Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Năm mươi năm trước, một nhóm các protein giúp con người có khả năng miễn dịch tự nhiên trước virus HIV-1 đã được khám phá. Tuy nhiên, HIV-1 là một virus khôn ngoan đã tiến hóa chống lại những protein này. Những nhà khoa học ở Northeastern cùng sự hỗ trợ của các đồng sự đã nghiên cứu các protein kể trên trong nhiều năm để giúp hiểu rõ hơn về chức năng và cơ chế của chúng hy vọng giúp chúng chống lại HIV-1.

Nghiên cứu được đăng tải trên Nature Communications, đánh dấu sự hợp tác giữa Mark Williams - Giáo sư Vật lý Đại học Northeastern, nghiên cứu sinh hậu Tiến sĩ Mike Morse, Giáo sư Linda Chelico – Đại học Saskatchewan, Canada, và Ioulia Rouzina - Đại học bang Ohio. Công trình này nghiên cứu các khả năng gây ức chế HIV-1 của một protein trên người có tên gọi là APOBEC3G (A3G).

Khám phá này chứng minh rằng khi protein A3G từ một protein đơn phân (monomer) phát triển thành một phức hợp nhị phân (dimer), chức năng của nó chuyển từ một protein biên tập gây đột biến DNA virus trở thành một vật cản cho sự tăng sinh của virus.

“Tôi hoàn toàn ngạc nhiên trước khả năng các dimer này có thể thực hiện được,” Williams phát biểu. “Chúng tôi đã thu thập dữ liệu từ rất lâu, nhưng phải mất một thời gian dài để nhận ra cách duy nhất để hiểu được dữ liệu này: các dimer chính là mô hình khiến các chức năng của protein bất ngờ bị thay đổi.”

Phòng thí nghiệm của Williams về Lý Sinh Phân tử có chuyên môn về các thiết bị gọi là nhíp quang học (optical tweezers) dùng trong nghiên cứu các phân tử DNA đơn phân hay các phức hợp DNA-protein. Công cụ này giữ DNA và RNA giữa hai hạt polystyrene để quan sát các tương tác với DNA thông qua những thay đổi về độ dài và áp lực. Sử dụng kỹ thuật trên, phòng thí nghiệm đã nghiên cứu được nhiều hệ thống sinh học khác nhau bao gồm sự tăng sinh của HIV-1. Một sự kết hợp giữa những kỹ thuật lý sinh này với các thí nghiệm hoạt tính enzyme và các dạng đột biến A3G do tạo ra ở lab của Chelico đã giúp cho Williams và Morse so sánh protein ở dạng nguyên thủy với các dạng đột biến có cấu trúc bị biến đổi. Điều này cho phép tách riêng quá trình hình thành nên protein dạng dimer hóa có khả năng gắn cố định.

Trong suốt 12 năm qua, phòng thí nghiệm của Williams đã nghiên cứu về sự tăng sinh của HIV-1 nhờ nguồn tài trợ của NIH. Dự án gần đây nhất của họ là tìm hiểu về các protein miễn dịch tự nhiên có thể giúp con người tự miễn dịch với HIV-1. Có bảy protein thuộc họ APOBEC3, một số chúng chống lại các retrovirus như HIV-1, số khác kháng các retrotransposon, các nguyên tố di truyền tự nhân lên trong hệ gen và có khả năng gây bệnh.

Tất cả các protein APOBEC3 ở dạng các phân tử cytidine deaminase, cho phép chúng “biên tập” DNA mạch đơn bằng cách thay đổi các nucleotide, gây ra các đột biến khi DNA nhân đôi. Tuy nhiên, AP3 cũng có chức năng khác hoàn toàn trái ngược. Thay vì nhanh chóng lượn qua sợi DNA để thay đổi các nucleotide, nó lại trở thành một protein gắn cố định ngăn cản quá trình phiên mã ngược diễn ra, chấm dứt sự tăng sinh của HIV-1. Điều này xảy ra do quá trình oligomer hóa, đó là hiện tượng các phân tử protein đơn phân (monomer) kết hợp lại để hình thành các phức hợp protein đa phân tử hay các oligomer.

“Ý tưởng về việc di chuyển nhanh và tạo ra các thay đổi, nhưng đồng thời cũng ngăn cản thứ khác di chuyển nghe có vẻ không hợp lý lắm,” William nói. “Vì vậy sự oligomer hóa là mấu chốt của vấn đề. Chúng khởi động nhanh và di chuyển, theo thời gian chúng oligomer hóa và dần trở nên chậm chạp”.

Nhóm nghiên cứu đã công bố khám phá về sự oligomer hóa vào năm 2014 trên tạp chí Nature Chemistry. Công trình của họ cho thấy sự phát triển của một phức hợp protein khiến protein di chuyển chậm lại, nhưng chưa rõ phải cần bao nhiêu protein để làm chậm phức hợp trên. Nếu cần số lượng lớn, kết quả có thể không tương thích với quá trình tăng sinh ở virus. Hơn nữa, họ nhận thấy các phức hợp bị chậm, nhưng không thể xác định liệu các phức hợp chậm này có hoạt tính enzyme hay không. Nhưng giờ đây, họ đã tìm được lời giải đáp cho những câu hỏi quan trọng trên.

“Trong các thí nghiệm mà chúng tôi trực tiếp quan sát sự gắn kết của các protein với DNA, và Giáo sư Chelico xem xét hoạt tính enzyme của A3G, chúng tôi nhận thấy rằng trong thời gian ngắn dưới dạng monomer, protein gắn vào và tách ra khỏi sợi DNA rất nhanh và có hoạt tính enzyme cao,” Morse cho biết. “Nhưng một khi chúng hình thành các oligomer, sự bám dính trở nên bền chắc hơn và không thể rời ra nhanh chóng. Giáo sư Chelico có thể nhận thấy hoạt tính enzyme giảm dần khi quá trình này diễn ra nên kết quả nhận được là có hai chức năng cho một protein – có hoạt tính enzyme trong một thời gian khi ở dạng đơn phân, và chức năng thứ cấp vào một thời gian khác sau khi bị oligomer hóa”.

Nghiên cứu của họ đã phát hiện điều này xảy ra ngay cả với hai protein kết hợp với nhau, hình thành một dimer. Cấu trúc dimer đủ khả năng tạo một phức hợp bền vững và làm thay đổi chức năng của protein. Vì chỉ cần có dimer, việc ngăn cản quá trình phiên mã ngược có thể diễn ra. Giờ đây, chức năng quan trọng này có vẻ tương thích về mặt sinh học hơn.

“Khi biết được làm thế nào để ngăn chặn HIV-1 có thể là hướng đi giúp thiết kế các phương pháp mới nhằm sản xuất thuốc chống HIV. Virus HIV-1 đã phát triển protein riêng của chúng để lừa tế bào làm phân hủy các protein APOBEC, vì vậy nếu chúng ta tìm ra cách ngăn chặn sự phân hủy, có thể chúng ta sẽ thúc đẩy được hoạt tính của protein ngăn chặn HIV-1” Williams kết luận.

Phòng thí nghiệm của Williams tại Đại học Northeastern đang lên kế hoạch tiếp theo để nghiên cứu về các protein APOBEC khác có khả năng ngăn chặn HIV-1 hay các retrotransposon. Thông qua nghiên cứu những protein trên bằng các thiết bị đo đạc chuyên dùng, phòng thí nghiệm của họ hy vọng sẽ hiểu rõ hơn về cơ chế điều hòa, hoạt tính và các quy trình của protein để giúp chúng ta có sự chuẩn bị tốt hơn trong việc đối phó với HIV và những căn bệnh khác.