Tin tức | Các nhà khoa học Đại học California tái tạo quá trình phát triển sớm bằng ‘mô hình phôi có thể lập trình’, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu sinh sản
Tin tức | Các nhà khoa học Đại học California tái tạo quá trình phát triển sớm bằng ‘mô hình phôi có thể lập trình’, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu sinh sản
Cách một tế bào đơn lẻ trở thành một cơ thể hoàn chỉnh trong những ngày đầu sau thụ tinh vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học. Vì quá trình phát triển sớm ở động vật có vú diễn ra bên trong tử cung, các nhà nghiên cứu từ lâu gặp khó khăn trong việc quan sát hoặc can thiệp trực tiếp, hạn chế hiểu biết về lý do sự phát triển của phôi đôi khi thất bại.
Một nghiên cứu tiên phong tại Đại học California, Santa Cruz đang khắc phục hạn chế này. Không sử dụng phôi thật, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ CRISPR tiên tiến để tạo ra các “mô hình phôi có thể lập trình”, hay embryoid, có khả năng tái tạo những giai đoạn then chốt của phát triển sớm trong phòng thí nghiệm. Công trình được công bố trên Cell Stem Cell.
“Chúng tôi muốn tái tạo, thậm chí điều chỉnh các hiện tượng tự nhiên trong đĩa nuôi cấy, như sự hình thành phôi, nhằm thúc đẩy nghiên cứu về các rối loạn phát triển sớm.”
—Ali Shariati, tác giả liên hệ kiêm trợ lý giáo sư kỹ thuật sinh học phân tử tại UC Santa Cruz
Lập trình tế bào gốc bằng CRISPR
Nghiên cứu do nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Gerrald Lodewijk và cựu sinh viên Sayaka Kozuki, hiện là nghiên cứu sinh tại Caltech, đồng dẫn dắt, sử dụng tế bào gốc chuột thí nghiệm. Tế bào gốc giống như một tấm vải trắng và về lý thuyết có thể trở thành bất kỳ loại tế bào nào, bao gồm tế bào não hoặc tế bào ruột.
Nhóm đã sử dụng một biến thể CRISPR nhẹ nhàng hơn, hệ thống hoạt hóa CRISPR (CRISPRa). Thay vì cắt DNA, hệ thống này điều hòa và kích hoạt các vùng gen thiết yếu cho sự phát triển của phôi. Sự hoạt hóa chính xác này thúc đẩy tế bào gốc tạo ra các loại tế bào phôi nguyên thủy khác nhau.
“Thay vì thêm một tác nhân kích thích từ bên ngoài, chúng tôi kích hoạt các công tắc di truyền vốn có của tế bào và để chúng tự quyết định cách bắt đầu hành trình phát triển,” Lodewijk giải thích.
Hơn 80% số tế bào gốc đã tự tổ chức trong vài ngày thành các cấu trúc giống phôi sớm và khởi động các chương trình biểu hiện gen tương đồng chặt chẽ với phôi tự nhiên.
“Khả năng tự tổ chức có tính tương đồng đáng kinh ngạc. Các tế bào dường như biết phải làm gì; chúng tôi chỉ cần thúc đẩy nhẹ nhàng.”
—Ali Shariati
Quan sát cách sự sống sớm tự tổ chức
Các tế bào embryoid thể hiện hành vi tập thể trong nuôi cấy, bao gồm sự di chuyển xoay tròn được mô tả là chuyển động có trật tự như đàn chim, cuối cùng hình thành các mô hình phôi sớm nổi bật.
Không giống các phương pháp trước đây sử dụng hóa chất để ép tạo ra những loại tế bào khác nhau, nghiên cứu này nhấn mạnh sự đồng phát triển, gần với sự phát triển phôi tự nhiên trong cơ thể hơn.
“Chúng tôi không tạo từng tế bào riêng lẻ. Chúng tôi để chúng cùng phát triển và ảnh hưởng lẫn nhau như trong một phôi thật, tái tạo ký ức sinh học của chúng khi ở cạnh nhau.”
—Shariati
Các mô hình có thể lập trình có thể làm rõ nguyên nhân của khiếm khuyết phát triển
Ưu điểm chính của những mô hình phôi này là khả năng lập trình cao. Các nhà nghiên cứu có thể khảo sát những giai đoạn sớm nhất của sự sống và chủ động bật hoặc tắt gen để quan sát những thay đổi nào gây thất bại ở các loại tế bào, tổ chức mô hoặc toàn bộ phôi.
Điều này tạo ra một nền tảng mạnh mẽ để mô hình hóa các bất thường phát triển mà không sử dụng phôi thật.
Công nghệ này cuối cùng có thể được mở rộng sang các loài khác, bao gồm con người, giúp các nhà khoa học tìm hiểu vì sao phôi người giai đoạn sớm thường không làm tổ hoặc không phát triển. Shariati nói: “Hiện nay, chúng ta có thể thấy rõ hơn những điểm nghẽn khi sự sống bắt đầu, điều này có ý nghĩa lớn đối với việc cải thiện khả năng sinh sản thành công ở người.”
Tin tức | Các nhà khoa học Đại học California tái tạo quá trình phát triển sớm bằng ‘mô hình phôi có thể lập trình’, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu sinh sản
Tin tức | Các nhà khoa học Đại học California tái tạo quá trình phát triển sớm bằng ‘mô hình phôi có thể lập trình’, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu sinh sản
Cách một tế bào đơn lẻ trở thành một cơ thể hoàn chỉnh trong những ngày đầu sau thụ tinh vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học. Vì quá trình phát triển sớm ở động vật có vú diễn ra bên trong tử cung, các nhà nghiên cứu từ lâu gặp khó khăn trong việc quan sát hoặc can thiệp trực tiếp, hạn chế hiểu biết về lý do sự phát triển của phôi đôi khi thất bại.
Một nghiên cứu tiên phong tại Đại học California, Santa Cruz đang khắc phục hạn chế này. Không sử dụng phôi thật, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng công nghệ CRISPR tiên tiến để tạo ra các “mô hình phôi có thể lập trình”, hay embryoid, có khả năng tái tạo những giai đoạn then chốt của phát triển sớm trong phòng thí nghiệm. Công trình được công bố trên Cell Stem Cell.
“Chúng tôi muốn tái tạo, thậm chí điều chỉnh các hiện tượng tự nhiên trong đĩa nuôi cấy, như sự hình thành phôi, nhằm thúc đẩy nghiên cứu về các rối loạn phát triển sớm.”
—Ali Shariati, tác giả liên hệ kiêm trợ lý giáo sư kỹ thuật sinh học phân tử tại UC Santa Cruz
Lập trình tế bào gốc bằng CRISPR
Nghiên cứu do nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Gerrald Lodewijk và cựu sinh viên Sayaka Kozuki, hiện là nghiên cứu sinh tại Caltech, đồng dẫn dắt, sử dụng tế bào gốc chuột thí nghiệm. Tế bào gốc giống như một tấm vải trắng và về lý thuyết có thể trở thành bất kỳ loại tế bào nào, bao gồm tế bào não hoặc tế bào ruột.
Nhóm đã sử dụng một biến thể CRISPR nhẹ nhàng hơn, hệ thống hoạt hóa CRISPR (CRISPRa). Thay vì cắt DNA, hệ thống này điều hòa và kích hoạt các vùng gen thiết yếu cho sự phát triển của phôi. Sự hoạt hóa chính xác này thúc đẩy tế bào gốc tạo ra các loại tế bào phôi nguyên thủy khác nhau.
“Thay vì thêm một tác nhân kích thích từ bên ngoài, chúng tôi kích hoạt các công tắc di truyền vốn có của tế bào và để chúng tự quyết định cách bắt đầu hành trình phát triển,” Lodewijk giải thích.
Hơn 80% số tế bào gốc đã tự tổ chức trong vài ngày thành các cấu trúc giống phôi sớm và khởi động các chương trình biểu hiện gen tương đồng chặt chẽ với phôi tự nhiên.
“Khả năng tự tổ chức có tính tương đồng đáng kinh ngạc. Các tế bào dường như biết phải làm gì; chúng tôi chỉ cần thúc đẩy nhẹ nhàng.”
—Ali Shariati
Quan sát cách sự sống sớm tự tổ chức
Các tế bào embryoid thể hiện hành vi tập thể trong nuôi cấy, bao gồm sự di chuyển xoay tròn được mô tả là chuyển động có trật tự như đàn chim, cuối cùng hình thành các mô hình phôi sớm nổi bật.
Không giống các phương pháp trước đây sử dụng hóa chất để ép tạo ra những loại tế bào khác nhau, nghiên cứu này nhấn mạnh sự đồng phát triển, gần với sự phát triển phôi tự nhiên trong cơ thể hơn.
“Chúng tôi không tạo từng tế bào riêng lẻ. Chúng tôi để chúng cùng phát triển và ảnh hưởng lẫn nhau như trong một phôi thật, tái tạo ký ức sinh học của chúng khi ở cạnh nhau.”
—Shariati
Các mô hình có thể lập trình có thể làm rõ nguyên nhân của khiếm khuyết phát triển
Ưu điểm chính của những mô hình phôi này là khả năng lập trình cao. Các nhà nghiên cứu có thể khảo sát những giai đoạn sớm nhất của sự sống và chủ động bật hoặc tắt gen để quan sát những thay đổi nào gây thất bại ở các loại tế bào, tổ chức mô hoặc toàn bộ phôi.
Điều này tạo ra một nền tảng mạnh mẽ để mô hình hóa các bất thường phát triển mà không sử dụng phôi thật.
Công nghệ này cuối cùng có thể được mở rộng sang các loài khác, bao gồm con người, giúp các nhà khoa học tìm hiểu vì sao phôi người giai đoạn sớm thường không làm tổ hoặc không phát triển. Shariati nói: “Hiện nay, chúng ta có thể thấy rõ hơn những điểm nghẽn khi sự sống bắt đầu, điều này có ý nghĩa lớn đối với việc cải thiện khả năng sinh sản thành công ở người.”
Nguồn:
Tổng hợp trực tuyến