Trong cuộc sống, mọi người đều quen thuộc với khái niệm rác thải là gì; Tuy nhiên, trong hành trình khám phá di truyền học con người, các nhà nghiên cứu vẫn chia rẽ về việc DNA nào là rác và có DNA rác hay không.
"Một điều chắc chắn là 'ADN rác' chắc chắn không phải là rác." Gu Chaojiang, giáo sư tại Viện Khoa học Y sinh thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Vũ Hán, cho biết, trong nghiên cứu về gen người, có sự nhận thức và phán đoán theo từng giai đoạn. "Biết những gì mình biết và biết những gì mình không biết là sự khôn ngoan." Điều này cũng đúng với việc khám phá khoa học. Trong một thời gian dài, các kết quả nghiên cứu về "ADN rác" đã xuất hiện liên tục, vừa hỗ trợ vừa mâu thuẫn với nhau, dần dần làm sáng tỏ bí ẩn về gen "ADN rác".
Nguồn hình ảnh: Visual China
Hiểu biết và công nghệ của “ADN rác” theo kịp
Cái tên "DNA rác" được dịch trực tiếp từ tiếng Anh "DNA rác". Khái niệm này ban đầu được nhà di truyền học người Nhật Ohno Inui đề xuất để mô tả trình tự DNA trong bộ gen không thể mã hóa protein.
Cố Triều Giang giới thiệu rằng theo định nghĩa ban đầu, số lượng gen chịu trách nhiệm mã hóa protein trong gen người chỉ có 40.000, chỉ chiếm 2% bộ gen, 98% còn lại được phân loại là "ADN rác".
Với sự tiến bộ của nghiên cứu khoa học, "ADN rác" hiện nay dùng để chỉ các đoạn trong trình tự bộ gen không có chức năng mã hóa và không tạo ra RNA hoặc protein, bao gồm nhiều loại "ADN không mã hóa". Chúng hiện diện rộng rãi trong bộ gen người dưới dạng các trình tự lặp lại và được chia thành các trình tự lặp lại xen kẽ, trình tự lặp lại nối tiếp và trình tự lặp lại phân đoạn. Theo số lần lặp lại, chúng có thể được chia thành trình tự lặp lại trung bình và trình tự lặp lại nhiều.
Ngay từ năm 2003, dự án ENCODE (Bách khoa toàn thư về các thành phần DNA) đã được khởi động, thu hút hơn 400 nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới tham gia. Dựa trên bản đồ bộ gen người do Dự án bộ gen người lập ra, chương trình nghiên cứu thông tin chức năng của từng gen và lập danh mục các gen chức năng sinh học. Kết quả nghiên cứu của chương trình cho thấy 80% bộ gen người có chức năng sinh hóa nhất định.
Dan Grauer, giáo sư sinh học và hóa sinh tại Đại học Houston, đã công bố một bài báo trên tạp chí Genome Biology and Evolution mới nhất, cho biết khi sử dụng mô hình mới để đếm các gen chức năng trong bộ gen người, người ta thấy rằng các gen chức năng chỉ chiếm nhiều nhất là 25%, các gen còn lại được gọi là "DNA rác", tức là DNA vô dụng hoặc thậm chí có hại.
Gu Chaojiang tin rằng nghiên cứu này không chỉ "lật ngược" kết luận của ENCODE mà còn hướng dẫn các nhà nghiên cứu khoa học tập trung lại vào nghiên cứu bộ gen người.
Khi nhận thức và công nghệ phát triển, “ADN rác” đến từ đâu?
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số "ADN rác" có nguồn gốc từ vi-rút và có thể điều chỉnh hệ thống miễn dịch của con người. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một loại "ADN rác" được gọi là "yếu tố chuyển vị" đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Các yếu tố chuyển vị là các đoạn DNA có thể di chuyển trong bộ gen và dường như là di tích của các tác nhân gây bệnh như vi-rút hoặc vi khuẩn đã tiến hóa qua hàng triệu năm để tích hợp vào bộ gen của con người.
Gu Chaojiang giới thiệu rằng các trình tự lặp lại song song chiếm 10% bộ gen người chủ yếu phân bố ở các vùng không mã hóa, một số ít nằm ở các vùng mã hóa. Trình tự lặp lại nối tiếp trong vùng mã hóa có liên quan đến chức năng, còn trình tự lặp lại nối tiếp trong vùng không mã hóa chủ yếu phân bố trong DNA giãn cách hoặc intron. Đơn vị lặp lại có thể ngắn tới 2bp hoặc dài tới hàng chục cặp bazơ, và số lần lặp lại có thể ít tới vài lần hoặc nhiều tới hàng trăm lần. Số lượng khác nhau của các trình tự lặp lại là cơ sở cho sự hình thành đa hình chiều dài DNA.
Đồng thời, các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng "ADN rác" được di truyền ưu tiên cho con cái do sự phân bố không đối xứng của nhiễm sắc thể. Năm 2017, một bài báo đăng trên tạp chí Science cho thấy nguồn gốc của "ADN rác" là do sự phân bố không đối xứng của nhiễm sắc thể. Nghiên cứu cho thấy tâm động của hai nhiễm sắc thể chị em cạnh tranh với nhau để di truyền trong quá trình giảm phân ở nữ và trình tự lặp lại của tâm động là DNA không mã hóa phổ biến nhất trong bộ gen người. Các tâm động "mạnh" với nhiều bản sao lặp lại và nhiều protein động học hơn được di truyền ưu tiên cho con cái.
Nhận dạng chức năng chỉ mới bắt đầu
Số lượng lớn các trình tự DNA lặp lại trong "DNA rác" có thể hình thành các cấu trúc DNA cấp cao đặc biệt và do đó điều chỉnh hoạt động của các gen gần đó. Một số protein đặc biệt (yếu tố phiên mã) kiểm soát việc bật và tắt gen có thể nhận biết cụ thể "ADN rác" không mã hóa gần gen và tham gia vào quá trình ức chế và kích hoạt gen bằng cách tương tác với chúng.
Cố Triều Giang cho biết, những "ADN rác" này có thể được coi là công tắc "phân tử" của gen.
Gần đây, các nhà khoa học Mỹ đã phân tích 330 exon có nguồn gốc từ bộ gen Alu (trình tự lặp lại cao) trong 11 mô người và xác định được nhiều exon có đặc điểm biểu hiện và chức năng thú vị. Alu là một retrotransposon đặc trưng của loài linh trưởng và việc sản xuất các exon thông qua nó có thể giúp hình thành các đặc điểm riêng biệt của loài linh trưởng.
Ngoài ra còn có bằng chứng cho thấy "ADN rác" có thể hoạt động bằng cách tổng hợp RNA điều hòa. Chúng có thể được phiên mã thành các phân tử RNA nhỏ, có thể kiểm soát biểu hiện protein, chẳng hạn như quá trình làm im lặng gen thông qua RNA gọi là can thiệp RNA. Chúng cũng có thể kích hoạt hoặc ức chế biểu hiện gen, hỗ trợ các hiện tượng sinh lý phức tạp như phân chia và biệt hóa tế bào.
Cố Triều Giang giới thiệu, nếu phương pháp này được áp dụng vào y học thì có thể làm gen ung thư im lặng, điều này có ý nghĩa rất lớn. Các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng "ADN rác" có thể thay đổi cách lắp ráp gen.
Trước đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học North Carolina ở Hoa Kỳ đã phát hiện ra rằng các đoạn nhỏ của trình tự gen trong một số "ADN rác" cho gen biết cách ghép nối, hoặc tăng cường hoặc ức chế quá trình ghép nối, do đó làm thay đổi cách lắp ráp gen.
Quan trọng hơn, "ADN rác" ảnh hưởng đến cuộc sống con người ở nhiều khía cạnh, bao gồm các bệnh về hệ thống miễn dịch, sự xuất hiện của khối u, bệnh về hệ thần kinh, sự phát triển và thậm chí cả ngoại hình.
Các nhà khoa học từ Viện Max Planck ở Đức, Đại học Oxford ở Anh và các viện nghiên cứu khác đã phát hiện ra rằng sau khi hóa trị, các tế bào gốc tạo máu trong tủy xương sẽ sử dụng "ADN rác" để phiên mã các phân tử RNA nhằm tăng cường hoạt hóa, sản xuất tế bào mới và thúc đẩy tái tạo máu.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng khi số lượng người trải qua giải trình tự bộ gen cá nhân tăng nhanh, khi giải thích các đột biến trong bộ gen của họ, đặc biệt là các đột biến ở các vùng không mã hóa, gần đây họ đã tìm thấy gần 100 "yếu tố kích hoạt" tiềm ẩn đối với ung thư vú và ung thư tuyến tiền liệt trong các vùng "ADN rác", cho thấy rằng "ADN rác" có thể là nguồn gốc tiềm ẩn của ung thư. Các nhà nghiên cứu khác cho biết họ đã chứng minh được trong trường hợp nào "ADN rác" vẫn có thể hoạt động trong bệnh u lympho Hodgkin, do đó đẩy nhanh quá trình phát triển của khối u.
Khác với quan điểm trên, các nhà nghiên cứu từ Đại học Bath và Đại học Cambridge phát hiện ra rằng "ADN rác" nằm giữa các gen có thể được phiên mã thành RNA không mã hóa và quá trình này có thể ngăn chặn tế bào trở thành ung thư.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu Mỹ đã phát triển một phương pháp tin sinh học mới để xác định và xác định các đột biến lặp lại song song de novo (được gọi là đột biến TR de novo) từ dữ liệu giải trình tự và thực hiện đặc tính toàn bộ hệ gen của các đột biến TR de novo ở những người mắc chứng ASD (rối loạn phổ tự kỷ) và anh chị em ruột không bị ảnh hưởng. Chúng tôi phát hiện thấy một số lượng lớn đột biến TR de novo có mặt trên toàn bộ hệ gen ở những người mắc ASD, có nhiều hơn ở các vùng điều hòa của não thai nhi và được dự đoán là có hại hơn về mặt tiến hóa.
Còn nhiều bí ẩn cần được giải quyết
Gần đây, một báo cáo nghiên cứu được công bố trên tạp chí quốc tế Neuron nêu rằng retrotransposon LINE-1, được coi là "ADN rác", được phát hiện có mặt ở mức cao trong não của bệnh nhân tâm thần phân liệt và có thể làm thay đổi biểu hiện của các gen liên quan đến bệnh tâm thần phân liệt. Do đó, các nhà nghiên cứu suy đoán rằng đây có thể là nguyên nhân chính gây ra bệnh tâm thần phân liệt.
Đồng thời, phần "ADN rác" này được đưa vào nhóm yếu tố di truyền gây ra bệnh tâm thần phân liệt để nghiên cứu. Sử dụng phân tích toàn bộ bộ gen, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng ở bệnh nhân tâm thần phân liệt, LINE-1 có thể được đưa vào các gen liên quan đến chức năng synap, phá hủy chức năng bình thường của chúng. Do đó, họ tin rằng "ADN rác" này có thể là thủ phạm gây ra bệnh tâm thần phân liệt.
Gu Chaojiang giới thiệu rằng các nhóm nghiên cứu nước ngoài đã phát hiện trong quá trình nghiên cứu về cơ chế phân tử phát triển rằng trong quá trình phát triển, microRNA (miRNA) được phiên mã từ "ADN rác" đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân phối tế bào và lớp mầm. Sử dụng phương pháp giải trình tự gen thế hệ tiếp theo và phân tích máy tính phức tạp, các nhà nghiên cứu tại Viện Centenary ở Sydney đã tiết lộ cách các tế bào bạch cầu cụ thể sử dụng DNA không mã hóa để điều chỉnh hoạt động của một loạt gen kiểm soát hình dạng và chức năng.
Điều thú vị là các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở Hoa Kỳ đã phát hiện ra rằng có một số đoạn trình tự trong "ADN rác" có thể ảnh hưởng đến chức năng của các gen trên khuôn mặt như công tắc hoặc bộ khuếch đại. Cho dù mắt to hay nhỏ, mũi thẳng hay không, hình dạng của đầu, v.v. đều có thể có liên quan chặt chẽ đến các đoạn trình tự được gọi là "yếu tố tăng cường".
Chỉ một chiếc lá cũng có thể báo hiệu mùa thu đang đến và sương mù có thể nhìn thấy qua những đám mây. Những câu hỏi nào khác cần được trả lời liên quan đến "ADN rác"?
Gu Chaojiang cho biết, với sự ra đời của kỷ nguyên hậu bộ gen, việc giải thích "ADN rác" đã được hưởng lợi từ sự tiến bộ của công nghệ giải trình tự. Công nghệ giải trình tự thế hệ thứ hai và thứ ba đã cải thiện đáng kể thông lượng giải trình tự và có thể hoàn thành giải trình tự hàng trăm nghìn đến hàng triệu phân tử DNA cùng một lúc, giúp giải trình tự sâu bộ gen và bản sao của một loài trở nên thuận tiện và dễ dàng, đồng thời cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho việc giải thích "DNA rác".
Hiện nay, khi ngày càng nhiều "ADN rác" có chức năng được nhận diện và xác định thì "ADN rác" thực sự sẽ ngày càng ít đi.
Gu Chaojiang tin rằng trong tương lai, chúng ta nên tiếp tục phân tích sâu chức năng của một lượng lớn trình tự lặp lại ("ADN rác") theo mười hướng sau, cụ thể là điều hòa quá trình sao chép DNA, điều hòa phiên mã, đánh dấu vị trí sắp xếp lại theo chương trình của vật liệu di truyền, ảnh hưởng đến quá trình gấp và duy trì bình thường của nhiễm sắc thể, kiểm soát tương tác giữa nhiễm sắc thể và màng nhân, kiểm soát quá trình xử lý, chỉnh sửa và ghép nối RNA, điều chế dịch mã, điều hòa sự phát triển phôi, sửa chữa DNA và hỗ trợ chống lại bệnh tật.
Gu Chaojiang cho biết cách đây không lâu, Christopher Gruner của Đại học Montpellier ở Pháp, Christopher Grievelding của Đại học Giessen ở Đức và một số người khác đã công bố một bài báo trên tạp chí Genome Biology and Evolution, trong đó nêu rõ kỷ nguyên của "ADN rác" đã kết thúc. Đồng thời, với sự phát triển không ngừng của khoa học sự sống, con người dần nhận ra rằng "ADN rác" không còn là rác nữa.
"Với việc cập nhật công nghệ và đào sâu nghiên cứu, ngày càng có nhiều trình tự chức năng được tạo ra trong 'ADN rác'", Gu Chaojiang khẳng định chắc chắn.
◎ Phóng viên báo Khoa học và Công nghệ Ngô Xuân Tân và phóng viên Thành Vũ
Nguồn: Khoa học và Công nghệ hàng ngày
Biên tập: Trương Kỳ Kỳ
Đánh giá: Julie
Đánh giá cuối cùng: Liu Haiying
