Sự phát triển sớm giúp hé lộ những bí ẩn của loài kỳ nhông Mexico

Loài kỳ nhông Mexico (axolotl), một loài đứng trước nguy cơ tuyệt chủng – có thể sử dụng chính cơ thể nó như một nguồn NAPA * nhằm phục hồi những phần trên cơ thể bị mất hay bị tổn thương. Nó có khả năng tái tạo đầy đủ các chi, đuôi, cột sống, tim và mắt. Điều này khiến cho loài kỳ nhông này trở thành một mô hình hấp dẫn cho những nhà nghiên cứu về sinh học tái tạo.

Hầu hết các nghiên cứu khoa học về sinh học tái tạo hiện nay đều tập trung vào vùng mầm gốc (blasterma), một cụm tế bào đặc biệt hình thành ở gốc các chi bị cắt cụt hay các mô bị tổn thương, có vai trò trong tái sinh các phần cơ thể. Những tế bào này có thể bằng cách nào đó đã phối hợp, điều hoà các hoạt động giúp tái phát triển các cơ bắp, sụn, xương, mạch máu, da. Tất cả mọi hoạt động này diễn ra đúng nơi và đúng thời điểm để giúp hình thành một chi mới tốt, có chức năng hoạt động tốt.

Tuy nhiên các nhà khoa học nghiên cứu về sinh học tái tạo, thuộc Viện Nghiên Cứu Morgridge lại quan tâm đến sự phát sinh phôi thai của kỳ nhông Mexico nhằm cung cấp những manh mối mới về khả năng tái sinh hiếm có của loài sinh vật này. Trong công trình  được công bố vào mùa hè năm 2016 trên tạp chí Sinh Học Phát Triển (Developmental Biology), các nhà nghiên cứu đã xem xét 17 giai đoạn phát triển khác nhau của phôi thai kỳ nhông Mexico và nhận thấy một chuỗi các sự kiện bùng phát việc biểu hiện gene một cách bất thường, được theo sau là giai đoạn biểu hiện ổn định.

Những “sóng và đáy” (“waves and troughs”) – của sự thay đổi di truyền xuất hiện ba lần: Khi các gen được kích hoạt đầu tiên, quá trình hình thành của ruột sớm và quá trình hình thành của hệ thần kinh. Mô hình này cung cấp cho các nhà khoa học ba căn cứ  mới  để so sánh với các ngân hàng hiện tại có thông tin  sự tái sinh chi của kỳ nhông Mexico trưởng thành .

Hướng tới con đường nguyên thủy

“Chúng tôi có lý do để tin rằng những gì đang diễn ra trong quá trình tái sinh chân tay người lớn trông rất giống sự sớm phát triển của kỳ nhông Mexico,” Jeffrey Nelson, Morgridge nghiên cứu sau tiến sĩ đồng thời là tác giả chính với nhà sinh học tính toán Peng Giang cho biết. Trong một nghĩa nào đó, các con vật trưởng thành có thể được kích hoạt lại một số con đường nguyên thủy để kích hoạt sự hình thành các chi.

“Chúng ta có thể tìm thấy điểm tương đồng trong các biểu hiện gen xảy ra trong giai đoạn này và trong các loại tế bào phát triển trong mầm?” anh ấy hỏi. “Đó là con đường chính phía trước trong việc áp dụng các dữ liệu này.”

Jiang cho biết dự án cũng là duy nhất ở kỳ nhông Mexico phát triển ban đầu là rất hiếm khi được nghiên cứu. Bởi vì kỳ nhông Mexico có một bộ gen khổng lồ như vậy, nó đã không bao giờ được giải trình tự đầy đủ – không giống như ếch, mà là đi đến mô hình phát triển phôi thai động vật lưỡng cư.

“Không giống như các loài mô hình khác, kỳ nhông Mexico giống như một phiến đá trắng,” Jiang nói. “Chúng tôi không có toàn bộ hình ảnh, chỉ bức ảnh chụp tại các điểm phát triển khác nhau.”

Công việc này liên quan đến các thí nghiệm giải trình tự cho phép nhóm các mảnh sợi với nhau của hệ phiên mã (transcriptomes) kỳ nhông Mexico – các phân tử RNA thông tin được thể hiện trong cơ thể – và so sánh chúng với hệ phiên mã đã  biết ở ếch và con người. Điều này cho phép các nhóm để sắp xếp các bảng điểm gãy với chức năng di truyền của họ. Peng đã làm nhiều công việc so sánh với sự cộng tác của Giáo sư thống kê sinh học tại UW-Madison, Colin Dewey.

Đi tìm “công thức” của sự tái tạo

Nhóm nghiên cứu đang theo đuổi một câu hỏi quan trọng: Khi một chi được tái tạo, những gen nào có vai trò quan trọng  trong quá trình đó? Và trong việc xác định  rõ hơn quá trình này, có tồn tại một “công thức chung” của những bộ phận có thể sao chép lại hoặc cải thiện trên các loài khác hay không?

“Mục đích cuối cùng là hiểu được các con đường nội bào và các phân tử sinh học có liên quan trong quá trình tái tạo của sinh vật này,” Nelson cho biết.” Khi đó chúng ta có thể đặt câu hỏi: “Liệu rằng con chuột cũng có những cơ chế phân tử tương tự như vậy hay không, và chúng ta có thể tái hoạt hóa các cơ chế phân tử liên quan đến quá trình tái tạo trên chuột?”

“Đó là một câu hỏi rất thực tế. Vì tái tạo bộ phận không phải là một vấn đề không thể.  Ếch, chuột và nhiều loài khác cũng có khả năng tái tạo, chỉ là chưa đạt tới mức tinh vi  như của loài kỳ nhông Mexico mà thôi”.

Nelson lấy ví dụ, loài ếch cũng có thể tái tạo chi tới một mức độ nhất định, nhưng chi đó chỉ phát triển thành một điểm có hình cây kim và sau đó quá trình đó thất bại trong việc chia tách các đầu ngón của chi. Loài chuột cũng có thể tái sinh các đầu ngón từ phần đệm của móng, nhưng không phải bất cứ phần nào trên cơ thể cũng có thể tái sinh được.

“Có những bằng chứng không rõ ràng rằng những khả năng tái tạo này tồn tại trên các sinh vật khác, nhưng vì một lý do nào đó chúng không thể thực hiện quá trình tái tạo giống như kỳ nhông Mexico được,” ông nói.

Vậy còn con người thì sao?

Vậy cái gì còn thiếu cho con người? Một cách rõ ràng con người có thể tái tạo rất tốt ở một vài dòng tế bào như da, cơ và tế bào gan, nhưng hầu hết các loại tế bào khác trong cơ thể là không thể tái tạo như tế bào của hệ thần kinh hay bất kỳ hệ mô phức tạp nào. Nelson nói rằng loài kỳ nhông này đặc biệt giỏi trong việc tái tạo hệ thần kinh, mà quá trình này có thể đóng vai trò trung tâm trong toàn bộ quá trình tái tạo các chi.

Cuối cùng, câu hỏi thú vị nhất là liệu chúng ta có thể học tập được điều gì từ các nghiên cứu ở loài kỳ nhông Mexico để từ đó có khả năng ứng dụng vào ngành y học tái tạo ở người. Khả năng ứng dụng vẫn còn là một hứa hẹn xa vời trong tương lai, nhưng đó là lý do chính mà các nghiên cứu về kỳ giông Mexico vẫn đang được chú ý trong sinh học tái tạo tại Morgridge, đứng đầu  bởi nhà nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực tế bào gốc James Thomson.

“Thật thú vị khi được làm việc trong môi trường của phòng thí nghiệm Thomson và trong cả hệ thống tế bào gốc, và hiểu cơ chế tái sinh của loài kỳ nhông này từ đó có thể đang áp dụng các cơ chế phân tử đó trên các sinh vật khác – và có thể là cả trên con người,” Nelson nói.

Chú thích:

NAPA: là viết tắt của cụm từ National Automotive Parts Association- Hiệp Hội Phụ Tùng Ô Tô Quốc Gia.

Ngọc Sơn, Thúy Quỳnh, và Hải Yến (chuyển ngữ)

Nguồn Hình: Google Images

Bài báo:

1. Peng Jiang, Jeffrey D. Nelson, Ning Leng, Michael Collins, Scott Swanson, Colin N. Dewey, James A. Thomson, Ron Stewart. Analysis of embryonic development in the unsequenced axolotl: Waves of transcriptomic upheaval and stability. Developmental Biology, 2016; DOI: 10.1016/j.ydbio.2016.05.024
2. Morgridge Institute for Research. (2016, October 3). Early development reveals axolotl mysteries. ScienceDaily.