Tranh cãi gene “mồ côi”
Vậy nhưng, nghiên cứu di truyền hiện đại lại tìm thấy vài gene “mồ côi”, không phát triển từ các chuỗi ADN của tổ tiên, mà hình thành từ ADN “rác” trôi nổi trong tế bào. Khái niệm de novo ra đời, khiến tranh luận về nguồn gốc thực sự của gene mới ngày càng trở nên hấp dẫn.
Khi gene... mồ côi
Đa phần gene ở một loài đều có thể xuất hiện ở ít nhất một loài khác, cho dù tồn tại vài khác biệt ở trình tự gene nhưng khoa học cho rằng các gene này đều ít nhiều liên quan đến nhau. Tiến hoá góp phần bảo tồn gene cũ, tạo nên thế hệ gene mới thông qua các đột biến ngẫu nhiên, khiến các trình tự gene trở nên đa dạng. Cầu nối giữa các thời điểm tiến hoá nằm ở gene tương đồng - những chuỗi ADN ở nhiều loài cùng được kế thừa từ tổ tiên chung. Từ đây, nhiều nhà sinh học đề xuất giả thuyết liên quan tới cơ chế phân tán đầy bí ẩn phía sau sự xuất hiện các gene với chức năng hoàn toàn mới.
Nhà di truyền học người Mỹ gốc Nhật Susumu Ohno cho rằng, gene mới ra đời là kết quả “tinh tế nhưng đã định sẵn” của quá trình nhân bản gene cũ, khiến hai gene tương đồng phân tách về cả chức năng lẫn trình tự. Vậy nhưng, không ít cá nhân nghi ngờ quan điểm này, cho rằng những khảo sát hệ gene - tập hợp chứa đựng toàn bộ thông tin di truyền của một cơ thể sinh vật được mã hóa trong ADN (bao gồm những vùng chứa gene lẫn những đoạn không phiên mã) - lại ám chỉ “một mắt xích” kì lạ. Tức là, có nhiều gene không thuộc về bất cứ một họ nào, trở thành những gene “mồ côi” chỉ xuất hiện ở một vài giống loài nhất định.
| Nhiều quan điểm cho rằng gene mới có thể sinh ra từ các ADN “rác”. |
Có vẻ như Susumu Ohno đã bỏ sót yếu tố gene “mồ côi” trong kết luận của mình. Những cuộc tranh luận nổ ra, người cho rằng cơ chế tiến hoá gene Susumu Ohno đề xuất cần thêm một giai đoạn quan trọng nữa trước khi gene mới hình thành. “Điểm mờ” này chính là thời điểm gene “mồ côi” biến đổi rất nhanh và vượt ra khỏi khả năng kiểm soát của tế bào đến mức chúng sẽ từ bỏ họ của chính mình thông qua vô số đột biến. Sự khác biệt di truyền qua vài thế hệ sẽ ngày càng rõ rệt, tạo nên căn cứ để khoa học tin rằng gene mới đã xuất hiện, chi phối thay đổi biểu hiện gene ra bên ngoài ở thế hệ con so với đời bố mẹ hay ông bà.
Bên cạnh đó, không ít người khẳng định gene “mồ côi” xâm nhập vào giống loài mới nhờ cơ chế chuyển gene ngang. Theo đó, một phần hoặc toàn bộ vật chất di truyền (ADN hoặc ARN) sẽ di chuyển giữa các tế bào hoặc cơ thể sống cùng thế hệ, chứ không truyền theo hàng dọc có bản chất là quá trình kế thừa gene từ bố mẹ sang con cái thông qua sinh sản. Khi ấy, gene trở nên “mồ côi” khi toàn bộ hệ gene tương đồng của nó ở các giống loài khác biến mất. Thậm chí, ngay từ ban đầu nhiều gene mới đã không có gia đình bởi vì chúng sinh ra từ các ADN “rác”. Đây là loại ADN “nằm trong bóng tối”, dường như không chứa mã di truyền hay có vai trò đóng/mở gene, có thể chứa tàn tích của những gene hữu ích trước kia nhưng hiện đã bị vô hiệu hóa.
Tranh cãi de novo
Phải mất vài năm, giới khoa học mới nghĩ tới cụm từ de novo, ám chỉ những thay đổi về mặt di truyền không có trong ADN của bố mẹ trong cấu trúc của exome - chuỗi ADN của các gene được dịch mã thành protein. Đột biến de novo được tìm thấy ở mỗi cá thể và là một phần của sự tiến hóa bình thường của bộ gene. Có vẻ, de novo trở thành tâm điểm chú ý của khoa học, khi các nghiên cứu mới đây trên ruồi giấm cho thấy nhiều gene của loài này tiến hoá từ các chuỗi ADN không phải là gene của tổ tiên. Sau đột biến, sự ra đời của gene de novo đại diện cho một tập hợp con của các gene mới và có thể mã hóa protein hoặc thay vào đó hoạt động như các gene ARN.
| Khoa học vẫn đang tranh luận về cách gene “mồ côi” xuất hiện. |
Niềm tin trong cộng đồng di truyền học bỗng dưng bị lung lay. Chẳng một ai tin vào giả thuyết kiểu này, biện luận rằng sự sống trong tế bào cần phải dựa trên quá trình hoạt động trơn tru của vô số những mạng lưới gene, cùng vật chất di truyền khoẻ mạnh. Chính những ADN tổ tiên để lại sẽ cùng nhau tiến hoá, loại bỏ ADN bệnh, để dần thay đổi và thích nghi với môi trường sống qua hàng triệu năm. Sẽ hợp lý khi thừa nhận “gene sinh ra gene” là cơ chế hoàn hảo nhất để bảo tồn vật chất di truyền, đưa các ADN mới tới thế hệ sau. Trong khi đó, sự phiên mã đầy ngẫu hứng của cái gọi là gene de novo, để tạo nên gene mới từ nguồn vật chất “rác”, vẫn còn đầy hoài nghi và bất hợp lý.
Các quan điểm tranh cãi về khả năng gene de novo gây hại cho tế bào, khiến chúng không còn phát triển bình thường. Theo đó, bất cứ trình tự nào ngẫu nhiên, không theo đúng quy luật, sau cùng sẽ dẫn tới những rối loạn, thậm chí đột biến ác tính. Trong suốt 15 năm qua, nhiều nhà sinh học đã theo đuổi con đường de novo đầy thách thức, chỉ để chứng minh rằng gene mới có thể xuất hiện sau đột biến de novo, và rằng thứ vật chất di truyền này có ảnh hưởng nhất định tới chu trình tiến hoá - thích nghi ở sinh vật sống. Báo cáo của Đại học Harvard nhận định, de novo đại diện cho một nhóm gene mới, mở ra cơ hội nghiên cứu di truyền sâu rộng hơn về nguồn gốc thực sự của gene.
Bằng cách phân tích gene, đại học Pittsburgh (Mỹ) tiết lộ khoảng 2/3 lượng gene mới ở ruồi hay nấm men có nguồn gốc từ các đột biến de novo. Một nghiên cứu khác của đại học Chicago chỉ ra 175 gene de novo trên giống lúa Oryza trong khoảng hơn 3 triệu năm chu trình tiến hoá của loài này. Họ khẳng định, gene de novo là tương đối phổ biến, vẫn có hoạt tính sinh học nhất định vì chúng được phiên mã thành ARN, và dịch mã thành các chuỗi peptide (các amino acid có chức năng tổng hợp nên protein) thông qua chọn lọc tự nhiên. Từ đây, nhiều cá nhân đề xuất các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào các gene de novo mới được hình thành, để xác định các trình tự di truyền không liên quan đến gen tổ tiên mà chúng dựa vào để thay đổi.
| Khoa học vẫn đang tranh luận về cách gene “mồ côi” xuất hiện. |
Loay hoay trong ngờ vực
Sẽ cần thêm nhiều bằng chứng nữa thì mới dám nghĩ đến kết luận gene “mồ côi” chính là một dạng de novo, một dạng gene mới xuất hiện trong tế bào. Để trả lời câu hỏi “gene mới từ đâu tới?”, khoa học phải giải mã được cơ chế biến một trình tự không gene, nằm bên trong một ADN “rác” chẳng hạn, thành một gene khoẻ mạnh với chức năng nhất định. Quan điểm được quan tâm hơn cả mang tên “thuyết tiền gene”, khái quát thời gian “sơ sinh” của gene là các chuỗi xoắn ADN được phiên-dịch mã thành ARN cùng protein, nhưng tạm thời rơi vào trạng thái... bất hoạt. Dưới ảnh hưởng từ môi trường cùng những kích thích phù hợp, các “tiền gene” bắt đầu được kích hoạt, đánh thức ADN, khiến protein thực hiện chức năng của mình.
Thử nghiệm loại bỏ các trình tự “tiền gene” trên máy tính nhờ trí thông minh nhân tạo không gây tổn hại cho tế bào. Thế nhưng, kích hoạt quá mức khoảng 10% lượng “tiền gene” khiến tế bào nấm tăng trưởng mạnh mẽ. Điều này phản ánh giả định: “tiền gene”, nếu chịu ảnh hưởng thích hợp từ các yếu tố môi trường như enzyme chẳng hạn, có thể kích hoạt trình tự không gene ở cường độ mạnh hơn so với ADN thông thường. Khoa học tin rằng tiến hoá đã đặt sẵn một mức kích hoạt đối với ADN, và chỉ có những “tiền gene” thì mức kích hoạt mới thay đổi, từ đó mở ra khả năng hoạt hoá các trình tự không gene bên trong ADN “rác” thành vật chất di truyền thực hiện đầy đủ nhiệm vụ nó được giao phó đối với tế bào sống.
Cho dù có những giả thuyết về gene de novo, thuyết “tiền gene” cùng các bằng chứng liên quan tới gene “mồ côi”, mọi nghiên cứu về nguồn gốc của gene mới vẫn chỉ ở giai đoạn đầu. Đột biến tích luỹ trong gene de novo khiến khoa học loay hoay đi tìm nguồn gốc của các trình tự không gene. Rồi vấn đề liệu de novo có sinh ra từ một loại gene tổ tiên, cùng với yếu tố nào kích hoạt các biến đổi tạo nên de novo, vẫn còn bỏ ngỏ. Nghiên cứu trên sinh vật đơn bào còn dễ, nhưng hướng tới những cá thể đa bào phức tạp như loài người càng khiến hành trình truy tìm nguồn gốc gene mới trở nên đầy khó khăn.
Đối với gene “mồ côi”, khoa học vẫn đang loay hoay tranh luận về cách chúng ra đời. Và bản thân cộng đồng di truyền học bày tỏ nhiều băn khoăn về cơ chế phía sau quá trình sinh học “ngập tràn” dấu hiệu gene de novo, và quá trình sinh học “truyền thống” nuôi dưỡng hàng tỉ phép nhân bản ADN nhằm tạo nên sự khác biệt di truyền. Với nhà sinh vật học Anne-Ruxandra Carvunis (Đại học Pittsburgh), con người vẫn còn quá mơ hồ về de novo, hay ADN “rác”. “Chỉ toàn những mông lung và ngờ vực, với hàng tá câu hỏi xuất hiện mỗi sáng thức dậy. Tôi nghĩ, chỉ có thời gian mới giúp khoa học tìm thấy tổ tiên thực sự của những sợi ADN nhỏ bé này”...