Phát hiện protein mới liên quan đến quá trình phối trộn nhiễm sắc thể trong giảm phân ở thực vật
Các nhà nghiên cứu tại Viện IPK Leibniz đã phát hiện ra một protein mới giữ vai trò trung tâm trong quá trình sinh sản hữu tính của thực vật. Protein này, được đặt tên là SCEP3, có vai trò thiết yếu trong việc phối trộn và phân bố chính xác các nhiễm sắc thể trong quá trình giảm phân. Đây là một quá trình then chốt nhằm duy trì tính đa dạng di truyền.
Giảm phân là một quá trình cốt lõi trong sinh sản hữu tính, tạo ra các giao tử mang bộ nhiễm sắc thể đơn bội (như hạt phấn và noãn ở thực vật), các tế bào này sẽ hợp nhất trong quá trình thụ tinh để tạo thành hợp tử với bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội ban đầu. Giai đoạn đầu của giảm phân bao gồm quá trình tái tổ hợp di truyền, tức sự trao đổi tương hỗ giữa các nhiễm sắc thể tương đồng có nguồn gốc từ bố và mẹ, qua đó thúc đẩy sự đa dạng di truyền.
Một cấu trúc quan trọng trong suốt quá trình này là phức hợp synaptonemal, một cấu trúc dạng “khóa kéo” gồm các protein, có nhiệm vụ giữ các nhiễm sắc thể tương đồng gắn kết với nhau và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi vật liệu di truyền. Các sự kiện trao đổi này có vai trò then chốt trong việc tái tổ chức tổ hợp gen, từ đó đóng góp vào sự đa dạng của thế hệ sau. Tuy nhiên, số lượng và vị trí các điểm hoán vị trên nhiễm sắc thể bị giới hạn, làm giảm tiềm năng biến dị di truyền trong công tác chọn giống.
Trước đây, chỉ có ba protein, ZYP1, SCEP1 và SCEP2, được xác định là thành phần thiết yếu cấu thành nên phức hợp synaptonemal ở cây mô hình Arabidopsis thaliana. Vai trò và sự hiện diện của các protein bổ sung vẫn chưa được làm sáng tỏ. Nghiên cứu mới đã phát hiện SCEP3 là một protein mới thuộc phức hợp này và nằm ở vị trí trung tâm của cấu trúc.
Để xác định chức năng sinh học của SCEP3, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các dòng đột biến gen tương ứng trên cây Arabidopsis bằng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9. Thông qua kính hiển vi độ phân giải cao, nhóm nghiên cứu đã xác định chính xác vị trí không gian của SCEP3 trong phức hợp synaptonemal, đồng thời theo dõi tương tác phân tử của nó với các protein liên quan khác.
Bên cạnh đó, thế hệ con của các dòng cây đột biến này có biểu hiện sự gia tăng số lượng và sự phân bố ngẫu nhiên hơn của các sự kiện tái tổ hợp. Ngoài ra, sự khác biệt về số lượng điểm hoán vị giữa giao tử đực và cái vốn có ở Arabidopsis thaliana (trong đó cây cái thường có ít điểm hoán vị hơn) đã không còn được quan sát thấy trong các dòng đột biến.
“Chúng tôi nhận thấy rằng SCEP3 là thành phần không thể thiếu của phức hợp synaptonemal, và được bảo tồn trong quá trình tiến hóa ở thực vật. Việc thiếu vắng protein này dẫn đến sự bất khả trong việc hình thành cấu trúc phức hợp,” Tiến sĩ Chao Feng, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. Tuy nhiên, chức năng của SCEP3 không chỉ giới hạn ở cấu trúc. “Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng SCEP3 có vai trò điều hòa đáng kể cả về số lượng lẫn sự phân bố của các điểm hoán vị.”
Tiến sĩ Stefan Heckmann, trưởng nhóm nghiên cứu độc lập về “Giảm phân” tại IPK, nhận định: “Nghiên cứu này mở rộng hiểu biết của chúng ta về các cơ chế phức tạp chi phối giảm phân và tái tổ hợp di truyền - những yếu tố nền tảng cho tiến hóa và đa dạng sinh học. Việc SCEP3 được bảo tồn qua tiến hóa gợi ý rằng nó có thể đảm nhiệm các chức năng tương tự ở các loài thực vật khác, thậm chí có khả năng ở các sinh vật khác.”
“Hiểu rõ hơn về cơ chế kiểm soát sự hình thành hoán vị sẽ tạo điều kiện cho các nhà chọn giống phát triển các giống cây trồng mới với đặc tính mong muốn theo hướng có chủ đích. Về lâu dài, điều này có thể hỗ trợ việc thích ứng của cây trồng với biến đổi khí hậu, tăng cường khả năng kháng bệnh và sâu hại, cũng như nâng cao năng suất nông nghiệp.”
Giảm phân là một quá trình cốt lõi trong sinh sản hữu tính, tạo ra các giao tử mang bộ nhiễm sắc thể đơn bội (như hạt phấn và noãn ở thực vật), các tế bào này sẽ hợp nhất trong quá trình thụ tinh để tạo thành hợp tử với bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội ban đầu. Giai đoạn đầu của giảm phân bao gồm quá trình tái tổ hợp di truyền, tức sự trao đổi tương hỗ giữa các nhiễm sắc thể tương đồng có nguồn gốc từ bố và mẹ, qua đó thúc đẩy sự đa dạng di truyền.
Một cấu trúc quan trọng trong suốt quá trình này là phức hợp synaptonemal, một cấu trúc dạng “khóa kéo” gồm các protein, có nhiệm vụ giữ các nhiễm sắc thể tương đồng gắn kết với nhau và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi vật liệu di truyền. Các sự kiện trao đổi này có vai trò then chốt trong việc tái tổ chức tổ hợp gen, từ đó đóng góp vào sự đa dạng của thế hệ sau. Tuy nhiên, số lượng và vị trí các điểm hoán vị trên nhiễm sắc thể bị giới hạn, làm giảm tiềm năng biến dị di truyền trong công tác chọn giống.
Trước đây, chỉ có ba protein, ZYP1, SCEP1 và SCEP2, được xác định là thành phần thiết yếu cấu thành nên phức hợp synaptonemal ở cây mô hình Arabidopsis thaliana. Vai trò và sự hiện diện của các protein bổ sung vẫn chưa được làm sáng tỏ. Nghiên cứu mới đã phát hiện SCEP3 là một protein mới thuộc phức hợp này và nằm ở vị trí trung tâm của cấu trúc.
Vị trí của protein SCEP3 trên phức hợp synaptomenal (Ảnh: Nature Plants, 2025).
Để xác định chức năng sinh học của SCEP3, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các dòng đột biến gen tương ứng trên cây Arabidopsis bằng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9. Thông qua kính hiển vi độ phân giải cao, nhóm nghiên cứu đã xác định chính xác vị trí không gian của SCEP3 trong phức hợp synaptonemal, đồng thời theo dõi tương tác phân tử của nó với các protein liên quan khác.
Bên cạnh đó, thế hệ con của các dòng cây đột biến này có biểu hiện sự gia tăng số lượng và sự phân bố ngẫu nhiên hơn của các sự kiện tái tổ hợp. Ngoài ra, sự khác biệt về số lượng điểm hoán vị giữa giao tử đực và cái vốn có ở Arabidopsis thaliana (trong đó cây cái thường có ít điểm hoán vị hơn) đã không còn được quan sát thấy trong các dòng đột biến.
“Chúng tôi nhận thấy rằng SCEP3 là thành phần không thể thiếu của phức hợp synaptonemal, và được bảo tồn trong quá trình tiến hóa ở thực vật. Việc thiếu vắng protein này dẫn đến sự bất khả trong việc hình thành cấu trúc phức hợp,” Tiến sĩ Chao Feng, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. Tuy nhiên, chức năng của SCEP3 không chỉ giới hạn ở cấu trúc. “Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng SCEP3 có vai trò điều hòa đáng kể cả về số lượng lẫn sự phân bố của các điểm hoán vị.”
Tiến sĩ Stefan Heckmann, trưởng nhóm nghiên cứu độc lập về “Giảm phân” tại IPK, nhận định: “Nghiên cứu này mở rộng hiểu biết của chúng ta về các cơ chế phức tạp chi phối giảm phân và tái tổ hợp di truyền - những yếu tố nền tảng cho tiến hóa và đa dạng sinh học. Việc SCEP3 được bảo tồn qua tiến hóa gợi ý rằng nó có thể đảm nhiệm các chức năng tương tự ở các loài thực vật khác, thậm chí có khả năng ở các sinh vật khác.”
“Hiểu rõ hơn về cơ chế kiểm soát sự hình thành hoán vị sẽ tạo điều kiện cho các nhà chọn giống phát triển các giống cây trồng mới với đặc tính mong muốn theo hướng có chủ đích. Về lâu dài, điều này có thể hỗ trợ việc thích ứng của cây trồng với biến đổi khí hậu, tăng cường khả năng kháng bệnh và sâu hại, cũng như nâng cao năng suất nông nghiệp.”
Đinh Thiện Quân - Hcmbiotech,Nguồn: Phys.org
Số lần xem: 22
