Bằng cách nào hệ thống khôi phục ADN có thể tái tạo lại nhiễm sắc thể?

Các nhà nghiên cứu thuộc Trung tâm y học – đại học Duke và thuộc Viện khoa học sức khỏe môi trường quốc gia (National Institute of Environmental Health Sciences - NIEHS) mới đây đã phát hiện được các đoạn gãy vỡ trên nhiễm sắc thể có thể gắn kết lại với nhau để biến đổi nhiễm sắc thể đồng thời làm phát sinh loài mới như thế nào.

Lucas Argueso – một học giả thuộc khoa Vi sinh vật và Di truyền phân tử thuộc đại học Duke – cho biết: “Con người đã khám phá ra nhiều cấu trúc bậc cao bị lặp lại trong hệ gen của hầu hết các loài động vật bậc cao và đưa ra các giả thuyết giải thích tại sao có nhiều đoạn bị lặp lại như thế. Chúng tôi đã có thể chứng minh ở men rằng các trình tự bị lặp lại cho phép quá trình hình thành loại nhiễm sắc thể mới xảy ra (gọi là sai hình nhiễm sắc thể - chromosome aberration). Đây cũng là một con đường quan trọng giúp đa dạng hóa hệ gen”.

Các nhà khoa học đã sử dụng tia X để phá vỡ cấu trúc nhiễm sắc thể của men, sau đó nghiên cứu cách thức mà các thương tổn được phục hồi. Đa số các sai hình nhiễm sắc thể phát hiện được hình thành từ sự tương tác giữa các trình tự ADN lặp lại nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau chứ không phải chỉ là sự kết hợp đơn giản giữa các đầu bị đứt gãy của cùng một nhiễm sắc thể.

Sai hình nhiễm sắc thể là biến đổi trên nhiễm sắc thể bổ sung bình thường do bị mất đoạn, lặp đoạn hay đảo đoạn. Đối với một số trường hợp hiếm gặp, sự hình thành của một trong những cấu trúc nhiễm sắc thể mới nói trên là có lợi, nhưng đa số biến đổi ADN là có hại, dẫn đến các vấn đề như ung bướu.

Argueso nói: “Mọi hiện tượng tái sắp xếp đều có thể mang lại lợi ích. Những sự khác biệt đó có thể có ích hơn trong chọn lọc tự nhiên, thậm chí còn giúp hình thành loài mới”.

Sai hình dưới tác động của phóng xạ ở men ban đầu được đồng tác giả Jim Westmoreland thuộc Phòng thí nghiệm Di truyền phân tử NIEHS phát hiện, Argueso thuộc đại học Duke là người thực hiện các phân tích phân tử tỉ mỉ. 

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra cách các đoạn gãy vỡ trên nhiễm sắc thể có thể gắn kết lại với nhau để biến đổi nhiễm sắc thể đồng thời làm phát sinh loài mới. (Ảnh: iStockphoto/Andrey Volodin)

Đối với men được dùng trong nghiên cứu, trình tự ADN bị lặp chiếm tỉ lệ khoảng 3% nhiễm sắc thể. Ở các động vật bậc cao như con người, khoảng một nửa hệ gen có chứa các đoạn bị lặp “hình thành nên điểm yếu của con người”. “Nếu bị gãy vỡ tại phần bị lặp, thì không phải chỉ duy nhất một nhiễm sắc thể mới được sửa chữa mà tất cả các cấu trúc lặp tương tự ở nhiều vi trí khác trong hệ gen cũng được khôi phục”.

Việc thiết lập trình tự gen của nhiều người khác nhau đã mang lại số lượng đáng ngạc nhiên các biến thể cấu trúc giữa các cá thể, theo Thomas D. Petes – chủ tịch khoa Vi sinh vật và Di truyền học phân tử thuộc đại học Duke kiêm đồng tác giả nghiên cứu men. Ông nói: “Chúng tôi mong chờ được quan sát sự biến đổi, mất đi hay thêm vào một cặp bazơ. Không ai nghĩ rằng một người nào đó có thể có hai bản sao của một gen, trong khi những người khác lại có một hoặc thậm chí 3 bản sao của cùng một gen”. Nghiên cứu trên người cũng cho thấy nhiều hiện tượng tái sắp xếp phát hiện thấy ở người xảy ra tại các địa điểm có đoạn ADN bị lặp lại. Điều này có thể xảy ra nhờ một cơ chế tương tự như cơ chế mà nghiên cứu phát hiện được ở men.

Theo Petes, nghiên cứu trên men có thể có liên quan đến các nghiên cứu về ung thư. Ông nói: “Đa số các khối u rắn đều có các đoạn tái sắp xếp với mức độ cao, cũng như các nhiễm sắc thể dư thừa. Sự kết hợp giữa các gen bị lặp lại rõ ràng là một con đường phát sinh các đoạn tái sắp xếp mặc dù một số đoạn tái sắp xếp cũng được hình thành bằng con đường khác. Đây là một trận chiến tiến hóa giữa tế bào bình thường và tế bào u. Một con đường giúp tế bào u thoát khỏi sự điều hòa sinh trưởng của tế bào bình thường là thay đổi lại hệ gen của nó”.

Nghiên cứu được công bố trực tuyến trên số ra ngày 13 tháng 8 trên tờ Proceedings of the National Academy of Sciences với sự cộng tác của tác giả Michael A. Resnick thuộc Phòng thí nghiệm Di truyền học phân tử tại NIEHS. Nguồn tài trợ cho nghiên cứu do Viện sức khỏe quốc gia cung cấp và từ quỹ nghiên cứu nội bộ của Viện khoa học sức khỏe môi trường quốc gia. Các tác giả khác của nghiên cứu là Piotr A. Mieczkowski và Malgorzata Gawel thuộc khoa Vi sinh vật và Di truyền học phân tử, Đại học Duke.