Suy tàn cấp độ phân tử của các gen quy định men răng ở động vật không răng

Các nhà sinh học thuộc đại học California đã báo cáo những bằng chứng mới về thay đổi tiến hóa được tìm thấy trong các dữ liệu hóa thạch và hệ gen của sinh vật ngày nay, một lần nữa chứng minh cho thuyết tiến hóa của Darwin.

Các nhà khoa học đã liên hệ quá trình mất dần men răng trong dữ liệu hóa thạch với sự suy tàn ở cấp độ phân tử của gen enamelin, một gen liên quan tới sự hình thành men răng ở các động vật có vú.

Men răng là chất cứng nhất trong cơ thể các loài có xương sống, và hầu hết động vật có vú đều có răng với lớp phủ này.

Tuy nhiên, cũng có những động vật có vú không có răng khoáng hóa (ví dụ, cá voi tấm sừng hàm, thú ăn kiến, tê tê) và có cả những động vật có răng nhưng không có men răng (ví dụ, lười, lợn đất, cá nhà táng nhỏ). Các bằng chứng hóa thạch đã cho biết chính xác men răng đã biến mất ở những loài này từ khi nào.

“Dữ liệu hóa thạch gần như chỉ giới hạn ở các mô cứng như xương và răng,” Mark Springer, giảng viên sinh học, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết. “Với hạn chế này, có rất ít cơ hội để chúng ta kiểm tra sự phát triển cùng nhau của các gen hiện có trong cơ thể các sinh vật ngày nay và các đặc tính hình thái được lưu giữ trong hóa thạch.”

Năm 2007, Springer cùng Robert Meredith và John Gatesy đến từ khoa Sinh đại học California tại Riverside đã bắt đầu một khảo sát về các loài động vật không có men răng, trong đó tập trung vào gen enamelin. Họ dự đoán rằng những loài này sẽ có các bản sao của gen mã hóa protein enamelin quy định răng, và những bản sao này sẽ là bằng chứng về sự suy tàn gen ở cấp độ phân tử.

“Các động vật không có men răng có tổ tiên là những động vật có răng và men răng,” Springer nói. “Chúng tôi dự đoán rằng ở các các động vật ngày nay, chúng ta sẽ tìm thấy những bằng chứng cho thấy các gen quy định men răng như enamelin chẳng hạn bị suy tàn ở cấp độ phân tử, và những gen này chỉ còn tồn tại như một dấu vết của đặc điểm xa xưa, chúng không còn thực sự cần thiết cho sự tồn tại của con vật.”

Giờ đây phòng thí nghiệm của ông đã tìm thấy bằng chứng về những lỗ hổng phân tử này trong hệ gen của các động vật ngày nay. Với việc sử dụng các công nghệ xếp chuỗi gen hiện đại, Meredith khám phá ra những biến đổi trong gen enamelin phá vỡ quá trình mã hóa protein enamelin, dẫn tới phá hủy sơ đồ gen cho protein enamelin.

Họ cá voi tấm sừng hàm (baleen whale) cổ xưa, ví dụ như loài Aetiocetus weltoni sống cách đây 25 triệu năm (ảnh trên), từng có răng và men răng. Nhưng cá voi tấm sừng sống ngày nay (ảnh dưới) lại không có răng và chuyên sống bằng thức ăn là các sinh vật nhỏ bé được lọc qua bộ hàm. Dù không có răng, nhưng cá voi tấm sừng ngày nay vẫn giữ lại bản sao của các gen quy định răng, ví dụ như gen enamelin; những gen thừa này được kế thừa từ tổ tiên có răng của chúng và chính là bằng chứng về sự suy tàn mang tính đột biến theo đúng nội dung của thuyết tiến hóa. (Ảnh: © John Gatesy và Carl Buell.)

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tờ PLoS Genetics số ra ngày 4 tháng 9 vừa qua.
Darwin đưa ra lí thuyết rằng tất cả các sinh vật đều có nguồn gốc từ một hoặc một vài sinh vật, và rằng lựa chọn tự nhiên đã thúc đẩy cho những thay đổi trong quá trình tiến hóa. Dữ liệu hóa thạch chứng minh rằng những động vật có vú đầu tiên có răng với men răng. Do đó, động vật không men răng ngày nay chắc chắn đã tiến hóa từ động vật có răng với đầy đủ men răng.

“Do vậy, chúng tôi có thể dự đoán rằng dấu vết còn lại của những gen mã hóa men răng sẽ được tìm thấy trên những động vật không có men răng,” Springer nói. “Tuy nhiên, khi chúng tôi đưa ra dự đoán, chúng tôi không có các chuỗi gen enamelin ở những động vật không có răng cũng như động vật không có men răng. Do vậy, phòng thí nghiệm của chúng tôi tập trung vào việc tìm kiếm những chuỗi gen này để từ đó có thể kiểm nghiệm dự đoán của mình.”

Các nghiên cứu trước đó trong sinh học tiến hóa chỉ cung cấp được những bằng chứng hạn chế về mối liên hệ giữa thoái hóa hình thái trong dữ liệu hóa thạch với suy tàn hệ gen ở cấp độ phân tử. Nghiên cứu của nhóm Springer đã tận dụng độ cứng của răng và men răng để cung cấp những bằng chứng rõ ràng hơn về mối liên hệ này.

“Trong nghiên cứu, chúng tôi thấy rõ sự phát triển song song của quá trình mất dần men răng trong các dữ liệu hóa thạch và sự suy tàn phân tử của gen enamelin thành một gen giả (pseudogene) ở các đại diện của bốn bộ động vật có vú khác nhau đã bị mất men răng.”

Một cách tổng quát, nghiên cứu chia làm các bước sau: Đầu tiên, Meredith thu thập các chuỗi DNA cho gen enamelin ở các loài động vật khác nhau. Sau đó, nhóm nghiên cứu phân tích những chuỗi này bằng nhiều phương pháp tiến hóa phân tử, bao gồm cả những cách tiếp cận mới do nhóm phát minh ra. Cuối cùng, họ sử dụng kết quả phân tích để kiểm tra các giả thuyết cũ cũng như đưa ra những giả thuyết mới.

“Hiện tại, chúng tôi đang tích cực giải mã lịch sử tiến hóa của các gen khác ngoài enamelin có liên quan tới sự hình thành men răng,” Springer nói.