Điều bí ẩn của sinh học: Những tế bào tự trẻ hóa để trở thành bất tử

Không ai trong số chúng ta sinh ra từ hư không. Mỗi con người đều phát triển từ sự kết hợp của hai tế bào: trứng và tinh trùng. Nhưng truy tới tận nguồn gốc, trứng và tinh trùng cũng chỉ là những hậu duệ của một loại tế bào khác gọi là tế bào mầm. Theo một nghĩa nào đó, các tế bào mầm này có thể tự trẻ hóa và trở nên bất tử.

Các nhà sinh học đã hết sức bối rối về khả năng tự trẻ hóa của tế bào mầm trong suốt 130 năm qua. Mặc dù đã được nghiên cứu, hiện tượng này vẫn là một bí ẩn hết sức sâu sắc.

Thông thường, các tế bào sau mỗi lần nhân đôi đều có xác suất gặp sự cố và những sai hỏng. Các protein của tế bào bị biến dạng và tụ lại với nhau. Khi các tế bào phân chia, chúng truyền những thiệt hại đó cho thế hệ tiếp nối. Các sai hỏng này được tích lũy khiến cho mỗi tế bào chỉ có khả năng nhân lên tối đa 50 lần rồi chết.

Nhưng tế bào mầm, bằng cách nào đó, có thể tự sửa chữa những sai hỏng và nhân lên vô hạn lần. Nếu quá trình "trẻ hóa" của chúng không diễn ra một cách cực kỳ hoàn hảo thì sau hàng triệu năm, lẽ ra tế bào mầm đã phải trở nên quá tàn lụi và không thể khởi nguồn những cuộc đời mới.

Nhưng sự thật lại không phải vậy. “Bạn thử nhìn vào con người mà xem – họ sống 2,3, 4 chục năm, rồi vẫn sinh ra một đứa bé mới toanh”, K. Adam Bohnert, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Calico Life Sciences cho biết: "Có một số quá trình sinh học thú vị, mà ở đó, chúng ta không thể hiểu được".

Turritopsis nutricula, loài sứa bất tử có khả năng đảo ngược quá trình phát triển của tế bào

Tuần trước trên tạp chí Nature, Tiến sĩ Bohnert và Cynthia Kenyon, phó chủ tịch nghiên cứu lão hóa tại Calico, đã công bố một khám phá chỉ ra cách mà tế bào mầm giữ được “tuổi trẻ” của chúng.

Ngay trước khi trứng được thụ tinh, nó sẽ quét sạch các protein bị biến dạng như một cuộc đại tu. Các nhà khoa học đã phát hiện ra hiện tượng này bằng cách nghiên cứu một loài giun tròn nhỏ có tên Caenorhabditis elegans.

Loài giun này vẫn được giới sinh vật học ưa chuộng suốt 50 năm qua, vì hoạt động bên trong cơ thể chúng có nhiều nét tương đồng với con người. C. elegans dựa vào những gen giống chúng ta để kiểm soát sự phân chia tế bào và lập trình cho các tế bào hỏng hóc tự giết chết chúng.

Năm 1993, Tiến sĩ Kenyon phát hiện ra một gen gọi là daf-2 ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của những con giun này. Theo đó, nếu vô hiệu hóa gen daf-2, tuổi thọ những con giun C. elegans sẽ tăng gấp hơn 2 lần, từ 18 ngày lên 42 ngày.

Phát hiện của tiến sĩ Kenyon giúp chúng ta khám phá ra toàn bộ mạng gen liên quan đến việc sửa chữa tế bào, cho phép động vật sống lâu hơn tuổi thọ của chúng. Con người cũng phụ thuộc vào các gen tương tự để sửa chữa tế bào trong cơ thể.

Irina M. Conboy, nhà sinh vật học tại Đại học California, Berkeley, nói: "Cynthia thực sự đi tiên phong trong lĩnh vực lão hóa và trẻ hóa bằng cách nghiên cứu C. elegans”.

Những con giun đột biến nhất chỉ sống lâu hơn vài tuần lễ, nhưng tế bào mầm của chúng vẫn tiếp tục được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.

Sự tò mò của Tiến sĩ Kenyon về những bí mật của tế bào mầm lại được dấy lên trong năm 2010. Đó là sau nghiên cứu của Jérôme Goudeau và Hugo Aguilaniu, hai nhà sinh vật học tại Đại học Lyo, Pháp. Họ đã xem xét kỹ các protein trong tế bào giống trứng của giun, được gọi là noãn bào.

Hầu hết giun C. elegans là lưỡng tính. Nghĩa là một cá thể sẽ sản sinh ra cả trứng và tinh trùng. Khi trứng trưởng thành, chúng di chuyển xuống một ống. Ở cuối đường ống này là nơi trứng gặp tinh trùng.

Tiến sĩ Goudeau và Aguilaniu phát hiện ra rằng trứng của giun mang một lượng lớn các protein bị hỏng, thậm chí nhiều hơn cả các tế bào xung quanh. Nhưng trong các quả trứng tiến gần đến vị trí tinh trùng, các nhà nghiên cứu quan sát thấy chúng có ít thiệt hại hơn.

Tiến sĩ Goudeau và Tiến sĩ Aguilaniu sau đó đã cùng tiến hành một thử nghiệm. Họ tạo ra các đột biến trong giun, khiến chúng không thể sản sinh tinh trùng. Kết quả là trứng trong những con giun “cái” này chứa đầy các protein bị hỏng và hoàn toàn không được sửa chữa.

Những thí nghiệm này đã chỉ ra một giả thuyết rằng tinh trùng phát ra một tín hiệu. Tín hiệu này bằng cách nào đó đã khiến cho trứng loại bỏ các protein hỏng hóc. Trong năm 2013, Tiến sĩ Kenyon và Tiến sĩ Bohnert đã kiểm tra khả năng đó. Họ đã chuyển giao nghiên cứu này cho Calico vào năm 2015.

Caenorhabditis elegans, loài giun được ưa chuộng trong các nghiên cứu về tế bào mầm trong suốt nửa thế kỷ qua

Protein kết tụ có liên quan đến nhiều bệnh về tuổi già, ví dụ như Alzheimer. Tiến sĩ Kenyon và Tiến sĩ Bohnert đã thiết lập một thí nghiệm bằng cách sử dụng một dòng giun đặc biệt, có protein kết tụ phát sáng.

Ở những con giun lưỡng tính, họ phát hiện ra, trứng chưa trưởng thành được nạp với các đốm protein, trong khi những quả trứng gần tinh trùng không có. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu lại tạo ra những con giun "cái" và quan sát thấy trứng của chúng xuất hiện lốm đốm các vết sáng trở lại.

Tuy nhiên, khi tiến sĩ Bohnert cho phép trứng giao phối với tinh trùng, các cụm protein này đã biến mất. "Trong ba mươi phút, bạn sẽ thấy chúng bị dọn sạch", ông nói.

Tiến sĩ Bohnert và Tiến sĩ Kenyon sau đó đã tiến hành các nghiên cứu bổ sung, chẳng hạn như tìm kiếm những con giun đột biến khác mà không thể loại bỏ các khối protein, ngay cả khi chúng có thể sinh tinh trùng. Kết hợp những phát hiện này, họ đã tìm ra một chuỗi các sự kiện trong đó các quả trứng tự trẻ hóa.

Quá trình này bắt đầu với một tín hiệu hóa học được phóng ra bởi tinh trùng. Tín hiệu sẽ ra những thay đổi mạnh mẽ trong trứng. Tiến sĩ Bohnert nói rằng các protein đốm trong trứng "bắt đầu nhảy lung tung".

Các cụm protein kết nối với các bong bóng nhỏ gọi là lysosome. Lysosome “ăn” các cụm protein vào bên trong. Tín hiệu tinh trùng làm cho lysosome bị axit hóa. Sự thay đổi môi trường này sẽ kích hoạt các enzyme bên trong lysosome, cho phép chúng nhanh chóng phá vỡ các protein kết cụm.

"Đó là một sự thay đổi cực kỳ lớn và ăn khớp với nhau", Tiến sĩ Bohnert nói.

Ông và Tiến sĩ Kenyon giả thuyết rằng giun thường giữ trứng ở trạng thái ngủ. Những quả trứng tích lũy rất nhiều thiệt hại, nhưng trứng tự nó không quá nỗ lực để sửa chữa chúng.

Chỉ trong những phút cuối trước khi thụ tinh, trứng phá hủy các protein kết cụm và các protein bị hư hại. Do đó, thế hệ con cháu của chúng sẽ không thừa hưởng những tổn hại này. Các mảnh vụn của các protein thậm chí có thể được tái chế. Tiến sĩ Kenyon suy đoán chúng sẽ góp phần tạo nên các protein mới hỗ trợ phát triển phôi.

"Một khi noãn bào nghe tiếng gõ cửa, nó có thể dọn sạch mọi thứ và thậm chí còn dùng sản phẩm sau phá hủy làm thức ăn nữa", bà nói. “Giả thuyết này không chỉ đúng với loài giun”.

Rất có thể nhiều loài khác và cả con người cũng có một chiến lược trẻ hóa tế bào tương tự trong quá trình sinh sản. Trong bài báo mới của mình, Tiến sĩ Kenyon và Tiến sĩ Bohnert báo cáo rằng họ đã kiểm tra giả thuyết này trên ếch, loài có quan hệ gần gũi với con người hơn giun C. elegans.

Họ đã cho trứng ếch tiếp xúc với một hooc-môn báo hiệu chúng đã chín. Các lysosomes trong trứng ếch lúc này trở nên có tính axit, giống như những gì đã xảy ra ở những con giun.

"Tôi nghĩ đó là một cách để đảm bảo rằng bạn dọn sạch những tổn thương cho thế hệ tiếp theo”, Tiến sĩ Bohnert cho biết.

Tín hiệu từ tinh trùng có thể khiến trứng tự sửa chữa những hư hỏng tế bào trong nó và trẻ hóa

Tế bào mầm có thể không phải là nơi duy nhất các tế bào tự khôi phục theo cách này. Trong suốt cuộc đời của mình, chúng ta luôn duy trì một nguồn cung cấp các tế bào gốc có thể trẻ hóa ở da, ruột và não. Có thể, các tế bào gốc cũng sử dụng lysosome để loại bỏ protein bị hỏng.

"Điều đó có ý nghĩa rất lớn”, Tiến sĩ Conboy nói. Ví dụ, chúng ta có thể chữa bệnh bằng cách tiêm cho tế bào lão hóa những tín hiệu giúp chúng sửa chữa những hư hỏng và trẻ hóa..

Được thành lập vào năm 2013 bởi Google, Calico Life Sciences, nơi tiến sĩ Kenyon đang tìm kiếm những loại thuốc chống lão hóa. Nhưng bà không nghĩ rằng các loại thuốc đó sẽ sớm xuất hiện sau nghiên cứu mới này. "Tôi nghĩ sẽ cần phải tìm hiểu nhiều hơn nữa trước khi biết chính xác phải làm gì. Đây mới là giai đoạn rất sớm".

Tham khảo Nytimes