Có một loại ADN không code

Kinh ngạc và hoài nghi

Sau khi khám phá ra ADN, giới khoa học cho rằng tất cả ADN đều đảm nhiệm trọng trách tạo nên các protein trong tế bào, nhờ quá trình phiên mã và dịch mã. Năm 2001, những tiết lộ liên quan đến bản đồ gene người lần đầu tiên chỉ ra khoảng 2.000 gene làm nhiệm vụ hướng dẫn mã hóa protein.

Con số này chỉ chiếm khoảng 2% bộ gene người. Điều này khiến giới khoa học vô cùng kinh ngạc, bởi lẽ họ vẫn luôn tin rằng con số thực tế phải gấp vài, thậm chí vài chục lần. Nỗi băn khoăn ngày càng lớn, khi 2.000 ít hơn rất nhiều so với lượng protein trong một tế bào, từ đó làm nảy sinh một câu hỏi quan trọng của nghiên cứu gene người: tại sao gene mã hóa thì ít, mà protein lại cực kỳ nhiều?

Cụm từ ADN “rác” dần trở nên phổ biến để nhấn mạnh tính chất vô dụng của một số ADN không mã hóa các trình tự protein.

Vì gene có chứa thông tin di truyền chỉ chiếm 2% trên bộ gene người nên tranh cãi bùng nổ về vai trò của 98% còn lại. Giả thuyết vài gene có thể “code” (mã hóa) hàng trăm nghìn protein khác nhau vì thế mà ra đời, rồi được bồi đắp thêm bởi suy luận cực kỳ logic rằng các gene “không làm việc” thì sẽ buộc phải trở thành “rác” trôi nổi trong tế bào. Cụm từ ADN “rác” dần trở nên phổ biến để nhấn mạnh tính chất vô dụng của một số ADN không mã hóa các trình tự protein.

Nhiều người khẳng định phần lớn ADN không làm gì cả, thực chất chúng chỉ... lấp đầy chỗ trống. Theo đó, loại ADN này được coi như thứ còn sót lại của quá trình tiến hóa, nhưng không ai biết “rác” siêu nhỏ kiểu này liệu có phải vô dụng như giới khoa học suy đoán.

Thú vị hơn, có quan điểm miêu tả ADN “rác” không chứa mã di truyền thuộc về góc tối của di truyền học. Nhiều khả năng, những ADN này chứa các gene ký sinh, hoặc mang tàn tích của những gene hữu ích trước kia nhưng hiện nay đã bị vô hiệu hóa.

Bản chất của hệ gene vốn luôn không ngừng phát triển và có tính chọn lọc cao, chỉ giữ lại những thành phần ổn định và có chức năng mới phù hợp với tiến hóa, trong khi đào thải các chuỗi phân tử cũ, không còn tác dụng. Điều này cho thấy, nhiều khả năng các ADN bị vứt bỏ chính là “lời tạm biệt” cho quá khứ của một tế bào để hướng đến sự phát triển mới, phù hợp với các biến đổi của môi trường. Sự tiến hóa luôn đi kèm với nhiều thay đổi, kể cả chuyện ADN trở thành rác cũng không phải là ngoại lệ.

Ở các sinh vật bậc cao (sinh vật nhân chuẩn), thông tin di truyền mã hóa trên các nhiễm sắc thể thường bị phân cắt thành nhiều đoạn trình tự ADN tách biệt được gọi là exon. Quá trình các exon nhân đôi được coi như một trong những sự kiện qua trọng bậc nhất của tiến hóa chẳng khác nào một bài kiểm tra các chức năng mới hình thành của tế bào hay nội quan.

Tuy nhiên, sự cố có thể xảy ra khi ADN đang nhân đôi, hoặc các đột biến ở trong bản thân ADN, dẫn đến sự xuất hiện của các exon không mã hóa, hay ADN “rác” với nhiều chức năng bất thường. Trên thực tế, các tế bào buộc phải lựa chọn những chuỗi ADN bình thường để tiếp tục mã hóa protein, để lại những mẩu ADN “vô dụng” tại những bãi rác gene trôi nổi bên trong tế bào chất.

ADN... ích kỷ

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hoài nghi với quan điểm ADN “vô dụng”, cho rằng giới khoa học có thể mắc phải sai lầm khi coi một đoạn gene, vốn có chức năng nhất định, như một đoạn dây vô nghĩa, từ đó bỏ qua cơ hội nghiên cứu tổng thể bộ gene người. Nhiều năm trở lại đây, giới nghiên cứu đã tranh luận việc gọi là rác có sai hay không và liệu các ADN bí ẩn này có thể đóng một vai trò nào đó.

Yếu tố Alu tạo nên những khác biệt lớn giữa người hiện đại và nhiều nhóm linh trưởng khác trên phương diện chức năng não.

Chẳng hạn như, ADN “rác” tác nghiệp giống những chiếc công tắc siêu nhạy, làm việc theo ca kíp dưới sự chỉ đạo của một cơ chế nào đó, để kích hoạt hoặc hạn chế hoạt động của protein trong tế bào. Vì vậy, nhiều người đề xuất tên gọi ADN “ích kỷ” do chưa hiểu hết mức độ hay phạm vi cống hiến của những ADN này đối với hoạt động gene.

Trên thực tế, ADN “ích kỷ” cũng tự sao chép và truyền từ cha mẹ xuống con cái vì lợi ích của riêng ADN. Một số nghiên cứu độc lập chỉ ra vai trò của nhiều ADN dạng này đối với sinh vật chủ, do đó trở thành “cư dân” lâu dài của bộ gene.

Chưa hết, trong bối cảnh quá trình ARN được tổng hợp trong nhân từ khuôn của ADN, giới khoa học nghĩ đến trường hợp gene “vô dụng” sẽ tham gia quá trình tạo ARN, trở thành chỉ báo quan trọng điều khiển các gene khác trong những thời điểm vàng khi ARN hình thành. Từ đây, nhiều ý kiến tán đồng quan điểm ADN “rác” bình ổn hệ gene, tác động đến sự hình thành mô, phát triển nội quan, từ đó tạo nên sự đa dạng của tế bào, đồng thời cũng liên quan đến nhiều bệnh tật trên cơ thể.

Một minh chứng điển hình của việc coi thường ADN “ích kỷ” liên quan đến yếu tố Alu, là những đoạn lặp ngắn được phát hiện trong bộ gene của linh trưởng với số lượng khoảng trên một triệu bản sao, chiếm 11% ADN người. Alu thường được phiên mã thành ARN, là thành phần quan trọng của quá trình điều chỉnh gene và đa dạng các loại protein, đặc biệt hữu ích cho sự phát triển của các mô có tổ chức chặt chẽ như tế bào não.

Alu được coi như chìa khóa trong hành trình tiến hóa của loài người, tạo nên những khác biệt lớn giữa người hiện đại và nhiều nhóm linh trưởng khác trên phương diện chức năng não. Thậm chí, Alu còn có thể “điều chỉnh” các giai đoạn tiến hóa để chọn lọc giữ lại các yếu tố tốt đột phá. Vậy nhưng, những đoạn lặp Alu ban đầu lại được coi như những mẫu ADN “rác” vô dụng trong tế bào.

Cơ chế của tiến hóa

Có vẻ như đa số giới nghiên cứu đang nghiêng về quan điểm ADN “rác”, tưởng như rác, nhưng kỳ thực lại không hề vô nghĩa. Những chuỗi ADN từ những vùng trước đây được cho là “bộ gene không cần thiết” thực ra có chức năng rất quan trọng, thúc đẩy sự tái sắp xếp của toàn bộ hệ gene cần thiết cho sự phát triển của sinh vật.

Các nghiên cứu phát hiện một số gene tưởng như không thực hiện chức năng gì, lại có thể giúp chống lại bệnh tật như ung thư.

Lời giải thích được đưa ra là: nếu toàn bộ ADN đều có chức năng, tế bào sẽ tích lũy một tỷ lệ cực lớn các đột biến có hại xuất hiện ngẫu nhiên khi ADN nhân đôi hay dưới tác động của các yếu tố ngoại cảnh như bức xạ hoặc tia tử ngoại. Các đột biến ảnh hưởng đến các nhiệm vụ quan trọng của cơ thể, có thể di truyền tới các thế hệ sau và tiếp tục tích lũy nhiều hơn nữa, dễ khiến loài người rơi vào thảm họa di truyền.

Thế nên, đa phần ADN “ích kỷ” bỗng trở thành một cơ chế bảo vệ của tiến hóa, vô hiệu các đột biến được gom lại sau các biến động di truyền, giúp con người tồn tại khỏe mạnh cho đến tận ngày nay. Như nhà sinh học Miller lập luận, bộ gene người chứa đầy những đoạn gene “rác”, gene “mồ côi”, cùng hàng loạt các bản sao lặp lại của chuỗi ADN vô nghĩa mà chưa một ai giải thích được, hay liên hệ chúng với bất cứ học thuyết di truyền nào.

Ông khẳng định cho dù loài người khó có thể xác định chính xác số lượng gene không mã hóa protein, nhưng đây chính là một thiết kế độc đáo của tự nhiên đem tới cho các sinh vật sống, rằng sinh học tiến hóa coi hiện tượng rác di truyền là bằng chứng cho trường hợp tiến hóa của Charles Darwin.

Viện Khoa học New York thậm chí xác nhận các loại ADN tưởng như không thực hiện chức năng gì, bao gồm trình tự SINE, LINE, và yếu tố Alu, có thể giúp chống lại bệnh tật. Mới đây, nhóm các nhà khoa học Anh và Mỹ đã xác định một mảnh ARN không mã hóa (GNG12-AS) được phiên mã từ một đoạn ADN đã làm dừng các tế bào biến thành ung thư.

Theo đó, GNG12-AS ngăn cản sự gia tăng số lượng tế bào ác tính và di căn ở các bệnh nhân mắc bệnh ung thư vú. Các ARN không mã hóa duy trì các tế bào khỏe mạnh thông qua cơ chế điều hòa mức độ của gen lân cận DIRAS3 liên quan đến sự tái tạo tế bào, đồng thời ức chế mạng lưới các gene chuẩn bị cho sự đột biến tế bào và khởi phát di căn. Việc các gene không mã hóa có thể duy trì các tế bào khỏe mạnh mở ra cơ hội phát triển các liệu pháp gene tiềm năng để điều trị ung thư.

Lê Nam