Khám phá mới về sự khác biệt giữa DNA và RNA

Ngày 1.8.2016 vừa qua, tạp chí Nature Structural & Molecular Biology công bố một công trình đáng chú ý của các nhà khoa học Mỹ và Áo. Theo đó, lần đầu tiên người ta quan sát rằng RNA tách ra khi chúng cố dung nạp một sự thay đổi, trong khi DNA có thể thay đổi hình dạng để tương thích với bất kì tổn thương hóa học (chemical damage) nào.

Nghiên cứu này giúp giải thích rằng bản thiết kế (blueprint) của sự sống là DNA chứ không phải RNA,  và khám phá này có thể sẽ khiến các giáo sư phải cập nhật nội dung của sách giáo khoa.

“Với những khái niệm cơ bản chẳng khác gì việc xoắn kép, thật đáng ngạc nhiên khi chúng ta lại khám phá những đặc tính cơ bản này trễ như vậy,” theo lời của Hashim Al-Hashimi từ Đại Học Y Duke.

Trở lại năm 1953, Watson và Crick lần đầu tiên công bố mô hình chuỗi xoắn kép DNA và dự đoán cách thức các cặp base – A & T và G & C – liên kết với nhau.

Một thông tin quen thuộc mà độc giả hẳn đã từng được nghe nhiều lần là: hai sợi DNA được liên kết với nhau bằng các liên kết của các cặp base, tạo thành các nấc thang giữ vững thang xoắn DNA.

Nhưng phải mất nhiều năm các nhà khoa học mới tìm thấy bằng chứng cho thấy các cặp base được liên kết theo cách mà Watson và Crick đã dự đoán – họ gọi là cặp base Watson-Crick. Sau đó, vào năm 1959, nhà sinh hóa Karst Hoogsteen đã thành công trong việc chụp được hình ảnh của một cặp base A-T, cho thấy sự bất cân đối hình học trong đó một base xoay 180 độ so với base khác. Người ta gọi đây là cặp base Hoogsteen.

Kể từ đó, các nhà nghiên cứu quan sát sự hiện diện của cả hai cặp base Watson-Crick và Hoogsteen dựa trên hình ảnh của DNA.

Tuy nhiên, năm năm trước, Al-Hashimi và nhóm nghiên cứu tại Duke khám phá một hiện tượng chưa hề được biết đến trước đó: cặp base DNA liên tục thay đổi từ mô hình của Hoogsten sang Watson-Crick và ngược lại. Điều này đã bổ sung thêm một chiều hướng mới về sự linh hoạt của cấu trúc DNA.

Các nhà khoa học phát hiện rằng DNA sử dụng liên kết Hoogsteen khi có sự liên kết giữa protein và DNA hoặc nếu có tổn thương hóa học tới bất kỳ một base nào. Một khi thiệt hại được sửa chữa hoặc khi các protein thoát liên kết, DNA quay trở lại với dạng liên kết Watson -Crick.

Phát hiện này mang tầm ảnh hưởng to lớn, nhưng đội nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng RNA không có khả năng này,  trả lời cho câu hỏi mà các nhà khoa học tìm cách lý giải hàng năm trời: DNA là cấu trúc căn bản của sự sống, không phải RNA.

Trong khi DNA sẽ hấp thụ tổn thương hóa học và thích ứng với môi trường xung quanh, RNA sẽ trở nên rắn hơn và cấu trúc dần sụp đổ. Vì vây DNA là cấu trúc tốt hơn để truyền tải thông tin di truyền xuống các thế hệ DNA sau.

“Ở DNA, tổn thương có thể dễ dàng được sửa chữa bằng cách lật các base và tạo thành một cặp base Hoogsteen. Ngược lại, việc sửa đổi sẽ phá vỡ nghiêm trọng cấu trúc xoắn kép của RNA,” theo Huiqing Chu, một trong những nhà nghiên cứu của công trình cho biết.

Theo một thông cáo báo chí của Đại Học Duke, “Phát hiện này có khả năng cao sẽ thay đổi thông tin trong sách giáo khoa về sự khác biệt giữa hai cấu trúc cung cấp thông tin di truyền, DNA và RNA,”

Hình minh họa cho thấy cấu trúc DNA bên trái thực hiện liên kết Hoogsteen để kết hợp những cặp base hỏng, trong khi cấu trúc RNA bên phải đang tan rã.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra điều đó bằng cách tạo ra những chuỗi xoắn kép, RNA và DNA, và sử dụng những kỹ thuật hình ảnh cao cấp (advanced imaging techniques) để xem xét sự liên kết giữa các base trong đó diễn ra như thế nào.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trong bất kì thời điểm nào, khoảng 1% các base từ chuỗi DNA chuyển thành các cặp base Hoogsteen. Nhưng điều này không xuất hiện ở các đoạn RNA.

Các nhà khoa học tiếp tục tiến hành những thí nghiệm với những chuỗi xoắn kép RNA ở những điều kiện khác nhau, nhưng dường như không có sự thay đổi để trở thành các cặp base Hoogsteen. Khi những đoạn RNA bị “ép buộc” để hình thành những cặp base Hoogsteen, chỉ để khẳng định điều đó có thể xảy ra hay không, nhưng ngay khi nó được hình thành, đoạn RNA trở nên tan rã.

Nhóm các nhà khoa học giải thích rằng nguyên nhân của hiện tượng đó do cấu trúc được sắp xếp chặt hơn (more packed) của chuỗi xoắn kép RNA so sánh với cấu trúc tương tự trên DNA, và cũng bởi vì một RNA base không thể thay đổi định hướng của nó mà không va chạm phải các base khác cũng như thay đổi toàn bộ cấu trúc phân tử RNA.

“Đó là một cấu trúc tuyệt vời, một sự phức tạp được xây dựng từ những cấu tạo giản đơn, toàn bộ những điều mà trước nay chúng ta không thể nhìn thấy được, chỉ bởi vì không có những công cụ để quan sát chúng, cho tới trước thời điểm này.” – Al-Hashimi nói.

Sẽ cần những nghiên cứu tiếp theo để kiểm chứng lại giả thiết rằng sự linh động của DNA, chứ không phải ở RNA, là nguyên nhân để DNA trở thành nền tảng của sự sống, và nếu được chứng thực, điều đó sẽ giúp chúng ta giải thích cách sự sống phát triển trên trái đất này.

Và một điều khá thú vị rằng sau tất cả bao nhiêu năm, chúng ta vẫn đang tìm tòi những điều mới mẻ về những phân tử làm nên chính chúng ta.

Thanh Lan, Anh Phương, và Hồng Ái (chuyển ngữ)

Nguồn hình: (*) Wikipedia

Bài báo:

1. Fiona MacDonald. Scientists have just uncovered a major difference between DNA and RNA. Science Alert. 3 August 2016
2. Zhou, H., Kimsey, I. J., Nikolova, E. N., Sathyamoorthy, B., Grazioli, G., McSally, J., … & Al-Hashimi, H. M. (2016). m1A and m1G disrupt A-RNA structure through the intrinsic instability of Hoogsteen base pairs. Nature Structural & Molecular Biology.

Xin mời Quý Độc Giả bỏ ra 2-5 phút để làm một khảo sát mức độ hài lòng về bài viết của IBSG tại đây. IBSG chân thành cảm ơn Quý Độc Giả.

Bài viết đã được cập nhật ngày 4.9.2016