Nghiên cứu mới cho thấy giun tròn có thể truyền đặc tính kéo dài tuổi thọ qua nhiều thế hệ nhờ cơ chế di truyền biểu sinh dựa trên histone, qua đó định hình lại hiểu biết của chúng ta về cách thông tin phi di truyền được lưu truyền.
Trong phòng thí nghiệm của Wang, chuyện giun sống rất lâu không còn là điều lạ.
TS. Meng Wang, Trưởng nhóm nghiên cứu cấp cao tại Trung tâm nghiên cứu Janelia của Viện Y khoa Howard Hughes (HHMI), cùng cộng sự của bà đã nghiên cứu về tuổi thọ. Họ phát hiện rằng, bằng cách tăng cường biểu hiện một loại enzyme trong lysosome của giun tròn C. elegans, tuổi thọ của giun có thể kéo dài tới 60%.
Nghiên cứu trên C. elegans cho thấy những thay đổi về lysosome liên quan đến tuổi thọ có thể được truyền từ cha mẹ sang con cái. Nghiên cứu đã liên kết lysosome với biểu sinh và phát hiện một cơ chế mới mà thông tin biểu sinh được di truyền, cho phép sinh vật truyền khả năng thích nghi với áp lực môi trường mà không cần thay đổi DNA - Ảnh: Shutterstock
Điều bất ngờ là ngay cả thế hệ con cháu của những con giun này, vốn không mang đột biến di truyền, cũng sống lâu hơn bình thường. Khi họ lai chéo những con giun sống lâu với giun “hoang dại” (wild-type) - một thủ tục chuẩn trong phòng thí nghiệm nhằm loại bỏ mọi can thiệp di truyền. Các nhà nghiên cứu nhận thấy thế hệ giun đời sau cũng có tuổi thọ cao hơn so với giun bình thường. Các đặc tính về tuổi thọ dường như đã được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác, thậm chí tới tận thế hệ thứ tư.
Trong nghiên cứu mới, Wang và nhóm của bà đã phát hiện cách những thay đổi trong lysosome thúc đẩy tuổi thọ có thể được chuyển từ tế bào soma (tế bào cơ thể) sang tế bào sinh sản thông qua histone - các protein giữ vai trò then chốt trong việc tổ chức và điều hòa DNA. Ở tế bào sinh sản, các histone này mang theo những thay đổi, từ đó điều chỉnh biểu sinh (epigenome - tập hợp các tín hiệu hóa học kiểm soát biểu hiện gen), cho phép những thay đổi ở lysosome được truyền lại qua nhiều thế hệ mà không làm thay đổi DNA gốc.
Hình minh họa dạng “hoa tulip” của giun cho thấy ruột ở bên trái và hệ sinh sản ở bên phải. Vùng màu xanh lá nổi bật histone H3 lysine 79 dimethylation, còn màu tím thể hiện nhân tế bào nhuộm bằng DAPI - Ảnh: Meng Wang.
Những phát hiện này có ý nghĩa vượt xa lĩnh vực tuổi thọ. Các thay đổi biểu sinh giúp sinh vật thích nghi với nhiều dạng áp lực môi trường khác nhau (từ thay đổi chế độ ăn, tiếp xúc với chất ô nhiễm cho đến căng thẳng tâm lý). Nghiên cứu mới cho thấy cha mẹ có thể truyền lại những lợi thế này cho con cái.
TS. Wang giải thích: “Chúng ta thường nghĩ rằng những gì truyền lại cho con cháu nằm trong nhân tế bào, nhưng giờ chúng tôi chứng minh histone có thể di chuyển từ nơi này sang nơi khác và nếu histone đó mang theo thay đổi, nghĩa là thông tin biểu sinh sẽ được truyền từ tế bào này sang tế bào khác. Điều này thực sự cung cấp một cơ chế để hiểu rõ tác động xuyên thế hệ”.
Giải mã sự di truyền
Các nhà nghiên cứu phát hiện một loại biến đổi histone (tức thay đổi biểu sinh) tăng cao ở giun sống lâu so với giun có tuổi thọ bình thường. Họ muốn tìm hiểu mối liên hệ giữa biến đổi này với thay đổi lysosome thúc đẩy tuổi thọ.
Bằng cách kết hợp các công cụ di truyền, phân tích transcriptome và hình ảnh, nhóm nghiên cứu phát hiện thay đổi trong chuyển hóa lysosome ảnh hưởng đến tuổi thọ đã kích hoạt một loạt quá trình bên trong tế bào. Những quá trình này làm gia tăng một biến thể histone cụ thể, histone này sau đó được vận chuyển từ mô soma sang tế bào mầm (germ line) thông qua các protein mang chất dinh dưỡng đến trứng đang phát triển. Trong tế bào sinh sản, histone tiếp tục được chỉnh sửa, cho phép thông tin từ lysosome đi vào hệ sinh sản và được truyền từ cha mẹ sang con cái.
Họ còn chỉ ra con đường này được kích hoạt trong trạng thái nhịn ăn, vốn gây thay đổi trong chuyển hóa lysosome, từ đó tạo cầu nối giữa hiện tượng sinh lý và thay đổi trong hệ sinh sản.
Nghiên cứu mới bổ sung thêm bằng chứng rằng lysosome từng chỉ được coi là “nhà máy tái chế” của tế bào, thực ra còn là trung tâm tín hiệu kiểm soát nhiều quá trình khác nhau và nay được chứng minh có thể tác động qua nhiều thế hệ.
Nghiên cứu cũng hé lộ một cơ chế mới vận chuyển thông tin từ tế bào soma sang tế bào mầm qua histone, có thể giúp giải thích cách các dạng thông tin di truyền khác được truyền từ cha mẹ sang con cái.
Bằng cách đưa ra cơ chế giải thích cách thay đổi môi trường tác động lên tế bào soma nhưng lại được truyền vào hệ sinh sản, nghiên cứu này có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các ảnh hưởng xuyên thế hệ từng được quan sát trước đó, chẳng hạn việc suy dinh dưỡng của cha mẹ ảnh hưởng đến con cái.
“Chúng tôi đã chỉ ra rằng soma và hệ sinh sản có thể kết nối thông qua histone và mang theo thông tin di truyền có tính ghi nhớ qua nhiều thế hệ”, TS. Wang nhấn mạnh.
Việt An
(Lược dịch)