CHƯƠNG VI (tt) THÍ NGHIỆM TRÊN PHÔI

Các nhà sinh học ở thời điểm ngay đầu thế kỷ 20 đã trăn trở với những câu hỏi cơ bản về cơ thể người. Vị trí nào trong phôi chứa thông tin giúp cơ thể phát triển? Thông tin này chứa trong mọi tế bào hay chỉ ở một nhóm tế bào? Và thông tin được mã hóa dưới dạng thức nào – liệu nó có phải là một loại chất hóa học đặc biệt hay không?

Bắt đầu vào năm 1903, nhà phôi học người Đức Hans Spemann bắt đầu nghiên cứu cách tế bào nhận thông tin để phát triển thành cơ thể trong quá trình phát triển. Mục tiêu của ông là tìm ra nơi chứa các thông tin tạo nên cơ thể. Câu hỏi lớn đối với Spemann là liệu tất cả các tế bào trong phôi có đủ thông tin để tạo nên toàn bộ cơ thể hay thông tin chỉ giới hạn ở những phần nhất định của phôi.

Nghiên cứu trên trứng cá cóc, đối tượng dễ kiếm và khá dễ thao tác trong phòng thí nghiệm, Spemann đã phát minh ra một thí nghiệm thông minh. Ông cắt một sợi tóc của cô con gái sơ sinh và làm một thòng lọng rất nhỏ bằng sợi tóc này. Tóc của trẻ em là chất liệu đặc biệt: mềm, mỏng và dễ uốn, nó là vật liệu lý tướng để cột siết một quả cầu nhỏ như một trứng cá cóc. Spemann làm đúng thao tác như vậy trên trứng cá cóc đang phát triển, buộc một bên tách khỏi phía bên kia. Thao tác một chút trên nhân của các tế bào, Spemann để cho sản phẩm của mình phát triển và theo dõi điều gì sẽ diễn ra. Cái phôi tạo thành hai cơ thể sinh đôi: hai con cá cóc hoàn thiện được tạo ra, mỗi con có sơ đồ cơ thể bình thường và hoàn toàn có khả năng sống sót. Kết quả đã rõ ràng: từ một trứng có thể tạo ra nhiều hơn một cá thể. Đây là trường hợp sinh đôi cùng trứng. Về mặt sinh học, Spemann đã chứng minh rằng ở giai đoạn sớm của phôi, một số tế bào có khả năng hình thành một cá thể mói hoàn toàn một cách độc lập.

Thí nghiệm này chỉ là sự khởi đầu của một giai đoạn khám phá hoàn toàn mới.

Vào thập niêm 1920 Hilde Mangold, một sinh viên sau đại học làm việc trong phòng thí nghiệm của Spemann, bắt đầu nghiên cứu trên các phôi kích thước nhỏ. Nhờ khéo tay, cô có thể làm những thí nghiệm cực kỳ khó. Ở giai đoạn phát triển mà Mangold nghiên cứu, phôi cá cóc

Chỉ di chuyển một mảng mô nhỏ trong phôi, Mangold đã tạo ra được hai cá thể sinh đôi

là một quả cầu đường kính khoảng 1,6mm. Cô cắt một vùng mô rất nhỏ, còn nhỏ hơn là đầu đinh ghim, từ một phần của phôi và ghép nó vào phôi của một loài khác. Phần Mangold lấy để cấy ghép không phải là ngẫu nhiên mà là vùng tế bào sẽ hình thành phần lớn của ba lớp mầm đang trong giai đoạn di chuyển và gấp nếp. Mangold khéo léo đến mức các phôi được ghép thực sự tiếp tục phát triển, làm cho cô ngạc nhiên thú vị. Mảng ghép tạo ra một cơ thể mới hoàn chỉnh, gồm có dây sống, lưng, bụng, thậm chí cả đầu.

Tại sao điều này lại quan trọng? Mangold đã phát hiện ra mảng mô nhỏ có thể chỉ đạo các tế bào hình thành nên toàn bộ cơ thể. Vùng mô nhỏ xíu nhưng cực kỳ quan trọng này chứa toàn bộ thông tin hình thành cơ thể được gọi là Vùng tổ chức.

Công trình nghiên cứu cho luận văn của Mangold cuối cùng đã đoạt giải Nobel, nhưng cô không được hưởng. Hilde Mangold chết một cách thương tâm (bếp dầu trong bếp bốc cháy) thậm chí trước khi luận văn của cô được công bố. Spemann được: trao giải thưởng Nobel y học năm 1935 và giải thưởng ghi rõ “công trình khám phá ra Vùng tổ chức và tác động của nó tới quá trình phát triển phôi”.

Ngày nay, nhiều nhà khoa học xem công trình nghiên cứu của Mangold là thí nghiệm quan trọng nhất trong lịch sử phôi học.

Cùng khoảng thời gian khi Mangold đang làm thí nghiệm ở phòng thí nghiệm của Spemann, W.Vogt (cũng là người Đức) thiết kế những kỹ thuật thông minh để đánh dấu các tế bào, hoặc một nhóm tế bào, và vì vậy cho phép người làm thí nghiệm quan sát điều gì sẽ xảy ra khi trứng phát triển. Vogt đã lập ra được một bản đồ của phôi cho thấy tất cả các cơ quan bắt nguồn từ nơi nào trong trứng. Chúng ta thấy được tiền đề của sơ đồ cơ thể nằm ở sự biệt hóa của các tế bào trong giai đoạn phát triển sớm của phôi.

Từ các nhà phôi học thời kỳ đầu như von Baer, Pander, Mangold và Spemann, chúng ta đã biết tất cả các phần của cơ thể người trưởng thành có thể được quy định tại các nhóm tế bào riêng lẻ của chiếc đĩa lõm ba lớp Frisbee đơn giản,và cấu trúc chung của cơ thể có nguồn gốc từ Vùng tổ chức do Mangold và Spemann phát hiện ra.

Cắt, cắt lát mỏng, cắt hình khối, bạn sẽ thấy rằng tất cả thú, chim, lưỡng cư và cá có Vùng tổ chức. Đôi khi, bạn thậm chí có thể hoán đổi Vùng tổ chức của loài này cho loài khác. Lấy Vùng tố chức của phôi gà và cấy nó vào một phôi cá cóc bạn sẽ được: cá cóc sinh đôi.

Nhưng thực ra Vùng tổ chức là gì? Điều gì bên trong nó chỉ đạo cho các tế bào cách tạo ra cơ thể? Tất nhiên là DNA. Và chúng ta sẽ tìm thấy công thức bên trong có ở chúng ta và tất cả các loài động vật khác trong DNA này.

CỦA RUỒI VÀ NGƯỜI

Von Baer quan sát các phôi phát triển, so sánh giữa loài này với loài khác, và thấy các mẫu hình cơ bên trong cơ thể. Mangold và Spemann thay đổi phôi để tìm hiểu cách các mô tạo nên cơ thể. Trong kỷ nguyên DNA, chúng ta có thể đặt các câu hỏi về cấu trúc di truyền của bản thân chúng ta. Gene của chúng ta kiểm soát sự phát triển của mô và cơ thể ra sao? Nếu bạn từng nghĩ rằng ruồi không quan trọng, hãy lưu ý tới điều này: đột biến ở ruồi cung cấp cho chúng ta những manh mối quan trọng liên quan tới các gene chính quy định sơ đồ cơ thể hoạt động trong phôi người. Chúng ta đã áp dụng ý tưởng này để khám phá ra các gene hình thành ngón tay và ngón chân. Giờ chúng ta sẽ xem nó cho ta biết cách hình thành toàn bộ cơ thể.

Ruồi có sơ đồ cơ thể. Chúng có phần trước và sau, trên và dưới, v.v... Râu, cánh và các phần phụ khác nhô ra khỏi cơ thể ở những điểm thích hợp. Chỉ trừ các trường hợp đột biến. Một số ruồi đột biến có chi mọc nhô ra ở phần đầu. Số khác có thừa cánh và thêm đốt cơ thể. Những cá thể ruồi đột biến này cho chúng ta biết tại sao các đốt sống của chúng ta thay đổi hình dạng từ phần đầu tới phần sau của cơ thể.

Con người nghiên cứu những cá thể ruồi bất thường đã hơn 100 năm. Các cá thể đột biến với một loại biến dị đặc thù đã gây chú ý đặc biệt. Những cá thể ruồi này có cơ quan nằm sai chỗ – một cái chân ở chỗ của râu; một cặp cánh thừa – hoặc thiếu đốt của cơ thể. Điều gì đó làm đảo lộn sơ đồ căn bản của cơ thể. Sau cùng, những thể đột biến này xuất hiện từ sai sót trong DNA. Hãy nhớ rằng gene là các đoạn DNA nằm trên nhiễm sắc thể. Sử dụng một loạt kỹ thuật cho phép chúng ta nhìn thấy nhiễm sắc thể, chúng ta có thể xác định đoạn nhiễm sắc thể gây đột biến. Thực chất, chúng ta tạo ra thể đột biến để hình thành một quần thể trong đó tất cả các cá thể đều mang sai sót di truyền. Sau đó, sử dụng nhiều loại chỉ thị phân tử, chúng ta so sánh các gene của cá thể mang đột biến với các cá thể hình thường. Điều này cho phép chúng ta xác định vùng và đoạn nhiễm sắc thể chịu trách nhiệm về việc gây ra đột biến. Hóa ra ruồi có tám gene gây các đột biến như vậy. Những gene này nằm sát nhau trên một chuỗi DNA dài. Các gene tác động tới các đốt của phần đầu nằm cạnh gene ảnh hưởng tới đốt ở phần giữa cơ thể nơi có cánh mọc ra. Những đoạn DNA này, đến lượt mình lại nằm ngay cạnh các gene kiểm soát sự phát triển phần sau của ruồi. Các gene được tổ chức theo một trật tự tuyệt vời: vị trí của chúng nằm dọc trên chuỗi DNA cũng theo đúng thứ tự cấu trúc của cơ từ đầu tới đuôi.

Bây giờ, thách thức là xác định cấu trúc của DNA thực sự gây ra đột biến. Mike Levine, Bill McGinnis ở phòng thí nghiệm của Walter Gehring tại Thụy Sĩ và Matt Scott ở phòng thí nghiệm của Tom Kauffman ở tiểu bang Indiana nhận thấy rằng phần giữa của mỗi gene có một đoạn DNA ngắn gần như tương đồng ở các loài mà họ nghiên cứu. Đoạn gene ngắn này được gọi là một hộp tương đồng di truyền (homeobox). Tám gene nằm trong homeobox được gọi là các gene Hox.

Khi các nhà khoa học tìm kiếm trình tự gene này ở các loài khác, họ đã tìm thấy một sự đồng bộ khiến họ thực sự ngạc nhiên: các phiên bản của gene Hox xuất hiện ở tất cả các loài động vật có cơ thể.

Các phiên bản của các gene này quy định tổ chức cơ thể từ phía trước ra phía sau ở các loài khác nhau như ruồi giấm và chuột. Nếu xáo trộn trật tự các gene Hox, bạn sẽ làm xáo trộn sơ đồ cơ thể theo cách có thể dự đoán được. Nếu bạn tạo ra một con ruồi thiếu gene hoạt động ở đốt giữa, phần giữa cơ thể của ruồi giấm sẽ bị thiếu hoặc bị biến đổi. Nếu tạo ra một con chuột thiếu các gene quy định lồng ngực, bạn sẽ làm thay đổi các phần của lưng.

Các gene Hox cũng thiết lập tỉ lệ của cơ thế – kích thước của các vùng khác nhau như đầu, ngực và lưng dưới. Chúng liên quan tới sự phát triển của các cơ quan riêng biệt, các chi, cơ quan sinh dục ngoài và ruột. Những thay đổi đối với các gene này sẽ gây ra những thay đổi trong cách thức cơ thể chúng ra được hình thành. 

Gene hox ở ruồi giấm và ở người. Tổ chức cơ thể từ đầu tới đuôi chịu sự điều khiển của các gene Hox khác nhau. Ruồi giấm có một bộ 8 gene Hox, mỗi gene được biểu diễn dưới dạng một hộp nhỏ trên sơ đồ. Người có bốn bộ gene này. Ở ruồi giấm và người, hoạt tính của một gene tương ứng với vị trí của nó trên đoạn DNA: các gene hoạt động ở vùng đầu nằm ở một phía, các gene hoạt động ở vùng đuôi nằm ở phía kia, còn gene tác động tới phần giữa cơ thế nằm ở giữa. 

Các loại sinh vật khác nhau có số lượng gene Hox khác nhau. Ruồi giấm và côn trùng có 8, chuột và các loài thú khác có 39. Ba mươi chín gene Hox của chuột là tất cả bản sao của gene có trong ruồi giấm. Sự tương đồng này dẫn tới ý tưởng là phần lớn gene Hox ở thú có nguồn gốc từ việc nhân bản một số lượng gene nhỏ hơn ở ruồi giấm. Bất chấp những khác biệt về số lượng này, các gene ở chuột hoạt động từ phía trước ra phía sau theo một trình tự rất chính xác giống như các gene ở ruồi giấm.

Chúng ta có thể đi sâu hơn vào cây phả hệ, tìm ra những đoạn DNA tương tự tham gia vào quá trình hình thành nên các phần thậm chí cơ bản hơn của cơ thể chúng ta hay không? Thật đáng ngạc nhiên, câu trả lời là có. Và nó là cầu nối giữa chúng ta với các động vật thậm chí đơn giản hơn cả ruồi.

DNA VÀ VÙNG TỐ CHỨC

Vào thời điểm Spemann được trao giải Nobel, Vùng tổ chức thu hút toàn bộ sự chú ý. Các nhà khoa học tìm kiếm hóa chất bí mật có thể tạo ra toàn bộ sơ đồ cơ thể. Nhưng cũng như văn hóa bình dân có trò chơi yo-yo và búp bê Tickle Me Elmo, khoa học cũng có những mốt nhất thời rộ lên rồi biến mất. Vào những năm 1970, Vùng tổ chức chỉ được coi là một hiện tượng kỳ lạ không hơn không kém, một giai thoại về sự tài tình trong lịch sử ngành phôi học.

Nguyên nhân của sự suy giảm niềm tin này là không ai có thể giải mã được các cơ chế vận hành của nó.

Việc phát hiện ra các gene Hox vào những năm 1980 đã thay đổi tất cả. Đầu những năm 1990, khi khái niệm Vùng tổ chức vẫn còn hoàn toàn lỗi mốt, phòng thí nghiệm của Eddie De Robertis tại Đại học California ở Los Angeles đã tìm kiếm các gene Hox trên ếch, sử dụng các kỹ thuật như Levine và McGinnis từng làm. Việc tìm kiếm diễn ra trên diện rộng và họ đã thu được nhiều loại gene khác nhau. Một trong số những gene này có kiểu hoạt động rất đặc biệt. Nó hoạt động ở một vị trí chính xác trong phôi, nơi có Vùng tổ chức, và nó hoạt động vào đúng thời điểm phát triển. Tôi có thể hình dung ra De Robertis cảm giác thế nào khi tìm ra gene đó. Ông đang quan sát Vùng tổ chức và ngay trong Vùng tổ chức có một gene dường như chỉ kiểm soát nó, hoặc liên hệ với các hoạt động của nó ở trong phôi. Vùng tổ chức đã nóng trở lại.

Các gene trong Vùng tổ chức đã bắt đầu xuất hiện ở các phòng thí nghiệm khắp nơi. Trong khi tiến hành một loại thí nghiệm khác, Richard Harland ở Berkeley đã tìm thấy một gene khác mà ông gọi là Noggin. Noggin hoạt động đúng như một gene thuộc Vùng rổ chức. Khi Harland lấy một số gene Noggin và tiêm nó vào đúng chỗ trên phôi, chỗ đó hoạt động chính xác như một Vùng tổ chức. Phôi phát triển hai trục cơ thể bao gồm hai cái đầu.

Có phải gene của De Robertis và gene Noggin là các đoạn DNA tạo nên Vùng tổ chức hay không? Câu trả lời là có và không. Nhiều gene trong đó có hai gene này cùng tương tác đế tổ chức nên sơ đồ cơ thể. Những hệ thống như vậy thật phức tạp vì các gene có thể đóng nhiều vai trò khác nhau trong suốt quá trình phát triển. Ví dụ gene Noggin dóng vai trò trong phát triển trục cơ thể nhưng cũng liên quan tới việc hình thành nhiều các cơ quan khác. Hơn nữa, các gene không hoạt động một mình để xác lập tập tính phức tạp của tế bào giống như các gene mà chúng thấy trong quá trình phát triển phần đầu của cơ thể. Các gene tương tác với các gene khác trong tất cả các giai đoạn phát triển. Một gene có thể kiềm chế hoạt tính của gene khác hoặc thúc đẩy nó. Đôi khi nhiều gene tương tác với nhau để mở hay tắt một gene khác. May thay, những công cụ mới cho phép chúng ta đồng thời nghiên cứu hoạt tính của hàng nghìn gene trong một tế bào. Kết hợp công nghệ này với các phương pháp sử dụng máy tính để giải mã chức năng gene, chúng ta có tiềm năng lớn trong việc tìm hiểu cách các gene tạo nên tế bào, mô, và cơ thể.

Việc tìm hiểu những tương tác phức tạp giữa các bộ gene này sẽ làm sáng tỏ các cơ chế thực sự hình thành nên cơ thể. Noggin là một ví dụ tuyệt vời. Riêng gene Noggin không chỉ dẫn cho bất kỳ tế bào nào trong phôi về vị trí của nó trên trục trên – dưới của cơ thế; thay vào đó, nó hoạt động cùng lúc với một vài gene khác để thực hiện chức năng này. Một gene khác, gene BMP4, là gene ở dưới; nó được mở ở các tế bào tạo ra phần dưới cơ thể, hay là phía bụng của phôi. Có một mối tương tác quan trọng giữa gene BMP-4 và Noggin. Bất cứ khi nào gene Noggin được kích hoạt thì gene BMP-4 không thể thực hiện chức năng của mình. Kết quả là gene Noggin không chỉ dẫn tế bào phát triển thành “các tế bào ở phần trên của cơ thể”; thay vào đó, nó tắt tín hiệu khiến chúng trở thành những tế bào thuộc phần dưới. Mối tương tác bật – tắt này giải thích gần như tất cả các quá trình phát triển.

MỘT CON HẢI QUỲ BÊN TRONG

So sánh cơ thể của chúng ta với cơ thế của ếch và cá là một chuyện. Trên thực tế, con người và chúng gần như hoàn toàn giống nhau: tất cả đều có một xương sống, hai chân, hai tay, một cái đầu v.v. Nếu chúng ta so sánh mình với những sinh vật hoàn toàn khác biệt, ví dụ như sứa và họ hàng của chúng, thì sao?

Hầu hết các động vật có các trục cơ thể được xác định bằng hướng chuyển động của chúng hoặc vị trí tương đối giữa miệng – hậu môn. Hãy nghĩ về khái niệm này: miệng của chúng ta nằm ở phía đối diện của cơ thể so với hậu môn, cũng như ở cá và côn trùng, nó thường nằm “về phía trước”.

Làm thế nào chúng ta có thể nhìn thấy hình ảnh của mình trong cấu tạo của các động vật hoàn toàn không có dây sống? Còn đối với các động vật không có hậu môn và không có miệng thì sao? Các sinh vật như sứa, san hô và hải quỳ có một miệng nhưng không có hậu môn. Lỗ thông vừa đóng vai trò là miệng vừa đóng vai trò là nơi xả chất thải. Trong khi sự sắp xếp kỳ cục như vậy thuận tiện cho sứa và họ hàng của chúng thì nó làm các nhà sinh học bối rối khi cố so sánh những sinh vật này với bất cứ sinh vật nào khác.

Nhiều đồng nghiệp, trong số đó có Mark Martindale và John Finnerty, đã mải mê tìm hiểu vấn đề này bằng cách nghiên cứu sự phát triển của nhóm động vật này. Hải quỳ cung cấp rất nhiều thông tin, vì chúng là họ hàng gần gũi của sứa và có một kiểu cơ thể rất nguyên thủy. Hải quỳ còn có một hình dạng rất bất thường mà thoạt nhìn dường như không có giá trị gì trong việc so sánh chúng với con người. Hải quỳ có hình dạng giống một thân cây với một thân dài và một mớ các tua ở đầu. Hình thù kỳ quái này khiến chúng trở nên đặc biệt hấp dẫn vì chúng có thể có phần phía trước và phía sau, phía trên và phía dưới. Hãy kẻ một đường từ miệng xuống chân đế của nó. Các nhà sinh học đã đặt tên cho đường kẻ này: trục miệng – đối miệng. Nhưng cái tên không làm cho nó hơn gì một đường bất kỳ. Nếu đúng như vậy, quá trình phát triển của nó phải giống như quá trình phát triển của một trong số các chiều cơ thể của chúng ta.

Martindale và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra rằng các phiên bản nguyên thủy của một số gene chính quyết định sơ đồ cơ thể của chúng ta, những gene xác định trục đầu – hậu môn, thực sự xuất hiện ở hải quỳ. Và quan trọng hơn, các gene này hoạt động dọc theo trục miệng – đối miệng. Như vậy, điều này có nghĩa là trục miệng – đối miệng của các sinh vật nguyên thủy này tương đương về mặt di truyền với trục đầu – hậu môn của chúng ta.

Họ hàng của sứa, ví dụ như hải quỳ, có phần trước và sau giống chúng ta, một sơ đồ cơ thể được hình thành nhờ phiên bản của các gene giống nhau.

Đã tìm ra một trục đối xứng, còn lại một trục nữa. Hải quỳ có gì tương tự như trục lưng – bụng của chúng ta không? Hải quỳ dường như chẳng có gì tương đồng. Bất chấp điều này, Martindale và dồng nghiệp của ông đã dũng cảm tiếp tục tìm kiếm các gene quy định trục lưng – bụng ở hải quỷ. Họ biết gene của chúng ta cấu tạo như thế nào và điều này giúp họ có được hình ảnh so sánh. Họ phát hiện ra không chỉ một mà nhiều gene khác nhau quy định trục lưng – bụng ở hải quỳ. Nhưng mặc dù những gene này hoạt động dọc theo một trục đối xứng ở hải quỳ, trục này có vẻ không tương quan với kiểu sắp xếp các cơ quan trong cơ thể trưởng thành.

Chỉ là trục ẩn này khó có thể quan sát từ bên ngoài. Tuy nhiên, nếu cắt đôi cơ thể chúng, chúng ta sẽ tìm thấy một manh mối quan trọng, một trục đối xứng khác. Có tên là trục định hướng, nó dường như xác định hai bên riêng biệt của sinh vật, gần như là trái phải. Trục ít được biết đến này được các nhà giải phẫu học tìm ra từ những năm 1920 nhưng vẫn là một bí ẩn trong các tài liệu khoa học. Martindale, Pinnerty và nhóm nghiên cứu của họ đã thay đổi điều đó.

Tất cả động vật đều giống nhau nhưng lại khác biệt. Giống như công thức làm bánh truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác – có nâng cấp qua mỗi thế hệ – công thức tạo nên cơ thể chúng ta được truyền lại và biến đổi qua các thời đại. Trông chúng ta có thể không giống lắm với hải quỳ và sứa nhưng công thức tạo nên cơ thể chúng ta là một phiên bản phức tạp hơn của công thức tạo ra chúng.

Bằng chứng thuyết phục về công thức di truyền chung tạo ra cơ thể động vật được tìm thấy khi chúng ta trao đổi gene giữa các loài. Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn trao đổi gene tạo ra cơ thể từ một động vật có sơ đồ cơ thể phức tạp như chúng ta với một con hải quỳ? Hãy nhớ lại gene Noggin ở ếch, chuột và người, nó được bật lên ở những vị trí sẽ phát triển thành các cấu trúc lưng. Tiêm thêm lượng dư Noggin của ếch vào trứng ếch và con ếch sẽ tạo thêm các cấu trúc lưng, đôi khi thậm chí một cái đầu thứ hai. Ở phôi của hải quỳ, một phiên bản của gene Noggin cũng được bật lên tại một đầu của trục định hướng. Giờ là thí nghiệm triệu đô la: lấy sản phẩm của gene Noggin từ hải quỳ và tiêm vào phôi ếch. Kết quả: một con ếch với các cấu trúc lưng thừa, gần như cùng một kết quả với con ếch bị tiêm bằng gene Noggin của chính nó.

Dù vậy, bây giờ khi chúng ta quay lại quá khứ, chúng ta vẫn còn một khoảng trống lớn chưa có lời giải. Tất cả các loài trong chương này đều có cơ thể. Làm thế nào để chúng ta so sánh bản thân chúng ta với các sinh vật hoàn toàn không có cơ thể – các vi sinh vật đơn bào?