Vi Khuẩn Và Con Người đã Trao đổi DNA Từ Hàng Nghìn Năm Trước

BioMedia

Cơ thể con người tồn tại một lượng lớn vi khuẩn, và gen từ một số vi khuẩn đã thâm nhập vào hệ gen của con người. Vậy có phải việc chuyển gen này đã góp phần tạo nên bệnh tật cho con người, chẳng hạn như ung thư?

Trước khi chúng ta hiểu rằng DNA mang thông tin di truyền, các nhà khoa học đã biết được rằng vi khuẩn có thể chuyển gen giữa các tế bào. Năm 1928, 25 năm trước khi cấu trúc DNA được giải mã, nhà vi khuẩn học người Anh, Frederick Griffith đã chứng minh rằng những vi khuẩn không độc hại còn sống có thể chuyển thành dạng vi khuẩn độc hại sau khi được ủ với một chủng vi khuẩn độc hại đã chết vì nhiệt..Mười lăm năm sau, ba nhà nghiên cứu tại Viện Rockefeller Nghiên cứu Y khoa (bây giờ là Đại học Rockefeller) gồm có Oswald Avery, Colin MacLeod, và Maclyn McCarty, đã chứng minh được rằng sự biến đổi này được thực hiện bởi DNA và thậm chí vi khuẩn đã chết vẫn có thể chia sẻ bộ gen của chúng.

Quá trình chia sẻ DNA này được gọi là sự chuyển gen ngang (horizontal or lateral gene transfer - LGT), là quá trình chuyển trực tiếp DNA giữa hai loài sinh vật. LGT xảy ra ở hầu hết các loại vi khuẩn, bằng cách chuyển các gen kháng kháng sinh, hiện nay ngày càng xuất hiện nhiều vi khuẩn kháng thuốc, hiện tượng này mang lại tác động sâu sắc về mặt sinh học vi sinh vật. Bên cạnh đó, các nhà khoa học nhận ra rằng LGT không chỉ xảy ra giữa vi khuẩn với vi khuẩn mà DNA còn có thể được chuyển vào thực vật, nấm và động vật. Ngược lại, yếu tố LINEs (long interspersed nuclear elements-LINEs) của con người cũng được tìm thấy trong bộ gen của vi khuẩn. Các nhà nghiên cứu đã từng ghi nhận được trường hợp chuyển gen từ nấm qua côn trùng và từ tảo qua sên biển. Vì vậy có lý do để tin rằng giữa hai nhóm sinh vật bất kỳ (bao gồm cả con người) có sự chia sẻ mã di truyền.

Con người từ lâu đã tò mò về những DNA lạ trong bộ gen của chính mình. Bộ gen người ẩn chứa các bằng chứng về lợi ích từ LGT mà vi khuẩn mang lại trong suốt thời gian qua, và có bằng chứng cho rằng việc chuyển gen có thể xảy ra thường xuyên giữa các vi khuẩn thường trú và các tế bào sinh dưỡng. Nhưng cơ chế của việc chuyển gen LGT giữa vi khuẩn và động vật vẫn chưa được rõ ràng. Tuy nhiên nếu LGT gây đột biến có hại thì đây có thể được xem là một trong các nguyên nhân gây bệnh chưa được biết đến.

Hoán đổi gen

Vi khuẩn không sinh sản hữu tính nhưng lại là một trong những loài có sự đa dạng vật chất di truyền cao nhất nhờ vào LGT. Chính sự đa dạng này đã giúp cho vi khuẩn thích ứng được với mỗi hệ sinh thái trên hành tinh, từ miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu đến các hồ đóng băng ở Nam Cực, từ khe đá đến ruột của chúng ta.

Sự chuyển gen ngang giữa các vi khuẩn được chia thành 3 loại: biến nạp (trasformation) - chuyển DNA trần (vật liệu di truyền được vi khuẩn đưa vào môi trường và được hấp thụ bởi các vi khuẩn khác, như ở thí nghiệm Griffith); tải nạp (transduction) bởi virus; và giao nạp (conjugation) - chuyển gen trực tiếp giữa tế bào cho và tế bào nhận.

Hiện tượng chuyển gen ngang xảy ra khá phổ biến ở vi khuẩn, nghiên cứu từ một thập kỷ trước cho thấy vi sinh vật có thể chuyển DNA vào nhiều vật chủ khác nhau. Một ví dụ được nghiên cứu kỹ nhất là LGT giữa vi sinh vật và động vậtlà sự chuyển gen từvi khuẩn nội cộng sinh Wolbachiaendo vào ruồi giấm.

Vẫn còn nhiều điều chưa rõ về cơ chế chuyển gen từ vi khuẩn qua các sinh vật khác. Hệ thống bài tiết loại IV của vi khuẩn là một loại protein dạng như ống tiêm có chức năng bơm các phân tử từ vi khuẩn vào trong tế bào chủ qua sự tương tác giữa tế bào. Đây là một yếu tố quan trọng của sự chuyển gen ngang giữa Agrobacterium và thực vật trong tự nhiên, cũng như trong phòng thí nghiệm, nó có thể được sử dụng để tạo ra các cây trồng biến đổi gen và thậm chí có thể làm trung gian chuyển giao giữa Agrobacterium và các tế bào của người. Sử dụng toàn bộ trình tự gen, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy nhiều bộ gen của loài côn trùng và giun tròn có chứa DNA từ vi sinh vật sống hay xâm nhiễm ở trong cơ thể chúng. Một số loài có chứa một lượng lớn DNA (có thể có tới nhiều bản sao của bộ gen hoàn chỉnh) từ vi khuẩn nội cộng sinh Wolbachia.

Các LGT này kích thước lớn gần bằng bộ gen của vi khuẩn nội cộng sinh, điều này cho thấy sự chuyển này chỉ mới xảy ra gần đây. Một số loài côn trùng còn giữ lại các gen chuyển cũ, vì các gen này mang lại lợi ích cho loài nhận và cũng là các gen được chọn lọc theo thời gian. Một ví dụ là sâu đục thân hạt cà phê có gen phân giải mannanes từ vi khuẩn giúp chúng tiêu hóa hạt cà phê. Gen phân giải mannanes từ vi khuẩn cũng có thể là lý do cho sự phá hủy cây trồng gây ra bởi bọ xít nâu (brown marmorated stink bug)..Rệp (Aphids) sử dụng các gen từ nấm để tổng hợp carotenoid giúp chúng có vẻ ngoài sặc sỡ để phòng thủ. Càng có nhiều hiện tượng về LGT, càng nhiều sự bất ngờ về sự đa dạng sinh vật, vì vậy việc tập trung vào góc độ con người là điều hoàn toàn tự nhiên. Liệu nó có xảy ra trong chúng ta, và nếu có thì tần số xảy ra như thế nào, và hậu quả là gì?

LGT ở người

Hiện tại chưa rõ mức độ và tầm quan trọng của LGT ở động vật có xương sống, một phần vì thiếu thông tin về bộ gen, phần còn lại là khó khăn trong việc tìm phương pháp thích hợp để phân tích. Trong động vật có xương sống, bộ gen con người đã được nghiên cứu rộng rãi, cho thấy các bằng chứng quan trọng về LGT từ nhiều năm trước.

Vào năm 2001, bản thảo trình tự đầu tiên về bộ gen người được đề xuất với 223 vùng LGT vốn không hiện diện trong bộ gen của các loài đã được giải trình tại thời điểm đó. Một số nhà nghiên cứu nhanh chóng đưa ra quan điểm rằng đây là một con số quá lớn, thậm chí có đề xuất giải thích rằng tất cả các LGT xảy ra thông qua các cơ chế khác như mất gen hoặc tiến hóa. Một phân tích mới được công bố vào năm ngoái của Alastair Crisp và các đồng nghiệp thuộc Đại học Cambridge đã tìm thấy hơn 130 dấu vết về LGT trong bộ gen con người, bao gồm sự hiện diện của enzyme tổng hợp hyaluronan ở nấm, một khối lượng chất béo và các gen liên quan béo phì (FTO), và các gen chịu trách nhiệm cho các nhóm máu (ABO). Nhưng hầu hết các kết luận trước đó về con người và động vật linh trưởng cũng đã được xác định bởi vì các nhà nghiên cứu còn cho rằng LGT cũng tồn tại ở trong các loài khác.

Tuy nhiên, để một gen lạ xuất hiện trong bộ gen người, LGT cần phải xảy ra trong dòng tế bào mầm để nó có thể được truyền cho thế hệ tương lai; và nó phải mang lại lợi ích cho con người. Loại LGT như vậy có thể là hiếm, bởi vì con người không có khả năng lựa chọn các chức năng mới trong hệ gen của chúng ta, và các tế bào mầm được bảo vệ khỏi các sinh vật cũng như DNA của các sinh vật này. Tuy nhiên, LGT có thể tồn tại trong hệ gen sinh dưỡng; những đột biến thêm đoạn như vậy sẽ rất khó phát hiện, dù có có số lượng lớn các trình tự của tế bào người.

Khi có sự thay đổi trong bộ gen sinh dưỡng của con người, không khó để tưởng tượng việc chèn gen từ LGT có thể gây ra bệnh. Thực tế là trong khi bằng chứng gần đây về LGT ở người còn ít, thì lại có nhiều loại chuyển DNA được biết đến với tác động tiêu cực đến con người. Ví dụ, u nhú ở người (HPV) chiếm 80 đến 100 phần trăm nguyên nhân gây bệnh ung thư cổ tử cung. Virus này có thể tích hợp vào nhiễm sắc thể của tế bào cổ tử cung, và nếu sự tích hợp không hoàn tất, một số protein HPV trở nên mất kiểm soát, dẫn đến sự gián đoạn của quá trình apoptosis, tăng sinh tế bào và cuối cùng là ung thư. Tương tự như vậy, virus viêm gan B (HBV) gây ra bệnh ung thư gan, chúng chèn DNA vào tế bào gan đang phân chia. Virus HBV tích hợp vùng gen tăng cường và gen lõi của nó vào các gen liên quan ung thư, làm tăng sự sinh trưởng và phát triển của tế bào quá mức gây ung thư.

Với những nguy cơ đã biết về việc tích hợp, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc xác định LGT trong hệ gen người từ vi khuẩn. Vì cần tham khảo một số lượng lớn các dữ liệu cá nhân, nên họ đã dựa trên các công bố trước đó về dữ liệu bộ gen con người, các dự án về bộ gen người và Dự án 1000Genomes. Các nhà khoa học nhanh chóng nhận ra rằng nếu một LGT xảy ra trong tế bào không còn khả năng biệt hóa - không tái bản DNA - LGT sẽ chỉ tồn tại trong một bản sao, và sẽ không thể phân biệt nó với các trình tự khác. Vì vậy, họ đã chuyển đến các khối u và nhận thấy nên chèn vào tế đầu dòng của các khối u, sự tích hợp sẽ được lan rộng trong khối u và việc nhận diện các LGT sẽ dễ dàng hơn.

Các nhà khoa học đã phân tích dữ liệu trình tự bộ gen từ chín loại khối u khác nhau từ các dự án Cancer Genome Atlas và sử dụng công cụ tin sinh học để xác định các tích hợp DNA tiềm năng. Trong kết quả được công bố vào năm 2013, họ tìm thấy các trình tự từ các loài Acinetobacter trong mẫu bệnh bạch cầu dòng tủy (AML) và trình tự từ các loài Pseudomonas trong mẫu ung thư tuyến dạ dày (STAD) và có sự chèn tái phát ở các gen liên quan ung thư trong mẫu STAD.

Trong cả hai mẫu ung thư AML và STAD, các nhà nghiên cứu chỉ xác định được bằng chứng về ribosome 16S và 23S của vi khuẩn tích hợp vào hệ gen của con người. Karsten Sieber tạo ra mô hình tích hợp các gen ung thư liên quan trong STAD và quan sát thấy rằng các gen rRNA có cấu trúc bậc hai hình thành nhiều cấu trúc vòng (stem-loops) và kẹp tóc (hairpin loops). Những tích hợp này xảy ra ở vùng 5' - không dịch mã (5'-UTR) của các gen liên quan đến ung thư, có nghĩa là các gen này trải qua quá trình phiên mã nhưng không xảy ra quá trình dịch mã. Các cấu trúc stem-loops này được dự đoán là gắn chèn vào các đoạn gen rRNA và làm thay đổi cấu trúc bậc hai trong quá trình phiên mã, qua đó làm gián đoạn phiên mã hoặc hoặc dịch mã. Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng STAD có thể liên quan tới các vùng giàu-G ở các gen liên quan ung thư, gây ảnh hưởng tới sự điều hòa gen.

LGT gây ung thư? Nếu DNA được chuyển từ vi khuẩn thường trú đến các tế bào sinh dưỡng của con người, sự tích hợp này có nguy cơ chuyển hóa các tế bào bình thường thành tế bào ung thư.

Ying Xu tại đại học Georgia cũng đã xác định được LGT trong các khối u của con người. Nhóm của ông đã đi tìm bằng chứng vật chất di truyền từ vi khuẩn Helicobacter pylori và virus Epstein-Barr (liên quan đến ung thư dạ dày). Các nhà nghiên cứu xác định H. pylori tích hợp trong 36 gen trong các mẫu dạ dày, sự tích hợp có nhiều hơn trong các mẫu khối u. Nhiễm mãn tính vi khuẩn H. pylori có thể phá vỡ mạch kép DNA, và các tế bào của con người có thể "chữa lành" những mạch kép bị phá vỡ bằng cách chèn các đoạn DNA, thường là chèn DNA nhân hoặc ti thể, nhưng cũng có thể tích hợp DNA của vi khuẩn nếu có, bao gồm cả H. pylori DNA. Do đó có thể xem như ung thư là tác dụng phụ của sự tích hợp, chứ không phải tích hợp là nguyên nhân gây ung thư.

Hiện tại vẫn chưa rõ làm cách nào DNA của vi khuẩn tránh được hệ thống miễn dịch của con người, trong khi hệ thống này có thể nhận ra hầu hết các dạng của axit nucleic. Nhưng các nghiên cứu đều cho thấy LGT có thể xảy ra ở mô người và điều này có thể để lại hậu quả nghiêm trọng. Cho đến nay, đây chỉ là những trường hợp báo cáo về việc tích hợp DNA của vi khuẩn trong ung thư, nhưng liệu chúng có gây bệnh ung thư, và nếu như vậy thì nguyên nhân này chiếm bao nhiều phần trăm, đây vẫn còn vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu.

Một chặng đường dài phía trước

Các nhà nghiên cứu hiện đang phải đối mặt với rất nhiều thử thách, họ hy vọng có thể đánh giá sự hiện diện và tác động của các tích hợp DNA vi khuẩn trong hệ gen của con người. Việc này đòi hỏi nhiều kinh phí để có thể nghiên cứu thấu đáo, và sau khi mẫu được giải trình tự thì cần có các nguồn lực quan trọng để thực hiện cũng như vận hành công cụ tính toán để xác định LGT.

Ngoài ra các mẫu phân tích cũng có thể bị nhiễm. Đây đã từng là một vấn đề trong việc phân tích bộ gen người năm 2001, và ngày nay nó vẫn tiếp tục là một rắc rối. Bộ dụng cụ tách chiết DNA có thể bị nhiễm các axit nucleic của vi khuẩn, hay việc xử lý mẫu, thuốc thử, hay trong quá trình giải trình tự cũng có thể làm nhiễm mẫu. Trong quá trình tạo ra các thư viện DNA được giải trình tự, sự hình thành thể khảm có thể là do sự tích hợp DNA của vi khuẩn. Ví dụ vào đầu năm nay, các nhà nghiên cứu tìm thấy mức độ của LGT trong hệ gen của bọ gấu nước quá lớn; dường như một số LGT tạo ra do nhiễm gen của vi khuẩn chứ không phải từ bộ gen của bọ gấu nước.

Mặc dù bị hoài nghi từ một số cộng đồng khoa học và những khó khăn của việc nghiên cứu tích hợp DNA của vi khuẩn, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn tin rằng LGT là một hình thức quan trọng của đột biến ghép. Việc giả định tích hợp DNA của vi khuẩn đã được xác định trong ung thư, nên nhiều nhà nghiên cứu sẽ tìm hiểu về đột biến này trong các loại bệnh khác. Ví dụ như việc tích hợp DNA vi khuẩn trong tế bào người, dẫn đến sự biểu hiện của một hợp chất của vi khuẩn được công nhận bởi hệ thống miễn dịch của người thì có thể gây ra bệnh tự miễn (autoimmune disease). Trong tương lai, việc nghiên cứu thêm về sự xuất hiện và hậu quả của LGT trong các tế bào người sẽ tiết lộ thêm nhiều điều quan trọng hơn so với sự đánh giá hiện tại.

Tài liệu tham khảo:

Kelly Robinson and Julie Dunning Hotopp, "Bacteria and Humans Have Been Swapping DNA for Millennia", The Scientist, October 1, 2016.

Lược dịch Lê Văn Trình - Nguyễn Thị Minh Thanh

Biên tập Biomedia Việt Nam