Xác nhận sự hiện lớp thông tin di truyền thứ hai của DNA bằng chương trình mô phỏng

Thông tin di truyền chứa trong DNA cho biết “Bạn là ai” được đánh dấu bằng bước ngoặt to lớn khi lần đầu tiên vào năm 1953, Watson và Crick đã công bố về mô hình cấu trúc xoắn kép của DNA chứa A, T, G, C và khẳng định chính các nucleotit đã mã hóa cho thông tin di truyền để biểu hiện thành các tính trạng đặc trưng như màu mắt, màu da, màu tóc… Tuy nhiên, mỗi tế bào chứa đựng những trình tự giống nhau như đúc, nhưng mỗi cơ quan lại thực hiện chức năng khác nhau. Sao có thể như thế được?

Giữa những năm 1980, có giả thuyết cho rằng có một lớp thông tin thứ hai trong DNA tồn tại ở mã di truyền được chứa đựng trong các đặc tính cơ học DNA (DNA mechanical properties). Sau hơn 3 thập kỷ, nhà vật lí Helmut Schiessel và cộng sự đã cung cấp các bằng chứng đầy thuyết phục để chứng minh rằng lớp thông tin di truyền thứ hai trong DNA thật sự tồn tại. Công trình được đăng tải trên tạp chí Plos one ngày 7/6/2016.

Mỗi tế bào của chúng ta chứa khoảng 2 mét phân tử DNA và các phân tử đó được gói gọn trong không gian giới hạn của tế bào. Cách thức mà DNA được gấp cuộn xác định các nucleotit được đọc ra như thế nào, do đó protein nào thực sự được tạo ra. Tuy nhiên ở mỗi cơ quan, chỉ có các phần liên quan của thông tin di truyền được đọc. Theo lý thuyết, tín hiệu cơ học (mechanical cues) trong cấu trúc DNA xác định DNA ưu tiên gấp cuộn như thế nào trong sự hình thành nucleosome – đơn vị của bộ gen DNA Eukaryote.

Công trình nghiên cứu chọn nucleosome cho sự mô phỏng, phân tích và tính toán thông qua các công cụ tin sinh học MMC (Mutation Monte Carlo^[1]) dựa vào thuật toán để chứng minh sự hiện diện của nhiều lớp thông tin di truyền trong DNA và vai trò vô cùng qua trọng của vị trí chính xác của nucleosome trong tế bào.

Lần đầu tiên Helmut Schiessel và cộng sự cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho thấy sự tồn tại của lớp thông tin di truyền thứ hai trong DNA. Schiessel tìm thấy mối tương quan giữa các cơ chế và cấu trúc gấp cuộn thực tế trong hệ gen của hai chủng sinh vật Saccharomyces cerevisiae và Schizosacharomyces pombe. Các mã của chương trình máy tính được sử dụng để mô phỏng sự gấp cuộn của chuỗi DNA với sự thiết lập ngẫu nhiên các cơ chế tín hiệu. Với dữ liệu thu được đó cho thấy, các tín hiệu này thật sự chỉ ra cách mà các phân tử DNA gấp cuộn để hình thành nên nucleosome.

Bên cạnh đó công trình còn cho thấy sự thay đổi tiến hóa trong DNA (sự đột biến) xảy ra theo hai tác động rất khác nhau: trình tự mã hóa cho protein đặc hiệu có thể thay đổi hoặc những cơ chế của cấu trúc DNA có thể thay đổi, dẫn đến việc đóng gói khác nhau và mức độ truy cập vào DNA theo đó cũng khác nhau, và do đó tần suất không giống nhau trong  việc  sản xuất ra protein đó.

Kết quả của công trình mô phỏng mang lại một công cụ mới trong nghiên cứu sinh học phân tử tế bào cũng như có cái nhìn toàn diện hơn về sự biệu hiện thông tin di truyền trong DNA.

I. Chú thích:

      [1] Phương pháp đột biến Monte Carlo (Mutation Monte Carlo method): dựa trên thuật toán Metropolis với hai loại Monte Carlo: bước không gian và bước đột biến.

     Các phương pháp Monte Carlo là một lớp các thuật toán để giải quyết nhiều bài toán trên máy tính theo kiểu không tất định, thường bằng cách sử dụng các số ngẫu nhiên(thường là các số giả ngẫu nhiên), ngược lại với các thuật toán tất định. Một ứng dụng cổ điển của phương pháp này là việc tính tích phân xác định, đặc biệt là các tích phân nhiều chiều với các điều kiện biên phức tạp.

II. Tài liệu tham khảo:

1. Behrouz Eslami-Mossallam et al. Multiplexing Genetic and Nucleosome Positioning Codes: A Computational Approach, PLOS ONE (2016). DOI: 10.1371/journal.pone.0156905
2. http://phys.org/news/2016-06-layer-dna.html
3. Các kiến thức cơ sở của phương pháp Monte Carlo. Đặng Nguyên Phương, 20/5/2014

   Anh Thư ( lượt dịch và tổng hợp)

   Nguồn Hình: benhvienungbuouhungviet.com

   Ngày đăng đầu: 22/06/2016

 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.