Ngoại di truyền (Epigenetics) giữa các thế hệ: chúng ta được di truyền không chỉ là gene

Ngoại di truyền (Epigenetics) giữa các thế hệ: chúng ta được di truyền không chỉ là gene

 

Chúng ta không chỉ là kết quả của sự kết hợp genome từ bố và mẹ. Các cơ chế ngoại di truyền (epigenetic mechanisms) được điều chỉnh và biến đổi bởi các tín hiệu môi trường như chế độ ăn uống, bệnh tật hoặc lối sống đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa “đóng– mở” gene. Từ lâu, các nhà khoa học đã tranh luận, liệu các biến đổi ngoại di truyền tích lũy trong suốt cuộc đời có thể di truyền cho thế hệ con hoặc thậm chí cháu. Gần đây, các nhà nghiên cứu từ Viện Miễn dịch học và Ngoại di truyền Max Planck ở Freiburg, Đức đưa ra bằng chứng hùng hồn rằng không chỉ DNA được di truyền mà các chỉ dẫn ngoại di truyền (epigenetic instructions) cũng góp phần điều hòa sự biểu hiện gene ở thế hệ con cái. Hơn nữa, các nhà khoa học từ phòng thí nghiệm Nicola Iovino lần đầu tiên mô tả các kết quả về mặt sinh học của thông tin ngoại di truyền. Nghiên cứu này chứng minh rằng sự ghi nhớ ngoại di truyền (epigenetic memory) từ người mẹ rất cần thiết cho sự phát triển và sống còn của thế hệ sau.
 

Cơ thể chúng ta có hơn 250 loại tế bào khác nhau, tất cả chúng đều có bộ DNA giống hệt nhau. Tuy nhiên, các tế bào gan hoặc tế bào thần kinh lại rất khác biệt và có những khả năng (skills) khác nhau. Quá trình tạo ra sự khác biệt này được gọi là ngoại di truyền (epigenetics). Các biến đổi ngoại di truyền phân bố ở các vùng chuyên biệt trên DNA để “thu hút” hoặc “né tránh” các protein kích hoạt gene. Vì vậy, những biến đổi này dần dần tạo ra những khuôn mẫu điển hình cho vùng DNA hoạt động và vùng DNA bất hoạt ở mỗi loại tế bào. Ngoài ra, trái ngược với trình tự “chữ cái” cố định của DNA, những ghi dấu ngoại di truyền (epigenetic marks) có thể thay đổi trong suốt cuộc đời để đáp ứng với môi trường hoặc lối sống của chúng ta. Ví dụ, hút thuốc lá thay đổi dấu ấn ngoại di truyền (epigenetic makeup) của tế bào phổi, thậm chí dẫn đến ung thư. Các kích thích bên ngoài như căng thẳng, bệnh tật hoặc chế độ ăn uống cũng được cho là lưu trữ trong ghi nhớ ngoại di truyền của tế bào.
 

Từ lâu các nhà khoa học cho rằng những biến đổi ngoại di truyền không bao giờ truyền qua thế hệ sau. Các nhà khoa học đã giả định rằng sự ghi nhớ ngoại di truyền được tích lũy trong suốt cuộc đời sẽ hoàn toàn bị xóa trong quá trình phát triển tinh trùng và tế bào trứng. Gần đây, một nhóm nghiên cứu đã khuấy động cộng đồng khoa học bằng cách chỉ ra rằng các ghi dấu ngoại di truyền thực sự có thể được truyền qua nhiều thế hệ, nhưng chính xác bằng cách nào và điều gì tác động đến những biến đổi di truyền này ở thế hệ con cái thì vẫn chưa được hiểu rõ. “Chúng tôi đã quan sát thấy những dấu hiệu thừa hưởng thông tin ngoại di truyền liên thế hệ từ khi khái niệm ngoại di truyền xuất hiện vào những năm đầu thập niên 90. Ví dụ, các nghiên cứu dịch tễ học cho thấy mối liên quan sâu sắc giữa chế độ dinh dưỡng của ông nội và sự gia tăng nguy cơ mắc bệnh tiểu đường và bệnh tim mạch ở thế hệ cháu của họ. Kể từ đó, nhiều báo cáo khoa học đã đặt ra giả thuyết về sự thừa hưởng ngoại di truyền khác nhau ở các sinh vật khác nhau nhưng cơ chế phân tử vẫn chưa được hiểu rõ” Nicola Iovino, đồng tác giả trong nghiên cứu này cho biết.

Ngoại di truyền giữa các thế hệ

Tác giả và nhóm nghiên cứu tại Viện Miễn dịch học và Ngoại di truyền Maxi Planck ở Freiburg, Đức đã sử dụng ruồi giấm để nghiên cứu các thông tin ngoại di truyền được truyền từ mẹ sang phôi như thế nào. Nhóm nghiên cứu tập trung vào một biến đổi cụ thể là H3K27me3 (sự methyl hóa lysine 27 của protein histone H3). H3K27me3  làm thay đổi chromatin và chủ yếu liên quan đến sự ức chế biểu hiện gene.

Các nhà nghiên cứu của Viện Max Planck đã phát hiện rằng những biến đổi H3K27me3 trên DNA chromatin của tế bào trứng của mẹ vẫn còn hiện diện trong phôi sau khi thụ tinh, mặc dù các ghi dấu ngoại di truyền khác đã bị xoá bỏ. Fides Zenk, tác giả chính của nghiên cứu giải thích: “Điều này cho thấy người mẹ truyền những ghi dấu ngoại di truyền cho con cái của mình, nhưng chúng tôi cũng rất quan tâm rằng liệu những ghi dấu đó có thực hiện điều gì quan trọng trong quá trình phát triển của phôi thai hay không.”

Các dấu ấn ngoại di truyền đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của phôi

Các nhà nghiên cứu đã loại bỏ enzyme methyl hóa histone H3 và phát hiện rằng nếu histone H3 không được đánh dấu (H3K27me3) trong giai đoạn phôi sớm thì phôi không thể phát triển đến giai đoạn cuối. Nicola Iovino nói: “Điều này chỉ ra rằng, trong quá trình sinh sản, thông tin ngoại di truyền không chỉ được di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác mà còn quan trọng cho sự phát triển phôi thai.”

Những nghiên cứu sâu hơn của nhóm cho thấy một số gene quan trọng liên quan đến quá trình phát triển thường bị “đóng” trong giai đoạn phôi sớm lại được “mở” khi không có sự hiện diện của H3K27me3. Fides Zenk giải thích: “Chúng tôi giả định rằng những gene này nếu được kích hoạt quá sớm sẽ làm gián đoạn sự phát triển phôi thai, thậm chí gây chết phôi. Và dường như, các thông tin ngoại di truyền là cần thiết để đảm bảo việc chuyển tải một cách chính xác “mã di truyền” (genetic code) từ bố mẹ sang phôi thai.
 
Ý nghĩa của học thuyết di truyền với sức khoẻ con người
 
Kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học tại Viện Max Planck là một bước tiến quan trọng và thể hiện rõ bằng chứng sinh học của thông tin ngoại di truyền được di truyền cho thế hệ sau. Kết quả nghiên cứu không những cung cấp bằng chứng cho thấy yếu tố ngoại di truyền trên ruồi có thể truyền qua các thế hệ sau, mà còn khám phá ra rằng các dấu ấn ngoại di truyền được truyền từ mẹ là một cơ chế tinh chỉnh để kiểm soát sự hoạt hóa gene trong hàng loạt các quá trình phát triển phức tạp của phôi trong giai đoạn phôi sớm.

Nhóm nghiên cứu tại Freiburg tin rằng những phát hiện của họ có ý nghĩa sâu rộng. “Nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra rằng chúng ta không chỉ thừa hưởng gene từ bố mẹ mà dường như còn thừa hưởng những cơ chế điều hòa gene quan trọng và đã được điều chỉnh chuyên biệt do ảnh hưởng của môi trường và lối sống cá nhân. Những hiểu biết này có thể cung cấp góc nhìn mới rằng ít nhất trong một số trường hợp, sự thích nghi môi trường có thể được truyền tới thế hệ sau” Nicola Iovino giải thích. Hơn nữa, sự hư hỏng của cơ chế ngoại di truyền có thể gây ra các bệnh như ung thư, tiểu đường và những rối loạn tự miễn. Những phát hiện mới này có thể hữu ích cho các nghiên cứu trong lĩnh vực chăm sóc sức khoẻ con người.

 

Tế bào trứng của ruồi giấm cái và tế bào trứng trong đó H3K27me3 được nhuộm màu xanh lá. Tế bào trứng này, cùng với tinh trùng, sẽ tạo ra thế hệ ruồi con tiếp nối. Ở góc trên bên phải, tiền nhân tế bào mẹ và bố trước khi hợp nhất trong quy trình thụ tinh. Màu xanh lá của H3K27me3 duy nhất Open trong tiền nhân tế bào mẹ, cho thấy rằng những hướng dẫn ngoại di truyền ( epigenetic instructions ) được di truyền cho thế hệ tiếp theo. Nguồn : MPI of Immunobiology a. Epigenetics / F. Zenk