Nobel Y Sinh 2019 cho nghiên cứu phản ứng của tế bào khi oxy thay đổi

Ủy ban Nobel ngày 7/10 công bố giải Nobel Y Sinh năm 2019 thuộc về nhóm 3 tác giả William G. Kaelin Jr, Sir Peter J. Ratcliffe và Gregg L. Semenza.

Giải Nobel Y Khoa năm 2019 được trao cho các nhà khoa học William G. Kaelin, Peter Ratcliffe và Greff Semenza vì "các phát hiện về cách các tế bào cảm giác và thích nghi với sự hiện diện của oxy".

Ủy ban Nobel nói rằng dù người ta đã biết từ lâu rằng oxy là thiết yếu để duy trì sự sống, cơ chế phân tử đằng sau cách các tế bào phản ứng khi lượng cung oxy giảm hoặc tăng vẫn là bí ẩn. Và các nhà khoa học đạt giải năm nay chính là người giải thích được cơ chế đó.

"Phát hiện mang tính nền tảng này giúp chúng ta mở rộng tầm hiểu biết về cách thức cơ thể thích nghi với sự thay đổi. Những ứng dụng từ các phát hiện này đã bắt đầu thay đổi cách thức điều trị y tế", Randall Johnson, thành viên Ủy ban Nobel, nhận định về công lao của các nhà khoa học tại buổi họp báo ngày 7/10.

Theo Ủy ban Nobel, cơ chế thích nghi với oxy thay đổi là một trong những lý do các loài động vật có thể thích nghi được ở nhiều điều kiện sống.

Ba nhà khoa học được trao giải Nobel Y Sinh 2019. (Ảnh: Nobel Prize Twitter).

William G . Kaelin là giáo sư y khoa tại Đại học Harvard của Mỹ. Theo Guardian, Ủy ban Nobel không có số điện thoại của Kaelin, nên họ phải đánh thức chị/em gái của ông dậy để chuyển máy cho ông.

Peter Ratcliffe là bác sĩ người Anh chuyên về sinh học tế bào và phân tử, nổi tiếng với công trình nghiên cứu về các phản ứng của tế bào đối với tình trạng thiếu oxy.

Gregg L. Semenza là giáo sư nhi khoa, khoa ung thư, hóa học sinh học, y học và ung thư tại Đại học Y khoa Johns Hopkins. Ông là giám đốc chương trình mạch máu tại Viện Kỹ thuật tế bào. Ông là người nhận giải thưởng Lasker năm 2016 cho nghiên cứu y học cơ bản.

Các nhà khoa học sẽ chia 3 số tiền 9 triệu kronor Thụy Điển (hơn 908.300 USD).

Mở đường cho các liệu pháp mới điều trị ung thư

Ba nhà khoa học Kaelin, Ratcliffe và Semenza đã phát hiện ra cơ chế tế bào quy định hoạt động của các gene phản ứng lại các mức độ oxy khác nhau. Các nghiên cứu này giải thích cách thức những mức oxy khác nhau ảnh hưởng đến trao đổi chất và chức năng sinh lý của tế bào.

Phát hiện của ba nhà khoa học còn giúp mở đường cho các liệu pháp mới để điều trị ung thư, bệnh thiếu máu và nhiều loại bệnh khác.

Thành động mạch cảnh, nằm cạnh những mạch máu lớn nhất ở hai bên cổ trên cơ thể người, nhờ quá trình tiến hóa đã phát triển những tế bào chuyên biệt cảm nhận mức độ oxy trong máu. Mối quan hệ giữa hệ thống cảm nhận này với hoạt động hô hấp, giữa động mạch cảnh và não bộ, đã mang lại giải Nobel Y khoa năm 1938 cho nhà khoa học Cornelle Heymans.

Ba nhà khoa học Kaelin, Ratcliffe và Semenza đã phát hiện ra cơ chế tế bào quy định hoạt động của các gene phản ứng lại các mức độ oxy khác nhau. (Ảnh: New York Times).

Các phát hiện của Kaelin, Ratcliffe và Semenza đi sâu hơn vào cấp độ tế bào cơ thể, những thích nghi sinh lý mang tính nền tảng khác. Phản ứng mang tính chìa khóa đối với hiện tượng mức oxy thấp trong máu (hypoxia) là tăng hormone erythropoietin (EPO), dẫn đến tăng tế bào hồng cầu. Cơ chế kiểm soát bằng hormone của cơ thể đã được phát hiện vào đầu thế kỷ 20, nhưng cách quá trình này điều chỉnh theo mức oxy vẫn là một bí ẩn đến nay mới có lời giải.

Semenza nghiên cứu gene EPO và cách nó được điều chỉnh bởi những mức oxy khác nhau. Bằng cách sử dụng chuột biến đổi gene, ông phát hiện một đoạn ADN cạnh gen EPO điều tiết phản ứng với hiện tượng hypoxia. Ratcliffe cũng có công trình nghiên cứu tương tự. Cả hai nhóm phát hiện cơ chế cảm nhận oxy xuất hiện trong gần như mọi tế bào, không chỉ ở tế bào thận nơi EPO được sản sinh.

Semenza cũng tìm thấy trong tế bào gan một phức hợp protein gắn với đoạn ADN mà ông tìm thấy liên quan đến phản ứng với thiếu oxy. Ông gọi protein này là Tác nhân cảm ứng hyoxia (HIF). Năm 1995, Semenza bắt đầu công bố nhiều phát hiện then chốt của mình, trong đó có xác định nhũng gene tạo ra HIF. Phức hợp protein được phát hiện bao gồm 2 protein gắn ADN riêng biệt, gọi là các tác nhân giải mã, gồm HIF-1α và ARNT.

Phát hiện mang tính đột phá

Phát hiện về quá trình cảm nhận và thích nghi với mức oxy được ủy ban Nobel đã tóm tắt tại buổi lễ công bố giải thưởng Y khoa. Các nghiên cứu cho thấy khi mức oxygen cao, tế bào chứa rất ít HIF-1α. Nhưng khi mức oxy thấp, lượng HIF-1α tăng lên để gắn vào ADN có thể kết nối và điều chỉnh gene EPO cũng như các gene khác có phần ADN gắn kết với HIF.

Nhiều nghiên cứu cho thấy HIF-1α thông thường biến mất rất nhanh nhưng lại được bảo vệ trong môi trường thiếu oxy. Khi mức oxy bình thường, một cơ chế tế bào tên proteasome nhận diện và phân rã HIF-1α. Cơ chế proteasome nhận diện được HIF-1α được lý giải bất ngờ bởi một nghiên cứu khác của Kaelin về bệnh di truyền Von Hippel-Lindau (VHL). Hội chứng này làm tăng rủi ro mắc một số loại bệnh ung thư của gia đình di truyền đột biến gene VHL.

Nghiên cứu của Kaelin cho thấy gene VHL tạo nên một loại protein ngăn chặn sớm sự hình thành của ung thư. Ông cũng phát hiện tế bào ung thư thiếu gene VHL hoạt động bình thường có mức độ gene điều chỉnh hypoxia cao bất thường; nhưng khi gene VHL được đưa trở vào tế bào ung thư, mức độ gene điều chỉnh hypoxia trở lại bình thường. Đây là manh mối quan trọng cho thấy gene VHL có liên quan đến cơ chế phản ứng với thiếu oxy.

Nhiều nghiên cứu khác kết hợp cho thấy VHL là một phần của cơ chế sinh lý đánh dấu protein trong cơ thể bằng một protein nhỏ có tên là ubiquitin, giúp cơ chế proteasome nhận diện và thoái biến protein mà tế bào không cần đến. Từ đây, Ratcliffe và cộng sự phát hiện VHL có thể phản ứng với HIF-1α và yêu cầu cơ chế proteasome thoái biến protein này khi mức oxy bình thường.

Phác họa cho thấy (1) HIF-1α ko bị phân biến, liên kết với protein ARNT gắn vào đoạn ADN trên gene phản ứng với tình trạng oxy thấp. (2) Ở mức độ oxy bình thường, HIF-1α nhanh chóng phân biến (3) Sự hiện diện của oxy trong tế bào điều chỉnh quá trình phân biến bằng nhóm hydroxit trên HIF-1α. (4) VHL nhận thấy nhóm OH gắn kết và đánh dấu cho cơ chế proteasome.

Trong 2 bài viết nghiên cứu được xuất bản cùng lúc vào năm 2001, Kaelin và Ratcliffe đều phát hiện trong môi trường có oxy bình thường, 2 vị trí đặc biệt trên protein HIF-1α xuất hiện nhóm hydroxit (-OH, hydroxyl). Sự điều chỉnh protein này được gọi là prolyl hydroxylation, cho phép VHL phát hiện và gắn vào HIF-1α để phân biến protein. Khi không có đủ oxy, HIF-1α gắn vào ADN của gene phản ứng với hiện tượng hypoxia.

Kể từ khi giải thưởng được Alfred Nobel lập nên, đã có 109 giải Nobel Y Sinh được trao cho 216 nhà khoa học trong lĩnh vực Y học hoặc Sinh học, trong đó có 12 phụ nữ. Giải thưởng được trao bởi Ủy ban Nobel thuộc Viện Karolinska, đặt tại thủ đô Stockholm, Thụy Điển.

Giải thưởng Y Sinh năm 2018 thuộc về hai nhà khoa học James P. Allison (Mỹ) và Tasuku Honjo (Nhật Bản) vì "phát hiện liệu pháp điều trị ung thư bằng cơ chế ức chế miễn dịch âm tính".

Thư ký Ủy ban Nobel Thomas Perlmann gọi điện chúc mừng người được trao giải Nobel Y Sinh năm 2019. (Ảnh: NobelPrize.org).

Trong di chúc cuối đời, nhà khoa học tuyên bố để lại 94% gia tài để vinh danh những người có cống hiến “vĩ đại nhất cho nhân loại” trong lĩnh vực Vật lý, Hóa học, Y Sinh, Văn học và Hòa bình. Người được Nobel ủy thác thực hiện di chúc là hai kỹ sư trẻ Ragnar Sohlman và Rudolf Lilljequist.

Họ lập ra Quỹ Nobel quản lý khối tài sản do nhà phát minh thuốc nổ để lại. Có 5 giải Nobel đầu tiên được trao vào năm 1901.

Đến năm 1969, Giải thưởng của Ngân hàng Thụy Điển cho Kinh tế học tưởng nhớ Nobel (thường được biết đến với tên gọi giải "Nobel Kinh tế") ra đời và được trao để vinh danh Alfred Nobel.