Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Các RNA vận chuyển (tRNA) cung cấp các amino acid chuyên biệt đến ribosome trong suốt quá trình dịch mã RNA thông tin thành các protein. Do đó, sự dư thừa của các tRNA có thể có tác động đáng kể đến sinh lý tế bào, tuy nhiên việc xác định hàm lượng của mỗi tRNA trong tế bào vẫn bị giới hạn bởi những thách thức về mặt kỹ thuật. Mới đây, các nhà khoa học tại Viện Sinh hóa Max Planck đã vượt qua được những hạn chế này bằng phương pháp mim-tRNAseq có thể được sử dụng để định lượng tRNA ở bất kỳ sinh vật nào và sẽ giúp cải thiện những hiểu biết của chúng ta về sự điều hòa các tRNA đối với sức khỏe và bệnh tật.

Một tế bào chứa vài trăm ngàn phân tử tRNA, mỗi phân tử có cấu tạo chỉ với 70 – 90 nucleotide được gấp cuộn thành một mô hình giống như cỏ ba lá. Tại một đầu, các phân tử tRNA mang một trong số 20 loại amino acid phục vụ như những khối xây dựng nên phân tử protein, trong khi đầu kia bắt cặp với codon chuyên biệt cho amino acid này nằm trên phân tử mRNA (messenger RNA) trong suốt quá trình dịch mã. Mặc dù chỉ có 61 codon cho 20 loại amino acid, nhưng các tế bào từ các sinh vật khác nhau có thể chứa hàng trăm phân tử tRNA duy nhất, một vài trong số chúng khác nhau chỉ một nucleotide. Nhiều nucleotide trong tRNA cũng được trang trí với các biến đổi hóa học giúp cho các tRNA gấp cuộn hoặc gắn với đúng codon.

Mức độ các tRNA riêng lẻ được điều hòa linh hoạt trong các mô khác nhau và trong suốt quá trình phát triển, và các khiếm khuyết của tRNA có liên quan đến các bệnh thần kinh và ung thư. Nguồn gốc phân tử của những liên quan này vẫn chưa rõ ràng bởi việc định lượng sự dư thừa và các biến đổi của tRNA trong tế bào từ lâu vẫn là một thách thức. Nhóm nghiên cứu của Danny Nedialkova tại Viện Sinh hóa Max Planck hiện tại đã phát triển phương pháp mim-tRNAseq, cho phép định lượng chính xác sự dư thừa và tình trạng biến đổi của các tRNA khác nhau trong tế bào.

Những rào cản do sự biến đổi và các giải pháp

Để đo lường mức độ của nhiều loại RNA cùng lúc, các nhà khoa học sử dụng một enzyme được gọi là reverse transcriptase (enzyme phiên mã ngược) để trước tiên chuyển RNA thành DNA. Hàng triệu bản sao DNA này sau đó có thể được định lượng cùng lúc bằng phương pháp giải trình tự hiệu năng cao. Việc chuyển tRNA thành DNA thật sự rất khó khăn bởi nhiều biến đổi của tRNA ngăn chặn enzyme reverse transcriptase, làm ngừng quá trình tổng hợp DNA.

GS. Danny Nedialkova, Trưởng nhóm Nghiên cứu tại Max Viện Sinh hóa Max Planck giải thích: “Nhiều nhà khoa học đã đề xuất những giải pháp cho vấn đề này, nhưng tất cả chúng chỉ giải quyết được một phần những rào cản do sự biến đổi trong các tRNA. Chúng tôi đã nhận thấy rằng một enzyme reverse transcriptase chuyên biệt dường như tốt hơn nhiều khi đọc qua các vị trí tRNA bị biến đổi”. GS. Nedialkova cho biết thêm: “Bằng cách tối ưu hóa các điều kiện phản ứng, chúng tôi có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của enzyme, cho phép nó đọc qua gần như tất cả các rào cản do sự biến đổi của tRNA”. Điều này làm cho việc xây dựng các thư viện DNA từ các bản sao tRNA có chiều dài đầy đủ trở nên khả thi và có thể sử dụng chúng để giải trình tự hiệu năng cao.

Bộ công cụ tính toán mim-tRNAseq

Việc phân tích dữ liệu kết quả giải trình tự cũng cho thấy những thách thức đáng kể. Andrew Behrens, Nghiên cứu sinh trong nhóm của GS. Nedialkova và là tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: “Chúng tôi đã xác định được hai vấn đề chính: Đầu tiên là độ tương đồng trình tự lớn giữa các bản phiên mã tRNA khác nhau. Vấn đề thứ hai đến từ thực tế rằng một nucleotide không đúng (một sự bắt cặp sai) được đưa vào nhiều vị trí biến đổi trong suốt quá trình phiên mã ngược. Cả hai vấn đề này khiến việc phân loại mỗi đoạn đọc DNA cho phân tử tRNA tương ứng ban đầu trở nên cực kỳ thách thức”.

Nhóm nghiên cứu đã giải quyết những vấn đề này bằng cách sửa dụng các phương pháp tính toán mới, bao gồm sử dụng những chú thích biến đổi để hướng dẫn việc sắp gióng cột chính xác các đoạn đọc. Bộ công cụ toàn năng này được đóng gói thành một dây chuyền có sẵn hoàn toàn miễn phí với mục đích sắp gióng cột, phân tích và trực quan hóa các dữ liệu giải trình tự thu được từ tRNA. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng mim-tRNAseq không chỉ để đo mức độ phong phú của tRNA, mà còn để lập bản đồ và định lượng các biến đổi của tRNA gây ra sự bắt cặp sai nucleotide do enzyme reverse transcriptase thực hiện. GS. Nedialkova cho biết: “mim-tRNAseq mở ra vô số những khả năng còn ở phía trước. Chúng tôi mong nó sẽ giúp chúng tôi và những người khác giải quyết nhiều câu hỏi nổi bật về vai trò sinh học của tRNA đối với sức khỏe và bệnh tật”.

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210226140455.htm
Journal Reference:
Andrew Behrens, Geraldine Rodschinka, Danny D. Nedialkova. High-resolution quantitative profiling of tRNA abundance and modification status in eukaryotes by mim-tRNAseq. Molecular Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.molcel.2021.01.028