Khả năng sửa chữa gen có thể đền bù cho sex

Chim và ong đều có hoạt động giao phối giữa con đực và con cái, nhưng những sinh vật bé nhỏ thuộc lớp bdelloid rotifer dường như lại hoàn toàn mãn nguyện với cuộc sống không sex của mình. Thậm chí chúng còn trải qua hàng triệu năm tiến hóa để hình thành nên 370 loài khác nhau.

David Mark Welch, Matthew Meselson và đồng nghiệp thuộc phòng thí nghiệm nghiên cứu sinh vật biển (MBL) đã tìm ra bằng cách nào mà những sinh vật bé nhỏ này có thể tránh được những bất lợi thông thường của việc sinh sản vô tính. 

Trong hai bài viết có liên quan được đăng trên tờ Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) mới đây, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một giả thuyết thú vị: Những con bdelloid rotifer có khả năng tồn tại không có sex là vì chúng đã tiến hóa một cơ chế đặc biệt hiệu quả nhằm sửa chữa những đột biến có hại cho ADN của chúng. Mark Welch – nhà khoa học thuộc trung tâm Josephine Bay Paul (MBL) cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng ở những con bdelloid rotifer, những biến đổi trong hệ gen cùng những biến đổi của môi trường đã kết hợp với nhau để tạo nên một sinh vật có thể tồn tại mà không cần giao phối”.

Những kết quả nghiên cứu của họ có ý nghĩa y học rất lớn bởi khả năng sửa chữa của gen là một nhân tố quan trọng trong điều trị ung thư, viêm nhiễm, lão hóa và các bệnh khác ở người. Ở những động vật có sinh sản hữu tính, khả năng sửa chữa của gen được hoàn chỉnh trong quá trình phân bào giảm nhiễm khi các nhiễm sắc thể kết đôi (một từ bố, một từ mẹ). Những gen mạnh khỏe trên nhiễm sắc thể đóng vai trò như khuôn mẫu để sửa chữa những gen bị lỗi trên các nhiễm sắc thể khác. Mặc dù vậy những con bdelloid lại sinh sản mà không cần giao phối, chúng tự tạo ra những bản sao của chính mình. Vậy chúng có phải đối mặt với những đột biến có hại hay không?

Loài Philodina roseola – một loài thuộc nhóm sinh vật rotifer. Những con rotifer hoàn toàn mãn nguyện với cuộc sống không sex của mình. (Ảnh: Image courtesy of Marine Biological Laboratory)

Trong bài viết đầu tiên trên PNAS, nhà khoa học phụ tá Matthew Meselson và Eugene Gladyshev (Đại học Harvard) đã chứng mình khả năng sửa chữa gen đáng kinh ngạc của con bdelloid rotifer bằng cách chiếu tia phóng xạ ion hóa vào chúng (tia gamma). Tia này có tác dụng phân rã các ADN thành nhiều phần. Mark Welch cho biết: “Chúng tôi cứ liên tục chiếu tia gamma vào chúng ngày càng nhiều hơn nhưng chúng không hề chết”. Thậm chí với cường độ tia phóng xạ lớn gấp năm lần – mức mà tất cả các loài sinh vật khác đều phải khuất phục – thì những con bdelloid vẫn tiếp tục sinh sản.

Cũng theo Mark Welch, “những sinh vật bé nhỏ này không thể nào tự tiến hóa khả năng kháng phóng xạ do trên Trái đất không hề có nguồn phóng xạ ion hóa nào lớn đến thế, trừ phi là do chính chúng ta tạo ra”. Các nhà khoa học cho rằng khả năng sửa chữa ADN của bdelloid đã tiến hóa nhờ sự thích nghi với môi trường cực kì khô hạn.

Những con bdelloid sống trong những môi trường nước thất thường như những vũng nước ngọt tạm thời hay trên những đám rêu. Nhưng chúng lại có khả năng tồn tại khi nước hoàn toàn cạn kiệt ở bất kì giai đoạn nào trong vòng đời của chúng. Chúng chỉ cần cuộn tròn lại, và nằm im lìm tuần này qua tuần khác; thậm chí là qua nhiều tháng, nhiều năm đến khi có nước, chúng sẽ lại sống dậy và sinh sôi. Mark Welch và đồng nghiệp đã chứng minh rằng sự khô hạn, cũng giống như tia phóng xạ ion hóa, đã phá vỡ ADN của rotifer thành nhiều phần. Có lẽ cơ chế giúp chúng tồn tại sau kì khô hạn trong vòng đời cũng đã bảo vệ chúng trước tia phóng xạ ion hóa.

Mark Welch nói: “Đó cũng là vấn đề kế tiếp mà chúng tôi đang tìm hiểu. Những con bdelloid có thể hàn gắn những gen mảnh vỡ hai mạch của chúng như thế nào? Chúng có enzim tốt hơn hay chúng có nhiều enzim hơn?”

Yếu tố ban tặng cho bdelloid khả năng sửa chữa gen tuyệt vời đã được mô tả trong bài viết thứ hai của nhóm nghiên cứu trên PNAS. Trong đó họ đã đưa ra bằng chứng rằng bdelloid rotifer – cũng giống như hầu hết các loài khác – đều có hai bản sao mỗi nhiễm sắc thể. Nhưng tại một thời điểm nào đó trong quá trình tiến hóa của chúng, chúng đã trải qua quá trình “nhân đôi toàn bộ hệ gen” khiến mỗi sắc thể có đến 4 bản sao và mỗi gen cũng thế. Thường thường, các loài có hiện tượng nhân đôi toàn bộ hệ gen sẽ mất dần các gen sao chép qua thời gian. Nhưng con bdelloid lại giữ lại hầu hết các bản sao này trong suốt lịch sử tiến hóa của chúng.

Mark Welch cho biết: “Chúng tôi tin rằng những con bdelloid đã giữ lại hầu hết gen bản sao của chúng vì những gen đó đang đóng vai trò như khuân mẫu để sửa chữa gen lỗi”. Một hệ quả của việc sửa chữa gen này đó là sự biến đổi gen. Gen được tiến hành sửa chữa rốt cục sẽ có trình tự giống hệ gen được làm khuôn mẫu. Chính nhờ hiện tượng này mà có thể những biến đổi đã diễn ra trong hệ gen của những con đã từng có giao phối. Ví dụ như, một gen mã hóa mắt nâu sửa chữa cho gen mã hóa mắt xanh trên nhiễm sắc thể tương đồng; kết quả là nó đã biến gen quy định mắt xanh thành gen quy định mắt nâu.

Mark Welch kết luận: “Chúng tôi nghĩ rằng biến đổi gen do khả năng sửa chữa gen tạo ra trong quá trình hình thành thích nghi với môi trường khô hạn đã cung cấp đầy đủ những lợi thế để bdelloid có thể tồn tại.”

Tham khảo:
+ Bài viết tham khảo thứ nhất: : Gladyshev, E., và M. Meselson. 2008; Khả năng chống chịu đáng kinh ngạc của Bdelloid rotifer với tia phóng xạ ion hóa – PNAS 105 (13): 5139-5144.
+ Bài viết tham khảo thứ hai: Mark Welch, D.B., J.L. Mark Welch và M. Meselson. 2008; Bằng chứng về dạng tứ bội suy thoái ở Bdelloid rotifer – PNAS 105 (13): 5145-5149.