Từ tế bào này sang tế bào khác, thế hệ này sang thế hệ khác, thông tin di truyền, thứ mà quyết định sự hình thành của con người, đã tồn tại trong cơ thể người hàng ngàn, hàng triệu năm. Nó liên tục bị tác động bởi môi trường sống nhưng vẫn nguyên vẹn một cách đáng ngạc nhiên. Tomas Lindahl, Paul Modrich and Aziz Sancar đã được trao thưởng giải Nobel hóa học 2015 với việc vẽ bản đồ và giải thích làm thế nào tế bào sửa chữa DNA và bảo đảm thông tin di truyền.Về bản chất, cơ thể người được hình thành khi 23 nhiễm sắc thể từ tinh trùng kết hợp với 23 nhiễm sắc thể từ trứng. Đồng thời, chúng tạo nên hệ gene gốc và vật liệu di truyền của mỗi cơ thể người. Tất cả thông tin di truyền cần thiết cho quá trình tạo ra cơ thể người đều đã hiện hữu trong quá trình kết hợp đó. Nếu ai đó kéo dài phân tử DNA từ tế bào đầu tiên này và sắp thẳng hàng, nó sẽ dài khoảng 2m.

Khi trứng được thụ tinh và sau đó phân chia, phân tử DNA được sao chép và tế bào con cũng nhận được bộ nhiễm sắc thể nguyên vẹn từ tế bào mẹ. Sau đó, các tế bào phân tiếp tục phân chia, 2 thành 4, 4 thành 8. Sau 1 tuần, bạn sẽ có 128 tế bào, mỗi tế bào sẽ chứa những thông tin di truyền riêng. Tổng chiều dài DNA lúc này đạt đến gần 300m. Hiện tại, hàng triệu triệu tế bào phân được phân chia từ 1 tế bào gốc ban đầu, và DNA của bạn có thể kéo dài bằng 250 lần khoảng cách từ trái đất đến mặt trời. Ngay cả khi vật liệu di truyền của bạn đã được sao chép rất nhiều lần thì những phân tử DNA mới nhất vẫn đặc biệt giống với bản gốc mà đã được hình thành khi trứng được thụ tinh. Đây là nơi các phân tử của sự sống phô diễn những gì tuyệt vời nhất của nó, bởi vì, từ góc độ hóa học, điều này dường như là không thể. Tất cả các quá trình hóa học thường bị lỗi ngẫu nhiên. Thêm vào đó, các phân tử DNA của bạn thường bị tác động bởi các tác nhân bức xạ phá hủy và các phản ứng phân tử. Thật ra bạn dường như đã phải trải qua một quá trình hóa học hỗn loạn trong một thời gian dài trước khi phát triển thành 1 thai nhi.


Chân dung ba nhà khoa học Tomas Lindahl, Paul Modrich và Aziz Sancar. Ảnh: NYTimes

DNA của bạn được kiểm soát bởi 1 nhóm các protein

DNA của chúng ta vẫn còn nguyên vẹn 1 cách đáng ngạc nhiên, năm này qua năm khác, dựa trên một loạt các cơ chế sửa chữa phân tử: 1 nhóm các protein kiểm soát hoạt động của gene. Chúng liên tục đọc hệ gene và sửa chữa từng thương tổn xảy ra. Giải Nobel Hóa học 2015 được trao cho Tomas Lindahl, Paul Modrich và Aziz Sancar với việc xác định và giải thích nguyên lý của các quá trình này ở mức độ phân tử. Công việc mang tính hệ thống của họ đã góp phần tạo nên sự hiểu biết về các hoạt động sống của tế bào cũng như cung cấp kiến thức về nguyên nhân phân tử của một vài bệnh di truyền và về các cơ chế đằng sau sự phát triển ung thư và quá trình lão hóa. Tomas Lindahl, Paul Modrich và Aziz Sancar, một cách độc lập, đã tìm ra một vài quá trình sửa chữa DNA ở người. Câu chuyện bắt đầu với Tomas Lindahl, được sinh ra tại cùng một nước với Alfred Nobel.

Sự sống tồn tại – vì vậy DNA phải sửa chữa được

“DNA thực sự đã bền vững như thế nào? ” Tomas Lidahl đã bắt đầu tự đặt câu hỏi vào cuối những năm 1960. Lúc đó, cộng đồng khoa học đã tin tưởng rằng phân tử DNA – nền tảng của sự sống – có tính ổn định cao. Nếu thông tin di truyền mà không bền vững thì không sinh vật đa bào nào có thể tồn tại. Trong suốt quá trình làm postdoc của ông tại đại học Priceton, Mỹ, Lindahl đã nghiên cứu phân tử RNA nhưng đã không có kết quả tốt. Trong thí nghiệm của ông, ông phải làm nóng phân tử RNA, nhưng điều này chắc chắn làm cho các RNA bị phân hủy một cách nhanh chóng. Chúng ta đã biết rằng RNA nhạy cảm hơn DNA, nhưng nếu RNA bị phá hủy quá nhanh khi bị làm nóng, liệu rằng phân tử DNA có thực sự là bền vững cho sự sống? Câu hỏi này cứ quanh quẩn trong đầu Lindahl. Phải mất vài năm trước khi ông ấy bắt đầu tìm kiếm câu trả lời, và sau đó, ông ấy đã trở lại viện Karolinska ở Stockholm, Thụy Điển. Một số thí nghiệm đơn giản đã cho thấy giả thuyết của ông là đúng: DNA trải qua quá trình phân giã chậm nhưng đáng lưu ý. Lindahl đã ước lượng rằng có hàng nghìn các tác nhân có thể gây đột biến tác động vào hệ gen hàng ngày, một tần số rõ ràng là không phù hợp với sự tồn tại của con người trên trái đất. Ông kết luận là phải có một hệ thống các phân tử sửa chữa tất cả những tác động có hại tới DNA, với ý tưởng này, Lindahl đã mở ra cánh cửa mới trong toàn bộ lĩnh vực nghiên cứu.

Các enzyme đặc biệt loại bỏ những tổn thương trên DNA

Sử dụng các DNA vi khuẩn (gần giống DNA người), có chứa các nucleotit với các bazơ A, T, G, C, Lindahl bắt đầu tìm kiếm các enzyme sửa chữa. Một điểm yếu của DNA là Cytosine dễ dàng bị mất một gốc amino, có thể dẫn tới sự biến đổi về thông tin di truyền. Trong mạch đôi của phân tử DNA, Cytosine luôn bắt cặp với Guanine, nhưng khi mất gốc amino, lại có xu hướng bắt cặp với Adenine. Vì thế, nếu tác động này tồn tại, đột biến sẽ xảy ra trong lần nhân đôi tiếp theo của DNA. Lindah nhận ra rằng tế bào phải có một vài cơ chế bảo vệ chống lại điều này, và đã xác định một enzyme vi khuẩn có thể loại bỏ các sai khác ở Cytosine. Vào năm 1974, ông đã công bố phát hiện này.

Tomas Lindahl tìm ra cơ chế đọc sửa, cắt bỏ bazơ

Đây là khởi đầu của thành công sau 35 năm nghiên cứu, trong suốt quá trình đó, Tomas Lindal đã phát hiện và thử nghiệm rất nhiều protein trong hộp dụng cụ của tế bào có thể sửa chữa DNA. Vào năm 1986, ông trở thành giám đốc của tổ chức Clare Hall Laboratory, sau đó được biết đến với nhiều nghiên cứu sáng tạo. Từng chút một, Lindahl chắp nối các hình ảnh phân tử làm thế nào các bazơ được cắt bỏ, sửa chữa, trong đó có glycosylases, enzyme tương tự với enzyme ông đã tìm ra năm 1974, là bước đầu tiên trong quá trình sửa chữa DNA. Sửa chữa cắt bỏ base cũng xảy ra ở người và, vào năm 1996, Lindahl đã cố gắng tái tạo quá trình sửa chữa này trong ống nghiệm (in vitro). Nhân tố quyết định của Tomas Lindahl là hiện thực hóa rằng DNA chắc chắn chịu nhiều tác động, ngay cả khi phân tử được đặt trong môi trường an toàn với tế bào. Tuy nhiên, phải trải qua một thời gian dài sau đó mới phát hiện ra rằng DNA có thể bị phá hủy bởi những tấn công của môi trường như là bức xạ UV. Sau đó, cơ chế sửa chữa mà phần lớn các tế bào sử dụng để sửa chữa những tổn thương do UV, sửa chữa cắt bỏ các nucleotit, đã được chỉ ra bởi Aziz Sancar, sinh ra ở Savur, Thổ Nhĩ Kỳ, và làm việc tại Mỹ.

Hóa sinh học tương thích với sự sống giống như là 1 bác sỹ

Đam mê của Aziz Sancar với các phân tử của sự sống đã được phát triển trong khi anh ấy đang học chuyên ngành dược ở Istanbul. Sau khi tốt nghiệp, ông đã làm việc trong vài năm như là bác sỹ ở Thổ Nhĩ Kỳ, nhưng năm 1973, ông quyết định nghiên cứu hóa sinh học. Đam mê của ông được khơi gợi bởi 1 hiện tượng điển hình: khi vi khuẩn tiếp xúc với bức xạ UV gây chết, chúng có thể bất ngờ tái sinh nếu được chiếu ánh sáng xanh nhìn thấy. Sancar đã tò mò về hiệu ứng như là ảo thuật này, làm thế nào mà nó có chức năng hóa học? Claud Rupert, một người Mỹ, đã nghiên cứu hiện tượng này và Sancar đã tham gia phòng thí nghiệm của ông ở đại học Texaz, ở Dallas, Mỹ. Vào 1976, sử dụng các công cụ sinh học phân tử thô sơ thời kỳ đó, ông đã thành công trong việc nhân dòng gene mã hóa enzyme sửa chữa DNA bị phá hủy bởi tia UV, photolyase, và cũng tạo các dòng vi khuẩn tăng cường biểu hiện các enzyme này. Công trình này cũng là luận văn tiến sỹ nhưng mọi người đã không có ấn tượng sâu sắc, 3 lần ứng cử cho vị trí postdoc đã bị từ chối. Nghiên cứu của ông đã bị xếp xó. Để tiếp tục nghiên cứu về đọc sửa DNA, Sancar đã nhận vị trí như là kỹ thuật viên phòng thí nghiệm tại Đại học Y Dược Yale, một đơn vị hàng đầu trong lĩnh vực này. Tại đây, ông đã bắt đầu nghiên cứu giành được giải Nobel sau này.

Aziz Sancar – nghiên cứu làm thế nào tế bào sửa chữa DNA bị tổn thương

Sau đó, các nhà khoa học đã phát hiện ra vi khuẩn có 2 hệ thống sửa chữa các tổn thương do UV gây ra: ngoài photolyase phụ thuộc ánh sáng, hệ thống thứ hai mà đóng vai trò trong điều kiện tối đã được phát hiện. Các đồng nghiệp mới của Sancar tại Yale đã nghiên cứu hệ thống tối này từ giữa những năm 1960 sử dụng 3 chủng vi khuẩn nhạy cảm với UV- thể đột biến uvrA, uvrR và uvrC. Cũng như những nghiên cứu về photolyase, Sancar bắt đầu nghiên cứu cơ chế phân tử của hệ thống tối. Trong vòng vài năm, ông đã cố gắng để tìm, phân lập và mô tả các enzyme mã hóa bởi các gene uvrA, uvrB và uvrC. Trong các thí nghiệm invitro sáng tạo, ông đã chỉ ra các enzyme này có thể xác định những tổn thương do UV, sau đó tạo ra 2 vết cắt trên mạch DNA, ở mỗi đầu của phần bị phá hủy, một đoạn 12-13 nucleotide, bao gồm bị tổn thương sau đó sẽ bị loại bỏ.

Các cơ chế tương tự cho sửa chữa những tổn thương do UV ở người và vi khuẩn

Năng lực của Sancar nhằm tạo ra những hiểu biết về đặc điểm phân tử của quá trình đã thay đổi hoàn toàn lĩnh vực nghiên cứu. Ông đã công bố kết quả nghiên cứu của mình năm 1983. Thành tựu này đã giúp ông có được cơ hội trở thành phó giáo sư hóa sinh học ở Đại học Bắc Carolina ở Chapel Hill. Tại đây, vẫn với định nghĩa cũ, ông đã xác định giai đoạn tiếp của sửa chữa cắt bỏ nucleotit. Song song với các nhà khoa học khác, bao gồm Tomas Lindahl, Sancar đã nghiên cứu sửa chữa cắt bỏ nucleotit ở người.Cơ chế phân tử mà loại bỏ những tổn thương do UV từ DNA người thì phức tạp hơn ở vi khuẩn nhưng, theo thuật ngữ hóa học, sửa chữa cắt bỏ nucleotit hoạt động tương tự ở tất cả các loài sinh vật. Vì thế, điều gì xảy ra với mối quan tâm ban đầu của Sancar về photolyase. Cuối cùng, Ông đã quay lại với enzyme này, khám phá cơ chế phản ứng về sự tái sinh các vi khuẩn. Thêm vào đó, ông cũng đã chứng minh là con người cũng như photolyase có thể giúp chúng ta thiết lập đồng hồ sinh học.

Đến lúc chuyển sang công việc của Paul Modrich. Ông cũng bắt đầu với một ý tưởng mơ hồ về một cơ chế sửa chữa, thứ mà sau đó ông đã tìm ra trong các chi tiết phân tử.

“Chuyện DNA” xứng đáng để học hỏi

Paul Modrich đã lớn lên ở một thành phố nhỏ ở phía Bắc New Mexico, USA. Sự đa dạng của các cảnh quan rộng lớn đã thúc đẩy sự hứng thú của ông đối với thiên nhiên, nhưng một ngày bố của ông, một giáo viên sinh học nói: “con nên học về những chuyện DNA này”. Lúc đó là năm 1963, một năm sau đó James Watson và Francis Crick đã được trao tặng giải Nobel trong việc tìm ra cấu trúc DNA. Vài năm sau, những “”chuyện DNA”” thực sự trở thành trung tâm cho đời sống của Paul MOdrich. Khởi nghiệp nghiên cứu, như là nghiên cứu sinh tại Stanford, trong suốt quá trình PostDoc tại Harvard, và như là trợ lý giáo sư tại đại học Duke, ông đã thử nghiệm hàng loạt các enzyme mà có ảnh hưởng đến DNA: DNA ligase, DNA polymerase và enzyme giới hạn EcoRI. Sau đó, cho đến cuối những năm 1970, khi ông chuyển sự chú ý đến enzyme Dam methylase ông đã vướng vào câu chuyện khác về “chuyện DNA” mà đã chiếm một khoảng lớn trong cuộc đời nghiên cứu của ông.

Kết hợp 2 mảng nghiên cứu

Dam methylase gắn gốc methyl vào DNA

Paul Modrich cho thấy những gốc methyl này có thể đóng vai trò như là biển chỉ dẫn, giúp một enzyme giới hạn đặc biệt cắt mạch DNA tại vị trí chính xác. Tuy nhiên, chỉ vài năm trước đó, Matthew Meselson, một nhà sinh học phân tử tại đại học Harvard, đã chỉ ra một chức năng tín hiệu khác cho các nhóm methyl trên DNA. Sử dụng một vài kỹ thuật sinh học phân tử, Meselson đã xây dựng một chủng virus với một vài sự xuất hiện của các bazơ bắt cặp sai trên DNA. Ví dụ, A có thể bắt cặp C, thay vì T. Khi ông cho virus này lây nhiễm với vi khuẩn, vi khuẩn đã sửa lại vị trí bắt cặp sai đó. Không ai biết tại sao vi khuẩn đã có khả năng này, nhưng vào năm 1976, Meselson đã suy đoán, có thể là cơ chế sửa chữa đã sửa những chỗ bắt cặp sai mà đôi khi xảy ra trong quá trình nhân đôi DNA. Nếu vậy, có thể các gốc methyl trên DNA đã giúp vi khuẩn nhận diện mạch nào có thể sử dụng như là khuôn trong suốt quá trình chỉnh sửa. Nếu là mạch DNA mới, sự nhân đôi lỗi, vẫn chưa được methyl hóa, có thể đó là nguyên nhân nó có thể được xác định và sửa chữa? Tại đây, trong sự methyl hóa của DNA, con đường nghiên cứu của Paul Modrich và Matthew Meselson đã giao nhau. Làm việc cùng nhau, họ đã tạo ra một loại virus với rất nhiều điểm sai khác trong DNA. Lần này, dam methylase của Modrich cũng thường gắn gốc methyl vào một mạch của DNA. Khi virus được lây nhiễm với vi khuẩn, vi khuẩn luôn luôn sửa chữa mạch DNA không có gốc methyl. Kết luận của Modrich and Meselson đã là sửa chữa sai khác DNA là một quá trình tự nhiên xảy ra khi DNA nhân đôi, nhận diện mạch hỏng bởi trạng thái không được methyl hóa của chúng.

Paul Modring - minh họa sửa chữa DNA bắt cặp sai

Đối với Paul Modrich, khám phá này khởi động cả một thập kỷ nghiên cứu, nhân dòng và lập bản đồ 1 enzyme sau quá trình sửa chữa bắt cặp sai. Cho đến cuối những năm 1980, ông đã có thể tái tạo cơ chế sửa chữa phân tử phức tạp trong ống nghiệm và nghiên cứu nó cực kỳ chi tiết. Công trình được công bố năm 1989. Paul Modrich, cũng giống như Tomas Lindahl and Aziz Sancar, cũng đã nghiên cứu về hệ thống sửa chữa trên người. Ngày nay, chúng ra biết rằng các lỗi xảy ra khi hệ gene tái bản được sửa chữa bởi cơ chế sửa chữa bắt cặp sai (mismatch repair). Tuy nhiên, sửa chữa bắt cặp sai ở người, chúng ta vẫn chưa biết chắc làm thế nào để xác định được mạch gốc. Methyl hóa DNA có chức năng khác trong hệ gene của chúng ta so với vi khuẩn, vì thế còn có nhân tố nào khác nữa xác định mạch nào cần sửa chữa và đó là điều còn cần phải làm rõ.

Khiếm khuyết trong hệ thống sửa chữa gây ra ung thư

Bên cạnh sửa chữa cắt bỏ base, sửa chữa cắt bỏ nucleotide, và sửa chữa bắt cặp sai, vẫn còn có một vài cơ chế khác duy trì DNA. Hàng ngày, chúng sửa hàng ngàn vị trí DNA bị tổn thương gây ra bởi mặt trời, khói thuốc và các hợp chất gây độc cho hệ gene khác; chúng liên tục chống lại các sự biến đổi tự phát của DNA và, đối với mỗi tế bào phân chia, cơ chế sửa chữa bắt cặp sai sẽ sửa hàng ngàn điểm gắn nhầm. Hệ gene của chúng ta có thể sụp đổ nếu không có các cơ chế sửa chữa này. Nếu chỉ có một thành phần bị hỏng, thông tin di truyền sẽ thay đổi nhanh chóng và tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư. Tổn thương bẩm sinh ở cơ chế sửa chữa cắt bỏ nucleotide gây nên bệnh khô da sắc tố (xeroderma pigmentosum). Người mắc bệnh này cực kỳ nhạy cảm với bức xạ UV và phát triển ung thư da sau khi tiếp xúc với mặt trời. Khiếm khuyết trong cơ chế sửa chữa bắt cặp sai DNA làm tăng nguy cơ gây bệnh ung thư đại trực tràng di truyền. Trong thực tế, trong rất nhiều loại ung thư, một hoặc một số hệ thống sửa chữa này đã bị tắt một phần hoặc hoàn toàn. Nó làm cho DNA của các tế bào ung thư không ổn định, đó là lý do tại sao các tế bào ung thư thường bị đột biến và trở nên kháng lại với liệu pháp hóa trị. Cùng lúc đó, các tế bào yếu này thậm chí càng phụ thuộc vào hệ thống sửa chữa mà vẫn còn hoạt động, nếu không, DNA của chúng sẽ trở nên bị phá hủy quá mức và các tế bào sẽ chết. Các nhà khoa học đang cố gắng sử dụng điểm yếu này để phát triển các loại thuốc điều trị ung thư mới. Ức chế hệ thống sửa chữa còn sót lại có thể làm chậm hoặc ngừng sự phát triển của ung thư. Một ví dụ về dược phẩm ức chế hệ thống sửa chữa trong các tế bào ung thư là olaparib.

Kết luận, nghiên cứu cơ bản của những người đạt giải Nobel hóa học 2015 không chỉ làm tăng hiểu biết về làm thế nào cơ thể chúng ta có thể thực hiện chức năng, mà còn mở ra sự phát triển của các phương pháp điều trị cứu sinh. Hoặc theo Paul Modrich nói: “đó là lý do vì sao các nghiên cứu dựa trên sự tò mò là rất quan trọng. Bạn không bao giờ biết nó sẽ dẫn đến mình đến đâu… và cũng cần một chút may mắn”.

Lược dịch: Nguyễn Mai Hương – NCS tại Nhật Bản
Nguồn: BioMedia.vn/Nobelprize.org