“Nhảy gen” tạo ra sự đa dạng trong các tế bào não người

Thay vì chỉ cố định theo một cách sắp xếp chuỗi DNA, các tế bào não người có mức đa dạng gen đáng ngạc nhiên. Đây là kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc viện nghiên cứu Sinh học Salk công bố trên tờ Nature ngày 5 tháng 8 vừa qua. Kết quả này giúp lí giải sự phát triển và những đặc tính riêng trong não bộ mỗi người, đồng thời mở ra hướng nhìn mới đối với các bệnh thần kinh.

Đứng đầu nhóm nghiên cứu là tiến sĩ Fred Gage, thành viên phòng thí nghiệm gen viện Salk kiêm chủ tịch Viện nghiên cứu các bệnh suy giảm chức năng thần kinh liên quan tới tuổi già. Nhóm đã phát hiện ra rằng các tế bào não người chứa một số lượng lớn yếu tố linh hoạt – những đoạn DNA khác thường tự thêm các đoạn giống y nó trên khắp hệ gen thông qua cơ chế sao chép lặp.

“Đây là cơ chế tiềm năng để tạo ra sự đa dạng trung lập khiến mỗi con người có đặc điểm não bộ riêng,” Gage nói. “Não có 100 tỉ nơ-ron với hàng nghìn tỉ kết nối, nhưng các đoạn DNA linh hoạt có thể khiến mỗi nơ-ron có đặc điểm hơi khác biệt một chút so với nơron khác.”

Ở cơ thể người, chỉ có duy nhất tế bào não và tế bào thuộc hệ miễn dịch có khả năng tự sắp xếp lại hệ gen của chúng. Các gen mã hóa kháng thể có tính linh hoạt để tạo ra sự đa dạng cần thiết giúp kháng thể nhận ra các kháng nguyên khác nhau.

Trong một công trình trước đó, Gage đã chỉ ra rằng các đoạn DNA linh hoạt, ví dụ như yếu tố LINE-1 (Long interspersed element 1) chẳng hạn, ngẫu nhiên thêm các đoạn sao chép vào hệ gen của tế bào não chuột. Nhưng câu hỏi gây nhiều tranh cãi lúc bấy giờ là liệu quá trình này, tạm gọi là quá trình “nhảy gen”, có xảy ra ở các tế bào thần kinh trong não người hay không.

“Người ta đã biết rằng những yếu tố linh hoạt này có vai trò quan trọng ở một số loài sinh vật bậc thấp, ví dụ một vài loài thực vật hay men bia, nhưng ở động vật có vú, chúng thường được coi là dấu vết còn lại truyền từ tổ tiên chúng ta,” Gage nói.

“Nhưng chúng xuất hiện quá nhiều. Gần 50% tổng hệ gen ở người được cấu thành từ các tàn dư của yếu tố linh hoạt này. Nếu những yếu tố này là không cần thiết, hẳn quá trình tiến hóa đã loại bỏ chúng từ lâu.”

“Nhảy gen” có thể giúp giải thích sự phát triển và những đặc tính riêng trong não bộ mỗi người. (Ảnh: © Jamie Simon Viện nghiên cứu Sinh học Salk)

Ban đầu, các nhà nghiên cứu viện Salk chỉ cố xác định hiện tượng “nhảy gen” ở tế bào não người trên đĩa cấy như đã thấy ở chuột. Họ thành công, nhưng Gage cùng nhóm nghiên cứu đều không cảm thấy hài lòng. Họ muốn biết liệu hiện tượng này có xuất hiện trên cơ thể người hay không.

Ở chuột, nhảy gen chỉ xảy ra ở tế bào não và tế bào mầm bởi vì những thay đổi nhanh chóng này sẽ có hại cho các cơ quan thiết yếu như tim hay thận. Nếu các yếu tố LINE-1 thực sự di chuyển ở cơ thể người thì những đoạn sao chép sẽ có nhiều khả năng xuất hiện trong não hơn là trong tim hay gan, những bộ phận mà nhóm của Gage không cho rằng nhảy gen LINE-1 có thể xuất hiện.

Khi Coufal tiến hành đo các mẫu (mô não và các mô khác trong cơ thể) lấy từ nhiều người khác nhau, bà phát hiện ra rằng một vài mẫu não có tới 100 bản sao trong mỗi tế bào. “Điều này chứng tỏ rằng những yếu tố này đang thật sự tiến hành di chuyển trong các nơ-ron,” Coufal giải thích. Đáng chú ý là, điều này đồng nghĩa với việc không phải tất cả các tế bào đều được tạo ra giống hệt nhau – DNA trong các tế bào não khác với DNA trong các tế bào còn lại.

Như vậy, các yếu tố linh hoạt có lẽ thực sự góp phần vào quá trình tiến hóa, tạo ra sự đa dạng lớn hơn so với cách phân chia của tế bào thông thường. “Đây là một cách nhìn mới khi xem xét sự đa dạng,” Gage nói. “Não sống tới 80 năm với những thay đổi bất thường của môi trường, và đây là một yếu tố mới góp phần vào khả năng thích ứng của con người.”

Trong khi cố gắng giải thích vì sao chỉ có tế bào não mới chứa các yếu tố linh hoạt, Coufal đã xem xét chất hoạt hóa LINE-1. Đây là chất có thể “bật”, “tắt” yếu tố LINE-1, và bà phát hiện ra rằng ở não, gần như LINE-1 luôn trong trạng thái bật, trong khi ở các mô khác, nó được đặt mặc định ở trạng thái “tắt”.

Một điều quan trọng nữa, các yếu tố LINE-1 với những thay đổi gây ra trong não đem lại một cách nhìn mới đối với các rối loạn thần kinh. Coufal giải thích: “Có thể chính sự “nhảy gen” được điều chỉnh sai dẫn tới những vấn đề trong các rối loạn này.” Các nhà nghiên cứu viện Salk đang lên kế hoạch xem xét các thay đổi về tần suất xảy ra “nhảy gen” trong não những người mắc phải hội chứng Rhett cùng nhiều căn bệnh khác.

Ngoài tiến sĩ Coufal và Gage, các nhà nghiên cứu khác cùng tham gia vào nghiên cứu còn có: Gene Yeo, Yangling Mu, và Michael Lovci hiện làm việc tại đại học California, San Diego; José Garcia-Perez, Maria Morell và K. Sue O'Shea tại trường Dược đại học Michigan, và John V. Moran, cán bộ Viện nghiên cứu Y khoa Howard Hughes.