Làm thế nào một RNA làm im lặng cả một nhiễm sắc thể
Ngày đăng: Jul 31, 2017 8:44:43 AM
Lược dịch: ThS. Bùi Anh Xuân
Các nhà nghiên cứu tại Caltech đã phát hiện một nhóm lớn RNA gene hay còn gọi là RNA không mã hóa (lncRNAs- phát âm là RNAs) có thể điều hòa sự biểu hiện các gen quan trọng. Bằng cách nghiên cứu một nhóm lncRNA chủ chốt, gọi là Xist, các nhà khoa học đã xác định phương thức RNA này tập hợp một nhóm các protein và cuối cùng cản trở việc thêm nhiễm sắc thể chức năng X trong bộ nhiễm sắc thể ở phụ nữ- tình trạng này dẫn đến phôi nữ chết trong giai đoạn phát triển sớm. Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cơ chế chi tiết về hoạt động của gen lncRNA .
"Trong nhiều năm qua, chúng tôi từng nghĩ về gen như là trình tự DNA mã hóa protein, nhưng những gen này chỉ chiếm khoảng 1 phần trăm của bộ genome. Các nhà nghiên cứu tại Caltech đã phát hiện cách một nhóm lớn RNA gene hay còn gọi là RNA không mã hóa (lncRNAs- phát âm là RNAs) có thể điều hòa các gen quan trọng. Bộ gen động vật có vú cũng mã hóa hàng ngàn lncRNAs ", phó giáo sư sinh học Mitch Guttman cho biết, người đứng đầu cho biết nghiên cứu được công bố trực tuyến trên tạp chí Nature số ra ngày 27 tháng 4. Những lncRNAs như Xist đóng một vai trò cấu trúc, hoạt động như khung sườn - hoặc nhóm và tổ chức các protein quan trọng tham gia vào quá trình tế bào và phân tử, như biểu hiện gen và sự phân hóa của tế bào mầm .
Guttman người đã giúp khám phá toàn bộ một nhóm lncRNAs là một sinh viên đại học tại MIT vào năm 2009 , nói rằng mặc dù hầu hết các gene này được mã hóa trong hệ gen luôn được đánh giá cao, nhưng chỉ một vài gen lncRNA cụ thể đã được biết đến nhiều thập kỷ . Một ví dụ được nghiên cứu kỹ càng là Xist , đóng vai trò quan trọng cho một quá trình bất hoạt nhiễm sắc thể X .
Tất cả phụ nữ được sinh ra với hai nhiễm sắc thể X trong tế bào, một thừa hưởng từ mẹ và một từ người cha của mình . Ngược lại, nam giới chỉ chứa một nhiễm sắc thể X (cùng với một nhiễm sắc thể Y). Tuy nhiên, giống như nam giới, phụ nữ chỉ cần một bản sao của mỗi gen trên nhiễm sắc thể X nên có hai bản sao là một sự bất thường sẽ dẫn đến tử vong sớm trong quá trình phát triển. Bộ gen giải quyết những vấn đề này bằng cách làm im lặng một nhiễm sắc thể X trong mỗi tế bào
Nghiên cứu trước đây cho thấy Xist cần thiết cho quá trình này và thực hiện điều này bằng cách nào đó để ngăn chặn quá trình sao chép - bước đầu tiên của sự biểu hiện của gen trên nhiễm sắc thể X. Tuy nhiên , vì Xist không phải là một gen mã hóa protein theo cách truyền thống, nên cho đến nay các nhà nghiên cứu rất khó khăn để tìm ra chính xác cách thức Xist dừng quá trình sao chép và làm bất hoạt toàn bộ nhiễm sắc thể .
"Để bắt đầu tìm hiểu điều gì làm lncRNAs trở nên đặc biệt và cách thức chúng kiểm soát tất cả các quá trình tế bào khác nhau, chúng ta cần hiểu được cơ chế hoạt động của tất cả các lncRNA gene. Bởi vì Xist là một phân tử quan trọng và bởi việc hiểu rõ những hoạt động của nó, điều này giúp hiểu sâu hơn về cách thức lncRNAs hoạt động ", Guttman nói.
lncRNAs là hàng rào bảo vệ và tổ chức các loại protein cần thiết cho quá trình tế bào , do đó Guttman và các đồng nghiệp của ông bắt đầu nghiên cứu của họ về các chức năng của Xist bằng một kỹ thuật mới để tìm ra những protein tương tác với nó một cách tự nhiên trong tế bào. Với phương pháp mới , được gọi là tinh sạch RNA antisense với khối phổ ( RAP - MS ), các nhà nghiên cứu đã tinh sạch các phân tử Xist lncRNA , cũng như các loại protein tương tác trực tiếp với Xist , từ các tế bào gốc phôi chuột. Sau đó , cộng tác viên tại Phòng thí nghiệm Proteome tại Caltech áp dụng một kỹ thuật gọi là khối phổ định lượng để xác định những protein tương tác này.
" RNA thường theo một quy tắc: Gắn vào các protein. RAP - MS giống như một kính hiển vi phân tử vào việc xác định tương tác giữa RNA - protein , " John Rinn , phó giáo sư sinh học tế bào gốc và tái tạo tại Đại học Harvard , người không tham gia vào việc nói nghiên cứu . " RAP - MS sẽ đem lại những hiểu biết thấu đáo về chức năng lncRNAs trong viêc tổ chức các protein và sau đó điều chỉnh biểu hiện gen "
Áp dụng kỹ thuật này phát hiện ra rằng 10 loại protein cụ thể tương tác với Xist . Trong số này, ba protein: SAF-A (Scaffold attachment factor-A), LBR (Lamin B Receptor), and SHARP (SMRT and HDAC associated repressor protein) - rất cần thiết cho bất hoạt nhiễm sắc thể X . Guttman nói: " Trước khi thí nghiệm này không ai biết có một protein duy nhất được yêu cầu bởi Xist cho viêc làm im lặng quá trình sao chép trên nhiễm sắc thể X , nhưng với phương pháp này, chúng tôi ngay lập tức tìm thấy ba protein rất cần thiết cho quá trình này . Nếu bạn bị mất bất kỳ một trong số ba protein này , Xist không hoạt động - nó sẽ không làm im lặng được nhiễm sắc thể X trong quá trình phát triển " .
Những phát hiện mới cung cấp hình ảnh chi tiết đầu tiên về cách thức lncRNAs hoạt động trong một quá trình tế bào. Thông qua phân tích chuyên sâu, các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng ba protein này đóng ba vai trò khác nhau, nhưng rất cần thiết. SAF-A giúp liên kết Xist và tất cả các protein mà giúp Xist gắn vào DNA trên nhiễm sắc thể X tại vị trí mà LBR làm thay đổi cấu trúc và hình dạng của nhiễm sắc thể để nó ít có khả năng được biểu hiện. Guttman và các đồng nghiệp đã khám phá hành động quan trọng khác làm " im lặng ", được thực hiện bởi các protein thứ ba của bộ ba là SHARP.
Để tạo ra các protein chức năng từ DNA (gene ) của một nhiễm sắc thể, các gen trước tiên phải được sao chép thành RNA bởi một enzyme gọi là RNA polymerase II . Guttman và nhóm của ông phát hiện ra rằng, SHARP loại bỏ các polymerase này khởi quá trình sao chép DNA , do đó ngăn chặn sự sao chép và biểu hiện gen.
Thông tin này có thể sớm được áp dụng vào những ứng dụng lâm sàng. Các Xist lncRNA làm im nhiễm sắc thể X đơn giản chỉ vì nó nằm trên nhiễm sắc thể X. Tuy nhiên , các nghiên cứu trước đây đã chứng minh rằng RNA này và bộ máy gây im lặng của nó có thể được sử dụng để làm bất hoạt trên các nhiễm sắc thể khác - ví dụ , các bản sao thứ ba nhiễm sắc thể 21 ở người có hội chứng Downs.
" Chúng tôi đang bắt đầu hiểu đươc cách thức lncRNAs làm việc. Ví dụ , làm thế nào Xist định vị đến các vị trí trên X, làm thế nào gây im lặng quá trình sao chép, và làm thế nào nó có thể thay đổi cấu trúc DNA , " Guttman nói. " Một trong những điều mà thực sự thú vị đối với tôi là chúng tôi có khả năng tận dụng các nguyên tắc mà được sử dụng bởi lncRNAs để di chuyển chúng xung quanh bộ gen, và sử dụng chúng như là tác nhân điều trị nhắm mục tiêu vào các con đường lỗi cụ thể gây nên một số bệnh . "
" Nhưng tôi nghĩ rằng lý do thực sự tại sao điều này là rất quan trọng đối với lĩnh vực của chúng tôi và thậm chí xa hơn là bởi vì đây là một loại kiểu điều hòa hơn là cái mà chúng tôi đã nhìn thấy trước đây trong tế bào - nó là một thế giới rộng lớn mà trước đây chúng ta không biết gì về nó , " ông nói thêm