Di truyền biể u sinh giữa các thế hệ

Chúng ta được tạo nên không chỉ từ tập hợp các gen. Các cơ chế di truyền biểu sinh (hay di truyềngoại gen – epigenetics) được xác định bởi các yếu tố môi trường như là chế độ ăn, bệnh tật, lối sống thể hiện một vai trò quan trọng trong điều hòa DNA bằng cách bật tắt các gen. Đến nay vẫn có sự tranh cãi rằng liệu những biến đổi biểu sinh được tích tụ trong suốt cuộc đời có thể vượt qua được ranh giới giữa các thế hệ và được di truyền cho con thậm chí là cho cháu?

Giờ đây các nhà nhiên cứu tại Viện miễn dịch và di truyền biểu sinh Max Planck, Freiburg (Đức) cho thấy bằng chứng quan trọng rằng không chỉ có DNA mà cả các cấu trúc di truyền ngoại gen cũng tham gia vào điều hòa biểu hiện gen ở thế hệ con cái. Hơn nữa, những hiểu biết mới bởi Phòng thí nghiệm của Nicola Iovino mô tả lần đầu tiên hệ quả sinh học của thông tin di truyền này. Nghiên cứu chứng minh rằng trí nhớ di truyền biểu sinh của mẹ là cần thiết cho sự phát triển và tồn tại của thế hệ tiếp theo.

Di truyền biểu sinh là gì ?

Cơ thể chúng ta được tạo nên từ hơn 250 loại tế bào biệt hóa khác nhau. Chúng đều chứa lượng base DNA như nhau theo một thứ tự chính xác; tuy nhiên, ví dụ các tế bào gan hay tế bào thần kinh dường như rất khác biệt và có các khả năng khác nhau. Cái mà tạo nên sự khác biệt này là một quá trình gọi là di truyền biểu sinh. Những biến đổi di truyền ngoại gen này đánh dấu các vùng DNA để thu hút hoặc cách ly khỏi các protein kích hoạt gen. Vì thế, những thay đổi này tạo ra, từng bước một, những kiểu đặc thù cho sự kích hoạt hay ức chế các trình tự DNA cho mỗi loại tế bào.

Hơn thế, trái với chuỗi các “chữ cái” cố định trong DNA của chúng ta, các dấu chuẩn ngoại gen có thể cũng thay đổi trong suốt cuộc đời và tồn tại trong sự đáp ứng lại môi trường cũng như lối sống của ta. Ví dụ, hút thuốc lá thay đổi đặc điểm ngoại gen bên trong tế bào phổi, rốt cuộc dẫn đến ung thư. Các tác động ngoại cảnh khác như là stress, bệnh tật và cả chế độ ăn cũng được cho là được chứa đựng bên trong trí nhớ di truyền biểu sinh của tế bào.

Lâu nay người ta vẫn nghĩ rằng những biến đổi di truyền biểu sinh không bao giờ vượt qua được ranh giới của các thế hệ. Các nhà khoa học đã giả thuyết rằng trí nhớ ngoại gen được tích tụ trong toàn bộ cuộc đời bị xóa đi sạch sẽ trong quá trình phát triển của tế bào tinh trùng và trứng. Gần đây, một số nghiên cứu đã làm khuấy động cộng đồng khoa học bằng việc chỉ ra rằng các dấu ấn biểu sinh thực sự có thể truyền qua nhiều thế hệ, nhưng chính xác như thế nào, và những gì ảnh hưởng đến những thay đổi di truyền này trong con cái chưa được hiểu rõ.

“Chúng tôi đã thấy những dấu hiệu về di truyền liên thế hệ của thông tin biểu sinh từ sự nổi lên của di truyền biểu sinh hồi những năm 90s. Ví dụ, các nghiên cứu dịch tễ học đã chỉ ra một mối tương quan chặt chẽ giữa thức ăn của những người ông với sự tăng nguy cơ tiểu đường hay bệnh tim mạch ở thế hệ các cháu. Từ đó, nhiều báo cáo đã gợi ý về di truyền ngoại gen trong các sinh vật khác nhau nhưng cơ chế phân tử vẫn chưa được biết” theo Nicola Iovino, chủ nhiệm đề tài.

Di truyền biểu sinh có vượt qua ranh giới giữa các thế hệ ?

Nicola và nhóm của ông tại Viện Max Planck đã sử dụng ruồi giấm để khám phá ra làm thế nào những biến đổi ngoại gen được truyền từ mẹ sang phôi. Nhóm đã tập trung vào một biến đổi đặc biệt là H3K27me3 (gắn 3 gốc methyl vào lysin thứ 27 của histon H3) là dạng mà có thể phát hiện cả ở trên người. Nó làm thay đổi cấu trúc chromatin – đơn vị đóng gói cơ bản của ADN trong nhân – và có liên quan chủ yếu đến quá trình ức chế biểu hiện gen.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện rằng H3K27me3 đánh dấu chromatin ở trong tế bào trứng của ruồi cái vẫn có tiếp tục tồn tại trong phôi sau khi thụ tinh, mặc dù các dấu chuẩn ngoại gen khác đã bị xóa đi.

“Điều này chỉ ra một điều là mẹ truyền lại các chỉ thị ngoại gen cho con. Nhưng chúng tôi cũng quan tâm một điều, liệu các chỉ thị đó có làm điều gì quan trọng trong phôi hay không” đồng tác giả Fides Zenk của nghiên cứu bước đầu giải thích.

Một nhóm tác giả người Tây Ban Nha khác cũng đã báo cáo (trên tạp chí Science) về nghiên cứu khả năng truyền đạt dấu ấn biểu sinh ở giun tròn C. elegans . Kết quả của họ cho thấy những thông tin biểu sinh do môi trường có thể truyền qua 14 thế hệ – đó là khoảng thời gian lớn nhất được quan sát thấy trong tự nhiên.

Các dấu ấn biểu sinh được di truyền là quan trọng đối với phát triển phôi

Vì thế các nhà khoa học đã dùng nhiều công cụ di truyền đối với ruồi giấm để loại bỏ đi enzyme có vai trò gắn các dấu chuẩn H3K27me3 và thấy rằng các phôi không có H3K27me3 trong suốt giai đoạn sớm của phát triển thì cũng không thể phát triển đến cuối quá trình phát triển phôi. “Hóa ra, trong quá trình sinh sản, thông tin biểu sinh không những được di truyền từ tế hệ này sang thế hệ khác, mà còn quan trọng đối với chính sự phát triển của phôi” Nicola Iovino kết luận.

Khi họ để ý kỹ hơn phôi ruồi đó, nhóm phát hiện rằng một số gen quan trọng đối với sự phát triển bình thường vốn bị tắt trong giai đoạn đầu phát triển phôi thì lại được kích hoạt ở phôi không có H3K27me3. “Chúng tôi giả định rằng việc hoạt hóa các gen đó quá sớm trong quá trình phát triển làm gián đoạn sự phát triển phôi và rốt cuộc gây chết phôi. Nó dường như, gần như thực tế, rằng thông tin di truyền ngoại gen là cần cho sự phiên mã liên tục và chính xác  các mã di truyền trong phôi,” theo lời giải thích của Fides Zenk.

Ý nghĩa đối với học thuyết di truyền và sức khỏe con người

Với những kết quả này, nghiên cứu bởi các nhà khoa học tại Viện Max Planck là một bước tiến quan trọng và cho thấy rõ ràng hệ quả của thông tin biểu sinh được di truyền. Không chỉ thông qua việc cung cấp các bằng chứng rằng những biến đổi ngoại gen ở ruồi có thể truyền qua các thế hệ, mà hơn thế bằng việc chỉ ra các dấu ấn ngoại gen được truyền từ mẹ là một cơ chế tinh chỉnh nhằm kiểm soát sự kích hoạt gen trong suốt quá trình phát triển phức tạp của phôi sớm.

Nhóm tin rằng những phát hiện của họ có những ỹ nghĩa sâu rộng. “Nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra rằng cái chúng ta thừa hưởng từ bố mẹ không chỉ đơn thuần là các gen. Những hiểu biết này có thể cung cấp nền tảng mới cho sự quan sát rằng ít nhất trong một số trường hợp, thích nghi với môi trường đã đạt được thì có thể truyền qua dòng mầm tới con cái chúng ta,” Nicola Iovino dự báo.

Xa hơn, vì sự rối loạn của các cơ chế ngoại gen có thể gây ra bệnh như ung thư, tiểu đường hay tự miễn, những phát hiện mới này có thể mang lại ý nghĩa cho sức khỏe con người.

Journal Reference:

1. Zenk F, Loeser E, Schiavo R, Kilpert F, Bogdanovic O, Iovino N. Germ line-inherited H3K27me3 restricts enhancer function during maternal-to-zygotic transition. Science, Vol. 357, Issue 6347, pp. 212-216; July 14^th, 2017. DOI: 10.1126/science.aam5339 Via www.sciencedaily.com
2. Adam K, Eduard C, Cristina H. C, Tanya V, Ben L. Transgenerational transmission of environmental information in C. elegans. Science , Vol. 356, Issue 6335, pp. 320-323; Apr 21^st, 2017. DOI: 10.1126/science.aah6412  Via www.sciencealert.com

>> Xem thêm

• Nguy cơ ung thư vú từ một số thuốc
• Xác định được gen đóng vai trò quan trọng gây trầm cảm

Iceberg (biên tập)
www.tapchisinhhoc.com