Giải mã MRNA tập hợp các tế bào thực vật để chống lại sự lây nhiễm bệnh

Các sinh vật sống từ vi khuẩn, thực vật đến con người phải liên tục điều chỉnh lượng protein hóa học - các phân tử đặc trưng của sự sống - bên trong tế bào của chúng để thích ứng với các điều kiện thay đổi hoặc bất lợi, chẳng hạn như khi chất dinh dưỡng khan hiếm hoặc khi mầm bệnh tấn công.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã xác định được một cơ chế phân tử chưa từng được biết đến trước đây giúp giải thích cách chúng thực hiện điều đó.

Khi nghiên cứu một loại cây khẳng khiu tên là Arabidopsis thaliana, nhóm nghiên cứu do Đại học Duke dẫn đầu đã phát hiện ra những đoạn RNA gấp ngắn mà trong điều kiện bình thường sẽ giữ mức protein phòng vệ ở mức thấp để tránh gây hại cho chính cây trồng. Nhưng khi thực vật phát hiện mầm bệnh, các cấu trúc RNA gấp này sẽ được giải mã, cho phép tế bào thực vật tạo ra các protein phòng vệ để chống lại sự lây nhiễm.

Khám phá này không chỉ áp dụng cho thực vật, các tác giả đã lưu ý trong ấn phẩm ngày 6 tháng 9 trên tạp chí Nature. Họ cũng phát hiện ra rằng những cấu trúc RNA này cũng có tác dụng tương tự đối với việc sản xuất protein trong tế bào người.

Giáo sư sinh học Duke Xinnian Dong, tác giả chính của nghiên cứu đã cho biết: “Đó là một công cụ khác trong bộ công cụ của chúng tôi” để kiểm soát việc sản xuất protein.

Bên trong mỗi tế bào của cơ thể, hàng triệu phân tử protein thực hiện các nhiệm vụ của sự sống: Chúng là tế bào tương đương với những viên gạch và dầm, cung cấp cấu trúc và hỗ trợ. Chúng cũng là sứ giả hóa học của tế bào, gửi và nhận tín hiệu. Và chúng là protein phòng thủ, được triển khai để chống lại quân xâm lược nước ngoài.

Để tạo ra protein, các phần của bản thiết kế DNA được đóng bên trong nhân tế bào sẽ được phiên mã thành các phân tử truyền tin gọi là mRNA, đây là những hướng dẫn để tạo ra protein. Những hướng dẫn này được thực hiện đến phần còn lại của tế bào, nơi các thiết bị giải mã gọi là ribosome dịch thông tin của mRNA để tập hợp một chuỗi axit amin, các khối xây dựng của protein.

Thông thường, ribosome quét dọc theo phân tử mRNA cho đến khi chúng tìm thấy một chuỗi ba chữ cái đặc biệt có nội dung "bắt đầu từ đây để tạo ra protein".

Trước khi ribosome (được mô tả bằng màu nâu) có thể đọc RNA thông tin (màu xanh) để tạo ra protein, nó phải biết bắt đầu từ đâu. Nguồn: Christinelmiller.

Nhưng trong nghiên cứu mới, Dong và Yezi Xiang, nghiên cứu sinh tại Phòng thí nghiệm của Dong, đã phát hiện ra rằng, khi một cây Arabidopsis phát hiện mầm bệnh tiềm ẩn, các ribosome của cây sẽ bỏ qua tín hiệu 'khởi động' thông thường để tổng hợp protein và bắt đầu dịch mã mRNA xuống phía dưới, xây dựng một chuỗi axit amin hoàn toàn khác - và do đó một loại protein khác - cần thiết để chống lại sự xâm nhiễm.

Dong và nhóm của cô muốn biết làm thế nào các tế bào thực hiện chuyển đổi từ vị trí bắt đầu này sang vị trí bắt đầu khác?

Để hiểu rõ hơn về quá trình ra quyết định nhanh chóng của tế bào diễn ra khi thực vật phát hiện kẻ xâm lấn, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang một kỹ thuật có tên SHAPE-MaP, cho phép họ phát hiện những thay đổi trong quá trình gấp mRNA trong tế bào sống.

Gần "đèn xanh" thông thường kích hoạt quá trình tổng hợp protein, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra những đoạn mRNA ngắn có khả năng tự gấp lại để tạo thành cấu trúc “kẹp tóc” sợi đôi.

Một đoạn mRNA minh họa có thể tự gấp lại để tạo thành hình chiếc kẹp tóc. Nguồn: Sakurambo.

Trong điều kiện bình thường, những chiếc kẹp tóc này hoạt động như một chiếc phanh, ngăn cản ribosome tạo ra các protein phòng vệ có hướng dẫn nằm sâu hơn ở phía dưới.

Nhưng khi cây Arabidopsis cảm nhận được chúng đang bị tấn công, các enzyme đặc biệt gọi là RNA helicase được tạo ra để giải mã các kẹp tóc để ribosome có thể đi qua và tiếp tục quét dọc theo phân tử mRNA.

Dong cho biết: “Khi loại bỏ các dấu hiệu dừng này, các ribosome không dừng lại ở đó mà còn đi xuống sâu hơn để dịch mã các protein phòng vệ”.

Mặc dù nhóm nghiên cứu đã thực hiện phần lớn các thí nghiệm trên cây Arabidopsis, nhưng các cấu trúc helicase RNA và cấu trúc kẹp tóc tương tự đã được tìm thấy ở các sinh vật khác, từ nấm men đến con người, cho thấy cơ chế tái lập trình tổng hợp protein này có thể phổ biến.

Trong các thí nghiệm tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy nghiên cứu để đưa ra thiết kế cho chiếc kẹp tóc mRNA do phòng thí nghiệm tạo ra và thêm nó vào gen của con người. Những chiếc kẹp tóc tổng hợp cũng có tác dụng thay đổi quá trình sản xuất protein trong tế bào người.

Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tạm thời cho phát hiện này.

Dong cho biết những phát hiện này có thể dẫn đến những phương pháp mới để tạo ra cây trồng “không chỉ có khả năng kháng mầm bệnh mà còn chống lại các bất lợi môi trường như nóng, lạnh và hạn hán”.

Dong cho biết, trong tương lai, cũng có thể thiết kế những chiếc kẹp tóc mRNA để chỉnh sửa bộ gen nhằm giúp chống lại nhiễm trùng hoặc điều trị bệnh ở người.

Dong cho biết: “Mục tiêu là giúp các tế bào sản xuất đúng lượng protein vào đúng thời điểm và đúng nơi. Đây là một bước hướng tới mục tiêu đó”.

Đỗ Thị Nhạn theo Đại học Duke.