Kỹ thuật sci-RNA-seq (single-cell combinatorial indexing RNA sequencing) giúp phân loại nhanh 37 nghìn tỷ tế bào người

Hình chụp từ kính hiển vi của Caenorhabditis elegans, mô hình được các nhà khoa học sử dụng trong
một phương pháp mới để xác định loại tế bào.
Nguồn: Sinclair Stammers
 

Có một số câu hỏi mà chúng ta tưởng chừng đã giải đáp từ lâu, như “Có bao nhiêu loại tế bào trong cơ thể người?”

Thế nhưng, Jay Shendure, nhà di truyền học tại Đại học Washington nói rằng: "Chỉ cần bạn tra cứu trên “Google”, thì con số mà mọi người thường đưa ra là 200. Nhưng với tôi điều đó có vẻ vô lý." Nhiều nhà khoa học có cùng suy nghĩ như ông mong muốn xây dựng một danh mục tế bào hoàn chỉnh hơn.

Ước tính có khoảng 37 nghìn tỷ tế bào trong cơ thể người. Nếu dùng các phương pháp truyền thống xác định các loại tế bào, như phương pháp quan sát hình dạng từng loại tế bào dưới kính hiển vi thì lại quá chậm và thô sơ cho việc phân loại này.

Tiến sĩ Shendure và cộng sự đã công bố một báo cáo mô tả một phương pháp mới thực hiện nhanh chóng một cuộc “tổng nghiên cứu” tế bào. Thay vì kiểm tra từng tế bào một lần, nhóm nghiên cứu đã phân tích hoạt động gene của 42.035 tế bào cùng một lúc.

Các chuyên gia cho biết, mặc dù chỉ ở giai đoạn thí nghiệm nhưng phương pháp này có thể sẽ trở thành một công cụ thiết yếu để phân loại mọi loại tế bào trong cơ thể người.

Tuy không tham gia nghiên cứu này, nhưng David M. Miller, nhà sinh học tế bào tại Đại học Vanderbilt, vẫn cho rằng "Đây là một nghiên cứu thực sự quan trọng. Với cách tiếp cận này, chúng ta có thể phân loại nhiều tế bào hơn mà tiêu tốn rất ít công sức và chi phí."

Ở quy mô phòng thí nghiệm, các nhà khoa học dễ dàng nhận ra sự khác biệt giữa một tế bào cơ và một tế bào thần kinh. Nhưng những danh mục phân loại rộng lớn này lại bao gồm nhiều loại tế bào khác nhau.

Tế bào cơ có thể là tế bào cơ xương, loại tế bào giúp chúng ta di chuyển hoặc nâng một chiếc cốc. Hoặc nó có thể là tế bào cơ trơn ở ruột non, giúp ruột non gấp nếp và co giãn. Trái tim của chúng ta được hình thành từ các tế bào cơ đặc biệt, được gọi là tế bào cơ tim.

Ngay cả tế bào cơ tim cũng có nhiều loại khác nhau. Ví dụ một số tế bào có vai trò làm co buồng tim để bơm máu, trong khi những tế bào khác thực hiện dẫn truyền xung điện quanh tim.

Về mặt di truyền, tất cả các tế bào trong cơ thể đều giống hệt nhau. Tất cả chúng đều mang 20.000 gene mã hóa protein. Điều làm các tế bào khác nhau là cách tế bào tổ hợp các gene mà chúng sử dụng để tạo ra protein.

Tiến sĩ Shendure và đồng sự đã lập luận rằng một tập hợp riêng biệt các phân tử RNA của từng loại tế bào có thể cung cấp đặc điểm của loại tế bào đó. Để đánh giá tập hợp RNA này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một loại phân tử "mã vạch" (bar coding).

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đưa hàng ngàn tế bào vào hàng trăm "giếng" nhỏ có chứa các phân tử đã được đánh dấu (đầu dò), các đầu dò này sẽ gắn chuyên biệt với mỗi phân tử RNA bên trong tế bào. Quá trình này được lặp lại hai lần hoặc nhiều hơn cho đến khi sự gắn của các phân tử đầu dò với các phân tử RNA của chúng là đồng nhất ở mỗi tế bào. Sau đó Tiến sĩ Shendure và đồng sự tiến hành đọc trình tự các đầu dò cùng một lúc.

"Các mã vạch- đầu dò" cho phép các nhà khoa học phát hiện những gene nào đang hoạt động trong mỗi tế bào. Các tế bào cùng loại sẽ có cùng kiểu biểu hiện tập hợp gene. Tiến sĩ Shendure cho biết, "Chúng tôi đã tạo được quy trình cho phép phân tích số lượng rất lớn tế bào trong cùng một lúc mà không cần phân lập từng tế bào đơn.”

Ông và các cộng sự gọi phương pháp này là kỹ thuật sci-RNA-seq (single-cell combinatorial indexing RNA sequencing). Để kiểm tra phương pháp này, nhóm nghiên cứu thực hiện phân loại tất cả tế bào của giun đũa, Caenorhabditis elegans, loài sinh vật đã được ứng dụng làm mô hình nghiên cứu sinh học từ những năm 1960.

Tiến sĩ Brenner và nhiều nhà khoa học đã theo dõi tốc độ phát triển của giun từ một tế bào đơn đến khi đạt khoảng 1.000 tế bào ở giai đoạn trưởng thành, phân loại chúng thành các loại tế bào khác nhau bằng kính hiển vi. Cuối cùng, các nhà khoa học đã tách các tế bào riêng lẻ khỏi cơ thể C. elegans và kiểm tra hoạt động DNA của chúng.

Tiến sĩ Shendure và đồng sự đã so sánh các kết quả từ kỹ thuật sci-RNA-seq với những kết quả thu thập từ các nghiên cứu của nhiều thập niên trước.

Nhóm nghiên cứu nuôi 150.000 con ấu trùng C. elegans và sau đó xử lý chúng bằng hóa chất để phân rã thành các tế bào đơn (mỗi ấu trùng có 762 tế bào, không tính các tế bào sẽ phát triển thành trứng hoặc tinh trùng), sau đó nhóm tiến hành đánh dấu tất cả các RNA trong tế bào.

Với phương pháp mới này, các nhà nghiên cứu có thể xác định 27 loại tế bào đã được xác định trong các nghiên cứu trước đó. Và nhóm nghiên cứu còn có thể chia các tế bào thành các nhóm nhỏ hơn, mỗi nhóm có một kiểu hoạt động gene khác nhau.
Ví dụ, nhóm đã xác định được 40 loại nơron khác nhau, bao gồm các loại rất hiếm. Trong một vài trường hợp, chỉ có một nơron như vậy phát triển trong mỗi ấu trùng.

Cori Bargmann, một chuyên gia về C. elegans tại Đại học Rockefeller, cho biết "Tôi rất phấn khởi bởi phương pháp này hoạt động rất tốt – nhóm nghiên cứu đã khám phá ra các kết quả có giá trị với tôi và cho cả lĩnh vực".

Tuy nhiên, cho đến giờ, kỹ thuật sci-RNA-seq vẫn chưa thể ghi nhận đầy đủ sự phức tạp của các loại tế bào trong một loài động vật đơn giản như vậy.

Tiến sĩ Shendure và đồng sự không thể sắp xếp một số nhóm tế bào thần kinh họ tìm được vào nhóm các tế bào đã biết và họ không tìm được phần lớn trong 118 loại tế bào thần kinh mà những nghiên cứu trước đó đã ghi nhận.
Tiến sĩ Shendure cho biết, "Chúng tôi không xem đây là một dự án hoàn chỉnh.”

Tiến sĩ Bargmann và đồng sự đã cố gắng đối chiếu các kết quả của Tiến sĩ Shendure với tế bào thần kinh trên giun. Bà cho hay: "Tất nhiên, còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết, nhưng tôi lạc quan tin rằng vấn đề này có thể được giải quyết."

Sarah A. Teichmann, một nhà sinh học tế bào tại Viện Wellcome Trust Sanger, tuy không tham gia vào nghiên cứu mới, vẫn đánh giá rằng bản báo cáo là một minh hoạ cho thấy lĩnh vực phân loại tế bào đang tiến bộ rất nhanh.

Trong một bài tổng kết đăng trên Dịch vụ xuất bản Arxiv, Tiến sĩ Teichmann và đồng sự cho biết, vào năm 2009 các nhà khoa học đã có thể đánh giá hoạt động gene của một tế bào đơn. Và chỉ 3 năm sau, người ta đã phá vỡ rào cản kỹ thuật để có thể thực hiện trên hàng ngàn tế bào cùng lúc.

Sự gia tăng số lượng phát hiện ở mức lũy thừa này là yếu tố quyết định cho sự thành công Bản đồ tế bào người (Human Cell Atlas) và hiện Tiến sĩ Teichmann đang là nhà chỉ đạo chung cho sáng kiến ​​mang tầm quốc tế này. Các nhà nghiên cứu dự định lập ra một danh mục đầy đủ các loại tế bào trong cơ thể người.

Aviv Regev, một nhà sinh vật học thuộc Viện Broad và MIT kiêm trưởng nhóm cùng nghiên cứu về Bản đồ tế bào người, nói rằng từ sự khác biệt giữa cơ thể người và C. elegans đòi hỏi nhóm nghiên cứu cần đưa ra những chiến lược khác nhau.

Vì rằng cơ thể người rất lớn so với C. elegans nên các nhà nghiên cứu sẽ không thể phân giải cơ thể người thành 37 nghìn tỷ tế bào đơn và phân tích chúng cùng một lúc.

Tiến sĩ Regev nói thêm: "Lộ trình ​​cho bản đồ tế bào người sẽ bắt đầu từ các cơ quan, mô đến cơ thể.”

Bên cạnh đó, C. elegans hình thành cấu trúc cơ thể dựa trên một hệ thống di truyền được kiểm soát chặt chẽ. Các tế bào của mọi cá thể có đích đến luôn ở cùng một vị trí, với cùng một số lượng. Con người lại linh hoạt hơn trong quá trình phát triển: vị trí của các tế bào thay đổi từ cơ thể người này sang người khác.

Tiến sĩ Regev cho biết: "Mấu chốt là phải liên kết tế bào với nguồn gốc của chúng.”

Tuy nhiên, kỹ thuật sci-RNA-seq có thể trở thành một công cụ hữu ích để nghiên cứu trên người. Tiến sĩ Teichmann cho biết: "Ý nghĩa chủ yếu mà kỹ thuật mang lại chính là quy mô thực hiện được nhiều tế bào trong cùng một thí nghiệm. "Đó là cách tiếp cận đơn giản và có tiềm năng mạnh mẽ."