Nghiên cứu mới cho thấy một số tinh trùng đã "cài thêm hack" để chiến thắng cuộc đua thụ tinh cho trứng

Trong quá trình thụ tinh của các loài động vật có vú, hàng triệu con tinh trùng giống như hàng nghìn con ngựa chạy đua tới trứng và làm hết sức để đến được đích. Nhưng kết quẳ cuộc đua có phụ thuộc vào may mắn? Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng cạnh tranh của các cá thể tinh trùng là khác nhau. Hơn nữa, một số tinh trùng có thể "mang chất độc"...

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí "PLoS Genetics", các nhà khoa học từ Viện Di truyền Phân tử Max Planck (MPG) ở Đức đã công bố một báo cáo có tựa đề "RAC1 kiểm soát sự di chuyển tiến bộ và khả năng cạnh tranh của tinh trùng động vật có vú", và chứng minh một yếu tố di truyền được gọi là "t đơn bội" (t-haplotype) thúc đẩy quá trình thụ tinh thành công của tinh trùng mang nó.

Lần đầu tiên họ phát hiện ra điều này thông qua thí nghiệm trên chuột, những tinh trùng có t-haplotype có khả năng di chuyển về phía trước nhanh hơn tinh trùng bình thường, do đó tạo ra lợi thế trong quá trình thụ tinh. Sự di chuyển của tinh trùng ở động vật có vú là vô cùng phức tạp. Sự di chuyển về phía trước của tinh trùng đòi hỏi phải có động lực và điều hướng. Được biết, chuyển động về phía trước chủ yếu được kiểm soát bởi “cánh tay dynein bên ngoài” (ODA), trong khi “cánh tay dynein bên trong” (IDA) kiểm soát sự hình thành và lây truyền trùng roi. Tuy nhiên, việc phối hợp các hoạt động của ODA và IDA như thế nào để tinh trùng được định hướng và di chuyển đến gặp trứng vẫn còn là một ẩn số.

Trong quá trình thụ tinh, các tinh trùng cạnh tranh với nhau để gặp trứng trước. Mặc dù di truyền học Mendel dự đoán rằng tất cả các tinh trùng tham gia "cuộc đua thụ tinh" đều có cơ hội thành công như nhau, nhưng có một ví dụ điển hình ở động vật có vú lại chứng minh rằng hoàn toàn có ngoại lệ trong “cuộc đua” này, đó là thể đơn bội t.

Đơn bội t là vùng biến dị di truyền có kích thước khoảng 40Mb trên nhiễm sắc thể số 17, vùng này mã hóa các yếu tố gây ra sự sai lệch về khả năng di truyền alen.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã phân tích tinh trùng của từng con chuột và phát hiện ra rằng hầu hết các tinh trùng di chuyển chậm về phía trước trên đường đi của chúng là những tinh trùng "bình thường" về mặt di truyền; trong khi tinh trùng có khả năng di chuyển về phía trước theo đường thẳng với tốc độ nhanh chóng lại hầu hết là những tinh trùng mang yếu tố t-haplotype, chúng còn được gọi là protein RAC1, được dùng để cung cấp năng lượng. 

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng RAC1 giống như một công tắc phân tử đẩy tinh trùng về phía trước. Được biết, RAC1 truyền tín hiệu từ bên ngoài tế bào vào bên trong tế bào bằng cách kích hoạt các protein khác, và tham gia vào việc hướng dẫn chuyển các tế bào bạch cầu hoặc tế bào ung thư đến các tế bào phát ra tín hiệu hóa học.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu vai trò của RAC1 đối với sự di chuyển của tinh trùng chuột ở mức độ sinh lý. Kết quả cho thấy rằng cả sự tăng và giảm hoạt động của RAC1 đều có thể làm giảm sự di chuyển về phía trước của tinh trùng. Trong quần thể tinh trùng, những tinh trùng cân bằng được hoạt động RAC1 sẽ có lợi thế hơn trong việc cạnh tranh để lao vào tế bào trứng. Do đó, RAC1 đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hoạt động và khả năng cạnh tranh của tinh trùng.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng tinh trùng đơn bội t có chứa một số đột biến gen nhất định can thiệp vào các tín hiệu điều tiết. Các đột biến này được thiết lập trong giai đoạn đầu của quá trình sinh tinh và phân bố vào tinh trùng của chuột mang đơn bội t. Những đột biến này chính xác được coi là "chất độc" cản trở sự di chuyển của tinh trùng.

Tác giả của nghiên cứu, Bernhard Herrmann thuộc Viện Di truyền Phân tử Max Planck, cho biết: "Tinh trùng có đơn bội t sẽ cố gắng khiến cho các tinh trùng bình thường khác không có yếu tố di truyền này bị mất chức năng di chuyển, đồng thời sản sinh ra một loại 'thuốc giải độc' chỉ có tác dụng bảo vệ bản thân”. Hãy tưởng tượng rằng trong một cuộc chạy marathon, tất cả những người tham gia đều uống nước bị nhiễm độc, nhưng một số người khác được uống thuốc giải độc thì ai sẽ là người chiến thắng?

“Thuốc giải” sẽ phát huy tác dụng sau quá trình meiosis (lúc này ống sinh tinh chỉ mang một nửa số nhiễm sắc thể). Chỉ một nửa số tinh trùng có dạng đơn bội t tạo ra "thuốc giải độc" này có thể đảo ngược tác động tiêu cực của "chất độc". Yếu tố bảo vệ này chỉ được giữ lại ở tinh trùng đơn bội t.

Các nhà nghiên cứu quan sát thấy rằng trong tinh trùng của chuột với loại đơn bội t chỉ nằm trên một trong hai nhiễm sắc thể, một số di chuyển về phía trước, trong khi những con khác gần như bất động. Họ đã kiểm tra các tinh trùng riêng lẻ và phát hiện ra rằng hầu hết các tinh trùng "bình thường" về mặt di truyền đều không thể di chuyển theo đường thẳng khi bị “nhiễm độc”. Khi họ xử lý tinh trùng hỗn hợp bằng chất ức chế RAC1, họ nhận thấy rằng tinh trùng "bình thường" về mặt di truyền có thể dần dần di chuyển trở lại; nhưng ưu điểm của tinh trùng đơn bội t thì lại biến mất. Điều này cho thấy hoạt động bất thường của RAC1 có thể làm gián đoạn hoạt động của tinh trùng.

Kết quả này giải thích tại sao những con chuột đực có hai bản sao đơn bội t (một trên nhiễm sắc thể 17) thường bất dục. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng mức độ hoạt động RAC1 của những tinh trùng này cao hơn nhiều so với những con chuột bình thường về mặt di truyền và chúng hầu như không có khả năng di chuyển. Họ cũng phát hiện ra rằng tinh trùng của những con chuột bình thường được điều trị bằng thuốc ức chế RAC1 cũng mất khả năng di chuyển về phía trước. Do đó, hoạt độ RAC1 quá thấp cũng là một bất lợi. Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng hoạt động bất thường của RAC1 cũng có thể là nguyên nhân tiềm ẩn gây vô sinh nam giới.