Tin tức | Các nhà sinh học Penn lần đầu phát hiện cuộc chạy đua vũ trang di truyền hai chiều giữa DNA lặp lại và protein liên kết
Sâu trong mã di truyền, một xung đột phân tử phần lớn bị bỏ qua đang diễn ra. Một nhóm nghiên cứu của Đại học Pennsylvania đã báo cáo trên Current Biology bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy các trình tự bộ gen lặp lại, được gọi là DNA vệ tinh, và các protein liên kết với chúng đang tham gia vào một cuộc chạy đua vũ trang tiến hóa hai chiều liên tục. Phát hiện này thách thức quan niệm truyền thống về cái gọi là DNA rác và có thể đưa ra lời giải thích mới cho các vấn đề sức khỏe, bao gồm ung thư và vô sinh.
Nghiên cứu do Mia Levine, phó giáo sư sinh học tại Trường Nghệ thuật và Khoa học Penn, dẫn dắt, với nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Cara Brand là tác giả thứ nhất.
Không phải DNA rác, mà có thể là nguồn nguy hiểm?
DNA vệ tinh không mã hóa protein và từ lâu bị xem là nhiễu bộ gen hoặc tàn dư tiến hóa. Levine lưu ý rằng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy các trình tự lặp lại này đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc nhiễm sắc thể, quá trình phân chia tế bào và các chức năng thiết yếu khác. Việc mất kiểm soát có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, bao gồm bất ổn bộ gen, ung thư và các rối loạn sinh sản.
“Chúng ta thường xem bộ gen là một hệ thống hợp tác, trong đó mọi thành phần đều hoạt động để duy trì sự sống. Nhưng một số yếu tố có tính ích kỷ: chúng không hợp tác và thậm chí có thể làm gián đoạn toàn bộ hệ thống,” Levine nói.
Thí nghiệm liên loài cho thấy sự không tương thích gây tổn hại đến khả năng sinh sản
Để kiểm tra liệu DNA vệ tinh và các protein liên kết có cân bằng lẫn nhau trong quá trình tiến hóa hay không, nhóm nghiên cứu đã khảo sát hai loài ruồi giấm có quan hệ gần: Drosophila melanogaster và Drosophila simulans. Loài thứ nhất có một trình tự DNA vệ tinh khổng lồ trải dài 11 triệu cặp base, trong khi loài thứ hai hoàn toàn không có trình tự này.
Sử dụng CRISPR/Cas9, các nhà khoa học đã đưa gene mã hóa protein liên kết DNA vệ tinh MH (Maternal Haploid) của Drosophila simulans vào Drosophila melanogaster. Những con ruồi biến đổi vẫn có thể tạo ra một số phôi, nhưng buồng trứng phát triển kém, sản lượng trứng giảm mạnh và khả năng sinh sản suy giảm đáng kể. Khi gene MH hoàn toàn vắng mặt, ruồi không thể sinh sản và phôi bị chết.
Đáng chú ý, khi chuyển gene vào một thể đột biến Drosophila melanogaster thiếu trình tự DNA vệ tinh, mọi tác động bất lợi đều biến mất và sự phát triển buồng trứng trở lại bình thường. Điều này cho thấy vấn đề cốt lõi là sự không tương thích giữa MH và DNA vệ tinh xa lạ.
Xác định được cơ chế phân tử: Vô tình làm gián đoạn con đường sửa chữa DNA
Nhóm nghiên cứu đã khảo sát Spartan, protein tương đồng với MH ở người. Spartan phân giải các protein cản trở quá trình đóng gói DNA, và MH có vai trò tương tự. Khi MH không tương thích với DNA vệ tinh của Drosophila melanogaster, protein này có thể đã vô tình phân giải enzyme sửa chữa thiết yếu Topoisomerase II (Top2), gây tổn thương DNA và rối loạn chức năng sinh sản.
Tăng biểu hiện Top2 bằng phương pháp di truyền đã khôi phục khả năng sinh sản, trong khi giảm Top2 làm tổn thương nghiêm trọng hơn. Điều này xác nhận rằng tương tác giữa MH và DNA vệ tinh liên quan đến một con đường sửa chữa DNA.
“Cơ chế sửa chữa này tồn tại từ nấm men đến con người và được bảo tồn cao qua tiến hóa. Tuy nhiên, các protein của nó vẫn đang tiến hóa nhanh chóng, cho thấy ngay cả những cơ chế phân tử cốt lõi cũng liên tục được cập nhật để duy trì chức năng cơ bản,” Brand nói.
Ý nghĩa vượt ra ngoài ruồi giấm: Bộ gen người có thể đối mặt với xung đột nội tại tương tự
“Sự cạnh tranh tiến hóa này chắc chắn không chỉ có ở ruồi giấm,” Levine nói. “Sự tiến hóa nhanh tương tự cũng xảy ra ở người và các loài linh trưởng. Chúng tôi tin rằng những xung đột di truyền này có ý nghĩa rất lớn đối với sức khỏe con người.”
Các đột biến Spartan có liên quan đến ung thư, trong khi DNA vệ tinh bị rối loạn có thể gây lỗi phân ly nhiễm sắc thể và tình trạng lệch bội ở phôi, dẫn đến sảy thai và vô sinh. Levine lưu ý rằng nhiều trường hợp sảy thai vẫn chưa được giải thích, còn DNA vệ tinh là một nguồn gây bất ổn bộ gen chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tìm hiểu liệu các vùng bộ gen khác có tham gia vào xung đột tiềm ẩn này hay không và cố gắng tái hiện các cơ chế tương tự ở động vật có vú.
Tin tức | Các nhà sinh học Penn lần đầu tiết lộ cuộc chạy đua vũ trang di truyền hai chiều giữa DNA lặp lại và các protein liên kết
Tin tức | Các nhà sinh học Penn lần đầu phát hiện cuộc chạy đua vũ trang di truyền hai chiều giữa DNA lặp lại và protein liên kết
Sâu trong mã di truyền, một xung đột phân tử phần lớn bị bỏ qua đang diễn ra. Một nhóm nghiên cứu của Đại học Pennsylvania đã báo cáo trên Current Biology bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy các trình tự bộ gen lặp lại, được gọi là DNA vệ tinh, và các protein liên kết với chúng đang tham gia vào một cuộc chạy đua vũ trang tiến hóa hai chiều liên tục. Phát hiện này thách thức quan niệm truyền thống về cái gọi là DNA rác và có thể đưa ra lời giải thích mới cho các vấn đề sức khỏe, bao gồm ung thư và vô sinh.
Nghiên cứu do Mia Levine, phó giáo sư sinh học tại Trường Nghệ thuật và Khoa học Penn, dẫn dắt, với nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Cara Brand là tác giả thứ nhất.
Không phải DNA rác, mà có thể là nguồn nguy hiểm?
DNA vệ tinh không mã hóa protein và từ lâu bị xem là nhiễu bộ gen hoặc tàn dư tiến hóa. Levine lưu ý rằng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy các trình tự lặp lại này đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc nhiễm sắc thể, quá trình phân chia tế bào và các chức năng thiết yếu khác. Việc mất kiểm soát có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, bao gồm bất ổn bộ gen, ung thư và các rối loạn sinh sản.
“Chúng ta thường xem bộ gen là một hệ thống hợp tác, trong đó mọi thành phần đều hoạt động để duy trì sự sống. Nhưng một số yếu tố có tính ích kỷ: chúng không hợp tác và thậm chí có thể làm gián đoạn toàn bộ hệ thống,” Levine nói.
Thí nghiệm liên loài cho thấy sự không tương thích gây tổn hại đến khả năng sinh sản
Để kiểm tra liệu DNA vệ tinh và các protein liên kết có cân bằng lẫn nhau trong quá trình tiến hóa hay không, nhóm nghiên cứu đã khảo sát hai loài ruồi giấm có quan hệ gần: Drosophila melanogaster và Drosophila simulans. Loài thứ nhất có một trình tự DNA vệ tinh khổng lồ trải dài 11 triệu cặp base, trong khi loài thứ hai hoàn toàn không có trình tự này.
Sử dụng CRISPR/Cas9, các nhà khoa học đã đưa gene mã hóa protein liên kết DNA vệ tinh MH (Maternal Haploid) của Drosophila simulans vào Drosophila melanogaster. Những con ruồi biến đổi vẫn có thể tạo ra một số phôi, nhưng buồng trứng phát triển kém, sản lượng trứng giảm mạnh và khả năng sinh sản suy giảm đáng kể. Khi gene MH hoàn toàn vắng mặt, ruồi không thể sinh sản và phôi bị chết.
Đáng chú ý, khi chuyển gene vào một thể đột biến Drosophila melanogaster thiếu trình tự DNA vệ tinh, mọi tác động bất lợi đều biến mất và sự phát triển buồng trứng trở lại bình thường. Điều này cho thấy vấn đề cốt lõi là sự không tương thích giữa MH và DNA vệ tinh xa lạ.
Xác định được cơ chế phân tử: Vô tình làm gián đoạn con đường sửa chữa DNA
Nhóm nghiên cứu đã khảo sát Spartan, protein tương đồng với MH ở người. Spartan phân giải các protein cản trở quá trình đóng gói DNA, và MH có vai trò tương tự. Khi MH không tương thích với DNA vệ tinh của Drosophila melanogaster, protein này có thể đã vô tình phân giải enzyme sửa chữa thiết yếu Topoisomerase II (Top2), gây tổn thương DNA và rối loạn chức năng sinh sản.
Tăng biểu hiện Top2 bằng phương pháp di truyền đã khôi phục khả năng sinh sản, trong khi giảm Top2 làm tổn thương nghiêm trọng hơn. Điều này xác nhận rằng tương tác giữa MH và DNA vệ tinh liên quan đến một con đường sửa chữa DNA.
“Cơ chế sửa chữa này tồn tại từ nấm men đến con người và được bảo tồn cao qua tiến hóa. Tuy nhiên, các protein của nó vẫn đang tiến hóa nhanh chóng, cho thấy ngay cả những cơ chế phân tử cốt lõi cũng liên tục được cập nhật để duy trì chức năng cơ bản,” Brand nói.
Ý nghĩa vượt ra ngoài ruồi giấm: Bộ gen người có thể đối mặt với xung đột nội tại tương tự
“Sự cạnh tranh tiến hóa này chắc chắn không chỉ có ở ruồi giấm,” Levine nói. “Sự tiến hóa nhanh tương tự cũng xảy ra ở người và các loài linh trưởng. Chúng tôi tin rằng những xung đột di truyền này có ý nghĩa rất lớn đối với sức khỏe con người.”
Các đột biến Spartan có liên quan đến ung thư, trong khi DNA vệ tinh bị rối loạn có thể gây lỗi phân ly nhiễm sắc thể và tình trạng lệch bội ở phôi, dẫn đến sảy thai và vô sinh. Levine lưu ý rằng nhiều trường hợp sảy thai vẫn chưa được giải thích, còn DNA vệ tinh là một nguồn gây bất ổn bộ gen chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tìm hiểu liệu các vùng bộ gen khác có tham gia vào xung đột tiềm ẩn này hay không và cố gắng tái hiện các cơ chế tương tự ở động vật có vú.
Nguồn bài viết:
Tổng hợp trực tuyến