Phả hệ của tế bào – Kĩ thuật mã vạch CRISPR đánh dấu tế bào toàn cơ thể sinh vật

Cơ thể sinh vật đa bào được cấu thành từ vô số tế bào có liên hệ về nguồn gốc với nhau như một đại gia đình trên một cây phả hệ. Trên cây phả hệ, mỗi vị trí là một thành viên gia đình với thông tin tiểu sử của người đó và được đặt ở vị trí nói lên liên hệ thân thuộc với nhau. Tương tự như vậy, mỗi tế bào trong cơ thể cũng có thể được sắp xếp để chỉ nguồn gốc, với thông tin phân loại là bộ gen được biểu hiện.

Một cây phả hệ hoàn chỉnh của một sinh vật có thể giúp các nhà khoa học hiểu nhiều và sâu hơn về sự phát triển, sự lão hóa và bênh tật. Đáng tiếc là, kĩ thuật đánh dấu tế bào và mô vẫn còn bị giới hạn trong nhóm tế bào nhỏ và còn nhiều nghi vấn do sự biến đổi tiềm tàng gây ra bởi các kĩ thuật xâm lấn tế bào.

Trước đây, các nhà khoa học chỉ có thể theo dõi một nhóm tế bào nhỏ trên chuột thông qua đánh dấu thuốc nhuộm hoặc huỳnh quang. Thẻ protein (protein tag) hoặc mã vạch cũng đã được sử dụng, nhưng phương pháp này đòi hỏi người dùng phải có kiến thức về các dấu ấn (markers) để có thể tách biệt các loại tế bào khác nhau hoặc cần thời gian dài để tách chiết cũng như xử lí các tế bào (việc này có thể ảnh hưởng đến các thuộc tính của tế bào). Giới hạn này có thể được phá bỏ bởi công nghệ CRISPR Array Repair Lineage (CARLIN) được phát triển bởi các nhà khoa học thuộc chương trình Nghiên cứu Tế bào gốc tại bệnh viện Boston Children và viện Ung thư Dana-Farber, Đại học Y Harvard. Thông tin chi tiết về CARLINE đã xuất hiện trên tạp chí Cell, trong một bài báo có tiêu đề là “An Engineered CRISPR-Cas9 Mouse Line for Simultaneous Readout of Lineage Histories and Gene Expression Profiles in Single Cells.”

CARLIN có thể được sử dụng để theo dõi mọi tế bào trong cơ thể, từ giai đoạn phôi thai cho đến khi trưởng thành, kết hợp những thông tin “tổ tiên” của tế bào với các chỉ số phân tử chi tiết như dấu hiệu phiên mã. Sử dụng kỹ thuật “mã hóa mã vạch” và công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR, CARLIN có thể xác định các loại tế bào khác nhau khi chúng xuất hiện và loại gen đang được bật (biểu hiện). Mô hình này có thể tiết lộ các dòng tế bào trong bộ cây phả hệ, trong đó các tế bào bố mẹ tạo ra các loại tế bào con khác nhau cũng như các gen được bật hoặc tắt trong mỗi tế bào theo thời gian.

Để làm được điều này các nhà khoa học đã sử dụng một dạng CRISPR đặc biệt có thể được kích hoạt tại bất cứ thời kỳ điểm nào trong vòng đời của chuột. Kĩ thuật CRISPR là kĩ thuật chỉnh sửa gen tiên tiến nhất hiện nay, có thể tạo nên những thay đổi trên một gene (đột biến, hoặc chèn một cấu trúc di truyền) với độ đặc hiêụ và tỉ lệ thành công cao. Trong trường hợp này, công nghệ CRISPR được dùng để tạo ra 44.000 mã vạch tương thích với trình tự mã vạch và được xác định đầy đủ về mặt di truyền.

Tiếp đó, họ có thể đọc các mã vạch này bằng cách sử dụng một công nghệ gọi là giải trình tự RNA đơn bào (single RNA seq). Kỹ thuật này cho phép thu thập thông tin về hàng ngàn gen được bật (có biểu hiện) trong mỗi tế bào được mã hóa, từ đó cung cấp thông tin về nhận dạng và chức năng của tế bào. Để thử nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống mới để khám phá những khía cạnh chưa biết về sự phát triển của máu trong quá trình phát triển phôi và để quan sát quá trình tái tạo và bổ sung máu sau khi hóa trị ở chuột trưởng thành.

Các nhà nghiên cứu cũng tin rằng hệ thống này cũng có thể được sử dụng để hiểu những thay đổi trong cây phả hệ, nguồn gốc dòng tế bào trong quá trình bệnh và lão hóa. Ngoài ra, hệ thống có thể được sử dụng để ghi lại phản ứng với các kích thích môi trường như phơi nhiễm mầm bệnh và lượng chất dinh dưỡng. Camargo – thành viên của Viện Tế bào gốc Harvard – cho rằng CARLIN có thể giúp tạo ra các bản đồ dòng đơn bào của các mô động vật có vú chưa từng có. Bên cạnh nhiều ứng dụng để nghiên cứu sinh học phát triển, mô hình này có thể cung cấp thông tin quan trọng về các loại tế bào và hệ thống phân cấp tế bào khi các sinh vật phản ứng với chấn thương và bệnh tật.

Nguyễn Thị Thuỳ Nhung (Chuyển ngữ)

Trần Quốc Duy (Hiệu đính)

Nguồn tin và ảnh:

Sarah B. et al., An Engineered CRISPR-Cas9 Mouse Line for Simultaneous Readout of Lineage Histories and Gene Expression Profiles in Single Cells, Cell, 2020.

CRISPR Barcodes for Whole-Organism, Cell-by-Cell Lineage Histories.,

Tài liệu tham khảo:

Adam J. B. et al., Coupled single-cell CRISPR screening and epigenomic profiling reveals causal gene regulatory networks, bioRxiv, 2018.

Chunyu L., Chase B., How to make CRISPR arrays (and what we learned in the process), BioengineeringCommunity, 2019.

CRISPR History and Development for Genome Engineering, Addgene

Byungjin H. et al., Single-cell RNA sequencing technologies and bioinformatics pipelines, Experimental & Molecular Medicine, 2018.