Đa dạng hóa thông qua sự kìm hãm

Sử dụng cây họ cải Cardamine hirsuta , các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Chọn giống Cây trồng Max Planck (MPIPZ) đã khám phá ra cách thức tiến hóa của các yếu tố tăng cường góp phần tạo ra sự khác biệt về hình dạng lá trong họ thực vật này.

Hơn hai thập kỷ qua, các nhà khoa học đã biết rằng những thay đổi tiến hóa trong trình tự DNA kiểm soát biểu hiện gen là động lực chính tạo nên sự đa dạng hình thái. Trong số các yếu tố điều hòa này, các vùng tăng cường đóng vai trò quan trọng, hoạt động như các công tắc di truyền quyết định khi nào, ở đâu và mức độ biểu hiện của gen mạnh đến mức nào. Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sự thay đổi hoạt động của vùng tăng cường có thể ảnh hưởng đến hình thái của sinh vật, nhưng những thay đổi DNA chính xác và các cơ chế tạo ra các mô hình biểu hiện gen mới vẫn chưa được hiểu rõ.

Sử dụng cây họ cải  Cardamine hirsuta, một họ hàng gần của Arabidopsis thaliana và là mô hình mạnh mẽ để nghiên cứu sự tiến hóa về hình thái, các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Chọn giống Cây trồng Max Planck (MPIPZ) đã khám phá ra cách thức tiến hóa của các yếu tố tăng cường góp phần tạo ra sự khác biệt về hình dạng lá trong họ thực vật này.

Sự biến đổi về hình dạng lá của Cardamine hirsuta được tạo ra bởi các đột biến CRISPR/Cas9 tại locus LMI/RCO.

Bằng cách áp dụng công nghệ chỉnh sửa bộ gen CRISPR/Cas9 để tạo ra 17 phiên bản khác nhau của các yếu tố tăng cường kiểm soát sự biểu hiện của  gen homeobox RCO (reduced complexity),và gen liên quan  LMI1, từ đó RCO tiến hóa thông qua quá trình nhân đôi gen, nhóm nghiên cứu đã xác định được một trình tự DNA ức chế mà sự tiến hóa của nó đã giúp tạo ra một vùng biểu hiện gen RCO mới so với LMI1. Mô hình biểu hiện mới này đã thúc đẩy sự xuất hiện của các hình dạng lá phức tạp hơn ở các loài Cardamine.

“Trong khi các nghiên cứu trước đây, ví dụ như trên cánh ruồi, tập trung vào cách việc bổ sung các trình tự kích hoạt có thể tạo ra các đặc điểm mới, thì công trình của chúng tôi cho thấy các yếu tố ức chế cũng quan trọng không kém trong việc tạo ra sự đa dạng tiến hóa”, Alessandro Popoli, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Sự ức chế thường được xem đơn giản là sự im lặng, nhưng ở đây chúng tôi xem nó như một lực lượng sáng tạo - một lực lượng đã giúp định hình một mô hình hoạt động gen mới và cuối cùng là một hình thái mới”.

Nhóm nghiên cứu còn phát hiện ra rằng trình tự ức chế này xuất hiện thông qua sự nhân đôi bên trong vùng tăng cường RCO, bản thân nó là một phần của sự kiện nhân đôi gen lớn hơn. Cơ chế “nhân đôi trong nhân đôi” này minh họa cách thức nhân đôi trình tự lồng nhau có thể thúc đẩy sự đổi mới về điều chỉnh và hình thái. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng biểu hiện gen RCO bền vững hơn trước các đột biến so với gen tiền thân LMI1, có khả năng cho phép mô hình biểu hiện mới này ổn định theo thời gian tiến hóa.

“Những kết quả này làm nổi bật tiềm năng sáng tạo của các yếu tố điều hòa ức chế và cung cấp một ví dụ quan trọng về cách đa dạng hóa chất tăng cường có thể dẫn đến các kết quả phát triển mới”, Miltos Tsiantis, tác giả chính của nghiên cứu và Giám đốc tại MPIPZ cho biết. “Đây là một bước tiến thú vị hướng tới việc hiểu cách những thay đổi nhỏ trong DNA có thể tạo ra sự đa dạng về hình thái sinh vật”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max Planck.