Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Sử dụng một kỹ thuật tinh thể hóa protein thế hệ mới để nghiên cứu các cấu trúc 3D của protein có vai trò phiên mã, một nhóm các nhà khoa học đa quốc gia, do Đại học bang Pennsylvania (Penn State) dẫn dắt, đã hé lộ sự thật về hoạt động của một “điểm kỳ lạ” – một phân tử điều khiển biểu hiện gene ở Escherichia coli và nhiều vi khuẩn khác khi chúng gặp phải stress. Nghiên cứu góp phần bổ sung thêm kiến thức nền tảng về cách vi khuẩn thích nghi và tồn tại dưới các điều kiện khắc nghiệt, cũng như cung cấp thông tin về những quá trình quan trọng có thể là mục tiêu cho việc tạo những kháng sinh thế hệ mới. Một bài báo mô tả nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Sinh học phân tử tế bào (Molecular Cell) ngày 22 tháng 2 năm 2018.

"Khi vi khuẩn bị stress, ví dụ như khi bị đói, chúng sẽ thay đổi quy trình biểu hiện gene," Katsuhiko Murakami, giáo sư sinh hóa và sinh học phân tử tại ĐH Penn State và là tác giả của bài báo, cho biết. "Vào năm 1969, đồng tác giả của chúng tôi, Michael Cashel, đã tìm thấy một phân tử hiện diện trong vi khuẩn E. coli khi chúng bị đói một số chất dinh dưỡng thiết yếu. Cashel gọi phân tử này, xuất hiện dưới dạng một chấm nhỏ trên sắc ký đồ, là “điểm kỳ lạ”, vì nó chỉ xuất hiện khi vi khuẩn bị “đói".

Điểm kỳ lạ trên sau này được xác định là guanosine tetraphosphate, hay ppGpp, một phân tử tương đồng của nucleotide G trong trình tự ATCG của bộ gene. Sự xuất hiện của nó xảy ra trong tình trạng thiếu dinh dưỡng và những loại stress khác có liên quan đến sự thay đổi trong biểu hiện của hơn 500 gene, chủ yếu ở những gene biểu hiện các RNA thành phần của ribosome – chịu trách nhiệm quá trình tổng hợp protein.

Phân tử ppGpp tương tác với RNA polymerase của E. coli – phân tử sản xuất RNA từ DNA bộ gene – nhưng sự tương tác này điều hòa sự biểu hiện gene như thế nào vẫn còn là bí ẩn. Tuy nhiên, các cấu trúc tinh thể X-ray mới, vừa cung cấp thêm bằng chứng về quá trình này bằng cách lần đầu tiên cho thấy hình ảnh ba chiều của RNA polymerase trong E. coli tương tác với ppGpp và một nhân tố quan trọng khác cùng hoạt động với ppGpp, đó là DksA.

Cấu trúc 3D của RNA polymerase đã được thiết lập thành công, nhưng quan sát được chúng tương tác với những phân tử khác là điều không dễ dàng về phương diện kỹ thuật. Các phân tử tương tác thường bị tách rời trong quá trình tạo tinh thể cần thiết cho việc quan sát cấu trúc của chúng. Các nhà khoa học đã vượt qua trở ngại này bằng cách thêm các phân tử DksA và ppGpp vào phân tử RNA polymerase đã được tinh thể hóa trước đó.

"Trước tiên chúng tôi tạo tinh thể RNA polymerase, sau đó nhúng chúng vào DksA và ppGpp," Vadim Molodtsov, phó giáo sư sinh hóa và sinh học phân tử tại ĐH Penn State và là đồng tác giả của nghiên cứu, trình bày. "Bằng cách này, chúng tôi nhận thấy rằng ppGpp gắn vào phức hợp RNA polymerase và DksA theo cách làm thay đổi sự tương tác giữa RNA polymerase và DksA. Chúng tôi nghĩ sự thay đổi này có thể là mấu chốt để giải thích cách thức ppGpp làm biến đổi sự dịch mã giúp vi khuẩn phản ứng với stress."

RNA polymerase ở vi khuẩn điều khiển sự biểu hiện của tất cả các gene, nhưng trước sự hiện diện của ppGpp, mức độ biểu hiện của một số gene bị giảm sút, trong khi số khác không bị ảnh hưởng và một số khác lại được tăng cường. Những thay đổi trong mức độ biểu hiện gene cho phép vi khuẩn tự thay thế các thành phần của chúng để thích nghi tốt hơn với stress. Các nhà khoa học suy đoán rằng các đáp ứng khác nhau này bắt nguồn từ những khác biệt trong promotor – trình tự DNA gần điểm khởi đầu của gene – ở từng gene riêng biệt.

"Cơ thể chúng ta chứa vô số các vi khuẩn," Sarah Ades, phó giáo sư sinh hóa và sinh học phân tử tại ĐH Penn State và là đồng tác giả của nghiên cứu, bổ sung. "Chúng ảnh hưởng đến tâm trạng, cân nặng và cả hệ miễn dịch của chúng ta. Hệ thống ppGpp rất quan trọng đối với các vi khuẩn này, cho phép chúng nhận biết môi trường sống và điều chỉnh khi gặp phải stress. Hiểu được cơ chế chức năng của ppGpp sẽ cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về những vi khuẩn này cũng như cách thức chúng ảnh hưởng đến chúng ta. Hệ thống trên cũng tồn tại ở các vi khuẩn gây bệnh truyền nhiễm. Hiểu được cách thức vận hành của ppGpp cũng giúp chúng ta có cách ngăn chặn chúng và phát triển những loại kháng sinh mới."

Nguồn: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-02/ps-ncs022218.php