Theo dõi sự hình thành phôi ở mức độ tế bào

Bằng cách áp dụng một bộ ba kỹ thuật tiên tiến, các nhà khoa học có thể theo dõi sự phát triển của phôi một cách cực kì chi tiết.

Từ thời Hippocrates, các nhà sinh học đã bị mê hoặc bởi sự bí ẩn về cách một tế bào đơn lẻ phát triển thành một động vật trưởng thành có nhiều cơ quan và hàng tỷ tế bào. Bác sĩ thời Hy Lạp cổ đại đã đưa ra giả thuyết rằng hơi ẩm từ hơi thở của mẹ giúp hình thành một đứa trẻ đang lớn, nhưng bây giờ chúng ta biết rằng đó là DNA quy định sự nhân bản và biệt hóa của tế bào. Ngày nay, các công nghệ tiến bộ đã tiết lộ khi nào các gen trong từng tế bào riêng lẻ bật lên để dẫn dắt chúng hình thành những tế bào biệt hóa. Nhờ vậy, chúng ta có thể theo dõi sự phát triển của các cơ quan một cách chi tiết, từng tế bào một theo dòng thời gian. Nghiên cứu này đã được các nhà khoa học bầu chọn là Nghiên cứu đột phá của năm 2018 (2018 Breakthrough of the Year).

Nghiên cứu này là một sự kết hợp khéo léo của ba kĩ thuật hiện đại: 1. Phân lập hàng ngàn tế bào nguyên vẹn khỏi các sinh vật sống; 2. Giải trình tự vật liệu di truyền trong mỗi tế bào một cách hiệu quả và 3. Sử dụng máy tính hoặc đánh dấu các tế bào để mô phỏng mối quan hệ của chúng theo không gian và thời gian. Khả năng phân lập hàng ngàn tế bào riêng lẻ và giải trình tự vật liệu di truyền của từng tế bào cung cấp cho các nhà nghiên cứu dữ liệu về những RNA đang được tạo ra trong mỗi tế bào tại thời điểm đó. Bởi vì các chuỗi RNA đặc trưng cho các gen tạo ra chúng, các nhà nghiên cứu có thể biết được gen nào đang được kích hoạt, và thông qua đó biết được hoạt động của tế bào đó. Giải trình tự RNA từng tế bào (RNA-seq single cell) là một kĩ thuật đã phát triển trong vài năm qua. Bước ngoặt đến vào năm ngoái, khi hai nhóm nghiên cứu cho thấy kĩ thuật này có thể được thực hiện trên quy mô đủ lớn để theo dõi sự phát triển phôi thai ở giai đoạn sớm. Một nhóm đã sử dụng giải trình tự RNA từng tế bào để theo dõi hoạt động gen trong 8000 tế bào được tách chiết tại một thời điểm từ phôi ruồi giấm. Cũng trong khoảng thời gian đó, một nhóm nghiên cứu khác đã mô tả hoạt động gen của 50.000 tế bào từ một giai đoạn ấu trùng của Caenorhabditis elegans. Dữ liệu chỉ ra các các yếu tố phiên mã nào đang hướng dẫn các tế bào biệt hóa thành các loại chuyên biệt.

Nikolaus Rajewsky, nhà sinh học ở Trung Tâm Y Học Phân Tử Max Delbrück đánh giá: “Kĩ thuật trifecta* sẽ làm thay đổi  ngành nghiên cứu trong thập kỉ tới”. Cùng một cách thức, chỉ trong năm nay, các nghiên cứu đã mô tả quá trình hình thành các cơ quan và bộ phận phụ trên giun dẹp, một con cá, một con ếch và một vài sinh vật khác. Và các nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đang áp dụng các kỹ thuật để tìm hiểu cách mà các tế bào của con người trưởng thành trong suốt cuộc đời, cách các mô tái tạo và cách các tế bào thay đổi trong bệnh tật.

*Trifecta: được biết đến như một loại thuật toán dùng để truy xuất nguồn gốc, loại trừ và phân
tích dữ liệu.

Năm nay, những nhà nghiên cứu và một vài công ty đã thực hiện các phân tích sâu rộng hơn về phôi của động vật có xương sống. Sử dụng nhiều phương pháp tính toán phức tạp, họ đã liên kết các chỉ số giải-trình tự RNA từng tế bào được thực hiện ở các thời điểm khác nhau để phát hiện ra việc bật/tắt các nhóm gen. Những nhóm gen này giúp xác định các loại tế bào hình thành trong các sinh vật có cấu tạo phức tạp. Một nghiên cứu đã phát hiện ra làm thế nào một quả trứng cá ngựa được thụ tinh tạo ra 25 loại tế bào. Một nghiên cứu khác được áp dụng để quan sát sự phát triển của ếch qua các giai đoạn đầu hình thành cơ quan và kết quả cho thấy rằng một số tế bào bắt đầu biệt hóa sớm hơn so với những gì đã biết trước đây. Các kỹ thuật tân tiến đã trả lời các câu hỏi cơ bản của phôi học, chuyên gia sinh học tế bào gốc Leonard Zon của Đại học Harvard nói.

Các nhà nghiên cứu nghiên cứu về khả năng tái tạo của một số loại động vật cũng sử dụng giải trình RNA từng tế bào. Hai nhóm nghiên cứu mô hình biểu hiện gen ở giun dẹp thủy sinh được gọi là planaria (planaria được biết đến như nhà tái sinh vô địch về khả năng tái tạo) sau khi chúng bị cắt thành từng mảnh. Các nhà khoa học đã phát hiện ra các loại tế bào mới và chu trình phát triển khi những mảnh cắt tái xuất hiện và xếp thành một cá thể hoàn chỉnh như ban đầu. Một nhóm nghiên cứu khác truy tìm các gen bật và tắt trong axolotls (một loại kỳ giông) đã mất một chân trước. Họ phát hiện ra rằng một số mô chân tay trưởng thành trở lại trạng thái phôi thai (chưa biệt hóa) rồi sau đó trải qua quá trình tái lập trình tế bào và phân tử để tạo lại chi mới.

Do các tế bào phải được tách ra khỏi cơ thể sinh vật để giải trình tự từng tế bào, nên không thể chỉ ra cách các tế bào đó tương tác với các tế bào xung quanh hoặc xác định các tế bào con cháu. Nhưng bằng kỹ thuật đánh dấu ở các tế bào phôi thai sớm, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi các tế bào và con cháu của chúng trong các sinh vật sống. Ít nhất có một nhóm nghiên cứu về phôi ứng dụng kĩ thuật đánh dấu di truyền để đánh dấu các dòng tế bào khác nhau. Những gen này cố định ngẫu nhiên vào các tế bào, truyền các màu khác nhau cho từng dòng tế bào. Các nhóm nghiên cứu khác đã khai thác kỹ thuật chỉnh sửa gen có tên CRISPR để đánh dấu bộ gen của các tế bào riêng lẻ bằng các định danh mã vạch (barcode) duy nhất và sau đó những dấu hiệu này được truyền lại cho tất cả con cháu của chúng. Chỉnh sửa gen có thể tạo đột biến mới ở các tế bào con cháu trong khi vẫn giữ lại các đột biến ban đầu, điều này cho phép các nhà khoa học theo dõi cách phân nhánh để hình thành các loại tế bào mới.

Bằng cách kết hợp các kỹ thuật đó với giải trình RNA từng tế bào, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi hành vi của từng tế bào và quan sát sự phù hợp của chúng với cấu trúc của một sinh vật. Sử dụng phương pháp đó, một nhóm nhà khoa học đã xác định được mối quan hệ của hơn 100 loại tế bào trong bộ não cá ngựa vằn.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng CRISPR để đánh dấu các tế bào phôi sớm, sau đó phân lập và giải trình tự 60.000 tế bào tại các thời điểm khác nhau để theo dõi hoạt động của gen khi phôi cá phát triển. Các nhóm khác đang áp dụng các kỹ thuật tương tự để theo dõi những gì xảy ra trong việc phát triển các cơ quan, tay chân hoặc các mô khác và làm thế nào các quá trình đó có thể sai, dẫn đến dị tật hoặc bệnh tật. Một nhà sinh học tế bào gốc tại Đại học California, San Francisco tên Jonathan Weissman nói rẳng: “giống như hộp đen của máy bay, nơi bạn đang xem điều gì sai đã diễn ra chứ không chỉ nhìn vào một bức ảnh chụp vào những phút cuối cùng … Chúng ta có thể đặt câu hỏi ở mức độ mà trước đây tưởng như không thể”.

Những công nghệ này không thể được sử dụng trực tiếp trong việc quan sát sư phát triển phôi người, thế nên các nhà nghiên cứu đang áp dụng các phương pháp thí nghiệm trên mô và organoid người để nghiên cứu hoạt động của gen ở từng tế bào và mô tả các loại tế bào. Một tập đoàn quốc tế có tên là Human Cell Atlas đã nỗ lực suốt 2 năm để xác định từng loại tế bào của con người: vị trí của chúng trong cơ thể và cách chúng phối hợp với nhau để tạo thành các mô và cơ quan. Một dự án đã xác định được hầu hết các loại tế bào thận, bao gồm cả những loại có xu hướng trở thành ung thư. Một nỗ lực khác đã hé lộ sự tương tác giữa các tế bào của mẹ và thai cho phép quá trình mang thai phát triển. Và sự hợp tác của 53 tổ chức và 60 công ty trên khắp Châu Âu, được gọi là tập đoàn LifeTime, đang đề xuất khai thác giải trình RNA từng tế bào trong một nỗ lực nhằm để hiểu điều gì xảy ra với tế bào khi các mô tiến triển thành ung thư, tiểu đường và các bệnh khác.

Các nghiên cứu về sinh học phát triển và bệnh học sẽ càng ngày càng hấp dẫn hơn nhờ các kĩ thuật trên. Các nghiên cứu cũng dần được mở rộng lên những sinh vật phức tạp. Và các nhà nghiên cứu hy vọng sự kết hợp giải trình RNA từng tế bào với các kỹ thuật kính hiển vi tân tiến có thể quan sát được hoạt động của từng phân tử riêng biệt bên trong tế bào và ảnh hưởng của các tế bào lân cận đến hoạt động đó như thế nào. Cuộc cách mạng đơn bào chỉ mới bắt đầu.

Nguyễn Thị Thùy Nhung, Trần Quốc Duy (chuyển ngữ)

Tài Liệu Tham Khảo:
E. Pennisi, Chronicling embryos, cell by cell, gene by gene, Science, Vol. 360, p. 367, 27 April 2018.
R. M. Harland, A new view of embryo development and regeneration, Science, Vol. 360, p. 967, 1
June 2018.
B. Pijuan-Sala et al., Single-cell transcriptional profiling: a window into embryonic cell-type specification, Nature Reviews Molecular Cell Biology, Vol. 19, p. 399, 17 April 2018.
B. Raj et al., Simultaneous single-cell profiling of lineages and cell types in the vertebrate brain, Nature Biotechnology, Vol. 36, p. 442, 28 March 2018.
B. Spanjaard et al., Simultaneous lineage tracing and cell-type identification using CRISPR-Cas9- induced genetic scars, Nature Biotechnology, Vol. 36, p. 469, 9 April 2018.