Protein tuyến trùng làm sáng tỏ vấn đề vô sinh
Các nhà sinh học đã phát triển một phương pháp làm sáng tỏ các tương tác phức tạp của phức hợp khớp thần kinh ở tuyến trùng C Elegans Các tác giả đã xác định được bộ ba đoạn protein hướng dẫn các tương tác nhiễm sắc thể và xác định chính xác vị trí
Chúng ta có hai bản sao của mỗi nhiễm sắc thể trong mọi tế bào trong cơ thể ngoại trừ tế bào sinh sản. Tế bào tinh trùng và trứng chứa một bản sao duy nhất của mỗi nhiễm sắc thể với sự kết hợp các gen độc đáo từ bố mẹ chúng ta, một thủ thuật tiến hóa để tạo ra sự biến đổi di truyền cho con cái chúng ta. Tinh trùng và trứng được tạo ra trong quá trình phân bào, quá trình mà các tế bào có hai bản sao nhiễm sắc thể làm giảm số lượng nhiễm sắc thể của chúng xuống còn một. Để quá trình phân bào hoạt động, hai nhiễm sắc thể phải thẳng hàng hoàn hảo và trao đổi lượng thông tin di truyền chính xác. Bất kỳ sự sai lệch nào cũng có thể gây nguy hiểm cho khả năng sinh sản.
Nhập phức hợp khớp thần kinh (SC), một cấu trúc protein giống như dây kéo giúp sắp xếp và gắn kết hai nhiễm sắc thể của bố mẹ lại với nhau, từ đầu đến cuối, để tạo điều kiện trao đổi gen thành công. Việc không điều chỉnh được sự trao đổi này là nguyên nhân hàng đầu gây vô sinh do tuổi tác ở người và có thể ảnh hưởng đến khả năng sinh sản trên cây sự sống. Con người, nấm, thực vật, giun và bất cứ thứ gì sinh sản hữu tính đều sử dụng SC để tạo ra các tế bào sinh sản, được gọi là giao tử. Bất chấp tầm quan trọng của nó, chúng tôi không hiểu các protein trong SC điều chỉnh tương tác nhiễm sắc thể như thế nào vì quá trình gồm nhiều bước này xảy ra trong các cơ quan nội tạng và không thể tái tạo trong phòng thí nghiệm.
Trong một nghiên cứu mới, các nhà sinh học của Đại học Utah đã phát triển một phương pháp làm sáng tỏ các tương tác phức tạp của SC ở tuyến trùng C. Elegans. Các tác giả đã xác định được bộ ba đoạn protein hướng dẫn các tương tác nhiễm sắc thể và xác định chính xác vị trí chúng tương tác với nhau. Phương pháp mới của họ sử dụng một kỹ thuật được gọi là sàng lọc ức chế di truyền, có thể đóng vai trò là kế hoạch chi tiết cho nghiên cứu về các tổ hợp tế bào lớn chống lại phân tích cấu trúc truyền thống.
Ofer Rog, phó giáo sư sinh học tại U và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Đây là một cách để khóa các hệ thống trong các tế bào quá ‘lỏng lẻo’ để sử dụng các phương pháp dựa vào sự kết tinh”. "Rất nhiều tương tác trong tế bào được liên kết lỏng lẻo với nhau. Vấn đề là bạn không thể nhìn nó dưới kính hiển vi điện tử vì không có gì đủ ổn định - mọi thứ đều chuyển động liên tục. Phương pháp tiếp cận của chúng tôi cho phép bạn nghiên cứu ngay cả những tương tác tương đối yếu hoặc thoáng qua."
Nghiên cứu được công bố vào ngày 6 tháng 12 năm 2023, trên tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS).
Những chú chim, những chú ong… và những con giun tròn
Chúng ta hãy đi sâu vào giảm phân. Nhiễm sắc thể là những cấu trúc dạng sợi được tạo thành từ DNA mang thông tin di truyền khi tế bào phân chia và từ thế hệ này sang thế hệ khác. Các tế bào bình thường có một số lượng nhiễm sắc thể nhất định; con người có 46 và C. Elegans có 12. Nhiễm sắc thể đi theo cặp gọi là nhiễm sắc thể tương đồng mang các gen mà chúng ta thừa hưởng từ cha mẹ -- một từ mẹ, một từ bố. Khi quá trình phân bào bắt đầu, các nhiễm sắc thể tương đồng tự sắp xếp thành các cấu trúc thon dài được tổ chức dọc theo xương sống gọi là trục. Trục của các cặp tương đồng được sắp xếp theo chiều dọc với nhau, đồng thời, phức hợp khớp thần kinh (SC) hình thành giữa các trục song song. Các cặp tương đồng có các gen giống nhau được sắp xếp theo cùng một thứ tự, với những biến thể nhỏ bên trong các gen - đây là những biến thể làm cho mỗi cá thể trở nên độc nhất.
Rog giải thích: “Bạn có thể coi nó giống như một chiếc dây kéo. "Các trục của nhiễm sắc thể giống như hai mặt của chiếc áo sơ mi của bạn. Phức hợp khớp thần kinh giống như những chiếc răng của khóa kéo khóa vào nhau và có thể kéo và căn chỉnh hai mặt của chiếc áo một cách chính xác."
Các nhà khoa học trước đây biết rằng SC của C. Elegans được hình thành giữa các gen tương đồng, nhưng các nhà sinh học U là những người đầu tiên xác định chính xác vị trí mà SC tương tác với chính nó để tạo điều kiện trao đổi gen.
Rog cho biết: “Khi bạn trao đổi thông tin giữa các nhiễm sắc thể, bạn muốn đảm bảo rằng cuối cùng bạn vẫn có hai nhiễm sắc thể hoàn chỉnh”. “Cách tế bào thực hiện là hai nhiễm sắc thể thẳng hàng hoàn hảo. Vì vậy, khi bạn trao đổi các đoạn giữa chúng, bạn sẽ không mất bất kỳ thông tin nào trong quá trình này.
Các nhà nghiên cứu đã nhân giống 50.000 tuyến trùng có khiếm khuyết nhạy cảm với nhiệt độ ở SC. Ở nhiệt độ cao, giun không thể hình thành dây kéo protein SC cần thiết để nối các nhiễm sắc thể lại với nhau. Nếu không có dây kéo, quá trình trao đổi gen trong quá trình giảm phân hoặc hoàn toàn không xảy ra hoặc không xảy ra đúng số lượng. Lisa Kursel, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ và là tác giả chính của nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm.
Kursel cho biết: “Chúng tôi nuôi giun ở nhiệt độ cho phép, mát hơn, sau đó cho chúng tiếp xúc với một loại hóa chất gây ra hàng triệu đột biến dọc theo nhiễm sắc thể của chúng và theo dõi xem liệu có loài giun đột biến nào có thể sinh sản ở nhiệt độ ấm hơn hay không”. Các đột biến gây ra về mặt hóa học giúp điều chỉnh tình trạng vô sinh của tuyến trùng được gọi là đột biến ức chế. “Sau đó, chúng tôi sẽ biết liệu các đột biến ức chế có phục hồi khả năng sinh sản của chúng hay không.”
Để xác định những con vật có đột biến khiến chúng có khả năng sinh sản trở lại, các nhà nghiên cứu đã đặt tuyến trùng lên đĩa thạch chứa đầy vi khuẩn thơm ngon. Các đĩa thạch có tuyến trùng màu mỡ sẽ sớm trống rỗng khi con cháu của chúng ăn thức ăn. Các đĩa thạch chứa giun vô trùng đã chết trước khi chúng có thể làm sạch đĩa, tạo điều kiện cho vi khuẩn phát triển.
Một khi họ có tuyến trùng màu mỡ, họ có thể kiểm tra xem liệu đột biến có "cố định" dây kéo protein hay không. Sau đó, họ sàng lọc từng cặp bazơ trên DNA – 100 triệu cặp bazơ – và xác định những đột biến nào đã khôi phục khả năng sinh sản của giun. Họ phát hiện ra rằng tất cả các đột biến hữu ích đều xảy ra trong các đoạn ngắn của ba protein, SYP-1, SYP-3, SYP-4. Hơn nữa, các đột biến mang dấu hiệu tương tác riêng biệt. Ví dụ, trong khi các đột biến ban đầu làm thay đổi điện tích từ dương sang âm, thì các đột biến hữu ích lại đảo ngược điện tích.
Rog cho biết: “Đây là một dấu hiệu mạnh mẽ cho thấy SYP-1, SYP-3 và SYP-4 tương tác với nhau như nam châm, với các vùng dương và âm hút nhau”. Những tương tác “dính” như vậy cũng có thể giúp liên kết các nhiễm sắc thể lại với nhau.
Jesus Aguayo Martinez, chuyên gia sinh học cao cấp và đồng tác giả của nghiên cứu, đã xem xét hành vi của đột biến ức chế ở tuyến trùng không có đột biến gây rối loạn SC ban đầu.
Aguayo Martinez cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng vì chỉ riêng đột biến ban đầu đã tạo ra khiếm khuyết về khả năng sinh sản, nên tuyến trùng chỉ có đột biến ức chế cũng sẽ bị khiếm khuyết về khả năng sinh sản. Điều đó không xảy ra”. “Đáng ngạc nhiên là những con giun bình thường và những con giun chỉ có đột biến ức chế lại tạo ra số lượng con cháu tương tự nhau.”
Khám phá vai trò của SC trong bệnh teo cơ có thể giúp hiểu rõ hơn về khả năng sinh sản ở người. SC có vai trò tương tự trên tất cả các sinh vật nhân chuẩn, từ tuyến trùng, nấm, thực vật đến con người. Nghiên cứu trước đây của Phòng thí nghiệm Rog tại U cho thấy bản thân cấu trúc này trông giống nhau và hoạt động tương tự để đưa nhiễm sắc thể của bố mẹ vào nhằm tạo điều kiện trao đổi. Tuy nhiên, trình tự thực sự của các thành phần protein ở mỗi sinh vật là khác nhau. Mô hình như vậy thật bất thường: Hầu hết các cấu trúc tế bào mang các chức năng cơ bản, thiết yếu như phân chia tế bào, sao chép bộ gen hoặc trao đổi chất đều được bảo tồn cao và trên thực tế có thể được hoán đổi giữa các sinh vật khác nhau.
"Một câu hỏi mà chúng tôi suy nghĩ rất nhiều là SC có gì đặc biệt? Tại sao nó có thể hoạt động giống nhau và trông giống nhau nhưng lại bao gồm các khối xây dựng khác nhau?" Rog hỏi.
Kursel, Aguayo Martinez, Rog và các thành viên khác của phòng thí nghiệm đang tiến hành phân tích nhiều hơn về sự tiến hóa của SC giữa các loài và các cấu trúc tế bào khác thách thức sự hiểu biết chung về tiến hóa.
Nguồn Đại học Utah
- Tập thể dục nhẹ có thể là chìa khóa để đẩy lùi bệnh béo phì ở trẻ em liên quan đến tình trạng ít vận động(7/1/2024)
- Xác định phương pháp điều trị ung thư tuyến tụy mới tiềm năng(6/1/2024)
- Polyme có thể tiêu diệt vi khuẩn(5/1/2024)
- Dự đoán bệnh mất trí nhớ Alzheimer ở người cao tuổi(4/1/2024)
- Nghiên cứu xác định protein trong hệ thống thị giác giúp ổn định nhịp sinh học(2/1/2024)
- Cơ chế hình thành trí nhớ của AI được phát hiện rất giống với cơ chế của não(29/12/2023)
Các bài khác
- Thuốc PERUZI trong điều trị các bệnh tim mạch(18/10/2023)
- Lambertu - Pyridostigmin 60 mg - Thuốc thiết yếu trong điều trị bệnh nhược cơ (myasthenia gravis)(11/10/2023)
- Một phương pháp điều trị đầy hứa hẹn cho tình trạng suy nhược do ung thư(8/10/2023)
- Điều trị bệnh tiểu đường thai kỳ an toàn và hiệu quả(5/10/2023)
- Sử dụng corticoid an toàn và hiệu quả(29/9/2023)
- FDA chấp thuận Vắc xin phòng bệnh than Cyfendus(15/9/2023)
- Thuốc Zurzuvae điều trị bệnh trầm cảm sau sinh đầu tiên được FDA chấp nhận(9/9/2023)
- Vắc xin Beyfortus phòng bệnh đường hô hấp dưới RSV ở trẻ sơ sinh(25/8/2023)
- Thuốc nhỏ mắt Xdemvy để điều trị viêm bờ mi do Demodex(22/8/2023)
- Vitamin K bảo vệ chống lại bệnh tiểu đường(5/7/2023)