Các bạn thân mến, các bạn có cảm thấy Internet dạo gần đây rất bận rộn với quá nhiều tìm kiếm không? Không chỉ có sự kiện một công ty dược phẩm Mỹ phát hiện ra virus đậu mùa, loại virus có liên quan mật thiết đến sự an toàn của con người, mà còn có thêm 149 viện sĩ được bầu vào hai viện hàn lâm ở nước tôi trong năm nay. Việc bầu chọn được nhiều người như vậy thực sự là lý do đáng ăn mừng!
Một số bạn bè sau đó nói rằng có thể hiểu được khi vụ việc virus đậu mùa trở thành chủ đề nóng, nhưng việc bầu ra vị viện sĩ này có vẻ chẳng liên quan gì đến chúng ta, đúng không? Nói thế này nhé, Chung Nam Sơn và Viên Long Bình đều là học giả, bạn có hiểu ý tôi không?
Quay trở lại chủ đề chính, hôm nay tôi sẽ giới thiệu với các bạn một chủ đề rất phổ biến: Làm thế nào để cho phép sinh sản đồng giới? Đây là một nghiên cứu nhỏ của Viện sĩ mới đắc cử Lý Kim Tùng. Thực ra, tôi đã từng viết về Viện sĩ Lý rồi.
01. Vấn đề sinh sản đồng giới
Trong kiến thức sinh học ở trường trung học cơ sở, chúng ta biết rằng trong những trường hợp bình thường, để sinh ra một đứa trẻ, tinh trùng và trứng cần kết hợp để tạo thành trứng đã thụ tinh, sau đó làm tổ trong tử cung. Trứng đã thụ tinh tiếp tục phân chia và biệt hóa, và cuối cùng phát triển thành thai nhi.
Nếu có hai người phụ nữ, vấn đề tử cung dễ giải quyết, nhưng nếu có hai người đàn ông, vấn đề này khó giải quyết, dù sao thì việc mang thai hộ vẫn là bất hợp pháp ở nước ta. Vấn đề quan trọng nhất là vì trứng đã thụ tinh được gọi là trứng đã thụ tinh nên nó phải được tạo ra bởi sự kết hợp giữa tinh trùng và trứng. Nếu chỉ có hai trứng hoặc hai tinh trùng thì không thể hình thành con được. Điều này được ghi vào gen của chúng ta. Nói cách khác, con người không thể sinh sản vô tính.
Tuy nhiên, các nhà khoa học không bị thuyết phục bởi điều này, vì về mặt sinh học, cả tinh trùng và trứng đều mang một bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh, vậy tại sao hai tinh trùng hoặc hai trứng lại không thể hợp nhất?
Vì vậy, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu cách cho phép các cặp đôi đồng giới có thể sinh sản.
Tuy nhiên, khi nói đến nghiên cứu, người ta phải bắt đầu với những điều đơn giản trước, vì vậy điều đầu tiên các nhà khoa học chọn là trứng. Do trứng có kích thước lớn nên nó có hệ thống sinh học hoàn chỉnh, chẳng hạn như các bào quan và ty thể quen thuộc, v.v., cũng như một loạt tế bào chất, enzyme, chất dinh dưỡng và các vật liệu khác cho phép diễn ra nhiều phản ứng sinh học khác nhau.
Tinh trùng nhỏ hơn nhiều. Để thuận tiện cho việc di chuyển, thể tích tinh trùng nhỏ hơn một phần trăm trứng và thiếu các bào quan, enzyme và các chất khác.
02. Bài toán tích hợp
Tuy nhiên, bước đầu tiên của thí nghiệm tổng hợp hạt nhân đã thất bại.
Tại sao? Nguyên nhân là do hai quả trứng không thể hợp nhất được. Khi các nhà khoa học ghép hai quả trứng lại với nhau, chúng vẫn giữ được trạng thái độc lập. Bạn là bạn và tôi là tôi. Việc này thực sự rất xấu hổ. Rốt cuộc, nếu họ không thể hợp nhất ngay từ bước đầu tiên thì không cần phải nghĩ đến bước tiếp theo.
Một số nhà khoa học cũng đã thử một số phương pháp, chẳng hạn như sử dụng kích thích dòng điện, nhưng không có kết quả. Nếu sử dụng thuốc thử hòa tan màng tế bào, hai tế bào trứng có thể hợp nhất, nhưng hậu quả là các tế bào trứng sẽ chết.
Về cơ bản, lý do quan trọng là có một loạt các rào cản và phân tử tín hiệu tương ứng trên bề mặt tế bào. Chúng giống như mật mã bí mật. Nếu bạn không trả lời được mã bí mật thì rất tiếc, bạn sẽ bị từ chối. Đây là một trong những lý do tại sao hai tế bào trứng không thể hợp nhất.
Tuy nhiên, điều này không phải là vấn đề đối với các nhà khoa học.
Quá trình thụ tinh của tinh trùng về cơ bản là tinh trùng tìm đường dẫn tín hiệu trên bề mặt trứng thông qua phản ứng acrosome, sau đó tiêm DNA trong tinh trùng vào trứng. Đây là quá trình cốt lõi.
Vì vậy, các nhà khoa học bắt đầu mô phỏng bản chất của quá trình thụ tinh bằng cách trực tiếp trích xuất DNA của một trứng rồi tiêm vào một trứng khác.
Quá trình này mô phỏng quá trình thụ tinh giữa tinh trùng và trứng và hiện thực hóa quá trình hai bộ gen tế bào trứng được tích hợp vào một tế bào trứng.
Như vậy có ổn không?
Lý tưởng thì đẹp đẽ, nhưng hiện thực thì tàn khốc.
Mặc dù hai tế bào trứng dường như đã hợp nhất nhưng chúng không phát triển thêm nữa.
03. Thế tiến thoái lưỡng nan về biểu sinh
Sau khi nghiên cứu cẩn thận, người ta phát hiện ra rằng bộ gen của hai tế bào trứng vẫn rất độc lập trong các tế bào mới, mỗi tế bào đều khác nhau. Điều này hoàn toàn khác với thụ tinh, vì trong quá trình thụ tinh, bộ gen của tinh trùng và trứng sẽ giao tiếp và trao đổi với nhau, nhưng bộ gen của hai tế bào trứng lại không giao tiếp với nhau, nên tất nhiên bước tiếp theo không thể diễn ra.
Vấn đề nằm ở di truyền học biểu sinh.
Bộ gen của con người có cách lưu trữ thông tin đặc biệt. Thông tin này không phải là sự thay đổi trong trình tự DNA mà tồn tại theo cách biểu sinh. Những nội dung này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự hợp nhất của bộ gen. Nếu bạn không loại bỏ những dấu ấn này, thì khi bạn ghép DNA từ hai quả trứng lại với nhau, chúng sẽ vẫn độc lập và không tương tác với nhau như hai bộ nhiễm sắc thể trong một cơ thể lưỡng bội bình thường.
Làm sao để giải quyết vấn đề này? Câu trả lời là xóa những dấu này.
Vào cuối năm 2015, nhóm nghiên cứu của Li Jinsong từ Viện Hóa sinh và Sinh học tế bào, Viện Khoa học Sinh học Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã sản xuất thành công thế hệ con hoàn chỉnh bằng cách sử dụng hai trứng.
Chúng ta biết rằng các tế bào trứng không thể kết hợp với nhau, nếu không thì Đức Mẹ Đồng Trinh đã không thực sự xuất hiện.
Nhưng lý do cốt lõi là do hai gen H19 và Gtl2 có sự khác biệt về biểu sinh ảnh hưởng đến sự hợp nhất của hai trứng với nhau (Vùng methyl hóa khác biệt (DMR)).
Vì vậy, họ đã kiểm soát biểu hiện của hai gen này (xóa IG-DMR và H19-DMR bằng CRISPR-Cas9)
Cách tiếp cận của họ như được thể hiện dưới đây
Nói một cách đơn giản, thông qua quá trình biến đổi gen khử methyl, một tế bào trứng sẽ biến thành "tế bào giống tinh trùng", sau đó tế bào giống tinh trùng này kết hợp với tế bào trứng, do đó hoàn tất quá trình thụ tinh và phát triển thành một con chuột hoàn chỉnh.
Hình ảnh trên cho thấy một con chuột thuần chủng, được sinh ra từ sự hợp nhất của hai tế bào trứng.
Zhong C, Xie Z, Yin Q và cộng sự. Tế bào gốc phôi đơn bội sinh sản một phần hỗ trợ hiệu quả việc tạo ra chuột bằng cách tiêm trứng[J]. Nghiên cứu tế bào, 2015.
Đây là một trong những thành tựu nghiên cứu khoa học quan trọng của Viện sĩ Lý Kim Tùng. Viện sĩ Lý Kim Tùng chủ yếu nghiên cứu về quá trình lập trình lại tế bào soma, tức là cách khôi phục tế bào về trạng thái ban đầu. Quá trình này là bước cần thiết trong quá trình phát triển tế bào gốc và trứng đã thụ tinh.
04. Lập trình lại và sinh sản đồng giới
Trên thực tế, không chỉ sự sinh sản giữa con cái với con cái mà cả sự sinh sản giữa con đực với con đực cũng có vấn đề tương tự.
Trên thực tế, vấn đề đằng sau sự sinh sản là làm thế nào để những tinh trùng và trứng này có thể bắt đầu quá trình lập trình lại, bao gồm nhiều quá trình biểu sinh quan trọng và cũng là chủ đề nóng trong những năm gần đây.
Phần giới thiệu về cơ bản kết thúc ở đây. Thực ra, trong danh sách viện sĩ của Viện Hàn lâm Khoa học Sinh học năm nay, tôi có một số giao điểm với ba người lớn (họ không biết tôi, haha), nhưng những người này thực sự là những nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực này và xứng đáng là viện sĩ.
Đính kèm là những thành tựu nghiên cứu khoa học chính của Viện sĩ Lý Kim Tùng.
1. Giang, Tĩnh*; Lữ, Văn Kiếm; Vâng, Tiểu Anh; Vương, Linh Ba; Trương, Mẫn; Dương, Huệ; Okuka, Maja; Chu, Trí Khải; Trương, Xuân; Lưu, Lâm#; 23(1):92-16.
2. Dương, Huệ*; Shi, Lâm Vũ; Vương, Bàng An; Lương, Đan; Zhong, Cuiqing; Lưu, Ngụy; Nie, Yongzhan; Lưu, Kiệt; Triệu, Tĩnh; Cao, Tương; Lý, Đương Sinh; Xu, Guo-Liang#; Lý, Kim Tùng#. Tạo ra chuột biến đổi gen bằng cách tiêm tế bào gốc phôi đơn bội androgen vào trứng. TẾ BÀO. 2012. 149(3):65-617.
3. Gu, Thiên Bằng*; Quách, Phạm; Dương, Huệ; Ngô, Hải Bình; Từ, Quý Phương; Lưu, Ngụy; Tạ, Chí Quốc; Shi, Lâm Vũ; Anh, Tín Nghĩa; Jin, Seung Gi; Iqbal, Khursheed; Shi, Yujiang Geno; Đặng, Tử Tân; Szabo, Piroska E.; Pfeifer, Gerd P.; Lý, Tấn Tùng#; Xu, Guo-Liang#.Vai trò của Tet3 DNA dioxygenase trong quá trình lập trình lại biểu sinh của tế bào trứng. THIÊN NHIÊN. 2011. 477(7366):606-U136.
4. Giang, Tĩnh*; Đinh, Quốc Huy; Lâm, Giang Vệ; Trương, Mẫn; Shi, Lâm Vũ; Lữ, Văn Kiếm; Dương, Huệ; Tiêu, Hoa Sinh; Bùi, Cương; Lý, Nghi Tuyết; Ngô, Gia Thụy#; Li, Jinsong#.Tiềm năng phát triển khác nhau của tế bào gốc đa năng được tạo ra bởi các chiến lược lập trình lại khác nhau.TẠP CHÍ SINH HỌC TẾ BÀO PHÂN TỬ. 2011. 3(3):197-199.
5. Lâm, Giang Vệ*; Shi, Lâm Vũ; Trương, Mẫn; Dương, Huệ; Tần, Nghi Nhân; Trương, Quân; Công, Đạo Thanh; Trương, Xuân; Lý, Đương Sinh; Lý, Kim Tùng#. Những khiếm khuyết trong dòng tế bào nuôi dưỡng gây ra sự phát triển in vivo bị suy yếu của phôi nhân bản được tạo ra bởi nhân soma
