Sinh vật biển giống sâu cung cấp đầu mối về quá trình tiến hóa của loài người

Nghiên cứu hệ gen của một loại sinh vật biển do các nhà khoa học tại Viện hải dương học Scripps thuộc đại học California San Diego mang đến nguồn ánh sáng mới giải thích bí ẩn bao phủ phần quan trọng của cây sự sống.

Nhà nghiên cứu sinh học Linda Holland thuộc viện Hải dương học Scripps cùng các cộng sự từ Hoa Kì, châu Âu và châu Á mới đây đã giải mã, phân tích các thành phần cơ bản trong vật liệu di truyền của một loài động vật biển giống sâu có tên amphioxus hay còn gọi là lưỡng tiêm. Amphioxus mặc dù không được mọi người biết đến nhiều nhưng lại rất đáng chú ý trong lĩnh vực khoa học bởi nó là một trong những họ hàng không xương sống còn tồn tại gần gũi nhất với động vật có xương sống. Mặc dù amphioxus tách biệt với động vật có xương sống khoảng trên 520 triệu năm trước, hệ gen của nó vẫn còn chứa nhiều đầu mối chưa giải đáp được về quá trình tiến hóa.

Nghiên cứu do Holland chỉ đạo được đăng tải trên số ra tháng 6 tờ Genome Research. Bài viết tương tự về nghiên cứu cũng được đăng tải trên số ra ngày 19 tháng 6 tờ Nature.

Holland cùng các cộng sự đã nghiên cứu gen của loài lưỡng tiêm Branchiostoma floridae qua các mẫu thu được trong những năm gần đây trong quá trình nghiên cứu thực địa tại Tampa, Fla.

Con Amphioxus đẻ trứng. (Ảnh: Tiến sĩ Simona Candiani)

Do loài amphioxus tiến hóa chậm, cơ thể của nó còn giữ lại nhiều điểm tương đồng với hóa thạch từ kỉ Cambri. Nó có vai trò mẫu vật so sánh quan trọng nhằm tìm hiểu động vật có xương sống đã tiến hóa và thích nghi như thế nào. Nó cũng mang nhiều thông tin mới về quá trình động vật có xương sống sử dụng các gen cũ nhằm thực hiện chức năng mới.

Holland, Khoa nghiên cứu sinh học đại dương tại viện Hải dương học Scripps, cho biết: “Chúng tôi nhận thấy động vật có xương sống với cấu trúc phức tạp hiện nay không tạo ra nhiều gen mới để đạt được cấu trúc đó. Amphioxus cho thấy động vật có xương sống thực chất đã dùng các gen cũ, tái tổ hợp lại, thay đổi cơ chế điều hành mà có lẽ từ đó đã làm biến đổi chức năng gen”.

Lần đầu tiên được phát hiện vào những năm 1700, con amphioxus có hình dạng giống cá với cái vây đuôi nhỏ và các vây có kích cỡ trung bình nhưng không thành cặp. Chúng dành hầu hết thời gian vùi mình trong cát, với cái miệng mở rộng để lọc thức ăn.

Hệ gen của loài người chỉ có khoảng 25% nhiều hơn so với hệ gen của amphioxus. Trong quá trình tiến hóa, con người đã nhân đôi vốn gen để thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Quá trình nhân đôi tạo điều kiện cho loài người cũng như các loài động vật có xương sống khác có được bộ dụng cụ đa năng hơn để tạo nên các cấu trúc khác nhau không xuất hiện ở loài amphioxus, trong đó bao gồm các tế bào sắc tố và sụn có cấu trúc từ protein collagen loại II.

Trong nghiên cứu mới, Holland cùng các cộng sự đã công bố thành công trong việc tìm hiểu gốc rễ của các chức năng quan trọng trong cơ thể như miễn dịch chẳng hạn. Trong khi các động vật có xương sống có hai hệ thống miễn dịch: một là hệ thống bẩm sinh với vai trò là phòng tuyến chung đầu tiên nhằm chống lại mầm bệnh; hai là hệ thống thích nghi bằng việc hình thành kháng thể cụ thể đối với từng loại mầm bệnh nhất định. Động vật không xương sống như con amphioxus lại chỉ có duy nhất hệ thống miễn dịch bẩm sinh. Đối với loài amphioxus, một vài gen miễn dịch bẩm sinh đã được nhân đôi độc lập nhiều lần. Có lẽ với phòng tuyến bảo vệ thứ hai so với phòng tuyến miễn dịch của các động vật không xương sống như amphioxus, các động vật có xương sống ít phụ thuộc vào hệ thống miễn dịch bẩm sinh hơn để chống chọi với các tác nhân lây nhiễm.

Các tế bào của mào thần kinh ở động vật có xương sống là một ví dụ lý tưởng chứng minh các gen cũ đã có được chức năng mới như thế nào. Ở tất cả các loài động vật có xương sống, tế bào mào thần kinh di trú từ quá trình phát triển ống thần kinh trong cơ thể, làm tăng các cấu trúc như tế bào sắc tố, sụn trong đầu và rất nhiều các loại tế bào khác. Mặc dù amphioxus có não và dây thần kinh tủy sống cùng sử dụng các gen theo phương thức của động vật có xương sống, nhưng amphioxus lại không có tế bào mào thần kinh. Dù thế, amphioxus vẫn có tất cả các gen cần thiết để tạo các tế bào mào thần kinh di trú. Động vật có xương sống chỉ kết hợp các gen này theo cách mới mà thôi. Hiện tượng này giống như việc một người đầu bếp dồn tất cả các món ăn thừa cất trong tủ lạnh trộn lẫn với nhau để tạo nên một món ăn ngon lành.

Holland nói rằng: “Thông điệp thu được từ việc sắp xếp này là hệ gen của con người và hệ gen của amphioxus khá giống nhau”.

30 phòng thí nghiệm trên toàn thế giới đã nỗ lực cộng tác nhằm phân tích trình tự gen của amphioxus.

Phân tích chuyên sâu về hệ gen của con người và hệ gen của amphioxus sẽ mang lại nhiều đầu mối quan trọng hơn về quá trình tiến hóa di truyền.

“Tất cả những gì thu được hiện nay chỉ giống như phần ngọn của một tảng băng. Sẽ phải mất nhiều năm để chúng ta có được cái nhìn sâu hơn về hệ gen của con người cũng như hệ gen của amphioxus. Với vai trò nhằm tìm ra hoạt động của quá trình tiến hóa cũng như phương thức chung của nó, hệ gen của amphioxus thực sự là một mỏ vàng vẫn sẽ giữ nguyên giá trị trong những năm tới”.

Ngoài Holland, các đồng tác giả của nghiên cứu đăng tải trên tờ Genome Research bao gồm: Ricard Albalat, Kaoru Azumi, Èlia Benito-Gutiérrez, Matthew J. Blow, Marianne Bronner-Fraser, Frederic Brunet, Thomas Butts, Simona Candiani, Pieter J. de Jong, Larry J. Dishaw, David E. K. Ferrier, Jordi Garcia-Fernàndez, Jeremy J. Gibson-Brown, Carmela Gissi, Adam Godzik, Finn Hallböök, Dan Hirose, Kazuyoshi Hosomichi, Tetsuro Ikuta, Hidetoshi Inoko, Masanori Kasahara, Jun Kasamatsu, Takeshi Kawashima, Ayuko Kimura, Masaaki Kobayashi, Zbynek Kozmik, Kaoru Kubokawa, Vincent Laudet, Gary W. Litman, Alice C. McHardy, Daniel Meulemans, Masaru Nonaka, Robert P. Olinski, Kazutoyo Osoegawa, Zeev Pancer, Len A. Pennacchio, Mario Pestarino, Jonathan P. Rast, Isidore Rigoutsos, Marc Robinson-Rechavi, Graeme Roch, Hidetoshi Saiga, Yasunori Sasakura, Masanobu Satake, Yutaka Satou, Michael Schubert, Nancy Sherwood, Takashi Shiina, Naohito Takatori, Javier Tello, Pavel Vopalensky, Shuichi Wada, Anlong Xu, Yuzhen Ye, Keita Yoshida, Fumiko Yoshizaki, Jr-Kai Yu, Qing Zhang, Christian M. Zmasek, Nicholas H. Putnam, Daniel S. Rokhsar, Noriyuki Satoh và Peter W. H. Holland.

Những người khác cùng tham gia trong dự án nghiên cứu hệ gen của amphioxus gồm có Pieter de Jong và Kazutoyo Osoegawa thuộc Bệnh viện nhi Oakland (CHORI).

Nghiên cứu được Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kì, Viện y tế quốc gia Hoa Kì, tổ chức Wellcome Trust (Anh Quốc), BBSRC (Anh Quốc), MEXT (Nhật Bản), Trung tâm gen ứng dụng MSMT và Học viện Khoa học (Cộng hòa Séc), COEs toàn cầu và thế kỉ 21 tại đại học Kyoto (Nhật Bản), Ministerio de Educación y Ciencia (Tây Ban Nha), MIUR (Italy), FIRB 2001 BAU01WAFY, cùng với MENRT, CNRS and CRESCENDO – dự án kết hợp liên minh châu Âu FP6 tài trợ.