Nghiên cứu dựa trên một kỹ thuật trước đó gọi là optogenetics*, kỹ thuật này sử dụng các protein nhằm thay đổi chức năng của chúng trong việc phản ứng với ánh sáng. Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng các protein nhạy sáng để kích thích/ức chế sự biểu hiện của một gene mục tiêu xác định gần như là ngay lập tức sau khi được chiếu sáng....
Mặc dù các tế bào người chứa khoảng 20 ngàn gene, nhưng chỉ 1 phần nhỏ trong tổng số trên là hoạt động tại một thời điểm nhất định, phụ thuộc vào các nhu cầu của tế bào – các nhu cầu có thể thay đổi từng giờ, từng phút. Để tìm hiểu những gene này làm gì, các nhà nghiên cứu cần các công cụ có thể điều khiển trạng thái của chúng trong một thời gian ngắn như trên.
Hiện tại điều này đã trở nên khả thi, nhờ có một kỹ thuật mới phát triển tại MIT và Viện Nghiên Cứu Broad có thể khởi động hoặc dừng sự biểu hiện của bất cứ gene nào đơn giản chỉ bằng việc chiếu sáng các tế bào.
Nghiên cứu dựa trên một kỹ thuật trước đó gọi là optogenetics*, kỹ thuật này sử dụng các protein nhằm thay đổi chức năng của chúng trong việc phản ứng với ánh sáng. Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng các protein nhạy sáng để kích thích/ức chế sự biểu hiện của một gene mục tiêu xác định gần như là ngay lập tức sau khi được chiếu sáng.
“Các tế bào có sự biểu hiện động học của gene xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn, cho đến nay các phương pháp được sử dụng để can thiệp sự biểu hiện gene thì thậm chí vẫn chưa thể tiếp cận những trạng thái động học trên. Để hiểu rõ hơn tác động chức năng của các biểu hiện gene này, chúng tôi phải phải bắt kịp các trạng thái động học đó gần nhất có thể”, sinh viên tốt nghiệp lĩnh vực não bộ và khoa học nhận thức tại MIT Silvana Konermann cho biết.
Khả năng để điều khiển một cách chính xác thời điểm và thời gian của việc biểu hiện gene sẽ khiến việc xác định vai trò của các gene trở nên dễ dàng hơn, đặc biệt những gene liên quan tới học tập và trí nhớ. Kỹ thuật mới này cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các thay đổi biểu sinh – các thay đổi hóa học của các protein bao quanh DNA – cũng được cho là đóng vai trò quan trọng trong việc học tập và trí nhớ.
Konermann và một sinh viên tốt nghiệp khác thuộc Đại học Harvard là Mark Brigham là các tác giả chính của bài báo về nghiên cứu này được mô tả trên ấn bản online của Nature ngày 22/07. Một tác giả chính khác - người đã cung cấp tài nguyên cho nghiên cứu là Feng Zhang, trợ lý giáo sư W.M. Keck lĩnh vực kỹ thuật hóa sinh tại MIT và là thành viên chủ chốt của Viện Broad và Viện Nghiên Cứu Não Bộ MIT’s McGovern.
Chiếu Sáng Các Gene:
Kỹ thuật mới bao gồm vài thành phần tương tác với nhau để điều khiển số lượng mRNA tạo ra từ DNA, mRNA chứa các chỉ đạo của gene. Đầu tiên một protein gắn kết với DNA gọi là “tác quan mang tính kích hoạt” (activator-like effector : viết tắt là TALE). Các TALE là những protein mô-đun có thể được buộc bằng dây theo một cách tùy chỉnh nhằm liên kết với bất kì chuỗi DNA nào.
Được gắn kết với protein TALE là một protein nhạy sáng gọi là CRY2 được tìm thấy ở cây Arabidopis thaliana, một loài thực vật ra hoa nhỏ. Trong tự nhiên, khi ánh sáng tiếp xúc với CRY2, CRY2 thay đổi hình dạng và gắn kết vào một protein tương ứng khác gọi là CIB1. Để khai thác điều này, các nhà nghiên cứu đã biến đổi hình dạng của CIB1 để từ đó gắn nó vào một protein khác nữa nhằm kích hoạt/ức chế việc sao mã gene.
Sau khi các gene chứa các thành phần này được chuyển vào một tế bào, protein TALE sẽ tìm kiếm DNA mục tiêu và cuộn quanh DNA này. Khi ánh sáng chiếu vào tế bào, protein CRY2 sẽ gắn kết với CIB1 đang trôi nổi trong tế bào. CIB1 có thể mang một tác nhân kích hoạt việc phiên mã hay một tác nhân ức chế làm ngừng quá trình này.
Một xung ánh sáng là đủ để kích thích protein gắn kết và khởi động quá trình sao mã. Các nhà nghiên cứu xác định rằng nếu các xung ánh sáng được được phát ra đều đặn mỗi phút thì đây là cách hữu hiệu nhất để sự phiên mã diễn ra liên tục trong một khoảng thời gian. Trong vòng 30 phút chiếu sáng, các nhà nghiên cứu xác định có sự tăng lên số lượng mRNA tạo ra từ gene mục tiêu. Khi các xung ánh sáng dừng lại, các mRNA bắt đầu bị giáng hóa trong vòng 30 phút.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã nhắm tới 30 gene khác nhau, ở cả các neuron được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và trong các động vật sống. Phụ thuộc vào gene mà họ nhắm đến và tần suất thông thường mà chúng được biểu hiện, các nhà nghiên cứu đã có thể thúc đẩy sự phiên mã từ 2 đến 100 lần.
Karl Deisseroth, giáo sư kỹ thuật sinh học tại Đại Học Stanford và là một trong những nhà phát minh kỹ thuật optogenetics, cho biết đây là một cải tiến quan trọng cho phép điều khiển các gene của tế bào một cách tự nhiên, thay vì biến đổi chúng.
“Bạn có thể điều khiển chúng tại thời điểm chính xác, tại một locus xác định và quan sát phản ứng, với độ chính xác cao”, Deisseroth cho biết.
Các Thay Đổi Biểu Sinh:
Một nhân tố khác trong việc điều khiển biểu hiện gene là sự thay đổi biểu sinh. Một nhóm chính của các tác quan biểu sinh là sự thay đổi hóa học của các protein histone, các histone neo giữ DNA của nhiễm sắc thể và kiểm soát các gene. Các nhà nghiên cứu cho thấy rằng họ cũng có thể điều chỉnh những thay đổi biểu sinh này bằng việc gắn kết các protein TALE vào histone.
Các thay đổi biểu sinh được xem là đóng vai trò quan trọng trong việc học tập và hình thành nên trí nhớ, nhưng vẫn chưa được hiểu rõ bởi vì không có cách nào để can thiệp các thay đổi này, không có cách can thiệp sự thay đổi của histone trong hệ gene. Kỹ thuật mới này cung cấp một phương thức để can thiệp một cách chính xác những thay đổi này đối với từng gene xác định.
“Chúng tôi muốn giúp mọi người chứng minh vai trò của các thay đổi biểu sinh trong hệ gene,” Zhang cho biết.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng một vài vùng tác quan histone có thể bị trói buộc với các protein nhạy sáng, họ đang cố gắng mở rộng các loại histone được biến đổi để gắn vào hệ thống.
“Sẽ thật là hữu dụng khi mở rộng số lượng các thay đổi biểu sinh mà chúng tôi có thể điều chỉnh. Hiện tại chúng tôi đã có thể tác động một số lượng xác định, nhưng vẫn còn rất nhiều thay đổi biểu sinh ngoài kia mà chúng tôi muốn can thiệp với kỹ thuật này”, Brigham cho biết.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Học Bổng Hubert Schoemaker; Một giải thưởng R01 của Viện Y Tế Quốc Gia Hoa Kì; một giải thưởng dành cho những người tiên phong trong lĩnh vực mới của NIH Director, các tổ chức Keck, McKnight, Vallee, Damon Runyon, Searle Scholars, Klingenstein và Simons foundation cùng Bob Metcalfe và Jane Pauley.
Nguồn: http://www.sciencedaily.com/releases/2013/07/130723113749.htm
*Optogenetic là phương pháp kết hợp giữa các kỹ thuật nghiên cứu quang học và di truyền trong thử nghiệm các mạch thần kinh ở tốc độ cao cần thiết nhằm nắm được các quá trình xử lý thông tin trong não bộ. Trong một lĩnh vực nhất định, nó đang được sử dụng để tìm hiểu tác động của các biện pháp điều trị như xoa bóp não sâu có thể giúp ích cho những người bị bệnh thoái hóa thần kinh.
Đang trực tuyến :
16
Số lượt truy cập :
33449671 
Trở lại
In
Số lần xem: 1599
