Harvard phát hiện hơn 30.000 mRNA lai, hé lộ một lớp protein từng bị bỏ sót

Trong cách hiểu quen thuộc, một gene cung cấp hướng dẫn để tạo ra một protein. Nhưng nghiên cứu mới từ Trường Y Harvard cho thấy bức tranh về biểu hiện gene ở động vật có vú có thể phức tạp hơn: các đoạn RNA từ hai gene khác nhau, thậm chí nằm trên hai nhiễm sắc thể khác nhau, có thể được ghép thành một RNA thông tin (mRNA) lai.

Nhờ giải trình tự trực tiếp RNA đọc dài, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận hơn 30.000 mRNA lai ứng viên trong đại thực bào của người và chuột. Quan trọng hơn, họ cho thấy ít nhất một trong số đó có thể mã hóa một protein hoạt động sinh học.613

Hơn 30.000 là danh mục ứng viên, không phải 30.000 protein đã được chứng minh

mRNA lai là phân tử RNA chứa trình tự bắt nguồn từ hai gene riêng biệt. Trong nghiên cứu này, một số điểm nối liên kết các gene ở những nhiễm sắc thể khác nhau — dạng cấu trúc dễ bị bỏ sót nếu chỉ chú giải gene theo từng đơn vị tách biệt.

Con số hơn 30.000 thể hiện các mRNA lai được quan sát ít nhất một lần, chứ không đồng nghĩa mọi phân tử trong danh mục đều dồi dào, bền vững, được dịch mã thành protein hoặc có vai trò sinh học đáng kể.6

Đây là ranh giới cần lưu ý: phát hiện RNA mới chỉ là bước khởi đầu. Để khẳng định có protein mới và protein đó có chức năng, cần thêm các thí nghiệm riêng biệt.

Vì sao phải đọc trực tiếp RNA dài?

Trong quy trình giải trình tự RNA đọc ngắn thông thường, các nhà khoa học suy luận cấu trúc bản phiên mã bằng cách lắp ghép nhiều đoạn RNA nhỏ. Cách làm này có thể khó xác định liệu một điểm nối giữa hai gene ở xa nhau có thật sự cùng nằm trên một phân tử RNA ban đầu hay không.

Nhóm Harvard sử dụng giải trình tự trực tiếp RNA đọc dài bằng công nghệ Nanopore, cho phép đọc từng phân tử RNA bản địa trên những đoạn dài. Nhờ đó, họ có thể quan sát các điểm nối đi từ gene này sang gene khác và xây dựng danh mục RNA lai trong đại thực bào.613

Để giảm nguy cơ các tín hiệu đó là nhiễu do giải trình tự hoặc chuẩn bị thư viện, nhóm còn đối chiếu bằng những phép kiểm tra độc lập, tập trung vào điểm nối: quy trình đọc ngắn Illumina, đầu dò điểm nối NanoString, cùng PCR và giải trình tự Sanger.13

Một cơ chế khả dĩ: nối RNA xuyên phân tử

Kết quả phù hợp với khả năng xảy ra nối RNA xuyên phân tử (trans-splicing): các exon từ hai RNA tiền thân riêng biệt được ghép lại thành một RNA trưởng thành. Điều này khác với nối RNA thông thường trong cùng một phân tử tiền thân (cis-splicing), vốn loại intron rồi nối các exon của chính RNA đó.

Nối RNA xuyên phân tử có thể tạo RNA lai có trật tự trình tự không tuyến tính theo gene và trong một số trường hợp tạo ra protein mới.41

Nhóm nghiên cứu cũng dùng thí nghiệm Hi-C tại chỗ — kỹ thuật khảo sát sự tiếp xúc không gian giữa các vùng nhiễm sắc thể — để xem tình trạng viêm có làm các vùng chứa gene “cha mẹ” của RNA lai tiếp cận nhau hay không. Cách tiếp cận này giúp xem xét lời giải thích liên quan đến xử lý RNA, thay vì mặc định mọi RNA lai đều bắt nguồn từ một tái sắp xếp DNA vĩnh viễn.13

RNA lai GSDMD–TMEM106A đã cho thấy chức năng

Bằng chứng mạnh nhất tập trung vào một RNA lai kết hợp GSDMD với trình tự có nguồn gốc từ TMEM106A. Các nghiên cứu trước đây cho thấy gasdermin D là tác nhân tạo lỗ then chốt trong pyroptosis — một dạng chết tế bào gây viêm. Khi được caspase viêm cắt hoạt hóa, đoạn đầu N của GSDMD tập hợp trên màng tế bào và tạo lỗ.1

Với RNA lai GSDMD–TMEM106A, nhóm sử dụng cả thí nghiệm tăng và giảm chức năng: đưa mRNA bằng hạt nano lipid, siRNA, các alen knock-in và alen dừng bằng CRISPR, cùng phân tích sinh hóa, chụp ảnh tế bào và thí nghiệm không tế bào. Kết quả liên hệ protein lai này với đáp ứng miễn dịch bẩm sinh, khả năng đại thực bào kiểm soát Salmonella, sống sót trong các mô hình nhiễm trùng huyết và pyroptosis.13

Việc xác thực chức năng này đặc biệt quan trọng: nó đưa phát hiện vượt khỏi mức một điểm nối RNA bất thường, thành bằng chứng rằng ít nhất một mRNA lai có thể tạo protein với hệ quả sinh lý.

Thách thức cách nói tắt “một gene, một protein”

Con người có khoảng 20.000 gene mã hóa protein, nhưng mô hình “một gene tạo một protein” vốn đã là cách nói đơn giản hóa. Hiện tượng cắt nối thay thế từ lâu đã cho thấy một gene có thể tạo ra nhiều dạng RNA và protein khác nhau.

Phát hiện mới mở rộng ý tưởng đó: trong ít nhất một số bối cảnh, thông tin mã hóa protein có thể được lắp ghép từ những gene tách biệt.6

Điều này không phủ nhận các mô hình gene truyền thống. Thay vào đó, nó gợi ý có thể tồn tại một tập hợp lớn các sản phẩm RNA phụ thuộc vào loại tế bào hoặc trạng thái sinh học mà hệ chú giải chuẩn chưa nhận diện. Phần lớn trong hơn 30.000 bản ghi vẫn là ứng viên; số protein bền vững, được dịch mã và thực sự có chức năng hiện chưa được xác định.613

Ý nghĩa với việc tìm thuốc: tiềm năng, chưa phải phác đồ điều trị

Một RNA lai hoặc protein lai có thể chỉ xuất hiện ở một loại tế bào, một trạng thái viêm hay một bối cảnh bệnh cụ thể. Nếu được xác nhận, điểm nối RNA hoặc chuỗi protein độc nhất của nó có thể trở thành đích can thiệp chọn lọc hơn so với tác động lên toàn bộ một trong hai gene gốc.

Một số hướng nghiên cứu có thể mở ra gồm:

• Bệnh viêm: Các RNA lai liên quan đến đường truyền GSDMD có thể gợi ý cách điều chỉnh pyroptosis chọn lọc hơn. Gasdermin đang được nghiên cứu như đích điều trị vì các protein này tạo lỗ màng và thúc đẩy chết tế bào gây viêm.20
• Ung thư: Về nguyên tắc, các bản phiên mã lai giới hạn trong bệnh có thể tạo kháng nguyên mới, dấu ấn sinh học hoặc điểm phụ thuộc phân tử. Tuy nhiên, đây mới là giả thuyết áp dụng cho danh mục hiện tại, chưa phải một chiến lược điều trị ung thư đã được xác nhận.
• Thoái hóa thần kinh: Pyroptosis qua trung gian gasdermin đang được khảo sát trong các bệnh thoái hóa thần kinh. Việc truy tìm RNA lai có thể giúp phát hiện cơ chế viêm hoặc dấu ấn sinh học chưa được chú giải trong các trạng thái tế bào liên quan.20

Thông điệp thực tế ở thời điểm này là một khung khám phá mới, không phải một dây chuyền thuốc sẵn sàng. Mỗi ứng viên cần tiếp tục được kiểm chứng độc lập về cấu trúc RNA, khả năng dịch mã, chức năng sinh học, mức độ liên quan đến bệnh và độ an toàn khi nhắm đích điều trị.613