Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Một cơ quan được gọi là túi Kupffer (Kupffer's vesicle), giúp định hướng bên trái và phải trong giai đoạn phát triển của cá ngựa, có xuất hiện sự bất đối xứng ở phôi hoang dại (Hình trái), nhưng đối xứng khi thiếu gene gdf3 được di truyền từ mẹ (Hình phải). Nguồn: Pelliccia et al., 2017.
 

Một nghiên cứu mới cho thấy vai trò thiết yếu của một gene được di truyền từ mẹ trong quá trình phát triển phôi. Nghiên cứu chỉ ra rằng những con cá ngựa không nhận các chị dẫn di truyền (genetic instructions) từ mẹ mang những khiếm khuyết gây chết trong giai đoạn phát triển sớm, dù cho chúng có thể tạo ra những phiên bản khác nhau của gene đó cho riêng mình. Nghiên cứu do các nhà khoa học tại Đại học Princeton mới được công bố trên tạp chí eLife hôm 15 tháng 11.

Khi con cái hình thành tế bào trứng trong buồng trứng, chúng tích trữ các phân tử mRNA thông tin (mRNA) – một kiểu chỉ dẫn di truyền – trong tế bào chất của tế bào trứng. Sau khi thụ tinh, những phân tử mRNA có nguồn gốc từ mẹ này có thể được dịch mã thành các phân tử protein cần thiết cho các giai đoạn phát triển sớm của phôi, trước khi phôi có thể tự tổng hợp các mRNA và protein của riêng chúng.

Cách đây hơn 30 năm, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra các phân tử mRNA mã hoá cho một protein được gọi là Vg1 được tích trữ trong tế bào chất của trứng ếch. Rebecca Burdine, phó giáo sư về sinh học phân tử tại Princeton cho biết: “vg1 nổi tiếng là một trong những mRNA từ mẹ đầu tiên được xác định”. Một lượng lớn các bài báo đã được công bố về cách thức RNA này được định vị và được kiểm soát, nhưng vẫn chưa hiểu rõ protein Vg1 thực sự làm gì trong sự phát triển của phôi”.

Trong nghiên cứu này, Burdine và hai nghiên cứu sinh Jose Pelliccia và Granton Jindal đã sử dụng hệ thống chỉnh sửa gene CRISPR/Cas9 để loại bỏ Vg1, được gọi là Gdf3 ở cá ngựa. Các phôi không thể tự tạo ra Gdf3 nhưng được nhận một phần mRNA bình thường của gdf3 từ mẹ của chúng phát triển hoàn toàn bình thường. Tuy nhiên, đối với những phôi không nhận mRNA của gdf3 từ mẹ lại sớm xuất hiện những khiếm khuyết lớn trong giai đoạn phát triển của chúng, và chết chỉ sau 3 ngày thụ tinh.

Burdine cho biết: “Nếu không nhận được gdf3 từ mẹ, trứng sau khi thụ tinh sẽ không thể sản xuất hai trong số ba loại tế bào chính cần thiết cho sự phát triển”. “Những phôi này bị thiếu tất cả tế bào trung bì (mesoderm) và nội bì (endoderm), chúng chỉ có da và một vài mô thần kinh, được tạo ra từ kiểu tế bào chính thứ ba, ngoại bì (ectoderm)”.

Vg1 hay Gdf3 là một thành viên thuộc họ các phân tử truyền tín hiệu tế bào TGF-beta. Hai thành viên khác thuộc họ này, Ndr1 và Ndr2, cần thiết cho quá trình hình thành trung bì và nội bì trong quá trình phát triển của cá ngựa. Những phôi thiếu gdf3 được cung cấp từ mẹ trông rất giống với các phôi thiếu cả hai loại protein này, chúng tương tự với các protein Nodal 1 và 2 ở động vật có vú.
Các nhà khoa học này đã chứng minh rằng gdf3 có nguồn gốc từ mẹ cần thiết cho Ndr1 và Ndr2 truyền tín hiệu tại các mức độ cần thiết để kích thích sự hình thành các tế bào trung bì và nội bì ở giai đoạn phát triển sớm của phôi cá ngựa. Khi không có gdf3, việc truyền tín hiệu của Ndr1 và Ndr2 bị giảm đáng kể và sự phát triển của phôi không diễn ra theo mong muốn.

Việc truyền tín hiệu của Nodal cũng cần thiết trong giai đoạn phát triển trễ của cá ngựa vì nó giúp thiết lập sự khác nhau giữa các phần bên trái và bên phải của phôi đang phát triển. Nó thực hiện công việc này, một phần bằng cách điều khiển trực tiếp sự hình thành một cơ quan được gọi là túi Kupffer (Kupffer’s vesicle), hình dạng bất đối xứng của túi này giúp quyết định các phần bên trái và phải của phôi. Cuối cùng, quá trình truyền tín hiệu của Nodal kích thích sự biểu hiện của một protein Nodal thứ ba, được gọi là southpaw, ở nhóm tế bào trung bì trên phần bên trái của phôi.

Để nghiên cứu liệu mRNA của gdf3 bắt nguồn từ mẹ cũng đóng vai trò trong thiết lập mô hình trái – phải, các nhà khoa học đã sử dụng một loạt các kỹ thuật để cung cấp cho phôi đủ lượng protein Gdf3 để có thể hình thành lớp trung bì và nội bì và cũng đủ để phôi có thể sống sót cho đến các giai đoạn phát triển sau này.

Đúng như dự đoán, những phôi này cho thấy các khiếm khuyết trong việc hình thành các phần trái – phải. Các túi Kupffer của chúng có hình dạng đối xứng một cách bất thường, và sự biểu hiện của southpaw bị giảm mạnh, từ đó cho thấy gdf3 cũng cần thiết cho quá trình truyền tín hiệu tối ưu của Nodal trong suốt giai đoạn phát triển sau này của phôi. Tuy nhiên, ở giai đoạn này, gdf3 của phôi dường như có khả năng đảm nhận công việc này nếu gdf3 từ mẹ không xuất hiện.

Các protein Nodal và Vg1 được biết có khả năng gắn với nhau ở các loài khác. Pelliccia, nghiên cứu sinh về sinh học phân tử cho biết: “Vì vậy, chúng tôi giả thuyết rằng Gdf3 kết hợp với Ndr1 và Ndr2 để tạo thuận lợi cho quá trình truyền tín hiệu của Nodal trong suốt quá trình phát triển của cá ngựa, và chúng hoạt động như một nhân tố thiết yếu trong việc thiết lập mô hình cho phôi”

Cùng thời điểm với Burdine và các cộng sự, hai nhóm nghiên cứu khác, được dẫn đầu bởi Joe Yost tại Đại học Utah và Alex Schier tại Đại học Harvard, cũng có những phát hiện tương tự về vai trò của gdf3 trong suốt quá trình phát triển của cá ngựa. Burdine cho biết: “Cả ba nhóm đã làm việc cùng nhau để cùng nộp và cùng công bố trên eLife, giúp các sinh viên liên quan nhận được sự tán dương cho quá trình làm việc vất vả của họ. Đó là một ví dụ tuyện vời về cách thức khoa học nên được thực hiện”.

Nguồn:  https://www.sciencedaily.com/releases/2017/12/171215124739.htm
Tài liệu tạp chí: Jose L Pelliccia, Granton A Jindal, Rebecca D Burdine. Gdf3 is required for robust Nodal signaling during germ layer formation and left-right patterning. eLife, 2017; 6 DOI: 10.7554/eLife.28635