Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Một nhóm các nhà nghiên cứu và cộng tác viên của EMBL đã phát triển một công cụ mới nâng cao khả năng phân tích tế bào đơn. Công cụ này có thể đồng thời ghi lại các biến thể gen và RNA trong cùng một tế bào, mang lại độ chính xác và phạm vi phân tích lớn hơn so với các công nghệ trước đó. Phương pháp này giúp các nhà khoa học xác định các biến thể trong các vùng DNA không mã hóa-một điểm thường liên quan đến các bệnh tật-mở ra cách tiếp cận mới để khám phá ảnh hưởng của các khác biệt di truyền đối với sức khỏe. Nhờ độ chính xác cao và khả năng xử lý hàng triệu tế bào cùng lúc, công cụ này đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc liên kết các biến thể di truyền cụ thể với các kết quả bệnh lý.

Vấn đề này đã tồn tại từ lâu, bởi các phương pháp tế bào đơn hiện tại để nghiên cứu DNA và RNA trong cùng một tế bào có hạn chế về thông lượng, độ nhạy và độ phức tạp. Theo Dominik Lindenhofer, tác giả chính của bài báo mới về SDR-Seq đăng trên tạp chí Nature Methods và là nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại Nhóm Steinmetz của EMBL, "Ở cấp độ tế bào đơn lẻ, bạn có thể phát hiện các biến thể trong hàng nghìn tế bào, nhưng chỉ khi chúng đã được biểu hiện — tức là chỉ trong các vùng mã hóa. Công cụ của chúng tôi hoạt động bất kể biến thể nằm ở đâu, cung cấp số lượng tế bào đơn lẻ đủ để phân tích các mẫu phức tạp."

Sự khác biệt chính giữa vùng mã hóa và vùng không mã hóa

DNA gồm cả vùng mã hóa và không mã hóa. Các vùng mã hóa như hướng dẫn, vì gen của chúng được chuyển thành RNA, điều khiển tế bào sản xuất các protein cần thiết cho sự sống.

Các vùng không mã hóa chứa các yếu tố điều hòa, hướng dẫn sự phát triển và hoạt động của tế bào. Hơn 95% các biến thể DNA liên quan đến bệnh tật nằm ở các vùng này, nhưng các phương pháp nghiên cứu tế bào đơn lẻ hiện tại vẫn chưa đủ nhạy hoặc quy mô để khai thác hiệu quả chúng. Đến nay, các nhà nghiên cứu chưa thể quan sát DNA và RNA từ cùng một tế bào trên quy mô lớn, điều này hạn chế hiểu biết về cách các biến thể DNA ảnh hưởng đến hoạt động của gen và đóng góp vào quá trình bệnh lý.

Trong lĩnh vực không mã hóa này, chúng tôi nhận thấy rằng còn có nhiều biến thể liên quan đến các vấn đề như bệnh tim bẩm sinh, tự kỷ và tâm thần phân liệt chưa được khám phá rộng rãi. Tuy nhiên, đây không phải là những căn bệnh duy nhất như vậy, Lindenhofer nói. "Chúng tôi cần một công cụ để khám phá các biến thể này, nhằm hiểu rõ chúng hoạt động trong bộ gen nội sinh của chính chúng ta và cách chúng góp phần vào quá trình phát triển bệnh."

Giải mã các mã vạch dùng để theo dõi tế bào đơn lẻ

Để thực hiện giải trình tự DNA-RNA tế bào đơn lẻ (SDR-seq), các nhà nghiên cứu đã dùng các giọt dầu-nước nhỏ, mỗi giọt gồm một tế bào, giúp phân tích DNA và RNA cùng lúc. Phương pháp này cho phép kiểm tra hàng nghìn tế bào trong một thí nghiệm duy nhất và liên kết trực tiếp các biến đổi di truyền với các mẫu hoạt động của gen. Công nghệ này phát triển đòi hỏi vượt qua nhiều thách thức và đã thu hút các nhóm từ Đơn vị Sinh học Bộ gen, Sinh học Cấu trúc và Tính toán của EMBL, Trường Y Stanford và Bệnh viện Đại học Heidelberg.

Các cộng tác viên của nhóm Judith Zaugg và Kyung-Min Noh tại EMBL đã phát triển một phương pháp bảo quản RNA nhạy cảm bằng cách "cố định" các tế bào. Trong khi đó, nhóm của Oliver Stegle đã thiết kế một phần mềm đặc biệt để giải mã hệ thống mã vạch DNA phức tạp dùng cho phân tích dữ liệu. Dù phần mềm này được phát triển cho dự án cụ thể, nhóm tin rằng nó sẽ có ích cho nhiều nghiên cứu khác.

Các nhà nghiên cứu từ nhóm của Wolfgang Huber và Sasha Dietrich tại EMBL cùng Bệnh viện Đại học Heidelberg đã khảo sát các mẫu u lympho tế bào B để thực hiện các nghiên cứu khác. Những mẫu này, với nhiều biến thể di truyền, trở thành các trường hợp thử nghiệm lý tưởng cho công nghệ mới. Nhờ các mẫu này, Lindenhofer đã quan sát cách các biến thể DNA liên quan đến quá trình bệnh lý và nhận thấy rằng các tế bào ung thư chứa nhiều biến thể hơn biểu hiện tín hiệu kích hoạt mạnh mẽ hơn, góp phần vào sự phát triển của khối u.

Lindenhofer nói: "Chúng tôi sử dụng các buồng phản ứng nhỏ để đọc DNA và RNA trong cùng một tế bào." Điều này giúp xác định chính xác liệu một biến thể nằm trên một hoặc cả hai bản sao của gen, đồng thời đo lường ảnh hưởng của nó tới biểu hiện gen trong tế bào đó. Với các tế bào u lympho tế bào B, chúng tôi đã chứng minh rằng, tùy thuộc vào đặc tính của biến thể, chúng có xu hướng thuộc về các trạng thái tế bào khác nhau. Chúng tôi cũng nhận thấy rằng sự gia tăng biến thể trong một tế bào liên quan đến trạng thái u lympho tế bào B ác tính hơn.

Nhiều khả năng mới mở ra nhờ công cụ giải trình tự tế bào đơn lẻ

Công cụ SDR-seq hiện cung cấp cho các nhà sinh học bộ gen có khả năng mở rộng, chính xác và nhanh hơn để hiểu rõ hơn về các biến thể di truyền. Mặc dù cuối cùng nó có thể đóng vai trò trong điều trị nhiều bệnh phức tạp, trước mắt nó giúp phát triển công cụ sàng lọc tốt hơn để chẩn đoán.

Lars Steinmetz, tác giả chính của bài báo, trưởng nhóm tại EMBL và giáo sư di truyền học của Trường Y Đại học Stanford, cho biết: "Chúng tôi phát triển một công cụ có thể liên kết các biến thể với bệnh tật." Khả năng này mở ra một phạm vi sinh học lớn để khám phá. Nếu chúng ta phân biệt được cách biến thể thực sự ảnh hưởng đến bệnh tật và hiểu rõ quá trình bệnh lý hơn, thì cơ hội để can thiệp và điều trị sẽ tăng lên rõ rệt.

Tài liệu tham khảo:
Dominik Lindenhofer, Julia R. Bauman, John A. Hawkins, Donnacha Fitzgerald, Umut Yildiz, Haeyeon Jung, Anastasiia Korosteleva, Mikael Marttinen, Moritz Kueblbeck, Judith B. Zaugg, Kyung-Min Noh, Sascha Dietrich, Wolfgang Huber, Oliver Stegle, Lars M. Steinmetz. Functional phenotyping of genomic variants using joint multiomic single-cell DNA–RNA sequencing. Nature Methods, 2025; 22 (10): 2032 DOI: 10.1038/s41592-025-02805-0
 
 Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251016223110.htm