Điểm khởi nguồn của câu chuyện về những tiến bộ trong lĩnh vực di truyền học là Norrbotten, một quận nằm ở vùng biên giới phía Bắc Thụy Điển. Norrbotten chiếm tới ¼ diện tích lãnh thổ Thụy Điển, nhưng chỉ có rất ít dân cư sinh sống tại khu vực này. Với mật độ 6 người/dặm vuông, Norrbotten là một địa điểm lý tưởng để các nhà khoa học để có thể thực hiện những nghiên cứu về gene di truyền.
Kể từ thế kỷ XIX cho đến nay, Norrbotten nằm biệt lập hoàn toàn với thế giới bên ngoài, và nếu chẳng may "trời không mưa thuận gió hòa" và mất mùa thì nhiều khả năng dân cư sinh sống tại khu vực này sẽ bị chết đói.
Từ năm 1980, Tiến sĩ Lars Olov Bygren, một chuyên gia y tế dự phòng có uy tín tại Viện nghiên cứu Karolinska tại Stockholm, đã đặt ra một câu hỏi rằng, liệu việc thiếu thốn lương thực và những nạn đói thường xuyên xảy ra tại Norrbotten ảnh hưởng đến những đứa trẻ sinh ra và lớn lên tại khu vực này như thế nào, đối với bố mẹ và ông bà của chúng ra sao.
Ông đã liệt kê một cách ngẫu nhiên 99 đứa trẻ được sinh ra trong tại Overkalix thuộc Norrbotten vào năm 1905, và sử dụng những ghi chép lịch sử để tìm hiểu về bố mẹ và ông bà của những đứa trẻ này. Thông qua việc phân tích khá tỉ mỉ những số liệu thống kê, ông Bygren cùng với hai đồng nghiệp của mình cũng đã xác định lượng lương thực mà bố mẹ và ông bà của 99 đứa trẻ kể trên đã sử dụng có đủ so với nhu cầu của họ hay không.
Trong khoảng thời gian ông bắt đầu thu thập những dữ liệu có liên quan, Bygren khá thích thú với nghiên cứu cho thấy rằng, việc những phụ nữ mang thai không được ăn uống đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết không chỉ khiến những đứa trẻ sau khi chào đời có tỷ lệ mắc các bệnh về tim mạch cao hơn so với mức bình thường, mà còn gặp nhiều vấn đề khác nữa khi chúng tới tuổi trưởng thành. Từ nghiên cứu này, Bygren đã rất thắc mắc một vấn đề là liệu những ảnh hưởng trên có tiềm ẩn từ trước khi những người phụ nữ này có thai hay không, và liệu có thể sử dụng một phương pháp nào đó để thay đổi các đặc điểm di truyền từ cha mẹ tới con cái hay không?
Đây là một ý tưởng khá lạ lùng, bởi nhiều nghiên cứu khoa học chỉ ra rằng chúng ta không thể thay đổi gene, hay nói cách khác, những việc thay đổi cấu trúc của các cặp nhiễm sắc thể ADN mang thông tin di truyền là một điều không tưởng. Bên cạnh đó, những luận điểm của nhà Bác học lỗi lạc Charles Darwin trong cuốn sách "Nguồn gốc muôn loài" dường như đã khẳng định chắc chắn rằng, những tác động của điều kiện tự nhiên làm biến đổi bộ gene di truyền không thể diễn ra ngày một ngày hai được, mà phải trải qua quá trình tiến hóa và chọn lọc tự nhiên mất đến hàng triệu năm.
Tuy nhiên, theo quan điểm của Bygren cùng các đồng nghiệp của ông, qua nhiều nghiên cứu và những bằng chứng lịch sử cho thấy rằng những tác động mạnh mẽ từ điều kiện ngoại cảnh (chẳng hạn như nạn đói tại Norrbotten) bằng cách nào đó sẽ để lại những "dấu ấn riêng" trên các cặp ADN mang thông tin di truyền trong trứng và tinh trùng.
Khám phá cơ chế di truyền biểu sinh (epigenome)
Ông Bygren đã tập hợp các tài liệu của mình cùng với công trình nghiên cứu riêng biệt của các nhà khoa học trên thế giới trong hơn 20 năm qua và mở ra một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới: Cơ chế di truyền biểu sinh (Epigenome). Nói một cách tổng quát thì Epigenome nghiên cứu về những thay đổi trong biểu hiện của gene không liên quan đến biến đổi gene gốc nhưng vẫn có thể được di truyền sang các thế hệ tiếp theo. Việc đánh dấu được sự thay đổi trong biểu hiện của gene giúp cho các nhà khoa học có thể biết được những gene nào là trội, gene nào là lặn, đồng thời có thể cho phép nắm được những đặc điểm khác nhau giữa tế bào bị bệnh và tế bào khỏe mạnh, bình thường.
Mọi tế bào trong cơ thể người đều chứa các thông tin di truyền giống nhau, nhưng ở từng tế bào thì chỉ có một vài cặp gene hoạt động, và tùy theo vị trí, chức năng của tế bào đó. Ví dụ, ở tế bào mống mắt thì các gene liên quan đến màu sắc sẽ hoạt động. Mỗi gene đều có tính trội hoặc lặn, gene trội sẽ lấn át gene lặn. Do đó, đặc tính di truyền của gene lặn chỉ thể hiện khi 2 gene trong cặp đều là gene lặn.
Nhiều bằng chứng cho thấy thói quen hút thuốc lá và ăn uống quá nhiều đồ ăn giàu protein có thể dẫn đến sự thay đổi biểu hiện của các yếu tố di truyền trên ADN, khiến các gene liên quan đến bệnh béo phì trở thành các gene trội, và các gene quy định về tuổi thọ sẽ "lặn" đi. Trên thực tế, nhiều người nhận thức được rằng hút thuốc lá có thể dẫn đến nhiều căn bệnh nan y và làm giảm tuổi thọ, tuy nhiên, họ không hề biết được rằng những yếu tố "ngoại sinh" không theo cơ chế di truyền này có thể sẽ xuất hiện ở các thế hệ con cháu của mình.
Việc khám phá ra cơ chế di truyền biểu sinh cho phép các nhà khoa học có thể đánh dấu được sự thay đổi các biểu hiện của gene, từ đó đưa ra được các phương pháp "điều trị" đơn giản, đó là làm trội lên những gene có biểu hiện tốt, và làm lặn đi những gene có biểu hiện xấu.
Các nhà khoa học cũng nhận ra rằng cơ chế di truyền biểu sinh có thể giúp họ giải thích được những bí ẩn mà khoa học di truyền trước đó chưa thể làm được. Ví dụ, tại sao một trong số hai thành viên của một cặp song sinh giống hệt nhau có thể bị mắc các chứng rối loạn tinh thần, hoặc bệnh suyễn, mặc dù thành viên còn lại vẫn bình thường. Hay tại sao trong cùng cặp song sinh, số bé trai có nguy cơ bị mắc bệnh tự kỷ lại cao hơn gấp 4 lần so với các bé gái. Trong tất cả trường hợp trên, các cặp gene gốc về cơ bản là giống nhau, nhưng cơ chế biểu hiện của các cặp gene này lại hoàn toàn khác nhau.
Theo Giáo sư Joseph Ecker, thuộc Viện Sinh học và di truyền Salk (La Jolla, California, Mỹ) nhận định: "Có thể hiểu đơn giản tế bào gốc cũng giống như một con chip máy tính. Trên cùng một máy Mac với chip Intel, nếu không thích dùng Apple OS, tôi có thể cài hệ điều hành Windows của Microsoft. Hai hệ điều hành này hoàn toàn khác nhau, nên đương nhiên cách sử dụng cũng khác nhau. Bộ gene gốc cũng như vậy, nếu có cơ chế biểu hiện khác nhau, thì mặc nhiên mỗi bộ gene sẽ tạo ra những tế bào có đặc điểm khác nhau".
Điều khiển được Gene trội - Gene lặn?
Khác với những quan điểm của Darwin về Thuyết tiến hóa, các nhà khoa học đã cho thấy rằng, chỉ cần gắn các chất hữu cơ có gốc methyl vào một điểm cụ thể trên chuỗi ADN - được gọi tắt là methyl hóa ADN, nó có thể dẫn đến sự thay đổi biểu hiện của gene . Methyl là phần còn lại của methane sau khi đã mất đi một nguyên tử hydro. Nó có công thức cấu tạo là -CH3, và nhiều khi được viết tắt là -Me
Trên thực tế, rất nhiều ý kiến về quá trình methyl hóa ADN đã được đưa ra từ những thập niên 70 của thế kỷ trước, tuy nhiên tất cả vẫn chỉ là trên lý thuyết và chưa một nhà khoa học nào đi vào thực tiễn. Mãi cho đến năm 2003, Giáo sư Randy Jirtle và Tiến sĩ Robert Waterland đến từ trường Đại học U bướu Duke tiến hành những trải nghiệm thực tế về lý thuyết này, với công trình nghiên cứu trên những chú chuột có triệu chứng béo phì và mắc bệnh tiểu đường, có mang gene agouti - một loại gene quy định màu lông vàng xậm của chúng.
Họ đã chia những chú chuột cái agouti đang mang thai ra thành hai nhóm riêng biệt với những chế độ ăn khác nhau. Một nhóm được ăn theo chế độ ăn giàu vitamin B (axit folic và vitamin B12), nhóm còn lại thì vẫn theo chế độ ăn bình thường.
Vitamin B hoạt động với vai trò là "chất xúc tác" thúc đẩy quá trình methyl hóa ADN, khiến nhóm methyl được tiếp xúc trực tiếp với gene agouti trên cơ thể chuột, đồng thời cũng làm thay đổi biểu hiện gene agouti trên những chú chuột được ăn theo chế độ ăn giàu dinh dưỡng. Như vậy, không cần thay đổi cấu trúc của các cặp ADN mang thông tin di truyền của chuột agouti, mà đơn giải là chỉ bằng cách tăng khẩu phần ăn của chúng với vitamin B, Giáo sư Jirtle và Waterland đã thu được kết quả là những chú chuột con khỏe mạnh, với trọng lượng bình thường và không hề mắc bệnh tiểu đường như bố mẹ của chúng.
Một loạt các công trình nghiên cứu khác cũng cho thấy được những tác động của điều kiện ngoại cảnh đối với biểu hiện gene. Ví dụ, thí nghiệm với ruồi dấm khi được tiếp xúc với thuốc Gledanamycin, bắt đầu có những biểu hiện bất thường trên mắt, và những dấu hiệu này vẫn tiếp tục được kéo dài qua ít nhất 13 thế hệ con cháu của chúng mặc dù không có sự thay đổi nào trong cấu trúc ADN (các thế hệ từ 2 - 13 không được tiếp xúc với Gledanamycin).
Vậy cơ chế di truyền biểu sinh có thể tồn tại vĩnh viễn qua các thế hệ tiếp theo? Câu trả lời là có thể. Tuy nhiên, điều quan trọng nhất cần chú ý, di truyền biểu sinh không phải là tiến hóa, nó không hề làm thay đổi cấu trúc của các cặp nhiễm sắc thể ADN mang thông tin di truyền. Cơ chế di truyền biểu sinh chỉ đơn thuần là mô tả một phản ứng sinh học diễn ra trên cơ thể của mỗi loài động vật thông qua sự tác động của ngoại cảnh đối với biểu hiện của gene. Sự thay đổi có thể được duy trì qua nhiều thế hệ, tuy nhiên nếu những tác động không còn mạnh mẽ như ban đầu, thì các yếu tố này sẽ dần mất đi.
Nhận xét về cơ chế di truyền biểu sinh, ông David Shenk, một nhà khoa học đồng thời là một nhà văn đến từ Comite International Geneve đã viết trong cuốn sách "The Genius in All of Us: Why Everything Youve Been Told About Genetics, Talent and IQ Is Wrong" (Những thiên tài ở xung quanh chúng ta: Liệu có phải những kiến thức về di truyền học, những yếu tố tạo nên tài năng và trí thông minh mà chúng ta từng biết đến là sai) rằng: "Các nhà khoa học không hề động gì tới các cặp ADN mang thông tin di truyền, đơn giản họ chỉ làm thay đổi biểu hiện của các gene để chúng tương tác với nhau trong cỗ máy sản xuất protein của tế bào. Có lẽ đây là những khám phá quan trọng nhất chúng ta từng biết đến trong lĩnh vực di truyền học. Những khám phá này lại khiến chúng ta nhớ đến Jean-Baptiste Lamarck (1744 - 1829), một nhà khoa học trước thời Charles Darwin, đã từng phát triển một học thuyết tương đối hoàn chỉnh về sự tiến hóa của sinh vật, đồng thời được coi là người đặt nền móng cho những nghiên cứu về cơ chế di truyền biểu sinh. Nhưng rất tiếc, Học thuyết của ông đã bị lãng quên".
Vào cuối thế kỷ XVIII, nhiều nhà tự nhiên học cho rằng lịch sử tiến hóa của sinh vật gắn liền với lịch sử tiến hóa của Trái đất. Tuy nhiên, chỉ có Jean Baptiste Lamarck (1744-1829) là người đã phát triển một học thuyết tương đối hoàn chỉnh về sự tiến hóa của sinh vật. Ông thu thập và phân loại các động vật không xương sống tại Viện Bảo tàng Lịch sử tự nhiên ở Paris. Bằng cách so sánh những loài còn sống với các dạng hóa thạch, Lamarck thấy rằng có sự biến đổi theo trình tự thời gian từ các hóa thạch cổ đến các hóa thạch trẻ hơn dẫn đến các loài hiện tại (các dạng phức tạp hơn xuất phát từ các dạng đơn giản). Lamarck công bố Học thuyết tiến hóa của ông vào năm 1809: không còn nghi ngờ gì nữa, tạo hóa tạo ra mọi vật từng chút một và nối tiếp nhau trong thời gian vô hạn định.
Lamarck sắp xếp các sinh vật thành các bậc thang, mỗi bậc gồm các dạng giống nhau. Ở dưới cùng là những sinh vật nguyên thủy mà ông tin rằng chúng được tạo ra liên tục thông qua hình thức phân bào. Ở trên cùng của bậc thang tiến hóa là các động vật và thực vật phức tạp nhất. Sự tiến hóa phát sinh do xu hướng nội tại vươn tới sự hoàn thiện. Khi một sinh vật hoàn thiện, chúng thích nghi ngày càng tốt hơn với môi trường sống.
Lamarck cũng đã đưa ra cơ chế để giải thích làm thế nào sự thích nghi xảy ra. Chúng hợp thành từ hai quan niệm phổ biến vào thời Lamarck. Thứ nhất là việc sử dụng và không sử dụng, là quan niệm cho rằng những phần nào của cơ thể được sử dụng thường xuyên sẽ trở nên lớn hơn và mạnh hơn, trong khi những phần không được sử dụng sẽ bị thoái hóa. Thứ hai là quan niệm về sự di truyền các tính trạng tập nhiễm (inheritance of acquired characteristics). Theo quan niệm này, những biến đổi mà sinh vật thu nhận được trong suốt cuộc đời của chúng có thể di truyền được cho thế hệ sau. Thí dụ kinh điển là sự tiến hóa chiều dài cổ của hươu cao cổ. Theo quan điểm của Lamarck, tổ tiên của loài hươu này có cổ rất ngắn, nhưng chúng luôn có xu hướng vươn cổ dài ra để có thể chạm tới những tán lá cây non ở trên cao - nguồn thức ăn chính của chúng. Sự thường xuyên vươn dài cổ này khiến cho thế hệ con cháu của chúng có cổ dài hơn. Cứ tiếp diễn như vậy, thế hệ hươu sau sẽ có cổ dài hơn thế hệ trước đó.
Lập bản đồ hoàn chỉnh gene người, khai thác tiềm năng của cơ chế di truyền biểu sinh
Từ năm 2003, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Eric Lander và Craig Venter đến từ Viện công nghệ MIT đã cho chúng ta thấy được bản đồ gene hoàn chỉnh của người, với khoảng 3 tỷ ký tự, tuy nhiên, nó lại không hề cho chúng ta biết các chức năng của hệ gene người được điều khiển và hoạt động như thế nào.
Đầu năm 2008, Giáo sư Joseph Ecker cùng các đồng nghiệp của mình tại Viện Salk sau khi lập bản đồ hoàn chỉnh bộ gene của cây Arabidopsis - một loại cây thuộc họ cải thông qua cơ chế methyl hóa ADN, tuy nhiên, bộ gene của Arabidopsis rất đơn giản và sau khi đã được giải mã hoàn toàn, chỉ có 5 cặp nhiễm sắc thể. Từ bước khởi đầu này, Giáo sư Ecker đã nảy ra ý định hợp tác với các nhà khoa học đã từng nghiên cứu về cơ chế di truyền biểu sinh cùng tham gia vào Dự án nghiên cứu cơ chế methyl hóa ADN trên cơ thể người, đồng thời lập bản đồ gene người hoàn chỉnh. 190 triệu USD đã được quyết định chi cho Dự án này.
Trên thực tế, các nhà khoa học mới chỉ khám phá được 2 loại tế bào mang cơ chế di truyền biểu sinh, đó là tế bào gốc từ phôi thai và các tế bào phổi có tên gọi là nguyên bào sợi (fibroblast). Theo Giáo sư Joseph Ecker thì trên cơ thể người tồn tại ít nhất là 210 loại tế bào khác nhau, và mỗi tế bào lại tồn tại dưới nhiều trạng thái khác nhau. Chính vì thế, Giáo sư Ecker cho rằng khoản tiền dự định sẽ chi cho Dự án xây dựng hoàn chỉnh bản đồ gene người là quá ít ỏi.
Giáo sư Ecker cho biết: "Hẳn là các bạn còn nhớ về Dự án hệ gene người? Dự án này được thực hiện thông qua sự phối hợp giữa NIH và Bộ Năng lượng Mỹ, cùng với sự tham gia của nhiều trường Đại học trên thế giới. Các nhà khoa học tham gia dự án này đã thống kê rằng có khoảng 25.000 gene khác nhau trên hệ gene người, và chi phí để lập một bản đồ hoàn chỉnh về các gene này phải lên đến hơn 3 tỷ USD. Dự án được bắt đầu vào năm 1990 và hoàn thành vào năm 2003 - sớm hơn 2 năm so với dự kiến. Do đó, chỉ với 190 triệu USD, chúng tôi sẽ chẳng làm được gì cả".
Việc tiến hành lập bản đồ hoàn chỉnh các bộ phận nhỏ của gene rất khó khăn, và việc xác định được những cơ chế biểu hiện của chúng hoàn toàn không đơn giản. Tuy nhiên, nếu thành công thì tầm ảnh hưởng của nó trong lĩnh vực y học, công nghệ sinh học và khoa học đời sống sẽ là rất lớn.
Đây đúng là những phát hiện tiêu biểu của khoa học di truyền hiện đại. Trong nhiều thập kỷ qua, có lẽ các nhà khoa học nghiên cứu về cơ chế di truyền biểu sinh đã vấp phải rào cản quá lớn, đó là thuyết tiến hóa của Darwin: các cặp nhiễm sắc thể ADN mang thông tin di truyền không thể thay đổi. Hiện tại, với những khám phá mới mẻ này, chúng ta có thể nghĩ tới viễn cảnh có thể tùy ý điều chỉnh các cặp nhiễm sắc thể ADN mang thông tin di truyền tới con cháu chúng ta theo ý muốn. Các nhà di truyền học sẽ còn phải mất nhiều thời gian để nghiên cứu, tuy nhiên tôi có thể khẳng định với các bạn rằng: "Kỷ nguyên của cơ chế di truyền biểu sinh đã tới".
nguồn: báo khoa họv và công nghệ