CHƯƠNG III GENE QUI ĐỊNH BÀN TAY

Trong khi tôi và các đồng nghiệp của mình khai quật hóa thạch Tiktaalik đầu tiên ở Bắc cực tháng 7 năm 2004 thì Randy Dahn, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của tôi, làm việc cật lực ở vùng South Side, Chicago để thực hiện các thí nghiệm về di truyền trên phôi của cá mập và cá đuối, những họ hàng của cá đuối gai. Bạn có lẽ đã từng thấy những vỏ trứng nhỏ màu đen trên bãi biển, thường được gọi là ví của nàng tiên cá. Bên trong chiếc ví này từng có trứng và noãn hoàng, về sau phát triển thành phôi thai của cá đuối hoặc cá đuối gai. Qua nhiều năm, Randy đã bỏ ra hàng trăm giờ để thí nghiệm với các phôi bên trong những vỏ trứng này, và thường phải làm việc tới quá nửa đêm. Vào mùa hè định mệnh năm 2004, Randy lấy các vỏ trứng này và tiêm một phiên bản phân tử của vitamin A vào bên trong trứng. Sau đó, anh để chúng phát triển vài tháng cho tới khi nở.

Thí nghiệm của anh có vẻ là cách tiêu tốn thời gian khác thường, đặc biệt là đối với một nhà khoa học trẻ có sự nghiệp khoa học đầy hứa hẹn. Tại sao là cá mập? Tại sao lại thí nghiệm bằng một dạng vitamin A?

Để hiểu được các thí nghiệm này, chúng ta cần lùi lại để xem điều chúng ta hy vọng sẽ được giải thích nhờ chúng. Những điều đề cập tới trong chương này là công thức viết trong DNA để xây dựng cơ thể chúng ta từ một tế bào trứng đơn lẻ. Ví dụ như, khi tinh trùng thâm nhập trứng, trứng được thụ tinh đó không chứa một bàn tay nhỏ bé nào. Bàn tay được tạo thành từ các thông tin chứa trong tế bào đơn lẻ đó. Điều này dẫn chúng ta tới một khó khăn cần suy nghĩ nhiều. So sánh giữa xương tay của chúng ta với các xương ở vây cá là một chuyện. Điều gì sẽ xảy ra khi bạn so sánh công thức di truyền tạo thành bàn tay của mình với công thức đó ở cá? Để tìm ra lời giải đáp cho câu hỏi này, giống như Randy, chúng ta sẽ lần theo một quá trình khám phá đi từ bàn tay của chúng ta tới vây cá mập, và thậm chí là cánh của con ruồi.

Như chúng ta đã biết, khi chúng ta phát hiện những sinh vật cho thấy các phiên bản khác biệt và thường là đơn giản hơn của cơ thể chúng ta bên trong cơ thể của chúng, một cửa sổ trực tiếp tuyệt vời sẽ mở ra giúp chúng ta nhìn về quá khứ xa xôi. Nhưng có một giới hạn lớn khi làm việc với các hóa thạch. Chúng ta không thể làm thí nghiệm với các động vật đã chết từ lâu. Thí nghiệm rất hữu ích, vì chúng ta có thể thực sự điều khiển được một số thứ để tìm thấy kết quả. Vì lý do này, phòng thí nghiệm của tôi được chia ra thành hai phần rõ ràng: một nữa chuyên tâm cho hóa thạch, nửa còn lại nghiên cứu phôi và DNA. Những gì diễn ra trong phòng thí nghiệm của tôi có thể khá kỳ lạ. Chiếc tủ bị khóa chứa hóa thạch Tiktaalik nằm ngay bên cạnh tủ đá chứa các mẫu DNA quý giá của chúng tôi.

Các thí nghiệm với DNA rất có thể sẽ giúp khám phá thông tin bên trong con cá. Bạn thấy thế nào khi bạn có thể thực hiện một thí nghiệm xử lý phôi của một con cá với các loại hóa chất khác nhau và thay đổi thực sự cơ thể nó, làm cho một phần vây của nó trông giống như một bàn tay? Bạn thấy thế nào khi bạn có thể chứng minh các gene tạo thành một vây cá cũng gần như giống hệt các gene tạo ra bàn tay của chúng ta?

Chúng ta bắt đầu với một câu hỏi dễ thấy. Cơ thể của chúng ta được tạo thành từ hàng trăm loại tế bào. Sự đa dạng tế bào này khiến các mô và cơ quan có các hình dạng và chức năng chuyên biệt. Các tế bào tạo xương, thần kinh, ruột... có hình dạng và hoạt động hoàn toàn khác nhau. Bất chấp những khác biệt này, có một sự tương đồng sâu sắc giữa các tế bào trong cơ thể chúng ta: tất cả chúng đều chứa DNA hoàn toàn giống hệt nhau. Nếu DNA chứa các thông tin xây dựng nên cơ thể, các mô, và các cơ quan thì làm thế nào các tế bào khác nhau ở cơ, thần kinh, và xương lại chứa DNA giống hệt nhau?

Câu trả lời nằm ở việc tìm hiểu các đoạn DNA (các gene) thực sự được kích hoạt ở mỗi tế bào. Một tế bào da khác với một tế bào neuron thần kinh vì trong từng cái có các gene khác nhau hoạt động. Khi một gene được kích hoạt, nó sẽ tạo ra một protein có thể ảnh hưởng đến việc tế bào trông sẽ ra sao và hoạt động như thế nào. Vì vậy, để hiểu ra điều gì đã làm một tế bào ở mắt khác với một tế bào ở xương tay, chúng ta cần biết về các “công tắc” di truyền vốn điều khiển hoạt động của các gene ở mỗi tế bào và mô.

Đây là một luận điểm quan trọng: những “công tắc” di truyền này sẽ giúp hình thành cơ thể của chúng ta. Ở thời điểm thụ thai, chúng ta bắt đầu được tạo ra dưới dạng một tế bào đơn lẻ chứa toàn bộ thông tin DNA cần thiết để xây dựng nên cơ thể. Sơ đồ cho toàn bộ cơ thể được mở ra qua các chỉ dẫn chứa trong tế bào có kích thước hiển vi này. Để đi từ tế bào trứng tới một con người hoàn chỉnh, với hàng tỉ tỉ tế bào chuyên hóa được tổ chức một cách đúng đắn thì bộ gene cần được bật và tắt đúng giai đoạn của sự phát triển. Giống như một bản concerto được tạo thành từ các nốt nhạc riêng lẻ chơi bằng nhiều loại nhạc cụ, cơ thể của chúng ta là một tập hợp các gene riêng rẽ đuợc bật và tắt bên trong mỗi tế bào trong suốt quá trình phát triển của chúng ta.

Thông tin này rất có lợi đối những người muốn nghiên cứu kỹ cơ thể, vì giờ đây chúng ta có thể so sánh hoạt động của các gene khác nhau để đánh giá loại thay đổi nào có liên quan tới nguồn gốc của các cơ quan mới. Lấy ví dụ chi động vật bốn chân. Khi chúng ta so sánh tập hợp gene kích hoạt trong quá trình phát triển của vây cá với các gene kích hoạt trong quá trình phát triển của bàn tay người, chúng ta có thể lập danh mục các khác biệt về mặt di truyền giữa vây cá và chi. Kiểu so sánh này giúp chúng ta nhận biết một số thủ phạm tạo ra sự khác biệt, hay các “công tắc” di truyền có thể đã thay đổi trong nguồn gốc của các chi. Sau đó chúng ta có thể nghiên cứu những gene này làm gì trong phôi và chúng đã thay đổi như thế nào. Thậm chí, chúng ta có thể tiến hành các thí nghiệm trong đó ta điều khiển các gene để thấy cơ thể thực sự thay đổi như thế nào trước các điều kiện và sự kích thích khác nhau.

Để tìm ra các gene tạo nên bàn tay và bàn chân của chúng ta, chúng ta cần học theo một trang trong kịch bản của loạt phim truyền hình CSI: Cảnh sát điều tra hiện trường – hãy bắt đầu từ thi thể để lần ra manh mối. Chúng ta sẽ bắt đầu bằng cách xem xét cấu trúc chi của con người, rồi mở rộng đến mỏ, tế bào và các gene hình thành nên cấu trúc này.

TẠO RA BÀN TAY

Chi của chúng ta tồn tại dưới dạng ba chiều: chúng có mặt trên và mặt dưới, bên ngón út và bên ngón cái, gốc và ngọn. Các xương ở phần ngọn trong các ngón tay của chúng ta khác với xương ở vai. Tương tự như vậy, bàn tay của chúng ta khác nhau từ bên này sang bên kia. Các ngón út của chúng ta có hình dạng khác với ngón cái. Mục tiêu cao nhất của các nghiên cứu phát triển của chúng ta là tìm hiểu những gene nào biệt hóa thành các xương của chi và gene nào kiểm soát sự phát triển theo ba chiều. DNA nào thực sự khiến ngón út khác với ngón cái? Gene nào khiến các ngón tay của chúng ta khác biệt với các xương cánh tay? Nếu chúng ta có thể hiểu các gene điều khiển những hình mẫu đó, chúng ta sẽ hiểu được công thức tạo nên chúng ta.

Tất cả các “công tắc” di truyền tạo nên ngón tay, xương cánh tay và ngón chân hoạt động trong thời kỳ từ ba đến tám tuần sau khi thụ thai. Các chi bắt đầu sự phát triển dưới dạng các chồi nhỏ kéo dài ra từ thân của phôi. Các chồi phát triển trong vòng hai tuần, tới khi phần ngọn hình thành một bàn tay nhỏ. Trong mỗi bàn tay là hàng triệu tế bào sau đó sẽ sinh ra các xương, dây thần kinh và cơ mà mỗi chúng ta sẽ mang theo suốt cuộc đời.

Để tìm hiểu xem hình mẫu phát triển này được hình thành như thế nào, chúng ta cần nghiên cứu phôi, và đôi khi tác động tới sự phát triển của chúng để đánh giá điều gì có thể xảy ra khi mọi thứ diễn ra không đúng theo quy trình. Ngoài ra, chúng ta cần xem xét các thể đột biến và các cấu trúc cũng như gene nằm bên trong của chúng, thường là bằng cách tạo ra toàn bộ quần thể đột biến thông qua việc nhân giống cẩn thận. Rõ ràng là chúng ta không thể nghiên cứu con người theo những cách này. Thách thức đối với những nhà nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này là tìm ra những loài động vật có thể giúp tìm hiểu sự phát triển của chúng ta. Những nhà nghiên cứu thực nghiệm trên phôi đầu tiên quan tâm đến cơ chế phát triển của các chi vào những năm 1930 và 1940 đã phải đối mặt với một số vấn đề. Họ cần một sinh vật có chi có thể tiếp cận được để quan sát và làm thí nghiệm. Phôi phải tương đối lớn để họ có thể thực hiện các thao tác giải phẫu trên đó. Quan trọng là phôi phải phát triển trong một nơi được bảo vệ, trong một hộp chứa giúp nó tránh những va chạm và nhiễu loạn của môi trường. Ngoài ra, quan trọng là phôi phải dễ kiếm và sẵn có quanh năm. Giải pháp đơn giản cho nhu cầu nghiên cứu này là ở những cửa hàng tạp hóa địa phương: các quả trứng gà.

Sự phát triển của một chi, trong trường hợp này là cánh ở gà. Tất cá các giai đoạn chủ chốt trong quá trình phát triển của xương cánh diễn ra trong trứng.

Trong những năm 1950 và 1960, một số nhà sinh học trong đó có Edgar Zwilling và John Saunders đã thực hiện những thí nghiệm cực kỳ sáng tạo trên trứng gà để tìm hiểu xem bộ xương được hình thành như thế nào. Đây là thời kỳ cắt và xẻ. Các phôi được cắt nhỏ và các mô khác nhau được chuyển từ nơi này sang nơi khác để xem chúng có tác động gì tới sự phát triển. Hướng tiếp cận này đòi hỏi vi phẫu thật cẩn thận và kiểm soát các khối mô dày không quá 1mm. Bằng cách này, thông qua việc chuyển mô trong chi đang phát triển, Saunders và Zwilling làm sáng tỏ một số cơ chế chủ chốt hình thành nền các chi của những loài động vật rất khác nhau như cánh chim, tay bơi chèo của cá voi và tay người.

Họ đã khám phá ra hai mảng mô nhỏ cơ bản kiểm soát sự phát triển của kiểu xương ở bên trong các chi. Một dải mô nằm ở cực cuối của mầm chi là thiết yếu cho mọi sự phát triển của chi. Khi loại bỏ mảng mô này thì sự phát triển của chi bị ngừng lại. Nếu mô này bị loại sớm, chúng ta chỉ còn xương cánh tay, hoặc một mẩu xương tay. Loại bỏ muộn một chút thì chúng ta có xương cánh tay và xương cẳng tay. Loại bỏ mô này muộn hơn chút nữa thì cánh tay hầu như phát triển hoàn chỉnh chỉ trừ các ngón tay bị ngắn đi và biến dạng.

Một thí nghiệm khác (do Mary Gassengling thực hiện đầu tiên trong phòng thí nghiệm của John Saunders) đã dẫn đến một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng. Lấy một mảng mô nhỏ từ phần sẽ phát triển thành bên ngón út ở mầm chi trong giai đoạn đầu phát triển của phôi và cấy nó vào phía đối diện, ngay dưới chỗ ngón tay thứ nhất được tạo thành. Để cho con gà con phát triển và hình thành cánh. Kết quả đã làm ngạc nhiên tất cả mọi người. Cánh phát triển bình thường ngoại trừ nó có thêm một bộ xương ngón được sao chép hoàn chỉnh. Đáng chú ý hơn là kiểu xương: các ngón mới là hình ảnh đối xứng gương của một bộ xương ngón hình thường. Rõ ràng một yếu tố nào đó, một số phân tử hoặc gene trong mảng mô này có thể định hướng sự phát triển của kiểu ngón tay. Kết quả này dẫn đến một loạt các thí nghiệm mới và chúng tôi đã hiểu ra rằng hiệu ứng này có thể được lặp lại bằng nhiều cách khác nhau. Ví dụ, lấy một phôi gà và chấm một ít vitamin A lên trên mầm chi của nó, hoặc đơn giản chỉ tiêm vitamin A vào trứng và để cho phôi phát triển. Nếu bạn cho vitamin A đúng nồng độ và đúng giai đoạn phát triển, bạn sẽ có bản sao dạng đối xứng gương mà Gasseling, Saunders và Zwilling đã tạo ra từ các thí nghiệm ghép phôi. Mảng mô này được đặt tên là vùng hoạt động phân cực (zone of polarizing area – ZPA). Về bản chất, ZPA là mảng mô khiến phía ngón út khác với phía ngón cái. Đương nhiên, gà con không có ngón út và ngón cái. Thuật ngữ mà chúng tôi sử dụng là để đánh số ngón, ngón út của chúng ta tương ứng với ngón số năm ở các động vật khác và ngón cái của chúng ta tương ứng với ngón số một.

ZPA gây chú ý vì nó có thể, về một mặt nào đó, kiểm soát sự hình thành ngón tay và ngón chân. Nhưng bằng cách nào? Một số người tin rằng các tế bào ở ZPA tạo ra một phân tử mà sau đó được phát tán ra khắp chi để chỉ đạo các tế bào tạo nên các ngón khác nhau. Đề xuất đáng lưu ý là nồng độ của phân tử không tên này đóng một vai trò quan trọng. Ở vùng gần với ZPA, nơi phân tử này có nồng độ cao, các tế bào đáp ứng lại bằng cách tạo ra một ngón út. Ở vị trí đối diện của bàn tay đang phát triển, xa vùng ZPA nơi phân tử không tên loãng hơn, các tế bào sẽ đáp ứng lại bằng cách tạo ra ngón cái. Các tế bào ở giữa phản ứng với nồng độ tương ứng của phân tử này để hình thành ngón thứ hai, thứ ba và thứ tư.

Ý tưởng về sự phát triển ngón phụ thuộc nồng độ có thể kiếm chứng. Năm 1979, Denis Summerbell đã đặt một chiếc lá thiếc cực nhỏ giữa ZPA và phần còn lại của chi. Ý tưởng là dùng hàng rào này ngăn bất kỳ loại phân tử nào khuếch tán từ ZPA tới các phía khác. Summerbell đã tìm hiểu xem điều gì sẽ xảy ra với các tế bào ở hai phía của hàng rào. Các tế bào phía ZPA tạo thành các ngón. Các tế bào phía đối diện thường không hình thành nên ngón; nếu có thì các ngón bị dị hình trầm trọng. Kết luận đã rõ ràng. Một chất nào đó được tạo ra từ ZPA kiểm soát việc hình thành và hình dạng của các ngón. Để xác định chất đó, các nhà nghiên cứu cần xem xét đến DNA.