Các nhà nghiên cứu tại Đại học New York đã tạo ra các gen Hox nhân tạo — lập kế hoạch và định hướng nơi các tế bào đi đến để phát triển các mô hoặc cơ quan — bằng cách sử dụng công nghệ DNA tổng hợp mới và kỹ thuật gen trong tế bào gốc.
Phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí Science, xác nhận cách thức các cụm gen Hox giúp các tế bào học và ghi nhớ vị trí của chúng trong cơ thể.
Gen Hox là kiến trúc sư của cơ thể
Gần như tất cả các loài động vật – từ người đến chim đến cá – đều có trục trước-sau hoặc một đường chạy từ đầu đến đuôi. Trong quá trình phát triển, các gen Hox đóng vai trò là kiến trúc sư, xác định kế hoạch nơi các tế bào đi dọc theo trục, cũng như các bộ phận cơ thể mà chúng tạo nên. Các gen Hox đảm bảo rằng các cơ quan và mô phát triển ở đúng vị trí, hình thành ngực hoặc đặt cánh ở các vị trí giải phẫu chính xác.
>> Tham khảo: Nhà nghiên cứu được ca ngợi vì lời giải tuyệt vời cho câu đố thuật toán từ những năm 1950.
Nếu các gen Hox bị lỗi do điều chỉnh sai hoặc đột biến, các tế bào có thể bị mất, gây ra một số bệnh ung thư, dị tật bẩm sinh và sảy thai.
Esteban Mazzoni, phó giáo sư sinh học tại NYU và là đồng tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Tôi không nghĩ rằng chúng ta có thể hiểu được sự phát triển hoặc bệnh tật mà không hiểu về gen Hox.
Mặc dù tầm quan trọng của chúng trong quá trình phát triển, gen Hox là một thách thức để nghiên cứu. Chúng được tổ chức chặt chẽ thành cụm, chỉ có gen Hox trong đoạn DNA nơi chúng được tìm thấy và không có gen nào khác xung quanh chúng (cái mà các nhà khoa học gọi là “sa mạc gen”).
Và trong khi nhiều phần của bộ gen có các yếu tố lặp đi lặp lại, cụm Hox không có sự lặp lại như vậy. Những yếu tố này làm cho chúng trở nên độc nhất nhưng khó nghiên cứu bằng cách chỉnh sửa gen thông thường mà không ảnh hưởng đến các gen Hox lân cận.
Bắt đầu lại với DNA tổng hợp
Liệu các nhà khoa học có thể tạo ra gen Hox nhân tạo để nghiên cứu chúng tốt hơn, thay vì dựa vào chỉnh sửa gen?
Mazzoni giải thích: “Chúng tôi rất giỏi trong việc đọc bộ gen hoặc giải trình tự DNA. Và nhờ CRISPR, chúng tôi có thể thực hiện các chỉnh sửa nhỏ trong bộ gen. Nhưng chúng tôi vẫn không giỏi viết từ đầu”. “Việc viết hoặc xây dựng các phần mới của bộ gen có thể giúp chúng tôi kiểm tra tính đầy đủ – trong trường hợp này, tìm ra đơn vị nhỏ nhất của bộ gen là cần thiết để một tế bào biết nó ở đâu trong cơ thể.”
>> Tham khảo: Các nhà vật lý tìm ra cách mới để đo tính chất của lớp bề mặt vật liệu.
Mazzoni đã hợp tác với Jef Boeke, giám đốc Viện Di truyền Hệ thống tại Trường Y khoa NYU Grossman, người được biết đến với công trình tổng hợp bộ gen nấm men tổng hợp. Phòng thí nghiệm của Boeke đang tìm cách dịch công nghệ này sang tế bào động vật có vú.
Sinh viên tốt nghiệp Sudarshan Pinglay trong phòng thí nghiệm của Boeke đã tạo ra các chuỗi DNA tổng hợp dài bằng cách sao chép DNA từ gen Hox của chuột. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã đưa DNA vào một vị trí chính xác trong các tế bào gốc đa năng từ chuột. Sử dụng các loài khác nhau cho phép các nhà nghiên cứu phân biệt giữa DNA chuột tổng hợp và tế bào tự nhiên của chuột.
“Tiến sĩ Richard Feynman có câu nói nổi tiếng, ‘Cái gì tôi không thể tạo ra, tôi không hiểu.’ Boeke, hiện là giáo sư hóa sinh và dược học phân tử tại NYU Grossman và là đồng tác giả chính của nghiên cứu cho biết:
Nghiên cứu cụm Hox
Với DNA Hox nhân tạo trong tế bào gốc chuột, giờ đây các nhà nghiên cứu có thể khám phá cách gen Hox giúp các tế bào học và ghi nhớ vị trí của chúng.
Ở động vật có vú, các cụm Hox được bao quanh bởi các vùng quy định kiểm soát cách kích hoạt các gen Hox. Không biết liệu một mình cụm hay cụm cộng với các yếu tố khác là cần thiết để các tế bào học và ghi nhớ vị trí của chúng.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chỉ riêng các cụm dày đặc gen này đã chứa tất cả thông tin cần thiết để các tế bào giải mã tín hiệu vị trí và ghi nhớ nó. Điều này cho thấy rằng bản chất nhỏ gọn của các cụm Hox là thứ giúp các tế bào tìm hiểu vị trí của chúng, xác nhận một giả thuyết lâu đời về gen Hox mà trước đây rất khó kiểm tra.
>> Tham khảo: Để ngăn chặn đại dịch tiếp theo, hãy khôi phục môi trường sống của động vật hoang dã.
Việc tạo ra DNA tổng hợp và gen Hox nhân tạo mở đường cho các nghiên cứu trong tương lai về sự phát triển của động vật và các bệnh ở người.
“Các loài khác nhau có cấu trúc và hình dạng khác nhau, rất nhiều trong số đó phụ thuộc vào cách các cụm Hox được thể hiện. Ví dụ, một con rắn có ngực dài và không có tứ chi, trong khi một con giày trượt không có ngực và chỉ có các chi. Hiểu rõ hơn về Hox cụm có thể giúp chúng tôi hiểu làm thế nào các hệ thống này được điều chỉnh và sửa đổi để tạo ra các loài động vật khác nhau,” Mazzoni nói.
“Rộng hơn, công nghệ DNA tổng hợp này, mà chúng tôi đã xây dựng một loại nhà máy, sẽ hữu ích cho việc nghiên cứu các bệnh phức tạp về mặt di truyền và giờ đây chúng tôi có một phương pháp để tạo ra các mô hình chính xác hơn cho chúng,” Boeke nói.
>> Tham khảo: Kính hiển vi tiết lộ cơ chế đằng sau công cụ CRISPR mới.
Công trình này được hỗ trợ một phần bởi Viện Y tế Quốc gia (cấp RM1HG009491, R01AG075272, R01NS100897, R01GM127538 và F32CA239394), Khoa học tế bào gốc bang New York (C322560GG) và Quỹ nghiên cứu khối u ác tính (687306).
