Vì sao việc tạo ra tế bào gốc trong phòng thí nghiệm lại thất bại: Sai sót trong gấp nếp DNA

Tế bào gốc vạn năng cảm ứng (iPS) là nguồn tế bào đầy hứa hẹn cho y học tái tạo bởi vì theo lý thuyết chúng có thể biệt hóa thành nhiều loại mô khác nhau và chúng có thể được tạo ra từ tế bào trưởng thành từ chính bệnh nhân đó nên đảm bảo tính tương thích với bệnh nhân và không xảy ra hiện tượng thải loại khi cấy ghép. Tuy nhiên, kỹ thuật chuyển tế bào trưởng thành trở thành tế bào iPS là không hề đơn giản; sau khi chuyển sang trạng thái vạn năng thì các tế bào này không phải lúc nào cũng có thể biệt hóa thành các tế bào trưởng thành một cách chính xác. Các nhà nghiên cứu từ trường Đại học Pennsylvania đã tìm ra một trong những lý do tại sao dẫn đến hiện tượng này là do quá trình gấp nếp DNA của các tế bào được cảm ứng là không hoàn toàn. Cấu hình này ảnh hưởng trực tiếp đến sự biểu hiện gen, vì vậy ảnh hưởng đến chức năng của tế bào.

Nghiên cứu mới cho thấy rằng các kỹ thuật hiện tại không thể tạo ra tế bào iPS tương tự với tế bào gốc vạn năng được tìm thấy trong phôi thai vì một vài dòng vẫn giữ nguyên mẫu gấp nếp của bộ gen tương đồng với tế bào trưởng thành tạo ra chúng.

Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Jenifer Phillips -trợ lý giáo sư tại trường Kỹ Thuật và Khoa công nghệ sinh học- khoa học ứng dụng và Jonathan Beagan – sinh viên trong nhóm đã được công bố trên tạp chí Cell Stem Cell đã gợi ý cách giảm thiểu những sai sót trong quá trình gấp nếp.

Những kỹ thuật biệt hóa ngược các tế bào trưởng thành trở thành iPS tồn tại trong một thập kỷ và tránh được những vấn đề xung quanh việc sử dụng tế bào gốc phôi gây cản trở cho nghiên cứu y học tái tạo; tuy vậy, việc sử dụng những tế bào này trong các thử nghiệm lâm sàng vẫn rất thận trọng và chậm rãi. Bởi vì, tế bào iPS có thể không biệt hóa chính xác thành những loại mô mong muốn. Hơn nữa, cũng có những lo ngại về những mô thu được có thể không dự đoán được những bất thường di truyền hoặc cũng có thể trở thành ung thư.

Ngoài những ứng dụng lâm sàng, nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến tế bào iPS, chẳng hạn như tạo ra “mô hình bệnh trong phòng thí nghiệm” (disease in dish). Thay vì thu mẫu mô từ những bệnh nhân bị rối loạn di truyền, đặc biệt trong trường hợp cơ quan bị tổn thương là não bộ, Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng tế bào iPS có nguồn gốc từ tế bào da của bệnh nhân để phát triển thành các cơ quan mô hình (model organ) khi cần thiết. Việc quan sát sự phát triển những mô này có thể cung cấp những manh mối về tiến triển của bệnh cũng như phục vụ cho những phương pháp điều trị chưa được phép sử dụng trên người.

Tuy nhiên, trong cả ứng dụng lâm sàng và nghiên cứu, những yếu tố giúp tạo ra tế bào iPS “chất lượng cao” có thể biệt hóa trực tiếp thành mô mong muốn mà không có bất thường di truyền vẫn chưa rõ ràng.

Phillips-Cremins cho biết: “chúng tôi biết rằng có một mối liên hệ giữa cấu trúc không gian của bộ gen và biểu hiện gen. Điều này thúc đẩy chúng tôi khám quá ra cách thức vật liệu di truyền tái cấu trúc trong không gian 3 chiều bên trong nhân trong quá trình tái thiết lập chương trình của tế bào não trưởng thành thành tế bào vạn năng. Chúng tôi tìm thấy những bằng chứng về những cấu hình tinh vi khác nhau giữa tế bào iPS và tế bào gốc phôi trong những con đường tín hiệu quan trọng.

Lĩnh vực nghiên cứu của Phillip-Cremins là “3-D epigenetics” hay cách gấp nếp DNA có ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen. Các dấu hiệu của epigenetics là những biến đổi hóa học ở phần đầu trình tự DNA và cung cấp thêm thông tin về đoạn đầu của chuỗi dài các cặp nucleotide. Nhìn vào những dấu hiệu khi DNA dạng thẳng sẽ không thể hiện toàn bộ bức tranh của bộ gen; tuy nhiên khi DNA gấp nếp có thể mang hai vùng riêng biệt trong tương tác về không gian và về chức năng.

Bằng cách áp dụng kỹ thuật thí nghiệm và tính toán tại phòng thí nghiệm, Cremins và nhóm nghiên cứu của cô ấy đã xác định được các kiểu mẫu gấp nếp DNA trong tế bào iPS mà chưa từng được nhìn thấy trước đây.

Phillips-Cremins cho biết: “Phương pháp trước đây cung cấp dữ liệu tương tự như một chiếc ti vi cũ với điểm ảnh lớn và trắng đen. Người ta có thể tạo ra một hình ảnh mờ và nói có một người trên màn hình, nhưng sẽ khó khăn để phân tích đặc điểm khuôn mặt một cách chi tiết. Chúng tôi sử dụng phương pháp để tạo ra các bản đồ gấp nếp của DNA có độ phân giải cao. Chính vì thế chúng tôi có thể phân biệt các đặc tính cấu trúc một cách chi tiết và đánh giá sự giống và khác nhau giữa tế bào gốc phôi và tế bào iPS, các tế bào gốc trưởng thành đã biệt hóa.

Phương pháp của Beagan được sử dụng để tạo ra các bản đồ có độ phân giải cao liên quan đến việc sửa chữa DNA, chẳng hạn như mô hình gấp 3-D của chúng được duy trì trước khi đi giải trình tự. Một số đoạn trình tự gen dạng thẳng sẽ nằm cách rất xa nhau nhưng lại liền nhau khi được gấp nếp. Điều này được phát hiện nhờ vào việc giải trình tự.

Việc phân tích những trình tự lai với nhau (hybrid piece) cung cấp thông tin giúp các nhà nghiên cứu phỏng đoán đoạn DNA nằm kề với nhau trong trạng thái gấp nếp của bộ gen. Điều quan trọng là hướng tiếp cận của nhóm Cremins chỉ nhắm vào những vị trí cụ thể trong bộ gen và cho phép những phân tích trên những vùng này với độ phân giải cao đạt hiệu quả và dễ dàng hơn nhiều so với phương pháp khác. Hiện nay, các bản đồ được báo cáo bởi phòng thí nghiệm Penn Engineering là những bản đồ gấp nếp của bộ gen tế bào iPS có độ phân giải cao nhất.

Phillips-Cremins và nhóm tin học của cô ấy có thể biểu thị những dữ liệu giải trình tự trong bản đồ nhiệt (heatmap), qua đó cung cấp hình ảnh của các đoạn DNA nằm liền kề nhau trong vùng nhân ở dạng cấu hình 3-D của tế bào gốc.

Beagan nói: “Mỗi điểm ảnh trên bản đồ nhiệt của chúng tôi biểu thị một tần suất tương tác của hai đoạn gen xác định. Bạn có thể biểu diễn số tần suất tương tác này bằng màu sắc và biểu diễn toàn bộ vùng DNA trên bản đồ nhiệt. Cuối cùng, bạn sẽ thấy được bản đồ mô phỏng với những vùng có cường độ màu cao và thấp và từ đó người ta có thể suy ra các cấu hình gấp nếp của bộ gen”.

Các nhà nghiên cứu ở Penn nhắm mục tiêu vào các vị trí dọc theo bộ gen để tiến hành các phân tích trên máy tính, để so sánh các tế bào iPS với các tế bào ban đầu và so sánh với các tế bào gốc phôi thai.

Họ phát hiện ra rằng các tế bào gốc phôi thai và các tế bào não trưởng thành đã biệt hóa có kiểu gấp nếp bộ gen khác nhau. Tuy nhiên, các vật liệu di truyền của tế bào iPS không gấp một cách hoàn hảo giống như tế bào gốc phôi thai nhưng thay vào đó các tế bào iPS này mang các cấu hình gấp nếp 3-D giống với các tế bào não đã được cảm ứng để tạo chúng.

Beagan cho biết: “Chúng tôi tìm thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các bản đồ nhiệt mà chúng tôi tạo ra cho mỗi loại tế bào. Kết quả này là rất quan trọng, bởi vì nếu chúng tôi có thể thay đổi cấu hình 3-D của bộ gen ở tế bào được sử dụng để thành tế bào iPS giống với các tế bào gốc phôi. Sau đó chúng tôi có thể tạo ra các tế bào iPS khớp với những tiêu chuẩn vàng dành cho tế bào gốc đa năng một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn”.

Điều quan trọng là các nhà nghiên cứu có thể tạo ra tế bào iPS có cấu hình gấp nếp chính xác hơn bằng cách thay đổi môi trường trong quá trình nuôi cấy. Kết quả này mở ra một cánh cửa mới cho các nhà nghiên cứu, các bác sĩ lâm sàng có thể thiết kế các dòng tế bào iPS tốt hơn phục vụ cho nghiên cứu và điều trị. Phòng thí nghiệm của Phillips-Cremins đang tiến hành các thử nghiệm về sự gấp nếp 3-D của bộ gen trên tế bào gốc để kiểm soát sự biểu hiện gen theo ý muốn.

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/05/160510124820.htm

Tham khảo từ tạp chí: Jonathan A. Beagan, Thomas G. Gilgenast, Jesi Kim, Zachary Plona, Heidi K. Norton, Gui Hu, Sarah C. Hsu, Emily J. Shields, Xiaowen Lyu, Effie Apostolou, Konrad Hochedlinger, Victor G. Corces, Job Dekker, Jennifer E. Phillips-Cremins. Local Genome Topology Can Exhibit an Incompletely Rewired 3D-Folding State during Somatic Cell Reprogramming. Cell Stem Cell, 2016; 18 (5): 611 DOI:10.1016/j.stem.2016.04.004

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.