CHƯƠNG III (tt) CÔNG THỨC DNA

Dự án đó được dành cho một thế hệ mới các nhà khoa học. Phải tới những năm 1990, khi các kỹ thuật sinh học phân tử mới đã sẵn sàng, cơ chế kiểm soát di truyền của ZPA mới được sáng tỏ.

Một bước đột phá cơ bản diễn ra vào năm 1993 khi phòng thí nghiệm của Cliff Tabin ở Harvard bắt đầu tìm kiếm các gene kiểm soát ZPA. Đối tượng của họ là các cơ chế phân tử cho phép ZPA có thể làm cho ngón út khác với ngón cái. Vào thời điểm nhóm của ông bắt đầu làm việc vào đầu năm 1990, một số thí nghiệm như tôi đã mô tả đã khiến chúng tôi đi đến chỗ tin rằng một loại phân tử nào đó đã gây ra toàn bộ quá trình. Đây là một lý thuyết lớn, nhưng không ai biết được phân tử này là gì. Người ta đưa ra hết phân tử này tới phân tử khác chỉ để nhận thấy rằng chẳng có phân tử nào đáp ứng được tất cả yêu cầu. Cuối cùng, phòng thí nghiệm của Tabin đã đi đến một số quan niệm mới liên quan mới liên quan mật thiết tới chủ đề của cuốn sách này. Hãy xem xét ruồi giấm để tìm câu trả lời.

Các thí nghiệm di truyền nhưng năm 1980 đã làm sáng tỏ quy luật hoạt động tuyệt vời của gene để hình thành nên cơ thể của một con ruồi từ một quả trứng đơn lẻ. Cơ thể của một con ruồi giấm được tổ chức từ trước ra sau với cái đầu ở phần trước và cánh ở lưng. Hàng loạt gene được bật lên và tắt đi trong quá trình phát triển của ruồi giấm, quy luật hoạt động này của gene giúp phân định các vùng phát triển khác nhau ở ruồi.

Lúc đó, Tabin không biết điều này, nhưng hai phòng thí nghiệm khác của Andy MacMahon và Phil Ingham đã có ý tưởng giống hệt ông mặc dù họ nghiên cứu độc lập. Điều đáng chú ý là sự hợp tác thành công giữa ba phòng thí nghiệm. Một trong số các gene của ruồi giấm gây được sự chú ý của Tabin, McMahon và Ingham. Họ đã nhận rằng gene này tạo ra phần cuối của một đoạn cơ thể trông khác với những đoạn khác. Các nhà di truyền nghiên cứu ruồi giấm đặt tên nó là gene hedgehog. Vật gene hedgehog hẳn có chức năng gì đó trong cơ thể ruồi – để biến một vùng này khác với vùng khác – xem chừng giống với cách ZPA tạo ra ngón út khác với ngón cái? Sự tương tự đó không bị ba phòng thí nghiệm này bỏ qua. Thế là họ tiếp tục tìm kiếm một gene hedgehog trong các sinh vật như gà, chuột và cá.

Bởi vì các nhóm thí nghiệm đã biết cấu trúc của gene hedgehog của ruồi giấm nên họ có một hình ảnh nghiên cứu để hỗ trợ tìm kiếm gene đó ở gà. Mỗi gene có một trình tự riêng biệt; sử dụng một số công cụ phân tử, các nhà nghiên cứu có thể dò DNA của gà để tìm trình tự gene hedgehog. Sau nhiều lần thử và thất bại, họ đã tìm thấy một gene hedgehog trên gà.

Tương tự như các nhà cổ sinh vật đặt tên cho loài mới, các nhà di truyền học cũng đặt tên cho các gene mới. Các nhà di truyền nghiên cứu ruồi giấm đã khám phá ra gene và đặt tên nó là hedgehog vì ruồi giấm với một đột biến trong gene này có lông ngắn và cứng giống một chú nhím Âu (hedgehog). Tabin, McMahon và Ingham đã đặt tên cho phiên bản gene ở gà là Sonic hedgehog theo tên của trò chơi điện tử Sega Genesis.

Bây giờ chúng ta hãy đến với câu đố vui: Gene Sonic hedgehog thực sự có vai trò gì trong việc tạo chi? Nhóm của Tabin gắn màu nhuộm vào một phân tử bám vào gene cho phép họ nhận biết nơi gene hoạt động trong chi. Họ rất ngạc nhiên khi thấy rằng chỉ các tế bào ở một mảng mô nhỏ xíu có hoạt động của gene này: vùng ZPA.

Như vậy các bưóc tiếp theo đã rõ ràng. Kiểu hoạt động của của Sonic hedgehog chắc là giống với kiểu hoạt động của mô ZPA. Nên nhớ rằng khi bạn xử lý chi bằng axit retinoic, một dạng của vitamin A, bạn sẽ hoạt hóa ZPA bên phía đối diện. Hãy hình dung điều sẽ xảy ra khi bạn xử lý một chi bằng axit retinoic, sau đó đánh dấu lại nơi gene Sonic hedgehog hoạt động? Gene Sonic hedgehog sẽ hoạt động ở cả hai bên (ngón út và ngón cái) giống như ZPA khi được xử lý bằng axit retinoic.

Việc biết được cấu trúc của gene Sonic hedgehog ở gà đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu những công cụ để tìm kiếm nó ở mọi loài có ngón tay, từ ếch cho tới người. Tất cả các loài động vật có chi đều có gene Sonic hedgehog. Và ở mỗi loài riêng biệt chúng tôi đã nghiên cứu, gene Sonic hedgehog đều hoạt động ở mô ZPA. Nếu gene Sonic hedgehog không hoạt động đúng quy luật trong tuần thứ tám của quá trình phát triển của bạn thì hoặc bạn sẽ có thừa ngón tay, hoặc ngón út trông giống hệt như ngón cái. Thi thoảng, khi có sự phát triển sai lệch của gene Sonic hedgehog, bàn tay sẽ trở nên giống như một bơi chèo rộng với 12 ngón tay trông giống hệt nhau.

Giờ chúng ta đã biết gene Sonic hedgehog là một trong hàng tá gene hình thành nên chân tay của chúng ta từ phần vai cho đến đầu ngón bằng cách bật và tắt đúng lúc. Đáng lưu ý, những nghiên cứu ở gà, ếch và chuột đều cho ra kết quả tương tự. Công thức DNA để hình thành xương cẳng tay, xương cánh tay, xương cổ tay và ngón tay rõ ràng hoàn toàn giống nhau ở mọi sinh vật có chi.

Chúng ta có thể quay lại bao xa trong quá khứ để truy cứu nguồn gốc của gene Sonic hedgehog và những đoạn DNA khác giúp hình thành nên các chi? Những gene này có giúp hình thành các xương của vây cá không? Bàn tay chúng ta có khác biệt hoàn toàn về di truyền với vây cá không? Chúng tôi đã thấy một con cá bên trong cấu trúc cánh tay và bàn tay chúng ta. Thế còn DNA đã giúp hình thành nên nó thì sao?

Đến lượt Randy Dahn nhập cuộc với chiếc ví nàng tiên cá của anh.

CHO CÁ MẬP MỘT BÀN TAY

Randy Dahn bước vào phòng thí nghiệm của tôi với một ý tưởng đơn giản nhưng rất tinh tế: xử lý phôi cá đuối như Cliff Tabin xử lý trứng gà. Mục tiêu của Randy là thực hiện lại trên cá đuối toàn bộ các thí nghiệm mà các nhà sinh học về gà đã thực hiện trên trứng gà, từ giải phẫu mô của Saunders và Zwilling đến các thí nghiệm trên gene của Cliff Tabin. Cá đuối phát triển từ trứng có vỏ và hoàng thể. Cá đuối cũng có phôi to, giống như trứng gà. Vì những thuận lợi này chúng tôi có thể áp dụng trên cá đuối nhiều công cụ nghiên cứu di truyền và thực nghiệm đã sử dụng để nghiên cứu trên gà.

Chúng ta có thể biết được gì thông qua việc so sánh sự phát triển vây cá mập với phát triển chân gà? Thậm chí quan trọng hơn, chúng ta có thế biết được gì về chính chúng ta thông qua tất cả những kiến thức trên?

Như Saunders, Zwilling và Tabin đã cho thấy, gà là một đại diện rất tốt để nghiên cứu sự phát triển chân tay của chúng ta. Mọi thứ được Saunders và Zwilling khám phá với thí nghiệm cắt và ghép cũng như công việc nghiên cứu DNA của Tabin cũng có thể áp dụng cho chi của chúng ta: chúng ta có một ZPA, chúng ta có gene Sonic hedgehog và cả hai đều có ý nghĩa quan trọng đối với cuộc sống của chúng ta. Như chúng ta thấy, ZPA hoạt động không đúng quy luật hoặc đột biến ở gene Sonic hedgehog có thể gây những dị hình lớn ở bàn tay người.

Randy muốn xác định xem các bộ máy hình thành bàn tay của chúng ta khác nhau như thế nào. Sự kết nối của chúng ta với phần còn lại của sự sống sâu đến mức nào? Công thức tạo ra bàn tay là công thức mới hay nó cũng có nguồn gốc sâu xa từ các sinh vật khác? Nếu đúng như vậy, thì sâu như thế nào?

Cá mập và họ hàng của chúng là những sinh vật có vây và khung xương bên trong sớm nhất. Để trả lời câu hỏi của Randy, lý tưởng nhất là đưa một hóa thạch cá mập 400 triệu năm vào trong phòng thí nghiệm, nghiền nó ra và tìm hiểu cấu trúc di truyền của nó. Sau đó, bạn cố biến đổi phôi hóa thạch của nó để tìm hiểu liệu gene Sonic hedgehog có hoạt động ở vị trí giống như trong chi của chúng ta ngày nay hay không. Đây sẽ là một thí nghiệm tuyệt vời nhưng lại không thể làm được. Chúng ta không thể tách chiết DNA từ hóa thạch quá cổ và thậm chí nếu làm được thì chúng ta cũng sẽ không bao giờ tìm thấy phôi của các động vật hóa thạch đó để tiến hành thí nghiệm.

Cá mập đương đại và họ hàng của chúng là những đối tượng thay thế tốt nhất. Không ai lầm lẫn giữa vây cá mập với một bàn tay người: bạn không thể tìm được hai loại cơ quan phụ khác biệt nhiều hơn thế. Cá mập và người không chỉ có quan hệ họ hàng rất xa nhau mà cấu trúc xương của các cơ quan phụ của giữa người và cá mập cũng chẳng có vẻ gì giống nhau. Thậm chí chẳng có một chút gì tương tự với kiểu mô hình xương của Owen (một xương – hai xương – nhiều xương con – xương ngón) nằm bên trong vây của cá mập. Thay vào đó, các xương bên trong có hình que, dài và ngắn, mỏng và rộng. Chúng tôi gọi chúng là xương mặc dù chúng được cấu tạo từ sụn (cá mập và cá đuối được xếp vào lớp cá sụn vì bộ khung xương của chúng không bao giờ hóa xương cứng). Nếu bạn muốn đánh giá xem liệu vai trò của gene Sonic hedgehog trong chi có đặc trưng cho động vật có chân hay không, tại sao không chọn một loài hoàn toàn khác về mọi mặt? Hơn nữa, tại sao không chọn loài cá đương đại nguyên thủy nhất có bất kỳ loại phần phụ chẵn nào cho dù là vây hay chi? Cá mập đáp ứng cả hai yêu cầu này.

Vấn đề đầu tiên của chúng tôi khá đơn giản. Chúng tôi cần có một nguồn cung cấp phôi của cá mập và cá đuối đáng tin cậy. Cá mập khó có thể cung cấp phôi thường xuyên nhưng cá đuối, họ hàng gần gũi với cá mập, lại là một vấn đề khác. Vì thế chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu trên cá mập và sử dụng phôi cá đuối như nguồn tiếp tế khi phôi cá mập bị hỏng. Chúng tôi đã tìm ra một nhà cung cấp cứ mỗi một hoặc hai tháng có thể chuyển cho chúng tôi một kiện 20 đến 30 trứng mang phôi. Chúng tôi đã trở thành những tín đồ thực sự của giáo phái sùng bái đồ Tây Dương1 khi chờ đợi những cái trứng cá quý giá này mỗi tháng.

Kết quả nghiên cứu do nhóm của Tabin và các nhóm khác thực hiện đã giúp cho Randy có được các manh mối quan trọng để bắt đầu cuộc tìm kiếm của mình. Kể từ các công trình của Tabin vào năm 1993, người ta đã tìm thấy gene Sonic hedgehog ở nhiều loài khác nhau, từ cá cho tới người. Với kiến thức về cấu trúc gene, Randy có thể kiểm tra toàn bộ DNA của cá đuối và cá mập để tìm ra gene Sonic hedgehog. Trong khoảng thời gian ngắn, anh ấy đã tìm ra nó: một gene Sonic hedgehog của cá mập.

Những câu hỏi quan trọng cần được giải đáp là gene Sonic hedgehog hoạt động ở vùng nào, và quan trọng hơn, nó dùng để làm gì?

Các quả trứng được sử dụng để giúp Randy tìm ra vị trí và thời điểm gene Sonic hedgehog hoạt động trong quá trình phát triển của cá đuối. Đầu tiên, anh tìm hiểu xem liệu gene Sonic hedgehog có được kích hoạt cùng lúc trong quá trình phát triển vây cá mập giống như trong quá trình phát triển chi của gà hay không. Đúng là nó được kích hoạt cùng lúc. Sau đó anh tìm hiểu xem liệu gene đó có được kích hoạt ở mảng mô nằm ở mặt lưng của vây tương ứng với ngón út của chúng ta hay không. Câu trả lời lại là có. Bây giờ anh thực hiện thí nghiệm với vitamin A. Đây là khoảnh khắc đáng giá hàng triệu đô la. Nếu bạn xử lý chi của một con gà hoặc loài thú bằng hợp chất này thì bạn sẽ có một mảng mô có gene Sonic hedgehog hoạt động ở phía đối diện và điều này đi kèm với sự nhân đôi của bộ xương. Randy tiêm vitamin A vào trứng, chờ đợi khoảng một ngày và sau đó kiểm tra xem liệu vitamin A có bật gene Sonic hedgehog ở phía đối diện của chi giống như ở gà hay không. Câu trả lời là có. Bây giờ đã đến lúc phải chờ đợi lâu hơn. Chúng ta đã biết rằng gene Sonic hedgehog hoạt động ở bàn tay của chúng ta theo một cơ chế hoàn toàn giống với ở vây cá mập và cá đuối. Nhưng những cơ chế này có tác động gì lên bộ xương? Chúng ta phải đợi hai tháng mới có câu trả lời.

Các phôi phát triển trong một vỏ trứng đục. Tất cả những gì chúng tôi biết là sinh vật còn sống; phần bên trong vây cá không thể quan sát được.

Kết quả cuối cùng là một ví dụ đáng kinh ngạc về sự tương đồng giữa chúng ta với cá mập và cá đuối: một cái vây có hình dạng đối xứng gương. Vây lưng nhân đôi các cấu trúc theo một mẫu hình từ trước ra sau kỳ diệu, giống hệt với các thí nghiệm đối với chi động vật. Các chi sao chép cấu trúc của chi. Vây cá mập sao chép cấu trúc vây của nó, giống như ở cá đuối. Gene Sonic hedgehog có tác dụng tương tự, ngay cả ở các loài có xương chi khác nhau nhất tồn tại trên trái đất ngày nay.

Một tác dụng của gene Sonic hedgehog mà có thể bạn còn nhớ là làm các ngón tay khác biệt với nhau. Như chúng ta thấy cơ chế hoạt động của ZPA, việc phát triển loại ngón gì phụ thuộc khoảng cách của ngón đó với nguồn gene Sonic hedgehog. Vây của một con cá đuối trưởng thành bình thường chứa nhiều xương dạng que trông rất giống nhau. Liệu chúng ta có thể làm các que xương này khác biệt như các ngón tay của chúng ta? Randy lấy một hạt nhỏ tẩm protein do gene Sonic hedgehog tạo ra và đặt nó vào giữa các que xương giống nhau này. Chìa khóa của thí nghiệm này nằm ở chỗ anh ấy sử dụng gene Sonic hedgehog của chuột. Như vậy bây giờ chúng ta có một bộ máy kỳ cục thực sự: phôi cá đuối với một hạt nhỏ bên trong nhả từ từ protein do gene Sonic hedgehog của chuột tạo ra. Liệu protein của chuột có gây tác động nào lên cá mập hoặc cá đuối?

Một thí nghiệm kiểu này có thể cho ra hai kết quả trái ngược. Thứ nhất là không có gì xảy ra. Điều này nghĩa là cá đuối khác chuột tới mức các protein của gene Sonic hedgehog không gây tác động. Kết quả còn lại sẽ là một ví dụ cực kỳ ấn tượng về con cá bên trong chúng ta. Kết quả này sẽ là các que xương phát triển khác nhau, chứng tỏ rằng gene Sonic hedgehog tác dụng ở cá đuối tương tự như chúng ta. Và đừng quên rằng vì Randy đang sử dụng protein của một loài thú, điều đó có nghĩa là công thức di truyền của gene này thực sự rất giống nhau.

Vây cá bình thường (bên trái) và vây cá do Randy xử lý hóa chất. Các vây được xử lý hóa chất cho thấy có sự nhân đôi đối xứng gương như ở cánh gà. Ảnh của Randall Dahn, Đại học Chicago.

Các xương que được hình thành không chỉ có hình dáng khác nhau, mà giống như ở ngón tay, chúng đáp ứng với gene Sonic hedgehog tùy theo khoảng cách tới hạt tẩm protein của gene Sonic hedgehog: các xương que nằm gần có hình dạng khác biệt với các xương que nằm ở xa. Quan trọng hơn là protein của chuột hoạt động hiệu quả đến thế trên quá trình phát triển phôi cá đuối.

“Con cá bên trong” mà Randy tìm thấy không phải là một xương đơn hoặc thậm chí một phần của bộ xương. Con cá bên trong của Randy nằm ở các công cụ sinh học thực sự tạo nên vây cá. Nhiều thí nghiệm trên các sinh vật khác nhau như chuột, cá mập và ruồi đã cho chúng ta thấy rằng gene Sonic hedgehog là rất phổ biến. Tất cả các xương chi, dù là vây hoặc chi đều được tạo ra bởi những loại gene giống nhau. Điều này có ý nghĩa gì đối với vấn đề chúng ta đã xem xét trong suốt hai chương đầu tiên –sự chuyển tiếp từ vây cá lên chi? Nó có nghĩa là sự biến đổi lớn lao về phương diện tiến hóa không liên quan tới vật liệu DNA mới: phần lớn sự chuyển tiếp này có liên quan tới việc sử dụng các gene cổ xưa, chẳng hạn các gene có liên hệ tới sự phát triển của vây cá mập, theo các cách thức mới để tạo ra chi có ngón tay và ngón chân.

Nhưng những thí nghiệm trên chi và vây này có một ý nghĩa sâu xa hơn. Phòng thí nghiệm của Tabin sử dụng các nghiên cứu ở ruồi để tìm ra một gene ở gà để từ đó giúp chúng ta biết về những khiếm khuyết bẩm sinh ở người. Randy đã sử dụng các khám phá tại phòng thí nghiệm Tabin để cho chúng ta biết về mối liên hệ giữa chúng ta với cá đuối. Một “con ruồi bên trong” giúp tìm ra một “con gà bên trong” cuối cùng giúp Randy tìm thấy một “con cá đuối bên trong” mỗi chúng ta. Mối liên hệ giữa các sinh vật sống thực sự rất sâu sắc.