Tế Bào Trưởng Thành Giải Biệt Hóa để Tạo Ra Tính Vạn Năng

Trang chủ » Tiêu Bản Tế Bào Sợi Nuôi Cấy » Tế Bào Trưởng Thành Giải Biệt Hóa để Tạo Ra Tính Vạn Năng

Có thể bạn quan tâm

  • Trang chủ
  • Công nghệ sinh học

Tế bào trưởng thành giải biệt hóa để tạo ra tính vạn năng

BioMedia

Ở trạng thái phát triển bình thường, các tế bào có nguồn gốc từ các tế bào chưa biệt hóa của tế bào trứng và phôi sớm thường là các tế bào đặc biệt hơn. Ở các cơ thể trưởng thành các dạng tế bào chưa phân hóa thường thực hiện các chức năng chuyên biệt trong cơ thể chúng. Tế bào gốc toàn năng bao gồm các tế bào trứng đã thụ tinh và tiền hợp tử, hay nói cách khác, từ các tế bào gốc toàn năng sẽ biệt hóa nên một số lượng lớn các tế bào chuyên hoá khác nhau, nhau thai cũng là một trong những bộ phận của mô ngoại phôi có chứa các tế bào gốc toàn năng. Bởi vì quá trình phát triển được chia ra thành hai hướng, các tế bào ở giai đoạn đầu của phôi trở nên chuyên hóa: các tế bào bên trong phát sinh các phôi riêng biệt, và ngược lại.

Trong quá trình phát triển, các tế bào sẽ phân hóa để trở thành các tế bào biệt hóa theo từng chức năng, và kéo theo đó là sự hạn chế tính vạn năng. Hầu hết, các tế bào trưởng thành đều là các tế bào biệt hóa, song vẫn có một số tế bào gốc vẫn được giữ lại trong cơ thể như tủy xương, ruột, da. Ở giai đoạn phôi sớm các tế bào có khả năng biệt hóa ngược thành dạng tế bào chưa biệt hóa, nhưng ở tế bào trưởng thành thì việc một tế bào đã biệt hóa sẽ không có khả năng thay đổi để trở thành loại tế bào khác, hoặc dạng tế bào chưa biệt hóa như dạng ban đầu. Cũng chính bởi lý do này mà quan điểm các tế bào trưởng thành vĩnh viễn không biệt hóa ngược trở lại khi chúng đã biệt hóa đã được duy trì trong một thời gian rất dài. Chỉ đến khi các nhà khoa học tìm ra được rằng có một số tế bào đã biệt hóa có chứa một số loại protein nguyên mẫu, chúng có khơi dậy tiềm năng là các tế bào biệt hóa có thể thay đổi biểu sinh không thể biến đổi ngược lại hoặc sự đổi di truyền để kích thích sự sản sinh tính năng vạn năng của chúng. Conrad Hal Waddington đã đưa ra phép ẩn dụ về khả năng tái thiết lập tế bào trưởng thành đã biệt hóa thành tế bào vạn năng bằng việc xem các tế bào đã biệt hóa như một viên bi, khi đặt viên bi đó ở trên đỉnh thì khả năng viên bi đó rơi xuống vực sẽ dễ dàng thực hiện hơn nhiều so với việc viên bi đó từ vực chuyển lên đỉnh núi và đối với sự tái thiết lập tế bào trưởng thành cũng tương tự như vậy (Waddington, 1957). Và nhiều giải pháp đã được đưa ra để giải quyết vấn đề này, trong đó giải pháp chuyển nhân từ tế bào đã biệt hóa vào tế bào chất của tế bào chưa trưởng thành để kiểm tra tiềm năng phát triển của chúng đã nhận được giải “ý tưởng sáng tạo”.

Để giải quyết vấn đề trên John B. Gurdon đã sử dụng một loài ếch có vuốt châu Phi là Xenopus laevis. Bằng việc kế thừa những nghiên cứu của Fischberg và cộng sự (Elsdale et al., 1958) đã giúp ông phân biệt một cách rõ ràng về các tế bào có nguồn gốc từ nhân được cấy ghép từ các tế bào của phôi chủ. Và một trong những yếu tố then chốt của nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chiếu tia cực tím để phá hủy nhân của trứng ếch, và kết quả cho thấy rằng: một trong bốn nòng nọc đã được tạo ra từ các tế bào được cấy ghép từ nhân từ các tế bào mô ruột đã biệt hóa của chúng (Gurdon, 1962). Ông cũng chỉ ra được những hiệu quả to lớn mà kỹ thuật chuyển nhân tế bào mang lại thông qua một số kỹ thuật cấy ghép. Cũng theo hướng nghiên cứu này ông đã đưa ra một lượng lớn các nhân của nhân các tế bào ruột có thể được tái thiết lập (Gurdon, 1962). Ông cũng đưa ra kết luận rằng nhân các tế bào trưởng thành đã biệt hóa đều có tiềm năng để tái tạo thành các tế bào vạn năng. Để đạt được sự đồng thuận của hội đồng khoa học trong vấn đề này ông đã mất đi khá nhiều thời gian. Đối với các nghiên cứu tiếp theo, ông sử dụng nhân của ếch đã trưởng thành để tạo ra nòng nọc, và ngược lại nhân của phôi đã biệt hóa hỗ trợ sự phát triển của ếch (Gurdon và Uehlinger, 1966; Laskey và Gurdon, 1970).

Những phát minh của Gurdon là cơ sở nền móng cho kỹ thuật chuyển nhân ở tế bào, ông cũng chỉ ra nhân của các tế bào có nguồn gốc từ tế bào trưởng thành đã biệt hóa đều có khả năng phát triển để hình thành nên nhiều loại mô và tế bào trưởng thành khác nếu chúng được chuyển vào tế bào chất của tế bào trứng.

a1

Những bước tiến của việc tái lập trình bằng nhân bản vô tính

Thành công của Gudor đã mở ra hướng mới trong nghiên cứu: tập trung vào quá trình chuyển nhân các tế bào trưởng thành (somatic cell nuclear transfer – SCNT), nó có thể được xem là tái thiết lập trở tế bào để chúng ngày càng đặc biệt. Năm 1997, lần đầu tiên nhân bản vô tính đã thành công đối với động vật có vú là cừu Dolly, bằng cách chuyển nhân tế bào trưởng thành ở tuyến vú vào trứng cừu đã loại nhân để tạo ra cừu Dolly (Wilmut et al., Nature 1997). Những nghiên cứu của Ian Wilmut và Keith Campbell đều được dựa trên phương pháp Gurdon khi thực hiện trên ếch Xenopus, tất nhiên trong nghiên cứu này cũng đã bổ sung một số kỹ thuật mới để chúng được phù hợp hơn. Kể từ khi kỹ thuật chuyển nhân tế bào trưởng thành được thực hiện bởi cừu Dolly năm 1997 thì ngày nay chúng được sử dụng phổ biến trong nhân bản các loài động vật có vú khác như: lợn, bò, chuột, chó sói, mèo rừng châu Phi. Bằng kỹ thuật chuyển nhân từ nhân tế bào B và T vào hệ thống miễn dịch, nhân tế bào đã biệt hóa sẽ sắp xếp lại glubolin miễn dịch hoặc gen các tế bào Tcó thể tái lập trình lại để hỗ trợ sự phát triển của chuột (Hochedlinger and Jaenisch, 2002).

a2

Tái lập trình của tế bào trưởng thành ban đầu để trở thành tế bào vạn năng

Theo Gurdon nhân của tế bào đã biệt hóa có khả năng tái tạo lại để trở lại tình trạng chưa hoạt hóa, đây chính là khả năng tái thiết lập về dạng ban đầu. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn đưa ra câu hỏi mở rằng: có thực sự rằng các tế bào đã biệt hóa có thể quay trở lại dạng nguyên sơ ban đầu không? Nhiều nhà khoa học đã cho rằng điều đó là không thể, hoặc nếu có thể thì chúng cũng không thể tái tạo đến dạng nguyên bản nhất, hoặc có thể trong tế bào phải có sự cải tổ rất phức tạp trong tế bào để thay đổi tình trạng biệt hóa của tế bào. Và vấn đề này đã được giải quyết khi Yamanaka tìm ra cách thức để tái thiết lập khả năng vạn năng của chúng. Yamanaka là một trong những nhà phẫu thuật chỉnh hình và nhà sinh học phân tử, và nghiên cứu về sự vạn năng của tế bào là một trong phần trong nghiên cứu về các tế bào gốc phôi (ES), Martin Evans là người đầu tiên tìm ra đặc điểm cũng như môi trường nuôi cấy (giải Nobel Sinh lý và Y khoa năm 2007).

Yamanaka đã tập trung vào các nhân tố quan trọng đối với sự vạn năng trong tế bào gốc phôi (ES) (Takahashi và cộng sự, 2003). Điều này cũng được thực trong cùng khoảng thời gian với những thí nghiệm đánh giá sự vạn năng của gen Nanog của Austin Smith, (Mitsui và cộng sự., 2003; Chambers và cộng sự., 2003). Từ những nghiên cứu của ông cũng như những các nhà nghiên cứu khác ông đã tìm ra được chức năng cũng như một số tiềm năng khi chúng ở trạng thái vạn năng của một số lượng lớn các nhân tố các yếu tố phiên mã trong tế bào gốc phôi.

Một trong những thí nghiệm nổi bật nhất là tất cả 24 gen mã hóa trong phiên mã đã được đưa vào nguyên bào sợi của da và một trong số đó đã tạo ra được sự các dòng có sự tương đồng khá lớn đối với tế bào gốc phôi. Một số gen có khả năng kích thích để tạo dòng đã bị hạn chế, và để xác định sự kết hợp của một trong bốn yếu tố nhân mã (Myc, Oct3/4, Sox2 and Klf4) mà có khả năng biến đổi nguyên bào sợi phôi của chuột thành 6 tế bào gốc phôi vạn năng (Takahashi and Yamanaka, 2006). Các tế bào gốc vạn năng xuất hiện với tần số rất thấp song chúng được lựa chọn để đưa vào gen neomycin/lacZ fusion (βgeo) để chèn các vị trí Fbx15 trong hệ gen của chuột. Trình tự khởi đầu của Fbx15 hoạt động trong các tế bào gốc vạn năng, và khả năng hoạt động của βgeo trong tế bào gốc vạn năng lại phù thuộc vào khả năng kháng G418. Các tế bào gốc vạn năng có khả năng tạo ra nhiều loại tế bào khác nhau khi cho thử nghiệm trên các khối u và chúng cũng tạo ra một lượng tế bào mô của chuột sau khi tiêm phôi. Tuy nhiên, các việc chuyển vào các dòng tế bào gốc phôi mầm không đạt được kết quả trong giai đoạn đầu nghiên cứu (Takahashi và Yamanaka, 2006). Và kết quả thu được phải sau một năm khi ông sử dụng hệ thống chọn lọc tinh khiết (ngày nay sử dụng kỹ thuật sàng lọc một trong hai gen Oct4 hoặc Nanog) (Okita và cộng sự, 2007; Wernig và cộng sự, 2007; Maherali và cộng sự, 2007). Năm 2007, phòng thí nghiệm của Yamanaka và James Thomson trở thành những phòng thí nghiệm đầu tiên về sản xuất tế bào gốc vạn năng ở người (Takahashi và cộng sự, 2007; Yu và cộng sự, 2007). Trong các thí nghiệm về tế bào gốc vạn năng ở người Yamanaka đã sử dụng kết hợp cả bốn yếu tố phiên mã (Myc, Oct4, Sox2 and Klf4) trong khi đó Thomson sử dụng các yếu tố phiên mã khác hơn (Lin28, Nanog, Oct 4 and Sox2).

Phát minh của Yamanaka về tế bào gốc toàn năng là một phát minh đặt nền móng cho tái thiết lập tế bào trưởng thành trở thành một tế bào vạn năng. Từ thành công của ông đã mở ra một hướng nghiên cứu mới, và công nghệ tế bào gốc ngày càng được sử dụng rỗng rãi tại các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới.

Những triển vọng mới trong kỹ thuật tái thiết lập tế bào và ứng dụng của chúng trong nghiên cứu y học.

Kể từ lúc kỹ thuật này ra đời đã có một số cải tiến đáng kể. Một ví dụ điển hình như: có thể đưa các yếu tố vạn năng vào tế bào mà không cần sử dụng đến việc sử dụng các nhân tố vi-rút retro (nguyên nhân gây ra sự tổ hợp các kiểu gen một cách bất trật tự, từ đó có thể hình thành nên một số khối u). Việc không tích hợp các loại vi-rút, RNAs, hoặc protein cũng như các loại plasmid bổ sung hiện nay được sử dụng đối với với sự tích hợp tự do của các gen vạn năng. Đối với một số tế bào thì ít hơn bốn yếu tố trong việc thúc đẩy sự vạn năng của tế bào, ví dụ đối với tế bào gốc thần kinh ở chuột chỉ cần sử dụng Oct4 cho quá trình thúc đẩy hình thành tế bào gốc vạn năng (Kim et al., 2009). Các thí nghiệm đối với các phân tử nhỏ cũng đã được chứng minh (Li et al., 2009). Quan trọng hơn nữa là các tế bào có khả năng đáp ứng tất cả những điều kiện nghiêm ngặt, đồng thời có khả năng tạo ra các tế bào gốc vạn năng ở thể tứ bội, các tế bào này được đưa vào thể tứ bội ở giai đoạn phôi dâu tám tế bào (Zhao et al., 2009 ). Tất cả những cải tiến sau này đều dựa trên nền tảng phát minh của Yamanaka , và đưa công nghệ này ngày càng được sử dụng hiệu quả và hữu ích hơn.

Qua phát hiện của Yamanaka, đã chứng minh sự thay đổi đáng kể trong việc biến đổi tế bào mà không thông qua việc sử dụng tính vạn năng của chúng. Trong những năm 1960 các thí nghiệm chuyển biệt hóa được thực hiện trên đối tượng ruồi giấm, sau đó là việc sử dụng các gen đơn lẻ như Antennapedia, MyoD, GATA1 hoặc Pax5 đối với sự thay đổi tính chất của tế bào. Đặc biệt, sự phát hiện gen MyoD có chuyển biệt hóa nguyên bào sợi 10T1/2 thành nguyên bào cơ (Davis và cộng sự, 1987) cho thấy gen thực hiện quá trình chuyển biệt hóa có thể nhận biết theo tính hệ thống. Việc sử dụng nhiều yếu tố phiên mã trong quá trình chuyển biệt hóa của Yamanaka đã mở ra xu hướng về sử dụng đa yếu tố phiên mã. Một ví dụ như việc chuyển các tế bào ngoại tiết chuyển đến nội tiết tế bào nội tiết của tuyến tụy đã sử dụng cùng lúc 3 yếu tố phiên mã (Zhou và cộng sự, 2008). Tương tự, các tế bào cơ tim được sinh ra từ các nguyên bào sợi nuôi cấy in vitro có sử ba yếu tố phiên mã khác nhau (Ieda và cộng sự, 2010). Đây là những bằng chứng về việc chuyển biệt hóa được thực hiện trong các lớp mầm, tuy nhiên sự chuyển biệt hóa giữa các lớp mầm với nhau cũng thu được thành quả. Quá trình chuyển biệt hóa từ nguyên bào sợi (trung bì) thành tế bào thần kinh (ngoại bì) (được gọi là tế bào iN) khi chúng sử dụng 3 yếu tố phiên mã (Pang và cộng sự, 2011).

Các loại tế bào gốc bao gồm các tế bào gốc vạn năng (iPS) được dùng trong điều trị các loại bệnh Parkison, bệnh tiểu đường type 1. Đối với phương pháp sử dụng iPS cho phép cấy ghép các tế bào của chính bản thân và mức độ thải ghép xảy ra ở mức thấp nhất. Bên cạnh đó, việc cải tiến kỹ thuật đã nâng cao hiệu quả của kỹ thuật này. Tuy việc tái thiết lập tính vạn năng có thể tạo ra một số đột biến không mong muốn trong việc sử dụng tế bào gốc vạn năng, tế bào gốc phôi để cấy ghép. Được xem là lĩnh vực nghiên cứu đầy thú vị và hứa hẹn nhưng việc đảm bảo an toàn cho các bệnh nhân thực hiện liệu pháp điều trị này cũng cần thực hiện một cách nghiêm túc.

Hơn nữa, đối với những vùng được chữa bệnh được sử dụng để lấy các tế bào iPS từ những bệnh nhân bị rối loạn di truyền và sử dụng các tế bào iPS trong biệt hóa in vitro để hiểu rõ hơn về quá trình hình thành bệnh hoặc quá trình thử nghiệm các loại độc tố cũng như các loại thuốc khác nhau (Onder và Daley, 2012). Tế bào iPS được tạo ra để áp dụng cho nhiều loại bệnh khác nhau, trong đó có một số bệnh như: chứng xơ cứng teo cơ một bên (ALS), hội chứng Rett, teo cơ cột sống (SMA), thiếu men α1- antitrypsin, bệnh tăng cholesterol máu gia đình (Familial Hypercholesterolemia), bệnh dữ trữ glycogen type 1A. Đối với các bệnh tim mạch, hiện nay các tế bào iPS được sử dụng trong hội chứng Timothy, hội chứng Leopard, cũng như hội chứng QT dài type 1 và 2 (Onder và Daley, 2012). Một số bệnh điển hình dựa trên đặc điểm của tế bào iPS, các bệnh có liên quan đến kiểu hình đã được theo dõi. Ví dụ như sự gia tăng mất mát của các tế bào thần kinh vận động đã được quan sát khi chuyển iPS cho SMA. Hơn nữa, khi sử dụng tế bào iPS cũng chỉ ra được sự suy giảm mật độ xương sống sau khi biệt hóa tế bào thần kinh (Marchetto và cộng sự, 2010). Sự biệt hóa tế bào gan cả các tế bào iPS từ những bệnh nhân bị thiếu men α1-antitrypsin đã gây ra hiện tượng hàm lượng lipid tăng lên, glycogen tích tụ lại (Rashid và cộng sự, 2010). Sự biệt hóa tế bào iPS có thế bắt chước những khía cạnh của bệnh trong giai đoạn khởi phát muộn, như bênh Alzheimer (Israel và cộng sự, 2012), mất khả năng điều hòa Spinocerebellar (Koch et al., 2011), và bệnh Huntington (HD iPSC Consortium, 2012 ). Bên cạnh đó, chúng còn được ứng dụng trong điều trị các chứng bệnh liên quan tới tính di truyền phức tạp như bệnh tâm thần phân liệt (Brennand và cộng sự, 2011). Tuy nhiên, cũng có rất nhiều loại bệnh rất khó khăn để bắt chước các tế bào có nguồn gốc từ iPS nuôi cấy nhân tạo. Đối với một số bệnh liên quan đến đường máu thì việc ứng dụng chúng vẫn đang bị hạn chế rất nhiều.

Tế bào gốc vạn năng iPS được sinh ra từ tế bào đã biệt hóa ngày càng được sử dụng rộng rãi trong việc xác định nguyên nhân gây ra các loại bệnh di truyền phức tạp cũng như các nhân tố được sử dụng trong điều trị. Ví dụ để xác định nguyên nhân gây ra hội chứng rối loạn thần kinh gia đình bằng việc sử dụng iPS người ta xác định hơp chất kinetin là chất có khả năng gây ra sự đảo ngược quá trình ghép nối gen IKBKAP (Lee và cộng sự, 2009).

Tóm lại, phát minh từ các tế bào biệt hóa có thể tái thiết lập thành các tế bào gốc vạn năng là một phát minh vô cùng quan trọng. Hai ông John Gurdon và Shinya Yamanaka không chỉ mở ra hướng nghiên cứu mới mà còn xây dựng nền móng cho sự phát triển của các lĩnh vực y học cũng như sinh lý học sau này.

Dịch và tổng hợp từ nobelprize.org

BioMedia VN

BioMedia Việt Nam
Sản phẩm - Công nghệ mới
Hệ thống thử nghiệm hoạt tính và độc tính tế bào NK
Máy giải trình tự gen điện di mao quản 3500
Máy điện di mao quản phân tích đoạn DNA/RNA Fragment Analyser
Máy PCR Gradient 96 giếng
Máy Realtime PCR 7500

Các bài viết cùng chủ đề

Tế bào trưởng thành giải biệt hóa để tạo ra tính vạn năng

20-01-2016

Ở trạng thái phát triển bình thường, các tế bào có nguồn gốc từ các tế bào chưa biệt hóa của tế bào trứng và...

Quá trình di căn của ung thư vú

20-01-2016

Tiến trình di căn: Hệ thống tuần hoàn của con người chúng ta có đặc điểm khá giống so với hệ thống đường cao tốc phức...

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra hướng mới trong việc thúc đẩy các tế bào gốc biệt hóa thành tế bào xương

20-01-2016

Hãy tưởng tượng rằng nếu như bạn bị gãy xương hoặc cần thay thế khớp háng, tuy nhiên sức khỏe không được tốt lắm và...

Chu kì tế bào

20-01-2016

Chu kỳ tế bào hay chu kỳ phân bào là một loạt các sự kiện xảy ra trong tế bào dẫn tới hình hành hai...

Từ khóa » Tiêu Bản Tế Bào Sợi Nuôi Cấy