RNA Interference là gì?

RNA Interference là gì?

RNA Interference (viết tắt là RNAi) là một quá trình sinh học quan trọng trong đó ARN ức chế sự biểu hiện gen. RNAi có thể được tế bào khởi xướng để phản ứng với các axit nucleic gây bệnh nhằm mang lại sự suy giảm có chủ đích các bản phiên mã di truyền đã chọn.

Do vậy, RNA Interference còn được gọi là “sự can thiệp ARN” hoặc quá trình làm im lặng gen sau phiên mã (Post-transcriptional gene silencing – PTGS).

Đây là một hiện tượng bên trong tế bào (cả sinh vật nhân chuẩn hoặc nhân sơ) nhắm mục tiêu và chọn lọc chuỗi mRNA để tách ra và phân hủy nó, do đó nó sẽ ngăn chặn quá trình tổng hợp protein đơn vị chức năng.

Quá trình làm im lặng gen mang lại khả năng chống lại các axit nucleic ký sinh hoặc gây bệnh nội sinh và ngoại sinh; hơn nữa, nó còn được sử dụng để điều chỉnh biểu hiện gen, có các ứng dụng chức năng trong trị liệu, gen và các lĩnh vực liên quan đến nghiên cứu khác.

Quá trình làm im lặng gen được các nhà khoa học Andrew Z. Fire và Craig C. Mello phát hiện vào đầu những năm 1900. Ví dụ, cả hai nhà khoa học đã thực hiện công việc của mình bằng cách ức chế thành công sự biểu hiện của các gen đặc hiệu theo trình tự trong tế bào của Tuyến trùng; C. Elegans (Caenorhabditis Elegans).

RNA Interference cũng có thể được sử dụng trong thực nghiệm trong nhiều ứng dụng khoa học như làm sáng tỏ các quá trình tế bào quan trọng trong sức khỏe, cũng như được sử dụng trong điều trị để ức chế chức năng của virus cả in vitro và in vivo.

RNA Interference hoạt động như thế nào?

Quá trình làm im lặng gen hoặc RNAi được thực hiện thông qua con đường RNAi nội sinh có ADN ngoại lai hoặc phân tử ds-RNA của virus.

Thông thường, RNAi xảy ra để đáp ứng với ADN ngoại lai và ARN chuỗi kép (dsRNA); đó là dấu hiệu đặc trưng của ARN ký sinh và gây bệnh (virus).

RNAi là một cơ chế sinh học có tính bảo tồn cao xảy ra ở tất cả các tế bào nhân chuẩn bao gồm cả thực vật.

Trong tế bào, một số enzyme và protein tham gia vào quá trình xử lý ARN và có thể điều khiển quá trình RNAi diễn ra.

• Đầu tiên, ARN kích hoạt được xử lý thành ARN can thiệp ngắn (siRNA) bởi Dicer và Drosha (cả hai enzyme RNAse II).
• Thứ hai, những siRNA này được nạp vào phức hợp im lặng do ARN tạo ra (RISC).

Khi có phân tử ds-RNA có nguồn gốc từ virus, enzyme RNase III Dicer ( là thành viên của RISC) sẽ bắt đầu con đường theo cách mà ds-RNA sẽ bị cắt thành các đoạn ngắn (21-23 nucleotide có chiều dài 3′ nhô ra) hoặc Si-RNA hoặc mi-RNA tùy thuộc vào nguồn gốc có chất dị nhiễm sắc hoặc transposon trong trường hợp Si-RNA hoặc trình tự gen cụ thể cho mi-RNA.

Các mảnh được hình thành do sự phân tách sẽ được nạp vào RISC bằng cách sử dụng ATP làm tiền chất. RISC sẽ giải phóng các đoạn ngắn DS-RNA (si-RNA, mi-RNA) và dẫn đến việc tạo ra hai chuỗi: chuỗi dẫn hướng và chuỗi hành khách. RISC làm suy giảm chuỗi RNA hành khách vì nó có thể ngăn chặn sự nhận biết trình tự nucleotide cụ thể cần phải được làm im lặng, trong khi chuỗi dẫn hướng được protein AGO đảm nhiệm.

Trong trường hợp si-RNA hoặc mi-RNA, protein AGO chọn chuỗi dẫn hướng có đầu 5′ kém ổn định về mặt nhiệt động hơn. Nó sẽ tiếp tục liên kết với trình tự nucleotide cụ thể trên các phân tử mRNA cần được phân hủy và sẽ ngăn chặn quá trình tổng hợp protein (làm im lặng gen qua trung gian ARN).

Trong trường hợp mi-RNA sơ cấp, trước tiên nó được xử lý bằng enzyme RNase III Drosha hạt nhân và giải phóng các đoạn tiền mi-RNA giống như kẹp tóc, sau đó được cắt bởi RNA III DICER của tế bào chất để tạo ra các đoạn mi-RNA.

Sự khác biệt giữa con đường trung gian si-RNA và mi-RNA

mi-RNA trưởng thành có cấu trúc tương tự si-RNA vì chúng có nguồn gốc từ cùng một ds-RNA nhưng có một số ngoại lệ trong quá trình xử lý mi-RNA sơ cấp như đã mô tả ở trên về quá trình xử lý mi-RNA bằng enzyme RNase III Drosha hạt nhân. Hơn nữa, cả si-RNA và mi-RNA đều có cùng một bộ máy xuôi dòng.

mi-RNA là một đoạn ngắn có nguồn gốc từ sự phân cắt của ds-RNA và nó khác với si-RNA, vì ở động vật, mi-RNA hầu như có sự ghép cặp bazơ không hoàn chỉnh, có thể bắt chước trình tự của mRNA được nhắm mục tiêu và liên kết với một số khác biệt nhất định.

mRNA và ngăn chặn hoạt động của chúng bằng cách làm gen im lặng. Ngược lại, si-RNA có khả năng ghép cặp và phân cắt base gần như hoàn hảo của mRNA mục tiêu tại một vị trí cụ thể.

DICER VÀ RISC

Endoribonuclease DICER hoặc motif RNase, một loại enzyme có ở người và được mã hóa bởi gen DICER1. Enzyme này là một phần của họ RNase III có chức năng cắt các cặp base ds-RNA và si-RNA hoặc mi-RNA có chiều dài gần 20-25.

Chức năng cơ bản của nó là tham gia vào việc kích hoạt RISC, chất chịu trách nhiệm làm im lặng các phân tử mRNA theo trình tự cụ thể. Các miền của DICER tham gia RNAi là PAZ (PIWI/Argonaute/Zwille) và helicase trong trường hợp của con người và có khả năng liên kết với 2 nucleotide 3′ nhô ra của phân tử ds-RNA và xử lý các chất nền dài tương ứng.

Trong khi đó RISC là sự kết hợp của nhiều protein tạo thành phức hợp như ribonucleoprotein và mục đích chính của nó là làm im lặng gen bằng cách làm suy giảm mRNA tại một vị trí cụ thể. Đoạn ARN chuỗi đơn đóng vai trò như một hướng dẫn để RISC nhận ra mRNA tại vị trí mục tiêu trong khi đoạn còn lại bị phân hủy.

Quá trình nhận biết và phân tách được thực hiện bởi một protein có trong phức hợp được gọi là Argonaute, liên kết với ARN không mã hóa nhỏ (si-RNA, mi-RNA và RNA tương tác Piwi) và dẫn đến làm gen im lặng.

Ứng dụng của RNA Interference

RNA Interference rất cần thiết vì chúng ta có thể làm im lặng/tiêu diệt một gen trong hệ thống sinh học mà không cản trở phân tử ADN, trong trường hợp của con người, chúng ta có thể loại bỏ một gen đột biến có thể dẫn đến hình thành protein ung thư, hơn nữa nó có phần lớn ứng dụng trong trị liệu, gen và lĩnh vực nông nghiệp.

Về mặt thực nghiệm, RNAi là một kỹ thuật nghiên cứu cực kỳ có giá trị, có thể tạo ra sự ức chế gen mục tiêu đối với các gen quan tâm cụ thể (di truyền ngược); trong tế bào hoặc động vật, gây mất chức năng tạm thời.

Về mặt điều trị, RNAi có ý nghĩa lâm sàng thực tế rộng rãi đối với các bệnh nhiễm virus, ung thư và các bệnh thần kinh như bệnh Alzheimer – mặc dù những bệnh này đòi hỏi nhiều nghiên cứu hơn ở giai đoạn này trước khi trở thành phương pháp điều trị hiệu quả.

Hơn nữa, RNAi có thể được sử dụng để sàng lọc quy mô lớn ức chế từng gen riêng lẻ nhằm giúp làm sáng tỏ các cơ chế củng cố các quá trình tế bào quan trọng trong sức khỏe và bệnh tật. Trong bài viết này, chỉ thảo luận về RNAi chống lại virus đường hô hấp.

Thêm vào đó, RNAi cũng có những hạn chế nhất định.

Những hạn chế của RNAi bao gồm việc sử dụng thuốc lâu dài vì gen đã được làm im lặng thành công nhưng để ngăn chặn sự hình thành protein, một số loại thuốc đã được sử dụng.

Một yếu tố hạn chế khác của RNAi là sự phát triển khả năng đề kháng chống lại một số phân tử mRNA nhất định, điều này không chỉ ảnh hưởng đến quá trình làm im lặng gen mà còn gây ra một số bệnh khác có thể dẫn đến cái chết của một người.

RNA Interference và virus đường hô hấp

Vắc-xin chống lại các loại virus cụ thể – đặc biệt là virus Corona đường hô hấp – thường không hiệu quả do số lượng đột biến cao xảy ra ở các loại virus đó. Các phương pháp điều trị bằng thuốc kháng virus thường gây ra các vấn đề như kháng thuốc kháng virus.

Virus hợp bào hô hấp (RSV) là một loại virus ARN chuỗi âm tính (họ Paramyxoviridae) gây viêm tiểu phế quản và viêm phổi ở trẻ em hoặc người lớn bị suy giảm miễn dịch. RSV dẫn đến tái nhiễm nhiều lần trong suốt cuộc đời và cho đến nay, không có vắc xin phòng bệnh RSV. Các nghiên cứu về tế bào đã sử dụng thành công RNAi chống lại RSV (nhắm mục tiêu chống lại phản ứng tổng hợp virus và phosphoprotein của nó) dẫn đến ức chế và ngăn ngừa nhiễm trùng hiệu quả.

Virus cúm (thuộc Orthomyxoviridae); cũng chứa ARN chuỗi âm tính phân đoạn, gây ra bệnh cúm theo mùa ở mọi lứa tuổi. Không giống như nhiều loại virus đường hô hấp khác, vắc-xin cúm có tác dụng bảo vệ chống lại các chủng virus mới nhất và có thể ngăn ngừa nhiễm trùng ở 90% người dưới 65 tuổi và tới 40% người lớn tuổi.

Tuy nhiên, vắc xin cần phải được điều chỉnh liên tục hàng năm để bao gồm các chủng virus phổ biến gần đây nhất do sự biến đổi kháng nguyên cao xảy ra mỗi mùa. Vì vậy, vắc xin của năm trước sẽ có khả năng bảo vệ rất hạn chế chống lại virus cúm năm nay. Trong một số trường hợp hiếm hoi, sự trôi dạt kháng nguyên cao dẫn đến một chủng cúm mới có thể dẫn đến dịch bệnh hoặc đại dịch không được kiểm soát.

Trong các nghiên cứu về tế bào, sự ức chế bởi siRNA của protein liên kết Ran 5 (cần thiết cho vòng đời của virus), dẫn đến sự tích lũy ARN của virus trong các tế bào bị nhiễm bệnh bị chậm lại. Ở đây, siRNA hướng tới một thành phần của bộ máy tế bào liên quan đến quá trình xử lý virus, cũng có thể là mục tiêu RNAi hiệu quả.

Virus Corona là những virus có hình vương miện lớn (Nidovirales) và chứa RNA chuỗi dương bao gồm nhiều biến thể khác nhau, bao gồm virus cảm lạnh đặc hữu, virus gây hội chứng hô hấp cấp tính nặng (SARS-CoV) và virus SARS-CoV-2 mới (Covid- 19).

So với các loại virus khác, virus Corona trải qua các đột biến thường xuyên khiến việc tạo vắc-xin hiệu quả cho virus Corona trở nên khó khăn.

Hiện tại, vắc xin đã được phát triển cho SARS-CoV-2 và đã được sử dụng trong nỗ lực chấm dứt đại dịch COVID-19.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng siRNA tổng hợp chống lại các tế bào bị nhiễm SARS-CoV có thể ức chế sự sao chép của SARS-CoV trong ống nghiệm . Cụ thể, siRNA chống lại các chuỗi glycoprotein tăng đột biến tạo ra sự ức chế mạnh mẽ sự nhân lên của virus.

Protein tăng đột biến được cho là nơi có phản ứng miễn dịch mạnh mẽ nhất chống lại virus Corona cũng như là nơi sản sinh ra các kháng thể trung hòa.

RNAi chống lại vùng tăng đột biến có thể là một chiến lược trị liệu hiệu quả – tuy nhiên, cần nhiều nghiên cứu hơn.

Mặc dù tất cả các nghiên cứu trên đều thành công ở mức độ in vitro, nhưng việc cung cấp siRNA in vivo (và lâm sàng) an toàn và hiệu quả là cần thiết trước khi các phương pháp điều trị được thực hiện thường quy.

Thật vậy, các thử nghiệm đưa siRNA chống lại virus cúm A một cách có hệ thống thông qua tiêm tĩnh mạch áp suất thấp đã có thể ngăn ngừa và điều trị nhiễm trùng.

Các nghiên cứu trên chuột cũng đã chứng minh một cách an toàn và hiệu quả việc sử dụng siRNA qua đường mũi để chống lại các chủng cúm gây bệnh.

Các tuyến khác bao gồm nhiều siRNA được phân phối tại địa phương hơn do tính chất ít xâm lấn hơn và cũng làm giảm nguy cơ phản ứng bất lợi toàn cầu.

Đầy hứa hẹn, siRNA chống lại protein tăng đột biến của SARS-CoV (dựa trên các nghiên cứu tế bào) đã được tiêm vào mũi khỉ rhesus (mô hình của SARS) và dẫn đến việc loại bỏ nhiễm trùng SARS-CoV ở các tế bào biểu mô đường hô hấp trên. Do đó, nghiên cứu này cũng hứa hẹn đối với SARS-CoV-2 do những điểm tương đồng giữa SARS-CoV và SARS-CoV-2.

Tóm lại, RNA Interference là một cơ chế sinh học có tính bảo tồn cao, phản ứng với DSRNA của virus gây bệnh để tạo ra phản ứng ức chế phân tử. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng RNAi có thể được sử dụng trong điều trị để nhắm mục tiêu vào nhiều loại virus đường hô hấp in vitro và in vivo , bao gồm SARS-CoV và có khả năng là SARS-CoV-2, trong điều trị và phòng ngừa nhiễm trùng. Cần nhiều nghiên cứu hơn ở cả cơ sở cơ bản và lâm sàng trước khi các liệu pháp như vậy được thực hiện thường xuyên.

Bàn luận

RNA Interference là một hiện tượng hữu ích và cần thiết ở một số khía cạnh nhất định như ức chế sự biểu hiện gen, sản xuất các sản phẩm hữu ích trong lĩnh vực nông nghiệp và trị liệu nhưng nếu nó gặp phải tình trạng kháng thuốc hoặc một số yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến chức năng của nó thì nó sẽ đe dọa đến tính mạng.

Cần có thêm nhiều nghiên cứu để đánh giá tổng thể về tiềm năng của RNA Interference.

Tài liệu tham khảo

• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC309050/
• https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3048316/