Hệ gen của một sinh vật biển mang bí mật về tổ tiên đơn bào của loài người

Hệ gen mới được thiết lập trình tự của một sinh vật phù du cơ thể chỉ gồm 1 tế bào sống dưới biển được công bố hôm 14/02 trên tờ Nature. Hệ gen này cung cấp thông tin cho các nhà khoa học về những tiến hóa đi kèm với bước nhảy từ sinh vật đơn bào sang sinh vật đa bào như chúng ta hiện nay.

Bài viết trên tờ Nature và bài bổ sung trên báo Science cùng được phát hành tuần này, các nhà sinh học Nicole King, Daniel Rokhsar và đồng nghiệp thuộc đại học California (Berkeley) đã đưa ra sơ đồ gen đầu tiên của con choanoflagellate có tên Monosiga brevicollis. Lần đầu tiên họ cũng đưa ra so sánh của mình với hệ gen của động vật đa bào (còn có tên gọi là metazoan).

Việc phân tích và thiết lập trình tự gen được thực hiện bởi Viện Department of Energy Joint Genome (JGI) tại Walnut Creek (California) hợp tác với các nhà nghiên cứu tại đại học California (Berkeley) và 8 viện nghiên cứu khác.

Theo bà King, các nhà sinh học hầu như không có chút thông tin nào về những sinh vật này ngoài việc chúng là nguồn thức ăn quan trọng của sinh vật nhuyễn thể (đây lại là khoái khẩu của cá voi phiến sừng). Thêm vào đó, họ cũng biết rằng với việc tiêu thụ một số lượng lớn vi khuẩn, con choanoflagellate giữ một vai trò quan trọng trong chu trình các-bon ở đại dương. Nhưng vì choanoflagellate và động vật có chung tổ tiên từ 600 triệu đến khoảng 1 tỉ năm về trước, nên choanoflagellate nắm giữ trong tay chìa khóa để tìm hiểu nguồn gốc cũng như sự tiến hóa của các loài động vật.

Choanoflagellate là những tế bào vi khuẩn có nhân hoàn chỉnh ở dưới nước đặc trưng với cái roi ở trên đầu (màu xanh lá) dùng để bơi và ăn; xung quanh là một nhóm các tua cảm (màu đỏ) để bắt con mồi. Nhân của chúng có màu xanh lục. (Ảnh: Phòng thí nghiệm Nicole King, UC Berkeley)

Bà King - trợ lý giáo sư ngành sinh học kết hợp, sinh học phân tử và tế bào, đồng thời là người đã giành giải thưởng MacArthur năm 2005, cho biết: "Choanoflagellate là họ hàng đơn bào còn tồn tại gần nhất với động vật; vì thế nó có thể giúp chúng ta hiểu được lịch sử của con người cũng như lịch sử của sự sống trên trái đất – nơi các sinh vật đơn bào đã từng thống trị. Chúng mang lại ánh sáng cho sinh học và bí mật hệ gen của các sinh vật đơn bào mà từ đó chúng ta đã tiến hóa”.

Nhờ thiết lập trình tự gen, các nhà khoa học đã phát hiện choanoflagellate có rất nhiều gen mà ở động vật chúng sản xuất ra các protein thiết yếu trong việc phát tín hiệu giữa các tế bào cũng như trong việc quyết định những tế bào nào đi thành một nhóm với nhau. Theo King, vì Monosiga không sống thành nhóm đông đúc như những con choanoflagellate khác, nên vai trò của những protein này vẫn còn nằm trong bức rèm bí ẩn.

King nói: “Ở động vật, một vài loại trong số những protein này có tên cadherin đã tiến hóa để kết nối các tế bào với nhau. Chúng giống như một chất keo dính ngăn không cho nhóm tế bào tách rời ra. Mặc dù choanoflagellate không mang bằng chứng của sinh vật đa bào, nhưng chúng có tới 23 gen sản xuất protein cadherin – bằng với gen có ở ruồi giấm hay chuột”.

Trên tờ Science, King cùng với nghiên cứu sinh Monika Abedin đã viết rằng, một số loại protein kể trên đã được tìm thấy gốc tế bào choanoflagellate, nơi nó bám vào các bề mặt, xung quanh tua cảm bắt giữ và tiêu hóa vi khuẩn.

Họ tranh luận rằng, có lẽ tổ tiên đơn bào cuối cùng của tất cả các loài động vật (trong đó có cả con người) đã sử dụng loại protein cadherin cổ xưa để bắt và ăn vi khuẩn, trong khi động vật đa bào có cấu trúc phức tạp hơn lại sử dụng cadherin để gắn kết các tế bào và trở thành sinh vật đa bào lớn hơn. Trong bài trên báo Science có viết: “Quá trình biến đổi sang sinh vật đa bào dường như dựa vào khả năng kết hợp các protein xuyên màng đa dạng để hình thành những chức năng mới trong việc phát tín hiệu giữa các tế bào và gắn kết”.

Dan Rokhsar – giáo sư ngành sinh học phân tử và sinh học tế bào tại đại học California (Berkeley) kiêm chỉ đạo chương trình gen điện toán tại JGI – cho biết: “Choanoflagellate đúng thực là một cửa sổ thời gian độc nhất vô nhị dẫn tới nguồn gốc của các loài động vật và con người. Chúng là phương thức tốt nhất giúp chúng ta lập lưới tam giác về tổ tiên đơn bào cuối cùng của động vật khi mà chưa hề có hóa thạch”. King và Rokhsar đồng thời là thành viên trung tâm Integrative Genomics (Đại học California, Berkeley).

Choanoflagellate là những sinh vật ăn vi khuẩn sinh sôi tại những vùng nước mặn và nước ngọt trên toàn thế giới. Với bề ngang khoảng 10 micromet, chúng chỉ bằng kích cỡ của một tế bào nhân hoàn chỉnh khác là men. Trong khi men rất thân thuộc với các nhà nghiên cứu gen thì choanoflagellate lại không. King rất hy vọng có thể thay đổi được điều này khi hệ gen của choanoflagellate đã được thiết lập trình tự.

Những sinh vật này có hình quả trứng với một cái đuôi dài ở một đầu (còn gọi là roi); bao quanh gốc là một vòng tua cảm giúp bắt vi khuẩn. Choanoflagellate có nguồn gốc từ “collar” (tiếng Hy Lạp có nghĩa là “vòng”). Roi của nó giúp choanoflagellate bơi trong nước và đẩy vi khuẩn về phía các tua. Do choanoflagellate giống với bọt biển (nằm trong số những động vật nguyên thủy nhất), nên 165 năm trước các nhà sinh học đã cho rằng nó là tổ tiên xa của động vật đa bào.

King và Rokhsar đã thành công trong việc đề nghị thiết lập trình tự gen của choanoflagellate một vài năm trước đây. Đó cũng là một phần Chương trình gen vi khuẩn của Viện Department of Energy. Sau đó, King bắt tay vào tách các ADN không nhiễm bệnh để thiết lập trình tự. Sơ đồ gen hoàn thành và được chú giải vào năm 2007, bao gồm 9.200 gen. Nó tương đương về kích cỡ với nấm và tảo cát nhưng nhỏ hơn nhiều so với hệ gen của động vật đa bào. Ví dụ như con người chúng ta có khoảng 25.000 gen.

Thú vị là, choanoflagellate có khá nhiều các đoạn intron trên gen (khu vực không mang thông tin mã hóa từng được gọi là ADN “bỏ đi”) cũng giống với con người và lại nằm trên những điểm tương đương. Các đoạn intron cần phải được loại bỏ trước khi gen được sử dụng để làm bản thiết kế tạo ra protein. Chúng cũng có liên quan đến các sinh vật bậc cao.

Theo King, hệ gen của choanoflagellate, cũng giống như hệ gen của rất nhiều sinh vật đơn giản được thiết lập trình tự những năm gần đây, đã thể hiện mức độ phức tạp đáng ngạc nhiên. Ví dụ như rất nhiều gen có liên quan đến hệ thần kinh trung ương của sinh vật bậc cao đã được tìm thấy ở những sinh vật đơn giản; mà điều đáng nói là những sinh vật này lại không hề có trung khu thần kinh.

Tương tự, choanoflagellate có 5 đoạn globulin miễn dịch mặc dù chúng không có hệ miễn dịch. Chúng có các đoạn gen quy định sản xuất collagen, integrin và cadherin mặc dù không có xương hay khuôn để gắn kết các tế bào. Đồng thời chúng có các protein nhóm tyroxin kinaza giữ vai trò chủ chốt trong việc phát tín hiệu giữa các tế bào, mặc dù Monosiga được biết là không thể giao tiếp, hay ít nhất là không sống theo nhóm nhiều thành viên.

Những phát hiện kể trên giúp King và đồng nghiệp của bà lắp ráp nên một bức tranh về tổ tiên chung của con người và những sinh vật giống choanoflagellate; đồng thời tìm kiếm những đầu mối về những loài động vật đầu tiên.

Rokhsar nói: “Điều này tương đương với mức độ hiểu biết của chúng tôi về cách mà tổ tiên của các loài động vật gắn kết và giao tiếp với nhau. Ít nhất là từ đó chúng tôi có thể đưa ra những giả thuyết ban đầu về dáng dấp của những sinh vật giống động vật ngày này”.

Tuy nhiên, không phải dễ dàng để có thể xác định gen nào có mặt trong tổ tiên chung cuối cùng của choanoflagellate và con người; còn gen nào chỉ mới xuất hiện. Choanoflagellate và con người đã tiến hóa cùng trong một khoảng thời gian, do đó sự khác biệt về hệ gen có thể phản ánh những gen bị mất ở choanoflagellate cũng như gen ở con người mới có được. So sánh hệ gen của Monosiga với các sinh vật khác, bao gồm cá thể choanoflagellate khác có tên Proterospongia (sinh vật sống theo nhóm được thiết lập trình tự gen bởi Viện Y tế quốc gia) có thể trả lời câu hỏi này.

King hy vọng rằng hệ gen của Monosiga có thể đưa ra đáp án cho nhiều nghi vấn về sự tiến hóa của động vật và soi sáng ngành sinh học còn nghèo nàn thông tin về loài sinh vật sống dưới nước này.

King trong khi lưu ý một trường hợp tương tự với cỏ chân ngỗng biển Nematostella vectensis (được thiết lập trình tự gen năm 2007) đã nói: “Đây là thời đại mới, nơi chúng ta bắt đầu với một hệ gen để hiểu được các đặc điểm sinh học của một sinh vật. Hệ gen đó chính là lợi thế của chúng ta”.