Sperling Nội tiết học Nhi khoa, Ấn bản thứ 5 – Biên dịch: Ths.Bs. Lê Đình Sáng
Sperling Pediatric Endocrinology, Fifth Edition
Tác giả: Sperling, Mark A., MD – Nhà xuất bản: Elsevier Inc.

PHẦN I: CÁC NGUYÊN LÝ VÀ PHƯƠNG PHÁP CỦA NỘI TIẾT HỌC NHI KHOA

CHƯƠNG 2: NỘI TIẾT HỌC PHÂN TỬ, DI TRUYỀN HỌC NỘI TIẾT, VÀ Y HỌC CHÍNH XÁC

Molecular Endocrinology, Endocrine Genetics, and Precision Medicine
Ram K. Menon; Massimo Trucco; Joseph A. Majzoub; Constantine A. Stratakis
Sperling Pediatric Endocrinology, 2, 9-29

GIỚI THIỆU

Nghiên cứu về hệ nội tiết đã trải qua một sự phát triển vượt bậc kể từ những năm 1990, từ các nghiên cứu sinh lý học truyền thống chiếm ưu thế trong nhiều năm đến những khám phá của nội tiết học phân tử (molecular endocrinology) và di truyền học nội tiết (endocrine genetics). Hiện tại, tác động lớn của y học phân tử đối với thực hành nội tiết nhi khoa liên quan đến chẩn đoán và tư vấn di truyền cho nhiều rối loạn nội tiết di truyền khác nhau. Ngược lại, việc áp dụng trực tiếp kiến thức mới này vào điều trị vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Ung thư học nội tiết đã được hưởng lợi rất nhiều từ việc áp dụng các loại thuốc mới được thiết kế để nhắm vào các đột biến cụ thể, ví dụ như trong ung thư tuyến giáp. Một tiến bộ điều trị đáng chú ý gần đây sau khi xác định được cơ sở phân tử của một rối loạn nội tiết là sự phát triển của kháng thể đơn dòng burosumab nhắm vào protein yếu tố tăng trưởng nguyên bào sợi-23 để điều trị bệnh còi xương hạ phosphat máu liên kết nhiễm sắc thể X (X-linked hypophosphatemic rickets). Chương này giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của sinh học phân tử, các kỹ thuật phòng thí nghiệm phổ biến, và một số ví dụ về những tiến bộ gần đây trong các rối loạn nội tiết nhi khoa lâm sàng với trọng tâm là di truyền học nội tiết. Hầu hết các xét nghiệm chẩn đoán, dược lý di truyền, và liệu pháp phân tử mới đều được thảo luận trong các chương cụ thể về bệnh của cuốn sách này, và chỉ những ví dụ làm nổi bật nguyên tắc/chiến lược đang được thảo luận mới được đề cập trong chương này.

CÁC CÔNG CỤ PHÂN TỬ CƠ BẢN

Phân lập và Cắt DNA và Thấm Southern (Southern Blotting)

Nhiễm sắc thể của con người bao gồm một phân tử xoắn kép dài của acid deoxyribonucleic (DNA) (deoxyribonucleic acid) liên kết với các protein nhân khác nhau. Vì DNA là điểm khởi đầu của quá trình tổng hợp tất cả các phân tử protein trong cơ thể, các kỹ thuật phân tử sử dụng DNA đã chứng tỏ vai trò quan trọng trong việc phát triển các công cụ chẩn đoán để phân tích các bệnh nội tiết. DNA có thể được phân lập từ bất kỳ mô nào của con người, bao gồm cả các tế bào bạch cầu lưu thông. Khoảng 200 µg DNA có thể được thu nhận từ 10 đến 20 mL máu toàn phần, với hiệu quả chiết xuất DNA phụ thuộc vào kỹ thuật được sử dụng và phương pháp chống đông. DNA đã chiết xuất có thể được lưu trữ gần như vô thời hạn ở nhiệt độ thích hợp. Hơn nữa, các tế bào lympho có thể được biến đổi bằng virus Epstein-Barr (hoặc các phương tiện khác) để tăng sinh vô hạn trong nuôi cấy tế bào thành các dòng tế bào “bất tử”, do đó cung cấp một nguồn DNA tái tạo. Để thực hiện các nghiên cứu di truyền phân tử, các dòng tế bào lympho biến đổi thường là mô được lựa chọn, bởi vì một nguồn DNA tái tạo giúp loại bỏ nhu cầu lấy thêm máu từ gia đình. Các dòng nuôi cấy có nguồn gốc từ nguyên bào sợi cũng có thể đóng vai trò là nguồn DNA hoặc acid ribonucleic (RNA) (ribonucleic acid) vĩnh viễn (một khi đã được biến đổi), nhưng chúng phải được lấy từ các mẫu phẫu thuật hoặc sinh thiết. Cần lưu ý rằng, vì sự biểu hiện của nhiều gen là đặc hiệu cho từng mô, các dòng tế bào lympho hoặc nguyên bào sợi bất tử không thể được sử dụng để phân tích sự phong phú hoặc thành phần của RNA thông tin (mRNA) (messenger RNA) cho một gen cụ thể. Do đó, các nghiên cứu liên quan đến mRNA đòi hỏi phải phân tích (các) mô biểu hiện gen đó, như được nêu trong phần “Phân tích RNA”. Gần đây, vấn đề về lượng DNA hạn chế có thể thu được từ một số nguồn nhất định đã được khắc phục bằng việc sử dụng phản ứng chuỗi polymerase (PCR) (polymerase chain reaction), một phương pháp linh hoạt để nhân lên một cách trung thực các đoạn DNA ban đầu.

Hình 2.1 Thấm Southern. Các đoạn DNA sợi đôi được phân tách theo kích thước bằng điện di trên gel agarose. Để làm cho DNA trở thành sợi đơn (biến tính), gel agarose được ngâm trong dung dịch acid. Sau khi trung hòa acid, gel được đặt lên giấy lọc, các đầu của giấy lọc nằm trong một bể chứa dung dịch đệm muối đậm đặc. Một tấm màng nitrocellulose được đặt lên trên gel và giấy thấm được xếp chồng lên trên màng nitrocellulose. Dung dịch muối được hút lên qua gel nhờ tác động mao dẫn của bấc giấy lọc và giấy thấm. Khi dung dịch muối di chuyển qua gel, nó mang theo các đoạn DNA. Vì nitrocellulose liên kết với DNA sợi đơn, các đoạn DNA được lắng đọng lên nitrocellulose theo đúng khuôn mẫu mà chúng đã được đặt trong gel agarose. Các đoạn DNA liên kết với nitrocellulose được cố định vào màng bằng nhiệt hoặc tia cực tím. Màng nitrocellulose với DNA đã liên kết sau đó có thể được sử dụng cho các quy trình, chẳng hạn như lai với một mẫu dò DNA được đánh dấu. Các kỹ thuật chuyển DNA sang các chất nền liên kết khác, chẳng hạn như nylon, cũng tương tự.

DNA tồn tại dưới dạng các phân tử cực lớn; nhiễm sắc thể thường nhỏ nhất (nhiễm sắc thể 22) có khoảng 50 triệu cặp base và toàn bộ bộ gen đơn bội của con người được ước tính bao gồm 3 đến 4 tỷ cặp base. Kích thước cực lớn này ngăn cản việc phân tích DNA ở dạng tự nhiên trong các kỹ thuật sinh học phân tử thông thường. Các kỹ thuật nhận dạng và phân tích DNA đã trở nên khả thi và dễ tiếp cận với việc phát hiện ra các enzyme được gọi là endonuclease giới hạn (restriction endonucleases). Các enzyme này, ban đầu được phân lập từ vi khuẩn, cắt DNA thành các kích thước nhỏ hơn dựa trên các vị trí nhận biết cụ thể dài từ hai đến tám cặp base. Thuật ngữ giới hạn đề cập đến chức năng của các enzyme này trong vi khuẩn. Một endonuclease giới hạn phá hủy DNA ngoại lai (chẳng hạn như DNA của thể thực khuẩn) bằng cách cắt DNA tại các vị trí cụ thể, do đó “hạn chế” sự xâm nhập của DNA ngoại lai vào vi khuẩn. Hàng trăm enzyme giới hạn với các vị trí nhận biết khác nhau hiện có sẵn trên thị trường. Vì vị trí nhận biết của một enzyme nhất định là cố định, số lượng và kích thước của các đoạn được tạo ra cho một phân tử DNA cụ thể vẫn nhất quán với số lượng vị trí nhận biết và cung cấp các khuôn mẫu có thể dự đoán được sau khi phân tách bằng điện di.

Việc phân tích vài trăm cặp base DNA trong vùng quan tâm là rất khó khăn khi DNA từ tất cả các nhiễm sắc thể của con người được cắt và phân tách trên cùng một gel. Những hạn chế này được khắc phục bằng kỹ thuật thấm Southern (Southern blotting) (được đặt theo tên của người phát minh ra nó, Edward Southern). Thấm Southern bao gồm việc cắt DNA và phân tách bằng điện di trên agarose. Sau khi điện di, DNA được chuyển sang một giá đỡ rắn (chẳng hạn như màng nitrocellulose hoặc nylon), cho phép sao chép khuôn mẫu của các đoạn DNA đã phân tách lên màng (Hình 2.1). Sau đó, DNA được biến tính (tức là hai sợi được tách rời vật lý), cố định vào màng, và màng khô được trộn với dung dịch chứa mẫu dò DNA. Mẫu dò DNA (DNA probe) là một đoạn DNA chứa một chuỗi nucleotide đặc hiệu cho gen hoặc vùng nhiễm sắc thể quan tâm. Để phát hiện, mẫu dò DNA được đánh dấu bằng một thẻ nhận dạng, chẳng hạn như phốt pho phóng xạ (ví dụ 32P) hoặc một gốc phát quang hóa học; loại sau hiện nay đã gần như thay thế hoàn toàn phóng xạ. Quá trình trộn mẫu dò DNA với DNA biến tính được cố định trên màng được gọi là lai hóa (hybridization), nguyên tắc là chỉ có bốn base acid nucleic trong DNA—adenine (A), thymidine (T), guanine (G), và cytosine (C)—luôn bổ sung cho nhau trên hai sợi DNA, A bắt cặp với T, và G bắt cặp với C. Sau khi lai hóa, màng được rửa để loại bỏ mẫu dò không liên kết và được phơi sáng với phim X-quang trong một quá trình gọi là chụp tự ghi phóng xạ (radioautography, còn gọi là autoradiography) để phát hiện phốt pho phóng xạ hoặc trong một quá trình được sử dụng để phát hiện thẻ phát quang hóa học. Chỉ những đoạn bổ sung và đã liên kết với mẫu dò chứa DNA quan tâm mới hiện rõ trên phim X-quang, cho phép phân tích kích thước và khuôn mẫu của các đoạn này. Theo quy trình thông thường, kỹ thuật phân tích Southern có thể phát hiện một gen đơn bản trong ít nhất 5 µg DNA, tương đương với hàm lượng DNA của khoảng 10 tế bào.

Đa hình Chiều dài Đoạn cắt Giới hạn (Restriction Fragment Length Polymorphism – RFLP)

Đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn (RFLP) (Restriction fragment length polymorphism) là một kỹ thuật hiện nay hiếm khi được sử dụng nhưng lại xuất hiện rộng rãi trong y văn di truyền học nội tiết, vì một số khám phá di truyền nội tiết trong 2 đến 3 thập kỷ qua đã dựa trên kỹ thuật này. Số lượng và kích thước của các đoạn DNA do việc cắt một vùng DNA cụ thể tạo thành một khuôn mẫu có thể nhận biết được. Những biến thể nhỏ trong trình tự giữa các cá thể không có quan hệ họ hàng có thể làm cho một vị trí nhận biết của enzyme giới hạn có mặt hoặc vắng mặt; điều này dẫn đến sự thay đổi về số lượng và khuôn mẫu kích thước của các đoạn DNA được tạo ra bởi việc cắt bằng enzyme đó. Do đó, vùng này được cho là đa hình đối với enzyme cụ thể được thử nghiệm, tức là một RFLP (Hình 2.2). Giá trị của RFLP là nó có thể được sử dụng như một thẻ phân tử để theo dõi sự di truyền của các alen từ mẹ và cha. Hơn nữa, vùng đa hình được phân tích không cần phải mã hóa cho biến thể di truyền là nguyên nhân của bệnh đang được nghiên cứu, mà chỉ cần nằm gần gen quan tâm. Khi một khuôn mẫu RFLP cụ thể có thể được chứng minh là có liên quan đến một bệnh, việc so sánh khuôn mẫu RFLP của con cái với khuôn mẫu RFLP của cha mẹ bị ảnh hưởng hoặc mang gen có thể xác định khả năng một người con thừa hưởng bệnh. Hạn chế chính của kỹ thuật RFLP là khả năng ứng dụng của nó để phân tích bất kỳ gen cụ thể nào phụ thuộc vào kiến thức trước đó về sự hiện diện của các vị trí giới hạn đa hình thuận tiện (“có thông tin”) nằm cạnh gen quan tâm trong khoảng tối đa vài kilobase. Vì những tiêu chí này có thể không được đáp ứng trong bất kỳ trường hợp nào, khả năng ứng dụng của RFLP không thể được đảm bảo cho việc phân tích một gen nhất định.

Hình 2.2 Đa hình Chiều dài Đoạn cắt Giới hạn (RFLP). A, Minh họa sơ đồ. A và B đại diện cho hai alen hiển thị một vị trí đa hình cho enzyme giới hạn EcoR I. EcoR I sẽ cắt DNA có trình tự “GAATTC”; do đó, alen B sẽ bị EcoR I cắt tại ba vị trí để tạo ra hai đoạn DNA, trong khi alen A sẽ chỉ bị EcoR I cắt hai lần và không cắt tại vị trí (được chỉ định bằng thanh ngang) nơi nucleotide G (gạch chân) thay thế nucleotide A có trong alen B. Sau khi cắt, DNA được phân đoạn theo kích thước bằng điện di trên gel agarose và chuyển sang màng bằng kỹ thuật thấm Southern (xem Hình 2.1 để biết chi tiết). Sau đó, màng được lai với một mẫu dò DNA được đánh dấu, chứa toàn bộ trình tự được bao phủ bởi ba vị trí EcoR I. Chụp tự ghi phóng xạ của màng sẽ phát hiện kích thước của các đoạn DNA được tạo ra bởi quá trình cắt bằng enzyme giới hạn. Trong minh họa cụ thể này, cả hai cha mẹ đều là dị hợp tử và sở hữu cả alen A và B. Việc khớp khuôn mẫu của các dải DNA của con cái với cha mẹ sẽ thiết lập mô hình di truyền của các alen. Ví dụ, nếu alen A đại diện cho alen bất thường của một bệnh lặn trên nhiễm sắc thể thường, thì việc kiểm tra thấm Southern sẽ xác định rằng (từ trái sang phải) người con đầu tiên (B/B) là đồng hợp tử cho alen bình thường, người con thứ hai (A/A) là đồng hợp tử cho alen bất thường, và người con thứ ba (A/B) là người mang gen. B, Phân tích RFLP của gen DQ-beta của locus kháng nguyên bạch cầu người (HLA). DNA bộ gen từ các thành viên của phả hệ được chỉ định đã được cắt bằng enzyme giới hạn Pst I, phân đoạn theo kích thước bằng điện di trên gel agarose, và chuyển sang màng nitrocellulose bằng kỹ thuật thấm Southern. Màng sau đó được lai với một mẫu dò DNA bổ sung đặc hiệu cho gen DQ-beta; mẫu dò dư thừa được loại bỏ bằng cách rửa ở độ nghiêm ngặt thích hợp và được phân tích bằng chụp tự ghi phóng xạ. Kích thước của các đoạn DNA (tính bằng kilobase, kb) được chỉ định ở bên phải. Biểu đồ phả hệ chỉ ra các alen đa hình (a, b, c, d) và các dải trên thấm Southern tương ứng với các alen này (a 5,5kb, b 5,0kb, c 14,0kb, d 4,5kb) cho thấy mô hình di truyền của các alen này.

Phản ứng Chuỗi Polymerase (Polymerase Chain Reaction – PCR)

PCR là một kỹ thuật được phát triển vào cuối những năm 1980 và đã cách mạng hóa sinh học phân tử (Hình 2.3). PCR cho phép khuếch đại logarit có chọn lọc một đoạn DNA mong muốn từ một hỗn hợp DNA phức tạp mà về mặt lý thuyết chứa ít nhất một bản sao của đoạn mục tiêu. Trong ứng dụng điển hình của kỹ thuật này, cần có một số kiến thức về trình tự DNA trong vùng cần khuếch đại, để có thể tổng hợp một cặp oligonucleotide ngắn (dài khoảng 18-25 base) đặc hiệu (“mồi” – primers). Các mồi được tổng hợp theo cách mà chúng xác định giới hạn của vùng cần khuếch đại. Khuôn DNA chứa đoạn cần khuếch đại được biến tính bằng nhiệt, sao cho các sợi được tách ra và sau đó được làm nguội để cho phép các mồi bắt cặp vào các vùng bổ sung tương ứng. Enzyme Taq polymerase, một enzyme bền nhiệt ban đầu được phân lập từ vi khuẩn Thermophilus aquaticus, sau đó được sử dụng để bắt đầu tổng hợp (kéo dài) DNA. DNA được biến tính, bắt cặp, và kéo dài lặp đi lặp lại trong các chu kỳ liên tiếp trong một máy gọi là máy luân nhiệt (thermocycler) cho phép quá trình này được tự động hóa. Trong xét nghiệm thông thường, các chu kỳ lặp đi lặp lại này của việc biến tính, bắt cặp, và kéo dài dẫn đến việc tổng hợp khoảng 1 triệu bản sao của vùng mục tiêu trong khoảng 2 giờ. Để xác định tính xác thực của quá trình khuếch đại, danh tính của DNA được khuếch đại có thể được phân tích bằng điện di, lai với mẫu dò RNA hoặc DNA, cắt bằng (các) enzyme giới hạn có thông tin, hoặc được giải trình tự DNA trực tiếp. Sự đơn giản tương đối kết hợp với sức mạnh của kỹ thuật này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi quy trình này và đã tạo ra nhiều biến thể và sửa đổi khác nhau đã được phát triển cho các ứng dụng cụ thể. Từ quan điểm thực tế, nhược điểm chính của PCR là xu hướng bị nhiễm chéo DNA mục tiêu. Nhược điểm này là kết quả trực tiếp của độ nhạy cực cao của phương pháp cho phép khuếch đại từ một phân tử của khuôn DNA ban đầu. Do đó, việc chuyển giao không chủ ý các trình tự được khuếch đại sang các vật dụng được sử dụng trong quy trình sẽ khuếch đại DNA trong các mẫu không chứa trình tự DNA mục tiêu (tức là kết quả dương tính giả). Nhiễm chéo nên bị nghi ngờ khi sự khuếch đại xảy ra ở các mẫu đối chứng âm không chứa khuôn mục tiêu. Một trong những phương thức nhiễm chéo phổ biến nhất là thông qua việc tạo aerosol của DNA được khuếch đại trong các quy trình phòng thí nghiệm thông thường, chẳng hạn như vortex, pipet, và thao tác với các ống vi ly tâm. Sự cẩn thận tỉ mỉ trong kỹ thuật thực nghiệm, tổ chức đúng cách nơi làm việc PCR, và bao gồm các đối chứng thích hợp là điều cần thiết để ngăn chặn thành công sự nhiễm chéo trong các thí nghiệm PCR.

Hình 2.3 Phản ứng Chuỗi Polymerase (PCR). Một cặp mồi oligonucleotide (thanh đặc), bổ sung cho các trình tự nằm cạnh một vùng quan tâm cụ thể (thanh tô bóng, chấm), được sử dụng để dẫn hướng tổng hợp DNA theo các hướng đối diện và chồng chéo. Các chu kỳ lặp đi lặp lại của biến tính DNA, bắt cặp mồi, và tổng hợp DNA (kéo dài mồi) bởi enzyme DNA polymerase dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân của DNA mục tiêu (tức là, trình tự DNA nằm giữa hai mồi) sao cho đoạn DNA này có thể được khuếch đại 1×10^6-7 lần sau 30 chu kỳ như vậy. Việc sử dụng DNA polymerase bền nhiệt (tức là, Taq polymerase) cho phép quy trình này được tự động hóa. Hình nhỏ: DNA được khuếch đại có thể được sử dụng để phân tích tiếp theo (tức là, phân đoạn theo kích thước bằng điện di trên gel agarose).

Nói chung, các ứng dụng PCR hoặc là hướng đến việc xác định một trình tự DNA cụ thể trong một mẫu mô hoặc dịch cơ thể hoặc được sử dụng để sản xuất một lượng DNA tương đối lớn của một trình tự cụ thể, sau đó được sử dụng trong các nghiên cứu sâu hơn. Các ví dụ về loại ứng dụng đầu tiên là phổ biến trong nhiều lĩnh vực y học, chẳng hạn như trong vi sinh học, trong đó kỹ thuật PCR được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của các trình tự DNA đặc hiệu cho virus hoặc vi khuẩn trong một mẫu sinh học. Các ví dụ về một ứng dụng như vậy trong nội tiết nhi khoa bao gồm việc sử dụng PCR của gen SRY để phát hiện vật chất nhiễm sắc thể Y ở bệnh nhân có hội chứng Turner được xác định bằng kiểu nhân đồ và việc xác định nhanh chóng giới tính nhiễm sắc thể trong các trường hợp giới tính thai nhi hoặc sơ sinh không rõ ràng (Hình 2.4).

Hình 2.4 Phát hiện trình tự đặc hiệu gen SRY trong hội chứng Turner bằng khuếch đại phản ứng chuỗi polymerase (PCR) và thấm Southern. Các mồi đặc hiệu SRY đã được sử dụng trong PCR để khuếch đại DNA từ các bệnh nhân có kiểu nhân đồ 45,X. DNA được khuếch đại đã được phân đoạn theo kích thước bằng điện di trên gel-agarose và chuyển sang màng bằng kỹ thuật thấm Southern. Màng sau đó được lai với DNA đặc hiệu SRY được đánh dấu và chụp tự ghi phóng xạ. Từ trái sang phải: DNA nam được khuếch đại (giếng 1); DNA được khuếch đại từ các bệnh nhân có kiểu nhân đồ 45,X (giếng 2-5); DNA nữ được khuếch đại (giếng 6); đối chứng âm không có DNA (giếng 7); pha loãng nối tiếp DNA nam (giếng 8-13).

Hầu hết các ứng dụng PCR, cả dưới dạng công cụ nghiên cứu và sử dụng lâm sàng, đều hướng đến việc sản xuất DNA mục tiêu hoặc DNA bổ sung của một trình tự RNA mục tiêu. DNA được tạo ra (“khuếch đại”) sau đó được phân tích bằng các kỹ thuật khác, chẳng hạn như giải trình tự DNA.

Phân tích RNA

Phần lớn (>95%) DNA nhiễm sắc thể đại diện cho các trình tự không mã hóa. Các trình tự này chứa các yếu tố điều hòa, đóng vai trò là vị trí cho việc cắt nối thay thế, và chịu sự methyl hóa và các thay đổi ngoại di truyền khác ảnh hưởng đến chức năng gen. Tuy nhiên, hiện tại hầu hết các đột biến liên quan đến bệnh trong gen người đã được xác định trong các trình tự mã hóa. Một chiến lược thay thế để phân tích các đột biến trong một gen nhất định là nghiên cứu mRNA của nó, là sản phẩm (thông qua phiên mã) của 5% còn lại của DNA nhiễm sắc thể mã hóa cho protein. Ngoài ra, vì vốn mRNA là đặc hiệu cho từng tế bào và mô, việc phân tích các trình tự mRNA cung cấp thông tin độc đáo về các protein đặc hiệu cho mô được sản xuất trong một cơ quan/mô cụ thể.

Có nhiều kỹ thuật để phân tích mRNA. Kỹ thuật lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trong quá khứ, mặc dù hiện nay hiếm khi được sử dụng, là thấm Northern (Northern blotting) (được đặt tên như vậy vì nó dựa trên cùng nguyên tắc với thấm Southern), là một trong những phương pháp ban đầu được sử dụng để phân tích mRNA. Trong thấm Northern, RNA được biến tính bằng cách xử lý nó với một tác nhân, chẳng hạn như formaldehyde, để đảm bảo rằng RNA vẫn không gấp khúc và ở dạng tuyến tính. RNA biến tính sau đó được điện di và chuyển sang một giá đỡ rắn (chẳng hạn như màng nitrocellulose) theo cách tương tự như được mô tả cho thấm Southern. Màng với các phân tử RNA được phân tách theo kích thước được dò bằng mẫu dò DNA đặc hiệu cho gen được đánh dấu bằng một thẻ nhận dạng, như trong trường hợp thấm Southern, là một nhãn phóng xạ (ví dụ, 32P) hoặc phổ biến hơn là một gốc phát quang hóa học. Trình tự nucleotide của mẫu dò DNA bổ sung cho trình tự mRNA của gen và do đó được gọi là DNA bổ sung (cDNA) (complementary DNA). Theo thông lệ, người ta sử dụng cDNA được đánh dấu (chứ không phải mRNA được đánh dấu) để dò các thấm Northern vì các phân tử DNA ổn định hơn nhiều và dễ dàng thao tác và nhân lên (thường trong các plasmid của vi khuẩn) hơn các phân tử mRNA. Thấm Northern cung cấp thông tin về lượng (ước tính bằng cường độ tín hiệu trên chụp tự ghi phóng xạ) và kích thước (ước tính bằng vị trí của tín hiệu trên gel so với các tiêu chuẩn được điện di đồng thời) của mRNA cụ thể. Mặc dù kỹ thuật thấm Northern đại diện cho một phương pháp linh hoạt và đơn giản để phân tích mRNA, nó có những nhược điểm lớn, và hiện nay nó đã được thay thế bằng các kỹ thuật nhạy hơn và tốn ít thời gian hơn sẽ được thảo luận sau.