“Sổ mã” DNA người hé lộ cách 177 yếu tố phiên mã đọc gen và cách methyl hóa thay đổi luật chơi

Hai nghiên cứu được công bố trong cùng một nỗ lực quốc tế đang làm rõ cách tế bào người điều khiển hoạt động của gen. Nghiên cứu thứ nhất, do Timothy Hughes tại Đại học Toronto dẫn dắt, xây dựng Codebook — một “sổ mã” mở rộng về khả năng nhận diện DNA của các yếu tố phiên mã. Công trình song hành do nhóm Bart Deplancke thực hiện giới thiệu phương pháp kiểm tra việc methyl hóa DNA làm thay đổi khả năng nhận diện đó như thế nào.

Thông điệp cốt lõi là hoạt động điều hòa gen không chỉ phụ thuộc vào trình tự các chữ cái DNA. Methyl hóa có thể khiến một yếu tố phiên mã bám yếu hơn, thay đổi trình tự mà nó ưu tiên nhận diện, hoặc thậm chí bám mạnh hơn.

Codebook đã đo lường điều gì?

Yếu tố phiên mã là các protein tham gia kiểm soát biểu hiện gen bằng cách nhận diện những đoạn DNA ngắn gọi là motif. Tuy nhiên, với nhiều yếu tố phiên mã ở người, thông tin thực nghiệm về vị trí gắn kết vẫn còn rất hạn chế hoặc chưa có.

Nhóm Codebook kết hợp 5 nền tảng thực nghiệm với các phương pháp phân tích tính toán, tiến hành hơn 4.800 thí nghiệm trên 332 yếu tố phiên mã người được dự đoán hoặc còn ít được nghiên cứu. Kết quả xác định được motif gắn DNA cho 177 yếu tố, tương đương 53%, đồng thời bổ sung khoảng 130 motif khác biệt vào “từ vựng” điều hòa gen ở người.

Các motif mới được phát hiện có mức độ tập trung cao tại những vị trí gắn yếu tố phiên mã từng được quan sát trong tế bào. Nhờ đó, các nhà nghiên cứu nhận diện hàng chục nghìn vị trí gắn kết trực tiếp, có tính bảo tồn và trước đây chưa được biết đến trong bộ gen. Nhiều vị trí nằm ở vùng promoter — khu vực thường tham gia khởi động quá trình phiên mã. Dữ liệu cũng giúp liên hệ tốt hơn giữa việc yếu tố phiên mã bám vào DNA và các mô hình biểu hiện gen.

Codebook hiện mở rộng phạm vi motif đã được lập bản đồ lên khoảng 1.421 trong số ước tính 1.600 yếu tố phiên mã của người. Đây chưa phải lời giải hoàn chỉnh cho toàn bộ cơ chế điều hòa gen, nhưng giúp thu hẹp đáng kể một khoảng trống lớn: protein nào có thể nhận diện trình tự DNA nào.

meSMiLE-seq bổ sung mảnh ghép methyl hóa

Bản đồ motif thông thường chưa trả lời được một câu hỏi quan trọng: một yếu tố phiên mã có bám vào DNA theo cách khác đi khi một bazơ trong DNA bị biến đổi hóa học hay không?

Để kiểm tra điều này, nhóm nghiên cứu phát triển meSMiLE-seq — phương pháp làm giàu phối tử dựa trên vi lưu có độ nhạy với methyl hóa, kết hợp giải trình tự. Phép thử vi lưu so sánh khả năng gắn của cùng một yếu tố phiên mã với các đoạn DNA tương ứng ở trạng thái đã methyl hóa và chưa methyl hóa. Nhờ vậy, nhóm có thể mô hình hóa đồng thời sở thích về trình tự và mức độ nhạy với methyl hóa.

Theo hồ sơ dữ liệu được trích dẫn, nhóm đã khảo sát 114 yếu tố phiên mã người trong 23 thí nghiệm và xây dựng mô hình gắn kết cho 48 yếu tố. Trong số này, 13 yếu tố có xu hướng tránh DNA methyl hóa, còn 11 yếu tố có xu hướng ưu tiên DNA methyl hóa hoặc nhận diện một vị trí thay thế bao gồm phần DNA đã được methyl hóa. Khả năng gắn của các yếu tố còn lại không bị ảnh hưởng trong điều kiện thử nghiệm.

Một số bản tóm tắt nêu con số 14 cho nhóm có khả năng gắn ưu tiên hoặc thay đổi vị trí nhận diện khi DNA bị methyl hóa. Tuy nhiên, phần tóm tắt của bộ dữ liệu được trích dẫn ghi nhận 11 yếu tố. Vì vậy, cách diễn giải thận trọng hơn là: methyl hóa tạo ra ảnh hưởng phụ thuộc từng yếu tố, trong đó 13 yếu tố giảm gắn kết và 11 yếu tố tăng hoặc thay đổi xu hướng nhận diện theo hồ sơ dữ liệu này.

Methyl hóa không phải “công tắc tắt” chung cho mọi gen

Kết quả trên thách thức cách nhìn đơn giản rằng methyl hóa DNA luôn là tín hiệu tự động kìm hãm hoạt động gen. Methyl hóa có thể cản trở một yếu tố phiên mã nhận diện motif, nhưng cũng có thể tạo ra bối cảnh hóa học mà yếu tố đó ưa thích, hoặc chuyển hướng sang một trình tự khác. Tác động cuối cùng phụ thuộc vào cả yếu tố phiên mã lẫn trình tự DNA đang được kiểm tra.

Điều này giúp giải thích vì sao các loại tế bào có cùng một bộ gen vẫn có thể duy trì những chương trình điều hòa khác nhau. Mỗi loại tế bào có thể sản xuất các yếu tố phiên mã khác nhau và có những vị trí methyl hóa DNA khác nhau. Vì thế, cùng một trình tự có thể bị bỏ qua trong bối cảnh này, được một yếu tố khác nhận diện trong bối cảnh khác, hoặc được gắn với cường độ khác khi trạng thái methyl hóa tại chỗ thay đổi.

Nói cách khác, hai nghiên cứu kết nối hai lớp thông tin của điều hòa gen: mã trình tự được viết bằng các chữ cái DNA và trạng thái biểu sinh làm thay đổi cách những chữ cái đó được “đọc”.

Vì sao bản đồ này có thể hữu ích cho nghiên cứu bệnh?

Danh mục motif mở rộng có thể cải thiện việc phân tích các biến thể di truyền không mã hóa — những thay đổi nằm ngoài vùng tạo protein nhưng vẫn có khả năng ảnh hưởng đến hoạt động của gen. Một biến thể có thể phá hủy motif vốn có hoặc tạo ra motif mới; sau đó, methyl hóa có thể quyết định liệu vị trí bị thay đổi đó có thực sự được nhận diện trong một loại tế bào cụ thể hay không.

Nguồn dữ liệu này vì vậy có tiềm năng hỗ trợ nghiên cứu các thay đổi điều hòa liên quan đến quá trình phát triển, lão hóa và ung thư. Tuy nhiên, vai trò trước mắt của nó là một tài liệu tham chiếu nền tảng, không phải xét nghiệm chẩn đoán lâm sàng. Các mô hình gắn kết tạo ra điểm khởi đầu tốt hơn cho việc thiết kế thí nghiệm và diễn giải dữ liệu, nhưng tác động sinh học vẫn phụ thuộc vào bối cảnh tế bào và cần được kiểm chứng trong những hệ thống phù hợp.

Một cách nhìn thực tế hơn về “ngôn ngữ” của DNA

Codebook là kết quả của một hợp tác quy mô lớn, với sự tham gia của hơn hai chục tổ chức tại Bắc Mỹ, châu Âu và Nga. Giá trị của dự án không chỉ nằm ở số lượng yếu tố được khảo sát, mà còn ở việc kết hợp nhiều phép thử bổ trợ, phân tích tính toán và xác nhận trong tế bào.

Khi đặt hai nghiên cứu cạnh nhau, bức tranh hiện ra phức tạp hơn một cuốn từ điển cố định, trong đó mỗi motif luôn có một ý nghĩa bất biến. Tế bào người đọc trình tự DNA đồng thời với các biến đổi hóa học, lượng yếu tố phiên mã sẵn có và môi trường tế bào xung quanh.

Codebook bắt đầu lập danh mục những “từ” trong ngôn ngữ trình tự ấy. Còn meSMiLE-seq cho thấy methyl hóa có thể thay đổi cách tế bào đọc và diễn giải những từ đó.