Thực vật sống sót như thế nào dưới sự tổn thương DNA liên tục

Các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu Salk đã khám phá một “lớp phòng thủ bổ sung” đặc biệt giúp thực vật bảo vệ các tế bào gốc và sửa chữa các tổn thương DNA chính xác hơn.

Các điểm nổi bật

Các nhà khoa học đã xác định YAF9B như là một protein được kích hoạt bởi sự tổn thương DNA, hoạt động giống như một nhân viên phản ứng khẩn cấp đối với những thay đổi di truyền đe doạ sự sống của các mô thực vật có chứa tế bào gốc.

Nghiên cứu thể hiện cách thực vật tận dụng các tín hiệu di truyền đặc biệt để sửa chữa chính xác đứt gãy DNA nguy hiểm. Phát hiện này có thể giúp cải thiện sự chỉnh sửa gen một cách chính xác và khả năng phục hồi của cây trồng.

Tương tự với cách tổn thương DNA có thể góp phần gây ra bệnh trên người giống như bệnh ung thư, nó có thể làm gián đoạn sự sinh trưởng, phát triển, và khả năng sống sót của thực vật. Mỗi ngày, thực vật chịu đựng những yếu tố căng thẳng từ môi trường như ánh sáng, phóng xạ, khô hạn, và căng thẳng về đất - tất cả những yếu tố này có thể gây tổn thương DNA thực vật. Tuy nhiên, thực vật không thể di chuyển khỏi những nguy hiểm này. Làm thế nào thực vật có thể kiểm soát hết tất cả những mối nguy hại này?

Thực vật dựa vào hệ thống chỉnh sửa mạnh mẽ để quản lý và chỉnh sửa bộ gen của chúng. Nhưng làm thế nào thực vật điều phối những sửa chữa này - đặc biệt trong tế bào gốc giống như các mô chịu trách nhiệm cho sự sinh trưởng - vẫn chưa được hiểu rõ ràng.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu thuộc Viện Salk đã khám phá ra một protein sửa chữa DNA chuyên biệt mà protein này xuất hiện để hoạt động như là một “lớp phòng thủ bổ sung” của thực vật.

Những phát hiện này được công bố ngày 8/6/2026, trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, thể hiện rằng thực vật đã tiến hoá một protein độc nhất, được gọi là YAF9B, protein này chỉ được kích hoạt sau khi DNA bị tổn thương để giúp bảo vệ quần thể tế bào gốc chuyên biệt khỏi sự bất ổn định di truyền.

Tại sao sự sửa chữa DNA lại rất quan trọng ở thực vật?

Tác giả cao cấp, tiến sỹ Julie Law, giáo sư tại Salk cho biết: “Thực vật rất đặc biệt bởi vì chính yếu tố giúp chúng sinh trưởng – ánh sáng mặt trời – lại liên tục làm tổn thương DNA. Câu hỏi được đặt ra là làm thế nào thực vật có thể đối phó với mức độ tổn thương của DNA như vậy?

Bên trong tế bào thực vật, DNA được quấn chặt xung quanh các protein gọi là histones. Các histones được bao phủ bởi DNA sau đó tập hợp lại với nhau để hình thành một cấu trúc dày đặc gọi là chromatin. Trong khi sự tổ chức này giúp giữ trật tự cho bộ gen, nó cũng làm cho việc phát hiện và sửa chữa DNA bị tổn thương trở nên khó khăn hơn nhiều, vì các vùng DNA bị đứt gãy có thể trở nên khó tiếp cận hơn.

GS. Law cho biết: “Để sửa chửa DNA bị tổn thương, trước tiên chúng ta cần phát hiện tổn thương và sau đó huy động các proteins cần thiết để giải phóng chromatin và sửa chữa DNA”.

Vật liệu di truyền được đóng gói xung quanh các protein gọi là histones (màu tím) và được gấp lại thành các cấu trúc nhiễm sắc thể lớn hơn (màu xanh) để vừa tổ chức DNA bên trong nhân tế bào, vừa ảnh hưởng đến cách DNA được tiếp cập và duy trì. Sử dụng cây mô hình Arabidopsis thaliana, các nhà khoa học của Viện Salk đã phát hiện ra rằng, khi phát hiện tổn thương DNA trong quần thể tế bào gốc, mức độ protein YAF9B (màu hồng) sẽ tăng lên. YAF9B làm việc cùng với các yếu tố sửa chửa DNA chính xác và duy trì sự ổn định di truyền. Nguồn: Amy Cao, Hoạ sỹ minh hoạ cao cấp, Viện Salk.

Yếu tố ứng phó khẩn cấp để sửa chữa: YAF9A và YAF9B

Để giải quyết vấn đề này, thực vật dựa vào các protein chuyên biệt hoạt động như là lực lượng phản ứng khẩn cấp đối với DNA bị tổn thương. Những protein này giúp mở cấu trúc chromatin đang được đóng gói chặt, trực tiếp đưa hệ thống sửa chữa đến nơi DNA bị gãy và điều phối quá trình sửa chữa.

Tác giả thứ nhất Neeraja Vegesna, Cựu Nghiên cứu Sau Đại học tại phòng thí nghiệm của GS. Law cho biết: “Những họ protein này được tìm thấy ở nấm men, động vật và thực vật. Nhưng thực vật tiến hoá thêm một phiên bản thứ hai, YAF9B là một dạng hoạt hoá đặc biệt sau khi xảy ra DNA bị tổn thương”.

YAF9A hoạt động giống như một protein đáp ứng - sửa chữa rộng hoạt động trên toàn bộ cây, trong khi YAF9B là một dạng chuyên biệt tập trung trong các mô có nhiều tế bào gốc nơi tạo ra rễ, chồi và lá mới.

Law nói thêm rằng: “Những tế bào gốc này tạo ra các phần còn lại của cây. Giả thuyết được đặt ra là thực vật tạo ra những yếu tố này để giúp bảo vệ những tế bào này và cho chúng một cơ hội tốt hơn để thực hiện việc sửa chữa DNA một cách chính xác.

Điều gì đặc biệt trong cơ chế sửa chữa của YAF9A và YAF9B?

Thực vật có thể sửa chữa các tổn thương DNA trong nhiều cách. Một cách gọi là nối đầu không tương đồng, được ưa chuộng vì tốc độ của nó. Giống như việc vá lỗi nhanh chóng trong lúc khẩn cấp, nó nhanh chóng hàn gắn các đoạn DNA bị đứt lại với nhau. Phương pháp này hầu như hoạt động tốt nhưng có nguy cơ gây ra lỗi hoặc đột biến trong trình tự DNA.

Phương pháp khác gọi là sửa chữa theo hướng tương đồng, chậm hơn nhưng chính xác hơn. Thay vì đơn giản là kết nối lại các đoạn DNA bị đứt gãy, tế bào cẩn thận xây dựng lại trình tự bị hư hỏng sử dụng một bản sao DNA nguyên vẹn như là một khuôn mẫu, bảo tồn thông tin di truyền gốc.

GS. Law cho biết: “Sửa chữa DNA chính xác là cần thiết để duy trì tính ổn định di truyền, nhưng quá trình này phụ thuộc vào nhiều protein làm việc cùng với nhau bên trong chromatin. Điều thú vị về nghiên cứu này là chúng tôi đã xác định YAF9B như là một protein định vị chromatin đáp ứng với những tổn thương DNA, giúp các tế bào thực hiện các quá trình sửa chữa DNA với độ chính xác cao, qua đó hé lộ một cơ chế cải tiến mới được thực vật sử dụng để bảo vệ bộ gen của chúng. Mục tiêu kế tiếp của chúng tôi là tìm hiểu cách các yếu tố tác động lên chromatin này điều phối các giai đoạn khác nhau của quá trình sửa chữa DNA và làm thế nào YAF9B thúc đẩy quá trình sửa chữa DNA một cách chính xác và hiệu quả”.

Liệu khám phá này có giúp cải thiện tương lai của các giống cây trồng?

Các xu hướng chỉnh sửa gen hiện tại dựa trên CRISPR ở thực vật thường kích hoạt nhanh các con đường sửa chữa DNA, nhưng dễ xảy ra lỗi, làm giới hạn khả năng thay thế hoặc chèn đoạn gen của các nhà khoa học. Thông qua việc hiểu thực vật tự nhiên đã kích hoạt quá trình sửa chữa DNA một cách chính xác cao, các nhà nghiên cứu hy vọng các nghiên cứu tiếp theo có thể giúp hướng dẫn chỉnh sửa gen chính xác đồng thời cũng cải thiện tính ổn định di truyền trong các mô sinh trưởng quan trọng.

Julie Law đã phát hiện protein YAF9B xuất hiện để cứu nguy trong quá trình hư hại DNA, hỗ trợ khu vực cần sửa chữa dễ dàng được tiếp cận. Nguồn: Viện Nghiên cứu Salk.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu hy vọng hiểu được các protein có liên hệ gần với nhau thế nào, YAF9A và YAF9B đóng vai trò khác nhau trong suốt quá trình sửa chữa. Các nhà nghiên cứu muốn khám phá chính xác điều gì cho phép YAF9B có chức năng như là một yếu tố đáp ứng tổn  DNA chuyên biệt và cách hai protein phối hợp trong các giai đoạn khác nhau của quá trình sửa chữa.

GS. Law cho rằng: “nếu chúng ta có thể hiểu cách thực vật thúc đẩy quá trình sửa chữa chính xác cao, chúng ta thậm chí có thể cải thiện các kỹ thuật chỉnh sửa gen ở thực vật”.

Trương Thị Tú Anh theo Viện Nghiên cứu Salk.