Việc phát hiện trong Dự án bộ gen người vào đầu những năm 2000 rằng con người chúng ta chỉ có khoảng 20,000 gen mã hóa protein - nhiều như loài giun tròn nhỏ sống trong đất và ít hơn một nửa so với cây lúa - là một cú sốc . Tuy nhiên, cú đánh vào niềm kiêu hãnh của chúng ta đã được xoa dịu nhờ ý tưởng rằng bộ gen của con người có rất nhiều mối liên hệ quy định. Các gen của chúng ta tương tác trong một mạng lưới dày đặc, trong đó các đoạn DNA và phân tử mà chúng mã hóa (RNA và protein) kiểm soát “biểu hiện” của các gen khác, ảnh hưởng đến việc liệu chúng có tạo ra RNA và protein tương ứng hay không. Để hiểu được bộ gen của con người, chúng ta cần hiểu quá trình điều hòa gen này.

Tuy nhiên, nhiệm vụ đó đang tỏ ra khó khăn hơn nhiều so với việc giải mã trình tự bộ gen.

Ban đầu, người ta nghi ngờ rằng việc điều hòa gen chỉ là một vấn đề đơn giản khi một sản phẩm gen đóng vai trò là công tắc bật/tắt cho một gen khác, theo kiểu kỹ thuật số. Vào những năm 1960, các nhà sinh vật học người Pháp François Jacob và Jacques Monod lần đầu tiên làm sáng tỏ quá trình điều hòa gen về chi tiết cơ học: Trong Escherichia coli vi khuẩn, khi protein ức chế liên kết với một đoạn DNA nhất định, nó sẽ ngăn chặn quá trình phiên mã và dịch mã của một bộ gen liền kề mã hóa các enzym tiêu hóa đường lactose. Mạch điều tiết này được Monod và Jacob gọi là hồ operon, có logic gọn gàng, minh bạch.

Nhưng sự điều hòa gen ở các động vật đa bào phức tạp - động vật như con người, với các tế bào nhân chuẩn phức tạp - nhìn chung dường như không hoạt động theo cách này. Thay vào đó, nó liên quan đến một nhóm phân tử, bao gồm protein, RNA và các đoạn DNA xuyên suốt nhiễm sắc thể, bằng cách nào đó phối hợp với nhau để kiểm soát sự biểu hiện của gen.

Không chỉ là quá trình điều hòa này ở sinh vật nhân chuẩn có nhiều người tham gia hơn những gì thường thấy ở vi khuẩn và các tế bào nhân sơ, đơn giản khác; nó dường như là một quá trình hoàn toàn khác và mơ hồ hơn.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Stanford, dẫn đầu bởi nhà lý sinh và kỹ sư sinh học Polly Fordyce, dường như bây giờ đã phát hiện ra một thành phần của chế độ điều hòa gen mờ này. Công việc của họ, được xuất bản vào tháng 9 năm ngoái trên Khoa học, gợi ý rằng DNA gần gen hoạt động như một loại giếng nông để bẫy các phân tử điều hòa đa dạng, giữ cho chúng sẵn sàng hoạt động để khi cần, chúng có thể góp phần đưa ra quyết định về việc có nên kích hoạt gen hay không.

Những giếng điều hòa này được tạo ra từ những đoạn DNA kỳ lạ. Chúng bao gồm các trình tự trong đó một đoạn DNA ngắn, dài từ một đến sáu cặp bazơ, lặp lại nhiều lần. Hàng chục bản sao của những “lặp lại song song ngắn” (STR) này có thể được xâu chuỗi lại với nhau theo những chuỗi này, giống như cùng một “từ” nhỏ được viết đi viết lại.

STR có rất nhiều trong bộ gen của con người: Chúng chiếm khoảng 5% tổng số DNA của chúng ta. Chúng từng được cho là những ví dụ kinh điển về DNA “rác” vì một “văn bản” DNA lặp đi lặp lại chỉ được tạo thành từ các STR không thể chứa nhiều thông tin có ý nghĩa như chuỗi chữ cái bất quy tắc tạo nên một câu trong này. bài báo.

Chưa hết, STR rõ ràng không phải là không đáng kể: Chúng có liên quan đến các bệnh như bệnh Huntington, teo cơ spinobulbar, bệnh Crohn và một số bệnh ung thư. Trong vài thập kỷ qua, đã có nhiều bằng chứng cho thấy bằng cách nào đó chúng có thể tăng cường hoặc ức chế sự điều hòa gen. Điều bí ẩn là làm thế nào họ có thể mạnh mẽ đến vậy với lượng thông tin ít ỏi như vậy.

Điều khiển phức tạp cho các ô phức tạp

Để hiểu làm thế nào STR phù hợp với bức tranh toàn cảnh về điều hòa gen, chúng ta hãy lùi lại một bước. Các gen thường được bao quanh bởi các đoạn DNA không mã hóa RNA hoặc protein nhưng có chức năng điều hòa. Các gen của vi khuẩn có các vùng “promoter” nơi các enzyme polymerase có thể liên kết để bắt đầu phiên mã DNA lân cận thành RNA. Chúng cũng thường xuyên có các vùng “điều hành”, nơi các protein ức chế có thể liên kết để ngăn chặn quá trình phiên mã, làm tắt gen, như trong hồ operon.

Ở người và các sinh vật nhân chuẩn khác, trình tự điều hòa có thể nhiều hơn, đa dạng hơn - và gây bối rối. Ví dụ, các vùng được gọi là vùng tăng cường sẽ ảnh hưởng đến khả năng một gen được phiên mã. Các chất tăng cường thường là mục tiêu của các protein được gọi là yếu tố phiên mã, có thể liên kết để tăng cường hoặc ức chế sự biểu hiện gen. Điều kỳ lạ là, một số chất tăng cường cách xa hàng chục nghìn cặp bazơ khỏi các gen mà chúng điều chỉnh và chỉ được đưa đến gần chúng thông qua sự sắp xếp lại vật lý của các vòng DNA trong nhiễm sắc thể đóng gói.

Sự điều hòa gen của sinh vật nhân chuẩn thường liên quan đến nhiều khối DNA điều hòa đa dạng này, cùng với một hoặc nhiều yếu tố phiên mã và các phân tử khác, tất cả tập hợp xung quanh một gen giống như một ủy ban được triệu tập để quyết định xem nó nên làm gì. Chúng tụ tập thành từng đám lỏng lẻo và dày đặc.

Thông thường, những người tham gia phân tử dường như cũng không tương tác thông qua các cặp “khóa và chìa khóa” có tính chọn lọc cao phổ biến trong sinh học phân tử. Thay vào đó, họ ít kén chọn hơn nhiều, tương tác khá yếu ớt và thiếu chọn lọc, như thể đang đi lang thang và bắt đầu những cuộc trò chuyện ngắn với nhau.

Trên thực tế, làm thế nào các yếu tố phiên mã liên kết với DNA ở sinh vật nhân chuẩn vẫn còn là một điều bí ẩn. Từ lâu, người ta đã giả định rằng một phần nào đó của yếu tố phiên mã phải khớp chặt chẽ với trình tự “mô típ” ràng buộc trong DNA, giống như các mảnh ghép hình. Nhưng mặc dù một số mô típ như vậy đã được xác định, nhưng sự hiện diện của chúng không phải lúc nào cũng tương quan tốt với nơi các nhà khoa học tìm thấy các yếu tố phiên mã bám vào DNA trong tế bào. Đôi khi các yếu tố phiên mã tồn tại ở những vùng không có bất kỳ mô típ nào, trong khi một số mô típ dường như liên kết chặt chẽ với các yếu tố phiên mã vẫn trống.

Fordyce cho biết: “Theo truyền thống trong lĩnh vực gen, mục tiêu là phân loại các vị trí gen theo cách [nhị phân] là 'bị ràng buộc' hoặc 'không bị ràng buộc'" bởi các yếu tố phiên mã. “Nhưng bức tranh còn có nhiều sắc thái hơn thế.” Các thành viên riêng lẻ của “ủy ban” quy định gen đó dường như không phải lúc nào cũng có mặt hoặc vắng mặt trong các cuộc họp của họ, mà thay vào đó có những xác suất khác nhau về việc có mặt ở đó hay không.

Nhà sinh lý học cho biết xu hướng điều hòa gen ở sinh vật nhân chuẩn dựa vào rất nhiều tương tác yếu đa dạng giữa các phức hợp phân tử lớn “là một trong những điều khiến việc xử lý về mặt lý thuyết trở nên cực kỳ khó khăn”. Thomas Kuhlman của Đại học California, Riverside, người đã viết một bài bình luận trên bài báo của phòng thí nghiệm Fordyce cho Khoa học. Đó là một câu đố sâu sắc làm thế nào mà từ quá trình có vẻ hỗn loạn này lại xuất hiện những quyết định chính xác về việc bật và tắt gen.

Ngoài logic mờ bí ẩn của quá trình ra quyết định đó, còn có câu hỏi làm thế nào tất cả các thành viên ủy ban thậm chí có thể tìm đường đến đúng phòng - và sau đó ở lại đó. Các phân tử thường di chuyển xung quanh tế bào bằng cách khuếch tán, bị ảnh hưởng bởi tất cả các phân tử xung quanh khác, chẳng hạn như nước và di chuyển theo các hướng ngẫu nhiên. Chúng ta có thể mong đợi những ủy ban lỏng lẻo này sẽ tách ra quá nhanh để thực hiện công việc quản lý của họ.

Fordyce và các đồng nghiệp của cô nghĩ rằng đó chính là lúc STR xuất hiện. STR cực kỳ phổ biến trong các vị trí tăng cường trên DNA. Trong bài báo của mình, các nhà nghiên cứu lập luận rằng STR hoạt động như những miếng dán dính, tập hợp các yếu tố phiên mã và ngăn chúng đi lạc.

Tinh chỉnh độ dính

Nhóm của Fordyce đã nghiên cứu một cách có hệ thống sự khác biệt trong trình tự STR ảnh hưởng như thế nào đến việc gắn kết các yếu tố phiên mã với mô típ liên kết. Họ đã xem xét hai yếu tố – một từ nấm men, một từ con người – bám theo mô típ sáu bazơ cụ thể. Các nhà nghiên cứu đã đo cả cường độ (hoặc ái lực) của liên kết đó và tốc độ mà các yếu tố phiên mã bị kẹt và không bị dính (động học) khi họa tiết được đặt cạnh một STR thay vì một chuỗi ngẫu nhiên. Để so sánh, họ xem xét mức độ dễ dàng của các yếu tố liên kết với STR và với trình tự DNA hoàn toàn ngẫu nhiên.

“Một trong những thách thức lớn nhất của lĩnh vực này là giải quyết vô số biến số tác động đến sự ràng buộc [yếu tố phiên mã] tại một vị trí cụ thể của bộ gen,” cho biết. David Suter, một nhà sinh học phân tử tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne ở Thụy Sĩ. Hình dạng DNA, sự gần gũi với các đoạn DNA khác và sức căng vật lý trong các phân tử DNA đều có thể đóng vai trò liên kết yếu tố phiên mã. Giá trị của các tham số này có thể khác nhau ở mọi vị trí trong bộ gen và cũng có thể khác nhau giữa các loại tế bào và trong một tế bào theo thời gian tại một vị trí nhất định. Suter nói: “Đây là một không gian rộng lớn với những biến số chưa biết và rất khó định lượng.

Đó là lý do tại sao các thí nghiệm được kiểm soát tốt như của nhóm Stanford lại rất hữu ích, Kuhlman nói thêm. Thông thường, khi các nhà nghiên cứu cần đo các tương tác yếu như thế này, họ có hai lựa chọn: Họ có thể thực hiện một số phép đo rất chi tiết, cực kỳ chính xác và khái quát hóa từ chúng, hoặc họ có thể thực hiện nhiều phép đo nhanh chóng và phức tạp và sử dụng các phép đo phức tạp về mặt toán học. phương pháp thống kê để suy ra kết quả. Nhưng Fordyce và các đồng nghiệp của cô, Kuhlman cho biết, đã sử dụng quy trình dựa trên chip vi lỏng tự động để thực hiện các phép đo chính xác trong các thí nghiệm thông lượng cao “nhằm đạt được hiệu quả tốt nhất của cả hai thế giới”.

Nhóm Stanford phát hiện ra rằng các trình tự STR khác nhau có thể làm thay đổi ái lực liên kết của các yếu tố phiên mã với DNA lên tới 70; đôi khi chúng có tác động nhiều hơn đến sự liên kết của yếu tố phiên mã hơn là thay đổi trình tự của mô típ liên kết. Và tác động của hai yếu tố phiên mã khác nhau mà họ xem xét là khác nhau.

Vì vậy, STR dường như có thể tinh chỉnh khả năng của các yếu tố phiên mã gắn vào vị trí DNA và do đó điều chỉnh gen. Nhưng chính xác thì thế nào?

Phòng chờ gần gen

Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng phần yếu tố phiên mã liên kết với DNA có thể tương tác yếu với STR, với cường độ chính xác của ái lực đó tùy thuộc vào trình tự STR. Bởi vì sự ràng buộc như vậy rất yếu nên nó sẽ không có nhiều tính đặc hiệu. Nhưng nếu một yếu tố phiên mã bị STR nắm giữ và giải phóng một cách lỏng lẻo nhiều lần thì tác động tích lũy là giữ yếu tố phiên mã ở gần gen để nó có nhiều khả năng liên kết an toàn hơn với vùng mô típ nếu cần.

Fordyce và các đồng nghiệp của cô dự đoán rằng STR do đó hoạt động như một “hành lang” hoặc nơi mà các yếu tố phiên mã có thể tập hợp, tuy nhiên chỉ là tạm thời, gần một địa điểm ràng buộc theo quy định. “Bản chất lặp đi lặp lại của STR khuếch đại tác dụng yếu của bất kỳ vị trí liên kết đơn lẻ nào tạo nên nó,” cho biết. Connor Horton, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, hiện là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley.

Ngược lại, ông nói thêm, một số STR cũng có thể hoạt động để kéo các yếu tố phiên mã ra khỏi trình tự điều hòa, hấp thụ các yếu tố phiên mã ở nơi khác giống như một miếng bọt biển. Bằng cách này, chúng có thể ức chế sự biểu hiện gen.

Suter cho biết, công trình này “chứng minh một cách thuyết phục rằng STR tác động trực tiếp đến sự liên kết của các yếu tố phiên mã trong ống nghiệm”. Hơn nữa, nhóm Stanford đã sử dụng thuật toán học máy để chỉ ra rằng các hiệu ứng nhìn thấy trong các thí nghiệm trong ống nghiệm của họ dường như cũng đang xảy ra trong các tế bào sống (nghĩa là trong cơ thể).

Nhưng Robert Tjian, một nhà hóa sinh tại Berkeley và một nhà nghiên cứu tại Viện Y khoa Howard Hughes, cho rằng có thể còn quá sớm để chắc chắn điều gì ảnh hưởng đến sự kết hợp yếu tố phiên mã STR nhất định đối với biểu hiện gen trong tế bào thực.

Tjian, Xavier Darzacq và các đồng nghiệp của họ trong phòng thí nghiệm mà họ cùng điều hành tại Berkeley đồng ý rằng STR dường như mang lại một cách tập trung các yếu tố phiên mã gần các vị trí điều hòa gen. Tuy nhiên, nếu không biết các yếu tố cần gần nhau đến mức nào để kích hoạt quá trình phiên mã thì thật khó để hiểu được ý nghĩa chức năng của kết quả đó. Tjian cho biết ông muốn xem liệu việc đưa STR vào tế bào sống có ảnh hưởng như dự đoán đến sự biểu hiện của gen mục tiêu hay không. Ông cho biết, hiện tại, ông “không bị thuyết phục rằng STR nhất thiết phải trở thành một khía cạnh chính của các cơ chế [điều tiết] trong cơ thể.”

Một ngữ pháp kết hợp

Một câu hỏi còn sót lại là làm thế nào một cơ chế như vậy có thể cung cấp loại điều hòa gen chính xác mà tế bào cần một cách đáng tin cậy, vì cả sức mạnh và tính chọn lọc của liên kết yếu tố phiên mã trong giếng STR đều yếu. Fordyce cho rằng mức độ ảnh hưởng cụ thể như vậy có thể đến từ nhiều nguồn - không chỉ từ sự khác biệt trong trình tự STR mà còn từ sự tương tác hợp tác giữa các yếu tố phiên mã và các protein khác liên quan đến quá trình điều hòa.

Với tất cả những điều đó, Horton cho biết, không rõ ràng rằng việc dự đoán tác động của sự kết hợp yếu tố phiên mã STR nhất định lên sự biểu hiện của gen có dễ dàng hay không. Logic của quá trình thực sự là mờ nhạt. Và “ngữ pháp” của ảnh hưởng có lẽ mang tính tổ hợp, Horton nói thêm: Kết quả phụ thuộc vào sự kết hợp khác nhau giữa các yếu tố phiên mã và các phân tử khác.

Nhóm Stanford cho rằng có lẽ 90% yếu tố phiên mã nhạy cảm với STR, nhưng có nhiều loại yếu tố phiên mã trong bộ gen của con người hơn số loại STR. Horton cho biết: “Việc đột biến một chuỗi STR có thể ảnh hưởng đến sự liên kết của 20 yếu tố phiên mã khác nhau trong loại tế bào đó, dẫn đến sự giảm tổng thể trong quá trình phiên mã của gen gần đó mà không liên quan đến bất kỳ yếu tố phiên mã cụ thể nào”.

Vì vậy, trên thực tế, nhóm Stanford đồng ý với Tjian rằng việc điều hòa gen trong tế bào sống sẽ không bị điều khiển bởi một cơ chế đơn giản, duy nhất. Đúng hơn, các yếu tố phiên mã, vị trí gắn DNA của chúng và các phân tử điều hòa khác có thể tập hợp lại thành những tập hợp dày đặc để phát huy ảnh hưởng chung của chúng.

“Hiện nay có nhiều ví dụ ủng hộ quan điểm cho rằng các phần tử DNA có thể tập trung các yếu tố phiên mã đến mức chúng hình thành các chất ngưng tụ với các đồng yếu tố,” cho biết. Richard trẻ, một nhà sinh học tế bào tại Viện Whitehead thuộc Viện Công nghệ Massachusetts. Chất tăng cường liên kết nhiều yếu tố phiên mã để tạo ra sự đông đúc đó. STR có thể là một thành phần giúp tập hợp các yếu tố phiên mã tập hợp gần một gen, nhưng chúng không phải là toàn bộ câu chuyện.

Tại sao lại điều hòa gen theo cách phức tạp này, thay vì dựa vào loại tương tác mạnh mẽ và cụ thể giữa protein điều hòa và vị trí DNA chiếm ưu thế ở sinh vật nhân sơ? Có thể sự mờ nhạt như vậy là nguyên nhân khiến cho các siêu sinh vật phức tạp lớn có thể tồn tại được.

Để trở thành loài tồn tại, các sinh vật cần có khả năng tiến hóa và thích nghi với hoàn cảnh thay đổi. Nếu các tế bào của chúng ta dựa vào một số mạng lưới tương tác điều hòa gen khổng lồ nhưng được quy định chặt chẽ, thì sẽ khó thực hiện bất kỳ thay đổi nào đối với nó mà không làm gián đoạn toàn bộ bộ máy, giống như một chiếc đồng hồ Thụy Sĩ sẽ bị kẹt nếu chúng ta loại bỏ (hoặc thậm chí thay thế một chút) bất kỳ phần nào. trong vô số bánh răng của nó. Tuy nhiên, nếu các tương tác phân tử điều tiết lỏng lẻo và không đặc hiệu, thì hệ thống sẽ có sự chậm trễ hữu ích - giống như một ủy ban thường có thể đưa ra quyết định đúng đắn ngay cả khi một trong các thành viên của ủy ban đó bị ốm.

Fordyce lưu ý rằng ở sinh vật nhân sơ như vi khuẩn, các yếu tố phiên mã có thể tương đối dễ dàng tìm thấy vị trí gắn kết của chúng vì bộ gen cần tìm kiếm nhỏ hơn. Nhưng điều đó càng khó hơn khi bộ gen ngày càng lớn hơn. Trong bộ gen lớn của sinh vật nhân chuẩn, “bạn không còn có thể chịu đựng được nguy cơ bị mắc kẹt tạm thời tại một vị trí liên kết 'sai' nữa," Fordyce nói, bởi vì điều đó sẽ ảnh hưởng đến khả năng phản ứng nhanh chóng với các điều kiện môi trường thay đổi.

Hơn nữa, bản thân STR có khả năng tiến hóa cao. Việc kéo dài hoặc rút ngắn trình tự của chúng hoặc thay đổi kích thước và độ sâu của “giếng yếu tố phiên mã” có thể dễ dàng xảy ra thông qua những rủi ro trong quá trình sao chép hoặc sửa chữa DNA hoặc thông qua sự tái tổ hợp giới tính của các nhiễm sắc thể. Đối với Fordyce, nó gợi ý rằng STR “do đó có thể đóng vai trò là nguyên liệu thô để phát triển các yếu tố điều tiết mới và tinh chỉnh các mô-đun điều tiết hiện có cho các chương trình phiên mã nhạy cảm”, chẳng hạn như các chương trình điều chỉnh sự phát triển của động vật và thực vật.

Sức mạnh của sự tương tác yếu

Những cân nhắc như vậy khiến các nhà sinh học phân tử chú ý nhiều hơn đến các tương tác yếu và tương đối không chọn lọc trong bộ gen. Nhiều trong số này liên quan đến các protein, thay vì có cấu trúc cố định và chính xác, lại lỏng lẻo và mềm mại - “rối loạn nội tại”, như các nhà hóa sinh đã nói. Young giải thích, nếu protein chỉ hoạt động thông qua các miền cấu trúc cứng nhắc, nó sẽ hạn chế không chỉ các hệ thống điều tiết có thể phát triển tốt như thế nào mà còn cả các loại quy định động được thấy trong cuộc sống. Young cho biết: “Bạn sẽ không tìm thấy một sinh vật sống - hay thậm chí là virus - hoạt động chỉ với các thành phần cấu trúc ổn định như những thành phần trong đồng hồ Thụy Sĩ”.

Có lẽ quá trình tiến hóa chỉ tình cờ coi STR như một thành phần của một giải pháp phức tạp nhưng cuối cùng lại hiệu quả hơn để điều hòa gen ở sinh vật nhân chuẩn. Bản thân STR có thể phát sinh theo một số cách - ví dụ: thông qua lỗi sao chép DNA hoặc hoạt động của các phân đoạn DNA được gọi là các yếu tố có thể thay thế tạo ra các bản sao của chính chúng trong toàn bộ bộ gen.

Kuhlman cho biết: “Thật tình cờ, kết quả là sự tương tác yếu xuất hiện giữa các protein và các trình tự lặp đi lặp lại là thứ có thể… mang lại lợi thế chọn lọc cho các tế bào nơi nó xảy ra”. Ông phỏng đoán rằng sự mờ nhạt này có lẽ đã bị ép buộc ở sinh vật nhân chuẩn, nhưng “sau đó chúng có thể khai thác [nó] vì lợi ích riêng của mình”. Vi khuẩn và các sinh vật nhân sơ khác có thể dựa vào logic điều chỉnh “kỹ thuật số” được xác định rõ ràng vì tế bào của chúng có xu hướng tồn tại chỉ ở một số trạng thái đơn giản, riêng biệt, chẳng hạn như di chuyển xung quanh và sao chép.

Nhưng các trạng thái tế bào khác nhau của động vật đa bào “phức tạp hơn nhiều và đôi khi gần giống như một trạng thái liên tục”, Suter nói, vì vậy chúng được phục vụ tốt hơn bởi quy định “tương tự” mờ hơn.

Tjian đồng ý: “Hệ thống điều hòa gen ở vi khuẩn và sinh vật nhân chuẩn dường như đã khác nhau khá nhiều”. Trong khi Monod được cho là đã từng nhận xét rằng “điều gì đúng đối với E. coli điều đó đúng với con voi,” có vẻ như điều đó không phải lúc nào cũng đúng.