Tế bào sống động vật và cách thức tạo protein

Các nhà khoa học thuộc Trung Tâm Y Dược ở Đại Học Duke đã cho thấy làm thế nào trong một cơ thể động vật còn sống thì các tế bào sử dụng quá trình sinh học tới hạn để tách rời và lắp ghép gene nhằm tạo ra nhiều loại protein đặc biệt.
Những nhà khoa học này nói rằng các khám phá trên đã được tiến hành thí nghiệm với chuột, giúp giải thích điều kỳ diệu then chốt ở sinh học con người là: làm thế nào mà những gene tương tự như nhau ở mỗi tế bào trong cùng một cơ thể lại có thể sản xuất nhiều protein khác nhau trong mô và các cơ quan khác. Các loại protein khác nhau đó lần lượt quy định chức năng cho mỗi mô hay cơ quan.

Các nhà khoa học nói khám phá này đồng thời cũng giúp hiểu rõ hơn về nhiều căn bệnh hiểm nghèo, bao gồm bệnh ung thư, chính là một quá trình tiến triển của gene – gọi là quá trình lắp ghép có lựa chọn – nếu quá trình này sai lệch sẽ sinh ra nhiều protein khiếm khuyết.

Các nhà khoa học đã công bố khám phá này vào ngày 1 tháng 12 năm 2006 trên tờ tạp chí RNA. Cuộc nghiên cứu được tài trợ bởi Viện Y Tế Quốc Gia.

Nhà điều tra nghiên cứu nhiều thâm niên, Mariano Garcia-Blanco, Thạc sĩ, Tiến sĩ, Giáo sư về lĩnh vực phân tử gene và vi sinh học cho biết trước đây các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu quá trình lắp ghép có lựa chọn ở mô và ở tế bào trong ống nghiệm, nhưng cuộc nghiên cứu này chỉ đánh dấu sự thành công bước đầu quan sát ở động vật. Ông nói: ”Chúng ta có thể quan sát quá trình lựa chọn và lắp ghép xảy ra ở các mô khác nhau. Đó là một ví dụ tuyệt vời cho thấy các phương pháp thí nghiệm trong các cơ quan bộ phận của cơ thể đã cung cấp toàn cảnh về hoạt động của gene và protein sâu sắc hơn thí nghiệm chỉ sử dụng tế bào nuôi cấy để nghiên cứu”.

Cách nay 20 năm, nhiều nhà khoa học vẫn tin tưởng rằng một loại gene chỉ có thể tạo ra một loại protein nhất định. Với khám phá về quá trình lắp ghép có lựa chọn này thì rõ ràng là một loại gene có khả năng sản xuất ra nhiều loại protein khác nhau.

Trong quá trình lựa chọn và lắp ghép, một “cái kéo” nhỏ trong đoạn gene có nhiệm vụ tách rời RNA thành nhiều đoạn nhỏ gọi là “chuỗi polynucleotide mã hóa protein”, sau đó “cái kéo” này lại nối ghép các đoạn nhỏ đó theo một trật tự khác nhau và hình thành nên một phân tử RNA mới. Trong quá trình trên, nhiều “chuỗi polynucleotide mã hóa protein” được duy trì như cũ nhưng cũng có những chuỗi khác bị loại ra ngoài. Các “chuỗi polynucleotide mã hóa protein” được giữ lại trong đoạn RNA mới thì quyết định loại protein nào mà đoạn RNA này sẽ sản xuất trong tế bào. Trong hầu hết các tế bào, “cái kéo” tách rời gene chính là những protein được gọi là protein ẩn làm nhiệm vụ lắp ghép và chuỗi nucleotide hoạt hóa tăng cường lắp ghép.

Trong một cuộc nghiên cứu gần đây, nhóm của Garcia-Blanco đã tìm kiếm nhận dạng protein ẩn nào tách rời đoạn RNA quan trọng trong một đoạn gene và được gọi là chất nhận phát triển sợi mô liên kết (FGFR 2). Đoạn gene này có vai trò quan trọng trong việc phát triển ở chuột và ở người bình thường, và trật tự mà trong đó RNA của đoạn gene trên được lắp ghép có thể làm thay đổi sự phát triển ở động vật.

Các nhà khoa học đã tạo ra những đoạn gene có khả năng phát sáng như là một hệ thống điển hình cho cuộc nghiên cứu. Trên đoạn gene phát sáng FGFR2 đó là thẻ huỳnh quang màu xanh lá có nhiệm vụ phát sáng khi một loại protein ẩn, còn gọi là chuỗi polynucleotide không mã hóa protein ẩn, đang phân tách một chuỗi polynucleotide mã hóa protein gọi là chuỗi IIIb. Theo phương pháp này, các nhà khoa học có thể theo dõi xem chuỗi polynucleotide không mã hóa protein ẩn có đang tách chuỗi IIIb hay không – và nếu như vậy, thì xảy ra ở mô hoặc ở cơ quan bộ phận nào – hay loại protein ẩn và protein trợ giúp nào đã tham gia vào quá trình phân tách này.

Vivian I. Bonano, sinh viên mới tốt nghiệp Chương trình Đại Học về di truyền học và sinh học phân tử và cũng là tác giả cho bài nghiên cứu trên tạp chí nói rằng bằng cách quan sát đoạn gene phát sáng, nhóm nghiên cứu nhận thấy tế bào trong hầu hết các mô đã phản ứng như nhau đối với chuỗi polynucleotide ẩn IIIb, nhưng tế bào đã sử dụng nhiều loại protein ẩn và protein trợ giúp để thực hiện quá trình này. ”Sau đó, nhận diện chuỗi polynucleotide không mã hóa protein ẩn nào hoạt hóa trong tế bào hay trong các cơ quan bộ phận của cơ thể sẽ giúp cho các nhà khoa học hiểu rằng bằng cách nào các chuỗi polynucleotide mã hóa protein xấu xuất hiện hoặc bị đào thải đối với nhiều quá trình gây nên dị tật”. Ví dụ, hoạt động của một tế bào kể cả chuỗi polynucleotide IIIb là tới hạn vì sự hiện diện hay vắng mặt của chuỗi này quyết định sản xuất ra loại biến thể nào của protein FGFR2. Theo các nhà khoa học thì những biến đổi nhỏ như thế trong protein có thể làm thay đổi hoạt động của tế bào, ví như thay đổi thành phần trong một công thức nấu ăn ngon có thể làm biến đổi hương vị thực phẩm.

Garcia-Blanco nói: ”Công tác quan sát các hoạt động lựa chọn lắp ghép là phù hợp nhất ở tế bào động vật, bởi vì các tế bào phản ứng trong môi trường tự nhiên thì khác so với trong môi trường nhân tạo, ví dụ như môi trường nuôi cấy tế bào trong phòng thí nghiệm chẳng hạn”. Sự phức tạp của việc lắp ghép có lựa chọn này đòi hỏi phải quan sát được hoạt động lựa chọn lắp ghép đó vào thời điểm đang xảy ra, bởi vì lấy tế bào ra khỏi môi trường thì chỉ thấy được tình trạng hiện thời mà không thể biết được tế bào đã đến vị trí lắp ghép thích hợp như thế nào”. Ví dụ, quá trình lắp ghép có thể thay đổi thậm chí mỗi ngày khi động vật phát triển, việc thêm vào các tế bào trích ly và quan sát trong môi trường nuôi cấy phòng thí nghiệm không thể thấy hết các biến đổi tạm thời này. Hơn nữa, các loại tế bào não khác nhau hay ở các cơ quan bộ phận khác có thể có các quyết định lựa chọn lắp ghép khác nhau. Ví dụ, các tế bào neuron gần tế bào liên kết thần kinh hỗ trợ trong não, ấy thế mà các tế bào này lại có loại protein khác nhau với số lượng khác nhau, và thăm dò sự khác nhau ở các tế bào nuôi cấy trong phòng thí nghiệm có thể thấy mức độ khác nhau rõ rệt. “Đây là một công cụ hữu hiệu để ứng dụng vào gene của chuột nhằm nghiên cứu thời điểm và nơi chốn mà trong cơ thể động vật, các hoạt động quyết định lắp ghép có lựa chọn xảy ra và thậm chí để nghiên cứu những nhân tố nào tới hạn trong các hoạt động lắp ghép đó”.

Ông nói thêm: ”Đưa tầm quan trọng của quá trình lắp ghép có lựa chọn vào lĩnh vực sức khỏe và bệnh tật, thì việc hoạch định cho ngành giải phẫu học đối với vấn đề hoạt động lắp ghép có lựa chọn trên có thể cho chúng ta hiểu biết sâu sắc đáng kể trong các bệnh tật ở con người liên quan đến những nguyên tắc lắp ghép sai lệch”.