Theo dõi quá trình dịch mã trong tế bào sống

Mới đây, bốn nhóm nghiên cứu độc lập đã phát triển các kỹ thuật cho phép quan sát quá trình dịch mã ở tế bào sống.

Sáu mươi năm trước, Francis Crick đã đề xuất thuyết trung tâm- central dogma của sinh học tế bào: DNA tạo ra RNA, RNA tạo ra protein. Trước đó, việc theo dõi các quá trình này trong các tế bào sống dường như chỉ là chuyện không tưởng của khoa học viễn tưởng.

Nhưng đến năm 1996, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để quan sát vị trí của DNA trong tế bào sống. Họ đã thiết kế bộ gen của tế bào chứa các đoạn nucleotide lặp lại, gắn gen mã hóa cho protein phát huỳnh quang xanh – GFP (green fluorescent proteins) vào các đoạn lặp lại này, và quan sát thấy các cụm GFP xuất hiện như là một điểm sáng trong nhân dưới kính hiển vi.

Ngay sau đó, các nhà khoa học đã đưa ra một thủ thuật tương tự để hình tượng hóa các phân tử mRNA đơn: kháng thể huỳnh quang sẽ gắn đích với trình tự có cấu trúc vòng lặp lại (stem- loop), trình tự RNA được thiết kế để mang các cấu trúc vòng lặp lại này (do sự tự bắt cặp của các nucleotide trên chính nó). Đến năm 2004, vài tháng trước khi Crick qua đời, hai kỹ thuật này được kết hợp với nhau để quan sát quá trình phiên mã theo thời gian thực.

 “Khi RNA được phiên mã ra từ một locus của DNA- chúng ta có thể nhìn thấy nơi nó phiên mã, và theo dõi được các RNA đi ra khỏi nhân, nhưng quá trình từ RNA tổng hợp nên protein vẫn chưa quan sát được”, Tim Stasevich, Đại học Colorado, cho biết.

Hơn một thập kỷ sau, Stasevich và các đồng nghiệp, cùng ba nhóm nghiên cứu độc lập khác đã thành công trong việc phát minh ra kỹ thuật giúp quan sát sự dịch mã đơn phân tử trong tế bào sống của người. Ông nói. "Thực tế đã có bốn phòng thí nghiệm làm việc này, đó là một bằng chứng cho thấy chủ đề này nóng như thế nào".

Nhóm của Stasevich đã tiến hành thiết kế vector sản xuất một mRNA chứa các epitope có cấu trúc vòng và mã hóa cho các protein có cấu trúc vài trăm axit amin ở đầu, các axit amin này hình thành một chuỗi peptide có cấu trúc là các epitope lặp lại với tên gọi là FLAG- tags. Cấu trúc này được gọi là “Spaghetti dị dạng”, gắn với các kháng thể phát huỳnh quang đặc hiệu cho FLAG, thứ mà sẽ được tiêm vào tế bào, trong khi đó mRNA cũng gắn với kháng thể huỳnh quang của riêng nó. Như vậy, cả mRNA và protein mới được hình thành có thể quan sát được cùng một lúc.

Bên cạnh đó, các kỹ thuật của ba nhóm khác, dẫn đầu bởi Robert Singer, đại học Y khoa Albert Einstein; Marvin Tanenbaum, viện Hubrecht ở Hà Lan, và Xiaowei Zhuang, đại học Harvard, cũng sử dụng các epitope cấu trúc vòng lặp hoặc tương tự Stasevich để phát hiện mRNA, nhưng sử dụng một hệ thống được gọi là SunTag, được phát triển bởi Tanenbaum vào năm 2014, để phát hiện sự dịch mã của protein. SunTag giống như những Spaghetti dị dạng, là một dãy các epitope gắn với các kháng thể phát huỳnh quang, nhưng kháng thể SunTag được mã hóa trong một cấu trúc gen, chứ không tiêm vào tế bào như kháng thể trong kỹ thuật Spagheti dị dạng.

Bốn nhóm nghiên cứu độc lập đã thiết kế các phương pháp để quan sát quá trình dịch mã trong tế bào sống, tất cả đều dựa trên cách tiếp cận cơ bản giống nhau. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một mRNA có cấu trúc vòng lặp/ thùy (stem loop) trong khu vực chưa được dịch mã ở đầu 3’ (màu xanh da trời). Một protein huỳnh quang (tag huỳnh quang) (màu hồng) liên kết với cấu trúc này cho phép theo dõi mRNA. Để quan sát các peptide mới hình thành, các nhà nghiên cứu xây dựng chuỗi peptide lặp đi lặp lại (màu tím) gắn với protein huỳnh quang màu xanh (Green fluorescent protein- GFP).

Stasevich thừa nhận rằng việc đưa các kháng thể vào một tế bào "có thể khó khăn, vì vậy tôi nghĩ rằng đó là một trong những lợi thế của phương pháp SunTag’’. Tuy nhiên, ông cho rằng lợi ích của việc tiêm kháng thể vào so với việc mã hóa kháng thể trong gen thì dễ kiểm soát lượng kháng thể hơn, do đó, thu được nhiều tín hiệu ở phạm vi nhỏ như trong tế bào. Ngoài ra, Stasevich nói rằng hệ thống của ông mang đến cho các nhà nghiên cứu "hình ảnh của các protein không chỉ trong một mà là hai màu". Thật vậy, bằng cách mã hóa một vùng Spaghetti dị dạng khác nhau (có chứa các epitope gọi là HA- tags) trong mRNA của protein thứ hai, nhóm nghiên cứu quan sát thấy hai quá trình dịch mã khác nhau trong cùng một tế bào.

Nhà nghiên cứu dịch mã Nahum Sonenberg Đại học McGill, cho rằng bên cạnh một số ít các ưu và khuyết điểm nhỏ, thì tất cả các kỹ thuật trên hoạt động theo nguyên tắc giống nhau, và quan trọng là, "chúng cung cấp những hiểu biết và trả lời cho các câu hỏi không thể thực hiện được bằng các phương tiện sinh hóa".

Các nhà nghiên cứu có thể phát hiện quá trình trình dịch mã trong tế bào khi sử dụng các kháng thể phát huỳnh quang gắn với peptide mới được tạo thành (màu xanh) và mRNA tương ứng của chúng (màu hồng).

Các nhóm nghiên cứu động học dịch mã đơn phân tử nhận thấy rằng quá trình dịch mã bắt đầu khoảng hai lần mỗi phút và kéo dài từ 3 đến 10 axit amin mỗi giây. Nhóm nghiên cứu của Singer cũng tìm thấy bằng chứng cho rằng, ít nhất là trong tế bào thần kinh, quá trình dịch mã diễn ra sau khi tế bào ngừng hoạt động. Nhóm của Zhuang cho biết cách thức mà áp lực môi trường ức chế quá trình dịch mã và động lực học dịch mã khác nhau phụ thuộc vào vị trí trong tế bào. Nhóm Tanenbaum lại quan sát thấy rằng mRNA đơn từ cùng một gen trong các tế bào giống nhau có thể khác nhau về hiệu suất dịch mã, một số có thể câm (không hoạt động) nhưng một số khác lại dịch mã mạnh mẽ. Sonenberg nói "Bạn sẽ không thể thấy được tính không đồng nhất trong đó nếu không dùng các những kỹ thuật đơn phân tử".

Ngoài việc tiết lộ động lực học không gian và thời gian dịch mã, các kỹ thuật mới này, nếu kết hợp với sự quan sát locus gen cụ thể, thì thậm chí có thể giúp các nhà nghiên cứu "xem xét toàn bộ thuyết trung tâm diễn ra trong một tế bào, và điều đó thực sự rất tuyệt vời", Tanenbaum nói.

Taì liệu tham khảo:

Ruth Williams, “How to Track Translation in Living Cells”, the scientist, October 1, 2016.

Lược dịch Lê Văn Trình – Lê Thị Thu Thúy