Các nhà nghiên cứu tại Texas A&M AgriLife đã tái định nghĩa hiểu biết của chúng ta về một quá trình quan trọng trong sinh học thực vật. MicroRNA có thể giúp cây trồng chịu hạn, mặn, các tác nhân gây bệnh và nhiều yếu tố khác tốt hơn. Tuy nhiên, trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature Plants, các nhà khoa học của Texas A&M AgriLife Research đã chỉ ra rằng chúng ta còn nhiều điều chưa biết về các quá trình phức tạp mà thực vật sử dụng để sản xuất microRNA.

MicroRNA là các phân tử nhỏ có thể hướng dẫn protein giảm biểu hiện gen và việc tạo ra các phiên bản nhân tạo cho phép các nhà khoa học nhắm mục tiêu vào các gen cụ thể để cải thiện cây trồng.

"Mặc dù các phân tử microRNA rất nhỏ, nhưng tác động của chúng là rất lớn", tiến sỹ Xiuren Zhang, giáo sư tại Khoa Hóa sinh và Sinh học Phân tử, Trường Cao đẳng Nông nghiệp và Khoa học Đời sống Texas A&M cho biết.

Sử dụng các đột biến chính xác và thiết kế thí nghiệm thông minh, các nhà nghiên cứu của Texas A&M AgriLife đã đánh giá lại tổng quan của microRNA trong cây trồng mô hình Arabidopsis thaliana và phát hiện ra rằng chưa đến một nửa trong số chúng được xác định chính xác là microRNA, trong khi những cái khác bị phân loại sai hoặc cần được điều tra thêm.

Ngoài việc làm rõ các phân tử microRNA thực sự trong Arabidopsis thaliana, nghiên cứu còn cung cấp một thiết kế thí nghiệm hiệu quả để lặp lại phân tích này trên các cây trồng khác và thậm chí cả động vật, những đối tượng cũng có thể cần một đánh giá tương tự. Những phát hiện của nhóm nghiên cứu cũng giúp họ tạo ra các hướng dẫn mới cho việc thiết kế microRNA nhân tạo, mở ra cơ hội cải thiện các loại cây trồng như ngô, lúa mì, đậu nành và lúa.

Một Nỗ Lực Kéo Dài Hàng Thập Kỷ

MicroRNA có chiều dài đồng nhất khoảng 21 đến 24 nucleotide. Tuy nhiên, trong thực vật, tiến sỹ Zhang cho biết các tiền chất của chúng có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau.

Do sự đa dạng về cấu trúc của các tiền chất, việc xác định các đặc điểm chính nào là quan trọng nhất cho quá trình xử lý của chúng đã là một thách thức và điều này đã để lại câu hỏi về cách microRNA được tạo ra trong thực vật phần lớn chưa được khám phá và xác minh.

Khoảng 10 năm trước, tiến sỹ Zhang cho biết, ông và phòng thí nghiệm của mình đã tìm thấy một mô hình giữa một vòng lặp trên cấu trúc tiền chất microRNA và vị trí cắt đầu tiên. Vết cắt ban đầu này rất quan trọng vì nó xác định nucleotide đầu tiên trên phân tử microRNA trưởng thành, một yếu tố quan trọng để hướng nó đến vị trí chính xác trong tế bào.

Arabidopsis thaliana, còn được gọi là cải xoong và cải tai chuột, là cây mô hình cho sinh học thực vật. Bộ gen tương đối nhỏ, tốc độ tăng trưởng nhanh và sản xuất nhiều hạt khiến nó đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu. Nguồn: Xingxing Yan/Texas A&M AgriLife.

Thật không may, trong số 326 tiền chất microRNA được đề xuất trong Arabidopsis thaliana, chỉ có một vài có vòng lặp tham chiếu lý tưởng mà phòng thí nghiệm của Zhang tìm thấy — ít nhất là theo các mô hình tính toán.

"Các mô hình dựa trên hóa học thuần túy", tiến sỹ Zhang nói. "Chúng chỉ tập trung vào năng lượng tự do, vào những dạng ổn định nhất. Nhưng không thể giải thích tại sao nhiều tiền chất đa dạng lại có thể tạo ra các sản phẩm có cùng kích thước".

Thay vì dựa vào các mô hình, phòng thí nghiệm của Zhang đã tìm cách xác minh các tiền chất microRNA trong thực vật. Họ muốn tìm các vị trí cắt đầu tiên trên các tiền chất và xác nhận các yếu tố cấu trúc của chúng trong tế bào.

Phát hiện bất ngờ

Để làm điều này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện các đột biến rất cụ thể đối với protein dicer, như tên gọi của nó, chịu trách nhiệm tạo ra các vết cắt chính xác cho tiền chất microRNA. Thông thường, protein hoạt động như hai bàn tay giữ một sợi kép của RNA tiền chất và cắt tại một vị trí trong mỗi sợi đồng thời trước khi giải phóng phân tử RNA.

"Chúng tôi đã thực hiện các đột biến điểm tại hai vị trí riêng biệt trong protein giống dicer để làm cho chúng bán hoạt động", Yan nói. "Bằng cách đó, chúng chỉ có thể cắt một sợi và dừng lại trước khi xử lý thêm. Điều này cho chúng tôi cơ hội để nắm bắt các sản phẩm trung gian của tiền chất microRNA, cho chúng tôi biết các vị trí xử lý ban đầu và nucleotide đầu tiên đó".

Li và Yan là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, với sự giám sát của Zhang. Công trình của nhóm đã sửa đổi đáng kể sự hiểu biết hiện tại về quá trình sinh học microRNA ở sinh vật mẫu Arabidopsis thaliana.

Nguồn: Jiaying Zhu/Texas A&M AgriLife.

Kết quả của họ cho thấy chỉ có 147 trong số 326 tiền chất microRNA được cho là tương tác với protein dicer một cách rõ ràng, đánh dấu chúng là tiền chất microRNA thực sự. 81 tiền chất  không tương tác chút nào, cho thấy chúng nên được phân loại lại thành một loại RNA khác. Khoảng 100 tiền chất microRNA  cần được điều tra thêm.

Nhóm nghiên cứu cũng đã sử dụng một kỹ thuật công nghệ cao tiên tiến và phương pháp tính toán mới để lập bản đồ cấu trúc của các tiền chất microRNA trong điều kiện tế bào tự nhiên của chúng và phát hiện ra rằng, trong số 147 phân tử microRNA thực sự, khoảng 95% cấu trúc của chúng trong tế bào khác với dự đoán của máy tính.

"Chúng tôi đã tìm thấy một số kết quả khá khác biệt so với dự đoán và từ tài liệu", Li nói. "Chúng tôi đã có thể kết hợp kết quả sinh hóa với giải trình tự để có thêm thông tin, và bây giờ hiểu biết của chúng tôi về các cấu trúc chính xác hơn nhiều".

Tương lai

Nhóm nghiên cứu vẫn còn nhiều tiền chất microRNA cần xác nhận trong Arabidopsis thaliana, nhưng Zhang cho biết họ rất hào hứng theo đuổi các hợp tác để điều tra quá trình xử lý microRNA trong các cây trồng để cho các ứng dụng thực tiễn hơn.

"Chúng tôi muốn tìm hiểu thêm về loại microRNA ở các cây trồng khác, cách chúng được xử lý và cách chúng tôi có thể tạo ra microRNA nhân tạo trong các cây này", ông nói. "Nghiên cứu này cung cấp các tài nguyên có thể được sử dụng rộng rãi, và bây giờ chúng tôi có thể sử dụng nó để xem xét trên các cây trồng khác, tìm ra những gì cần được sửa chữa và xem chúng tôi có thể làm gì khác với công cụ này".

Bùi Anh Xuân theo Texas A&M.