 thấy có kết hợp với một số đột biến trong gen có trách nhiệm sản xuất ra các khối chất keo có trong các mô tế bào như xương, gân, da khiến chỉ sản xuất ra một nửa khối lượng chất keo này làm cho xương rất dễ tổn thương (xương dòn dễ gãy). Song nếu sự hiện diện của chỉ một alen đột biến không thôi mà vẫn đã gây ra bệnh thì được gọi là đột biến trội âm tính. Bệnh dễ gây tử vong này thường là kết quả một đột biến trội mới xuất hiện ở gen gốc của cả cha lẫn mẹ.
Những đột biến còn có thể ảnh hưởng đến sự vận hành của một gen, có thay đổi hiệu quả nối ghép của ARN được sao chép từ gen. Đột biến này có thể nằm tại một intron và dẫn tới hậu quả làm giảm lượng ARN mà bình thường ra là được nối ghép. Ví dụ kinh điển của kiểu đột biến này là nhiều thể thiếu máu vùng Địa Trung Hải (Thalassemia).
Đột biến có thể làm đảo lộn sâu sắc một tế bào do thay đổi chức năng bình thường của một gen đã được điều hòa, thay vì do làm xáo trộn chất lượng của một phân tử protein. Ví dụ trong một số bệnh u tế bào dạng lympho: sự biểu hiện gen myc, mã hóa protein, thúc đẩy tăng trưởng có trong nhân tế bào, đã bị chuyển vị vào các gen globulin miễn dịch chuỗi nặng. Gen myc, nếu hiện diện thì bình thường ra nó được điều hòa tại vị trí TNS thông thường của nó, lại được kích hoạt khi nó được chuyển vị cạnh gen globulin miễn dịch, mà bình thường ra hoạt động trong tế bào tương. Sự kích hoạt gen myc trong tế bào này, theo cách không được điều hòa, nên dẫn tới sự tăng trưởng không kìm hãm được và dẫn tới kiểu hình ác tính (u tế bào lympho).
Những sự sắp xếp lại trong hệ gen người diễn ra một cách tự nhiên giữa các thế hệ và là điều cốt lõi của tính đa dạng sinh học và sự tiến hóa của các loài, kể cả loài người. Quá trình này được gọi là tái tổ hợp, diễn ra trong giai đoạn phân chia tế bào trong các tế bào mầm, giữa các TNS đồng đẳng của mẹ và của cha và được thấy là cực kỳ chính xác khiến sự trao đổi gen ngang nhau giữa những TNS đồng đẳng. Sự trao đổi ADN thậm chí diễn ra giữa những phần nhỏ hẹp của nhánh ngắn các thể nhiễm sắc X và Y, cái gọi là những vùng giá trị thân của các TNS giới. Tính trung bình, có tới 52 bắt chéo (crossovers) cho tế bào mầm của giới nam được quan sát thấy về mặt tế bào học DT (nhờ sinh thiết tinh hoàn), giữa O và 2 bắt chéo nhánh TNS. Là vì các TNS hỗn hợp với nhau một cách độc lập trong khi phân bào, nên có khả năng xảy ra 223 kiểu tổ hợp các TNS trong các tế bào mầm từ mỗi bên cha, mẹ. Tuy vậy, quá trình sắp thành đôi (từng cặp) và tái tổ hợp có thể dẫn tới trao đổi khác thường chất liệu DT và những đột biến hoặc do ghép vào nhau hoặc do khuyết đoạn hoặc do sao chép các cấu trúc ADN và có thể minh chứng là có hại cho các gen chức năng. Những cấu trúc lặp lại của ADN được thấy là có vai trò quan trọng trong việc sắp từng đôi các TNS tương đồng khi phân chia tế bào, thế nhưng quá trình này có thể gặp trục trặc và dẫn tới đột biến. Tái tổ hợp sai lệch đã là trong số nhiều cơ chế có trách nhiệm gây ra bệnh tăng cholesterol máu có tính chất gia đình (FH). Ở một số bệnh nhi, hiện tượng sắp thành từng đôi đã diễn ra giữa hai nhân tố lặp đi lặp lại (có tên Alu) được tìm thấy bên trong các introns của gen này. Sự trao đổi không ngang bằng và tình trạng mất đi một số exons khi sao chép của những exons khác được khám phá thấy trong gen thụ thể LDL (Lipid tỷ trọng thấp).
Những khuyết đoạn có thể thay đổi về mức độ và, thậm chí khi không thể nhìn thấy được ở tầm tế bào học DT, cũng có thể liên quan đến nhiều gen, những khuyết đoạn này thường được gọi là vi khuyết đoạn. Bởi đủ loại các cách sắp xếp, những điều kiện được quy là những hội chứng gen tiếp giáp cũng có thể được phát sinh. Chẳng hạn, do tính gần gũi của một loạt các gen, nên những khuyết đoạn khác nhau liên quan đến nhánh ngắn của TNS X có thể gây ra cho con người các kiểu tổ hợp của những nét sau đây: bệnh vảy cá, màng trắng củng mạc, chậm khôn, loạn sản sụn, còi cọc. Những nét cá nhân của mỗi trường hợp tùy thuộc vào sự dính líu đến các gen này và tùy thuộc tình trạng mất đi những cấu trúc ADN trong sắp xếp cơ bản.
Những sắp xếp lại như những chuyển vị (TNS) hoặc chuyển đoạn (gen) chẳng hạn, cũng diễn ra trong các tế bào thân. Được hiểu biết rõ ràng nhất là những sắp xếp lại diễn ra trong các tế bào dạng lympho. Một số sắp xếp lại là cần thiết để hình thành golbulin miễn dịch chức năng trong các tế bào B và những thụ thể nhận dạng kháng nguyên trên tế bào T. Những đoạn lớn ADN tạo ra mã cho những vùng có thể thay đổi và hằng định của globulin miễn dịch hoặc thụ thể tế bào T, ghép nối với nhau về mặt vật lý tại một giai đoạn cụ thể trong quá trình phát triển một tế bào lympho có thẩm quyền miễn dịch. Những sắp xếp lại thường diễn ra trong lúc phát triển dòng tế bào dạng lympho ở người, và dẫn tới tính đa dạng rộng lớn của các phần tử globulin miễn dịch và các thụ thể của tế bào T. Điều này được xem là kết quả của sắp xếp lại ADN dòng sau tế bào mầm, mà không có hai cá thể nào, kể cả hai trẻ sinh đôi giống nhau, thực sự là đồng nhất cả, vì lý do ở những tế bào lympho trưởng thành của mỗi cá thể sẽ xuất hiện những sắp xếp lại ADN ngẫu nhiên tại những vị trí đó.
Trong thập kỷ vừa qua, khi những gen người đã được đơn dòng hóa và được cấu trúc với các biến thiên trong những cấu trúc đặc thù đem so sánh giữa các cá thể, thì một số những kiểu nổi bật đã xuất hiện, mô tả những đặc điểm biến thiên ARN ở người. Những đoạn nào của một gen đóng một vai trò chức năng mấu chốt, tại bất cứ tầm mức biểu thị nào của gen đó thành một sản phẩm chức năng, thì sẽ bộc lộ rất ít biến thiên trong những cá thể bình thường. Trái lại, những đoạn nào của hệ gen chúng ta có vẻ ít quan trọng hơn (ví dụ: những vùng ADN giữa các gen) thì bộc lộ biến thiên rộng rãi giữa những cá nhân. Thực vậy, nếu những vùng ít quan trọng này được quan sát ở tầm cấu trúc acid nucleic, thì sự biến thiên trong một đoạn ADN cụ thể (ví dụ: một intron trong một gen globin) rốt cuộc có thể là một base khác trong số hàng trăm. Một kết quả của kiểu biến thiên này, là một gen và hết thảy những cấu trúc kết hợp mang tính cốt lõi về chức năng có thể được xem là một hòn đảo nằm trong một đại dương ADN rất khác nhau. Nhưng cấu trúc bao quanh “ đảo gen” này có thể biểu lộ sự khác biệt cấu trúc đáng kể khi những đoạn - chấp nhận biến thiên - được so sánh trong số những cá thể lấy ra từ các phả hệ khác nhau, trong khi chính các gen thì rất giống nhau. Khung đa hình thái bao quanh một gen và một khung đặc thù được gọi bằng typ quầng (halotyp). Những biến thiên mô tả đặc trưng của ADN trong đó gen được cài vào có thể được dùng để nhận dạng TNS đặc thù lấy ra từ một cá thể và (nếu ta biết đủ chi tiết và con số cấu trúc của khung) có thể cho ta một dấu ấn cho phép phân biệt vùng TNS đặc thù trong nội bộ một quần thể. Nếu một đột biến phải được làm rõ trong gen của một cá thể thì đột biến đó có thể đã được theo dõi trực tiếp (hoặc bằng cách tìm dấu vết những biến thiên tại vùng chung quanh gen có thể phân biệt các TNS của cá thể đó). Những khái niệm về sự nối kết này là cơ sở quan trọng của phương pháp luận chẩn đoán trong DTHPT.
Cách mô tả này về hệ gen được xem là bao gồm những hòn đảo chứa các gen được duy trì và cài trong một khung có thể chấp nhận rất nhiều biến thiên, thêm nữa còn giúp ta hiểu được những kiểu biến thiên được quan sát thấy trải qua quá trình tiến hóa. Nếu so sánh những gen cụ thể trong các loài động vật có vú, chẳng hạn, thì ta ghi nhận sự biến thiên trong các cấu trúc của gen được ít hơn so với môi trường bao quanh gen. Nếu những đoạn ADN giữa các giống loài được đem ra so sánh về mặt cấu trúc (trình tự sắp xếp), thì những đoạn nào còn được duy trì trong cấu trúc xuyên qua nhiều giống loài, nói chung, được xem là dấu tích sự hiện diện các gen.
