ADN của muỗi có thể cung cấp manh mối về biểu hiện và sự điều chỉnh của gen

Khi nói đến ADN, một con muỗi phiền phức hóa ra lại là kẻ nổi loạn giữa các loài.

Hình ảnh cho thấy tác động của việc tạo lực căng lên nhân tế bào trên các điểm tiếp xúc giữa nhiễm sắc thể của cả bộ gen người và muỗi (hình vuông màu đỏ và trắng), với các mô phỏng 3D tương ứng (cấu trúc dạng chuỗi nhiều màu sắc). Nhiễm sắc thể xen kẽ của con người ít nhạy cảm với các tín hiệu cơ học hơn so với nhiễm sắc thể xen kẽ của muỗi. Nguồn: Trung tâm Vật lý Sinh học Lý thuyết

Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý Sinh học Lý thuyết (CTBP) của Đại học Rice là một trong những người tiên phong dùng phương pháp tiếp cận mới để nghiên cứu ADN. Thay vì tập trung vào các nhiễm sắc thể như trình tự tuyến tính của mã di truyền, họ tìm kiếm các manh mối về hình dạng 3D gấp nếp của chúng có thể xác định sự biểu hiện và điều chỉnh của gen.

Đối với hầu hết các sinh vật sống, các nhiễm sắc thể nhỏ mảnh như sợi chỉ gấp lại vừa vặn với bên trong nhân tế bào theo một trong hai cách. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại CTBP rất ngạc nhiên bởi các nhiễm sắc thể của muỗi Aedes aegypti - tác nhân gây các bệnh nhiệt đới như sốt xuất huyết, chikungunya, Zika, mayaro và sốt vàng da - lại thách thức sự phân đôi này.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications của họ cho thấy, các nhiễm sắc thể của muỗi Aedes aegypti tổ chức khác với tất cả các loài khác.

Peter Wolynes, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Hiểu rõ về ADN là chìa khóa để hiểu được cách thức hoạt động của sự sống. Chúng tôi chỉ mới bắt đầu tìm hiểu cấu trúc 3D của nhiễm sắc thể ảnh hưởng đến hoạt động của bộ gen như thế nào”.

Công trình nghiên cứu hợp tác năm 2021, do nhóm nghiên cứu từ CTBP đồng dẫn đầu, xuất bản trên Science cho thấy, nhiễm sắc thể hiển thị một trong hai kiểu cấu trúc khi tế bào không phân chia, giai đoạn trong vòng đời tế bào được gọi là kỳ trung gian.

Vinícius Contessoto, CTBP, đồng tác giả chính của nghiên cứu mới và cũng là đồng tác giả của nghiên cứu năm 2021, cho biết: “Trong cấu trúc bộ gen “loại 2”-ví dụ như ở người và gà-các nhiễm sắc thể hình thành các vùng lãnh thổ riêng và không hòa lẫn với nhau nhiều như vậy”.

Các lực chưa được biết giữ cho các phần hoạt động và không hoạt động của các nhiễm sắc thể "loại hai" tách biệt với nhau trong kỳ trung gian và hoạt động giống như các lực ngăn cản dầu và nước trộn lẫn với nhau.

“Trong cấu trúc 'loại một', giống như cấu trúc được tìm thấy ở nấm men hoặc ở nhiều loại thực vật, các vùng nhiễm sắc thể được gọi là tâm động kết hợp với nhau, gấp chúng lại thành một cấu trúc giống như kẹp tóc, được phân cực bằng telomere”, José Onuchic, giáo sư Vật lý và Thiên văn học, đồng thời là giáo sư hóa học và khoa học sinh học cho biết.

Wolynes nói, điều khiến tôi ngạc nhiên là mặc dù có rất nhiều loài khác nhau đã được lập bản đồ, nhưng phần lớn chúng vẫn thuộc một trong hai loại khác nhau này. Riêng muỗi Aedes aegypti là ngoại lệ đầu tiên. “Trong thời gian xen kẽ, các nhiễm sắc thể 'loại hai' thực sự rất linh hoạt, những thứ lộn xộn cuộn lại thành các lãnh thổ hình giọt nước”. “Bộ gen của muỗi Aedes aegypti dài gần bằng một nửa bộ gen của con người và được tổ chức thành sáu nhiễm sắc thể lớn, trái ngược với 46 của con người. Chúng tôi từng nghĩ rằng các nhiễm sắc thể của muỗi không hình thành các vùng lãnh thổ, nhưng trên thực tế chúng hình thành các vùng lãnh thổ kéo dài này”, Contessoto nói.

Các nhiễm sắc thể của muỗi Aedes aegypti thể hiện các đặc tính lỏng, tách biệt với nhau giống như những giọt dầu và nước lỏng. Đồng thời, chúng ngưng tụ một phần bởi lực nén, khiến chúng có hình dạng khác thường, có hướng giống như một quả bóng dài quá khổ, cho thấy tính nhất quán của chúng cũng tương tự như tính nhất quán của tinh thể.

Onuchic nói: “Nếu lực tác dụng lên hạt nhân "loại hai" bình thường và nó bị biến dạng, thì tổ chức của các nhiễm sắc thể bên trong vẫn không bị ảnh hưởng. Nó giống như chọc một quả bóng nước - nó lại trở lại hình dạng ban đầu. Nhưng khi chúng tôi chọc vào nhân tế bào muỗi, các mẫu nhiễm sắc thể bên trong có sự thay đổi đáng kể”. Năm 2020, ông và các cộng sự đã xác nhận sự tồn tại của một cơ chế kết nối cấu trúc bộ gen với biểu hiện gen.