Khám phá cơ chế nén DNA của protein condensin

Một trong những điều kỳ diệu của tế bào là khả năng nén một sợi DNA dài hơn hai meter thành một chromosome tí hon khi tế bào phân chia. Vậy tế bào đã làm điều đó như thế nào?

Các nhà khoa học biết rằng một phức hợp protein tên là condensin đóng một vai trò then chốt trong quá trình này. Tuy nhiên, cơ chế chính xác như thế nào thì vẫn còn bỏ ngõ. Một giả thuyết được đặt ra là condensin hoạt động như một cái móc (hook) túm lấy và kết nối các đoạn DNA bên trong mớ bòng bong DNA. Một giả thuyết khác lại cho rằng các phân tử condensin dạng hình nhẫn này kéo DNA vào bên trong để tạo thành cấu trúc vòng lặp (loop).

Tháng Mười Một 2017, trong một bài báo được lên trang bìa của tạp chí Science, các nhà khoa học tại Delft và tại các phòng thí nghiệm liên kết khác chỉ ra rằng condensin giữ vai trò như một enzme ‘DNA translocase,’ có chức năng như một động cơ (motor function) cần thiết cho việc vồng thành vòng lặp.

Như vậy, mẫu dữ liệu này giúp tăng thêm trọng lượng cho giả thuyết thứ hai về cơ chế hoạt động của condensin, tức condensin hành xử như một cổ máy tạo vòng lặp (loop extruder). Tuy nhiên, thử thách đặc ra là làm thế nào để chứng minh điều đó. Phải có cách nào đó để cho thấy sự vồng và sự chuyển đổi vị trí (translocation) của DNA dưới tác dụng của condensin hoặc của một phức hợp chứa condensin nào đó.

Một cách ngoạn mục, các nhà khoa học tại Kavli Institute, Delft University, và EMBL Heidelberg đã cô lập và quay phim lại quy trình condensin kéo DNA vào để vồng (extrude) thành một vòng lặp. Bằng cách vồng nhiều vòng lặp như vậy ở các sợi DNA dài, tế bào có thể nén bộ gene lại để có thể phân bố đều ở cả hai tế bào con sau phân chia. Công trình được xuất bản trên tạp chí Science vào ngày 22.02.2018.

Trong công trình này, Mahipal Ganji và cộng sự trong nhóm nghiên cứu của Cees Dekker tại Delft đã cố định hai đầu một đoạn DNA lên bề mặt và gắn màu nhuộm lên cả DNA lẫn condensin. Tiếp đó, nhóm nghiên cứu cho một dòng chảy dung dịch vuông góc với trục của phân tử DNA nhằm định hướng DNA thành hình chữ U và đặt hệ thống vào mặt phẳng tiêu cự (focal plane) của kính hiển vi. Bằng cách này, Ganji và các đồng nghiệp có thể nhìn thấy phân tử đơn condensin bám vào DNA và bắt đầu vồng thành một vòng lặp (loop extrusion).

Hệ thống này còn cho phép nhóm nghiên cứu thực hiện cách đo lường khác như tính đối xứng của sự vồng tạo vòng hay tốc độ tạo vòng. Đáng chú ý, tốc độ tạo vòng này lên đến 1500 cặp base của DNA trên một condensin trong một giây.

Ngoài ra, hoạt động này của condensin tiêu thụ rất ít ATP, cho thấy condensin không di chuyển dọc theo DNA từng base một mà kéo DNA trong từng bước lớn (xem video). Hơn nữa, các nhà khoa học quan sát được rằng, đầu tiên condensin đậu lên DNA và neo nó ở vị trí đó, sau đó condensin bắt đầu kéo DNA chỉ từ một phía duy nhất. Như vậy, hiện tượng vồng tạo vòng này có tính bất đối xứng.

Huy Vũ (lượt dịch)

Tài liệu đọc thêm:

1. Ganji, Mahipal, et al. “Real-time imaging of DNA loop extrusion by condensin.” Science (2018): eaar7831.
2. Loops, Loops, and More Loops: This Is How Your DNA Gets Organized. Lab Manager. 26 February 2018.

Nguồn hình cover: Delft University