Khám Phá Mới Cho Thấy Tế Bào Người Có Thể Chuyển Chuỗi RNA Thành DNA

Các tế bào chứa bộ máy chuyên nhân bản DNA thành một chuỗi mới trước khi đưa vào trong tế bào mới hình thành. Những cỗ máy tương tự, được gọi là polymerase, cũng tạo ra các RNA thông tin. Những phân tử RNA thông tin này giống như những ghi chú được sao chép từ kho lưu trữ các công thức của DNA trung tâm, bởi vậy chúng có thể được đọc thành protein hiệu quả hơn. Nhưng enzyme polymerase từng được tin rằng chỉ vận hành theo một hướng: từ DNA tạo thành DNA hoặc RNA. Cơ chế này nhằm ngăn cản RNA thông tin viết đè trở lại cuốn “công thức hệ gene”. Giờ đây, các khoa học gia thuộc Đại Học Thomas Jefferson đưa ra bằng chứng đầu tiên cho thấy những đoạn RNA cũng có khả năng viết ngược thành DNA, mà tiềm năng cao sẽ thách thức Luận Thuyết Trung Tâm của ngành sinh vật học và gây dư chấn ảnh hưởng rộng khắp đến nhiều lĩnh vực của ngành.

“Công trình này mở lối đến nhiều nghiên cứu có thể giúp chúng ta hiểu sâu hơn về tầm quan trọng của việc có một cơ chế biến đổi RNA thông tin thành DNA trong chính tế bào của ta.” – Richard Pomerantz, tiến sĩ, phó giáo sư chuyên ngành hóa sinh và sinh học phân tử tại Đại Học Thomas Jefferson. “Thực tế rằng việc enzyme polymerase của con người có thể thực hiện việc này với hiệu suất cao gợi lên rất nhiều thắc mắc.” Đơn cử, phát hiện này gợi ý rằng RNA thông tin có thể dùng như khuôn mẫu cho việc chỉnh sửa hoặc viết lại DNA hệ gene.

Công trình này được đăng trên tạp chí Science Advances ngày 11.6.2021.

Hợp tác cùng tác giả thứ nhất Gurushankar Chandramouly và cộng sự, nhóm làm việc của Tiến sĩ Pomerantz đã bắt tay nghiên cứu một enzyme polymerase bất thường, tên là polymerase theta. Trong số 14 enzyme DNA polymerase trong tế bào động vật có vú được khảo sát, chỉ duy nhất 3 loại thực hiện hầu hết cả quá trình nhân bản toàn hệ gene nhằm chuẩn bị cho quá trình phân chia tế bào. Mười một loại còn lại chủ yếu tìm và sửa chữa sợi DNA khi xảy ra gián đoạn hoặc lỗi. Dù enzyme polymerase theta sửa chữa DNA, nhưng chúng lại có khuynh hướng gây ra rất nhiều lỗi hoặc đột biến. Qua đó nhóm nghiên cứu nhận thấy một số đặc tính “xấu” mà enzyme polymerase theta sở hữu. Đặc điểm này là tương tự như trong một bộ máy tế bào khác, thường gặp ở virus – enzyme phiên mã ngược. Tương tự enzyme Pol theta, enzyme phiên mã ngược của HIV hoạt động như một DNA polymerase, nhưng còn có thể gắn vào RNA và tạo ra sợi DNA từ chính khuôn RNA đó.

Qua một chuỗi thí nghiệm tinh tế, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một trong những thử nghiệm xuất sắc nhất trong lĩnh vực này, đó là đánh giá enzyme polymerase theta so với enzyme phiên mã ngược từ HIV. Họ chỉ ra rằng enzyme polymerase theta có khả năng chuyển đổi RNA thông tin thành DNA, hệt như cách enzyme phiên mã ngược HIV thực hiện, và thậm chí còn làm tốt hơn khi nhân bản DNA thành DNA. Enzyme polymerase theta hoạt động hiệu quả và tạo ra ít lỗi hơn khi sử dụng khuôn RNA để viết nên các DNA thông tin mới so với khi nhân bản DNA. Kết quả này gợi ý rằng đây mới là chức năng chính của loại enzyme này trong tế bào.

Nhóm nghiên cứu đã hợp tác cùng phòng thí nghiệm của tiến sĩ Xiaojiang S. Chen tại USC. Sử dụng kĩ thuật tinh thể học tia X nhằm xác định cấu trúc, họ nhận thấy nguyên tử này có khả năng thay đổi hình dạng để phù hợp với các nguyên tử RNA cồng kềnh – một đặc tính duy nhất trong số các enzyme polymerase.

“Nghiên cứu của chúng tôi gợi ý rằng chức năng chính của polymarase theta tương tự enzyme phiên mã ngược,” – tiến sĩ Pomerantz phát biểu. “Trong các tế bào khỏe mạnh, mục đích của nguyên tử này có thể nhắm vào sự sửa chữa các DNA điều hòa bởi RNA. Với các tế bào bị bệnh, như tế bào ung thư, enzyme polymerase theta có biểu hiện rất cao và thúc đẩy sự phát triển của tế bào ung thư và tính kháng thuốc. Sẽ rất hào hứng để tìm hiểu sâu hơn cách hoạt động của enzyme polymerase theta trên RNA góp phần thế nào vào quá trình sửa chữa DNA và sự sinh sôi của tế bào ung thư.

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi quỹ NIH 1R01GM130889-01 và 1R01GM137124-01, và R01CA197506 và R01CA240392. Nghiên cứu này còn được hỗ trợ một phần bởi quỹ Tower Cancer Research Foundation.

Nguồn:

1. Thomas Jefferson University. Discovery identifies a highly efficient human reverse transcriptase that can write RNA sequences into DNA. ScienceDaily. ScienceDaily, 11 June 2021.
2. Gurushankar Chandramouly, Jiemin Zhao, Shane McDevitt, Timur Rusanov, Trung Hoang, Nikita Borisonnik, Taylor Treddinick, Felicia Wednesday Lopezcolorado, Tatiana Kent, Labiba A. Siddique, Joseph Mallon, Jacklyn Huhn, Zainab Shoda, Ekaterina Kashkina, Alessandra Brambati, Jeremy M. Stark, Xiaojiang S. Chen, Richard T. Pomerantz. Polθ reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair. Science Advances, 2021; 7 (24): eabf1771

Chuyển ngữ: Nguyễn Quang Trực

Hiệu đính: Vũ Đình Chất