Các protein cổ đại giúp vẽ lại lịch sử loài người

Những protein có niên đại hơn một triệu năm được tách chiết từ một số hóa thạch có thể giúp chúng ta giải đáp một số vấn đề còn chưa rõ về người cổ đại. Phát hiện này cũng đánh dấu một mốc quan trọng khác: lần đầu tiên, có thể xác định được người cổ đại chỉ bằng protein.

Hang động nơi phát hiện ra di cốt người Denisovan ở Tây Tạng. Ảnh: Nature

Vào khoảng 160.000 năm trước, một thi thể người cổ đại được chôn vùi trong một hang động trên cao nguyên Tây Tạng, có lẽ người này đã chết ở đây nhưng cũng có thể là do họ hàng hoặc động vật đưa xác lên đây. Hàng thiên niên kỷ đã trôi qua, những biến chuyển về địa chất và môi trường khiến các dòng sông băng tan rã rồi lại xuất hiện. Tất cả những gì còn lại là một chút xương hàm với một số răng của người đó. Rút cục, xương dần dần được bọc trong một lớp vỏ bọc khoáng chất, DNA bị mất. Nhưng thật may mắn, một số tín hiệu từ quá khứ vẫn tồn tại…

Tận sâu trong cấu trúc răng của tông người cổ đại này, protein dù bị xuống cấp nhưng vẫn có thể nhận dạng được. Khi các nhà khoa học phân tích chúng vào đầu năm nay, họ đã phát hiện ra collagen, một loại protein hỗ trợ các cấu trúc được tìm thấy trong xương và các mô khác. Đặc trưng của nó là một biến thể axit amin đơn, vốn không hiện diện trong collagen của người hiện đại hay người Neanderthal – thay vào đó, nó chỉ ra xương hàm này thuộc về một thành viên của tông người cổ đại bí ẩn có tên là Denisovan. Việc phát hiện ra một người Denisovan ở Tây Tạng là một bước ngoặt lớn. Đó là cá thể đầu tiên được tìm thấy bên ngoài hang động Denisova ở Siberia, nơi tất cả các di cốt khác thuộc loài này đã được xác định trước đó. Và vị trí của khu vực trên cao nguyên Tây Tạng – cao hơn 3.000 mét so với mực nước biển – cho thấy rằng người Denisovan đã có thể sống trong môi trường rất lạnh, thiếu oxy.

Đây là một trong những khám phá nổi bật nhất đối với lĩnh vực nghiên cứu hệ protein cổ đại (palaeoproteomics), một lĩnh vực nghiên mới mà trong đó các nhà khoa học phân tích protein cổ xưa để trả lời câu hỏi về lịch sử và sự tiến hóa của con người và các động vật khác. Do tồn tại trong hóa thạch lâu hơn nhiều so với DNA, các protein có thể cho phép các nhà khoa học khám phá toàn bộ thời đại tiền sử. Trước đây, các nhà khoa học đã phục hồi protein từ răng động vật 1,8 triệu năm tuổi và vỏ trứng 3,8 triệu năm tuổi. Bây giờ, họ hy vọng việc nghiên cứu về hệ protein cổ đại có thể đem lại cái nhìn sâu sắc hơn về các hóa thạch và sự tiến hóa của người cổ đại đã mất tất cả các dấu vết DNA – từ Homo Erectus (người đứng thẳng), đã di chuyển ra toàn thế giới từ khoảng 1,9 triệu đến 140.000 năm trước, đến Homo Floresiensis (người Flores, còn có biệt danh là Hobbit), loài người tí hon sống ở Indonesia khoảng 60.000 năm trước, đặc biệt là tổ tiên trực tiếp của con người hiện đại ngày nay là Homo Sapiens. “Tôi nghĩ rằng về cơ bản bạn có thể mở khóa toàn bộ cây phả hệ của loài người”, Matthew Collins nói. Mathew là nhà nghiên cứu sinh vật học tại Đại học Copenhagen, người đi đầu trong lĩnh vực này từ những năm 1980, khi đó chỉ bao gồm một số ít các nhà nghiên cứu.

Những bước tiến trong phân tích DNA cổ đại hóa thạch

Bất chấp niềm vui trước phát hiện mới này, một số ý kiến phản biện cho rằng, các nhà nghiên cứu khó vẽ nên một bức tranh toàn diện về lịch sử loài người từ thông tin từ protein, điều mà khó có thể thực hiện được với những DNA cổ đại hoá thạch. Và nhiều người lo lắng, hệ protein cổ đại nói chung có thể dễ bị ảnh hưởng từ các kết quả không chính xác, xuất phát từ các vấn đề như nhiễm mẫu. 

Mô hình về người Neanderthal. Ảnh: Nature

Quả thực, trong hai thập kỷ qua, phân tích về sự tương đồng và khác biệt trong DNA của các nhóm người cổ đại khác nhau đã cho phép các nhà nghiên cứu xây dựng cây phả hệ của loài người theo cách mà trước đây không thể thực hiện được. Nhưng những khoảng trống rõ ràng vẫn hiển hiện trong bức tranh đó. DNA đã được giải trình tự từ chỉ ba loài người: Neanderthal, Denisovans và Homo Sapiens, chủ yếu là từ các mẫu vật chưa đến 100.000 năm tuổi (một ngoại lệ đáng chú ý là một cặp người Neanderthal có niên đại 430.000 tuổi từ Tây Ban Nha). Nhìn tiếp vài trăm ngàn năm trước nữa, mọi thứ trở nên mờ nhạt hơn. Frido Welker, nhà nhân chủng học phân tử tại Đại học Copenhagen, cho biết, đây là khoảng thời gian có rất nhiều điều thú vị đã diễn ra, chẳng hạn, khi người Denisovan và người Neanderthal tách ra khỏi nhánh mà sau này trở thành người hiện đại. Những điều mơ hồ khác của lịch sử loài người như nhóm người cổ đại Homo Heidelbergensis, sống khoảng 700.000  đến 200.000 năm trước, là tổ tiên của cả loài người tinh khôn Homo sapiens và loài người Neanderthal hay chỉ là một phần của nhánh Neanderthal? Rất nhiều điều có thể xảy ra mà phân tích DNA cổ đại chưa giải thích được. Một triệu năm về trước, mọi thứ thậm chí còn mơ hồ hơn. Ví dụ, loài người Homo Erectus xuất hiện lần đầu tiên ở châu Phi khoảng 1,9 triệu năm trước nhưng không có bằng chứng DNA nên vẫn không chắc chắn là nó liên quan đến các nhóm người cổ đại sau này như thế nào, bao gồm cả người tinh khôn Homo Sapiens.

DNA cổ đại cũng đã để lại những điểm mù về mặt địa lý. DNA xuống cấp nhanh hơn trong môi trường nóng ẩm, do đó, mặc dù mẫu vật 100.000 năm được tìm thấy trong hang động lạnh ở Siberia vẫn có thể chứa vật liệu di truyền, nhưng một hóa thạch tồn tại lâu ở nhiệt độ nóng ở châu Phi hoặc Đông Nam Á thường không còn chứa DNA. Kết quả là, rất ít thông tin di truyền của các nhóm người cổ đại mặc dù niên đại di cốt tương đối gần ngày nay từ các khu vực nóng ẩm, chẳng hạn như người Homo Floresiensis ở Indonesia.
Ngày nay, các nhà nghiên cứu đang hy vọng phân tích protein có thể từng bước điền vào các khoảng trống đó. Thực ra, ý tưởng này không mới: ngay từ những năm 1950, các nhà nghiên cứu đã công bố việc tìm thấy axit amin trong hóa thạch. Nhưng trong một thời gian dài, công nghệ cần thiết để phân tích trình tự protein cổ xưa không có. Collins cho biết, trong hầu hết sự nghiệp nghiên cứu của mình, ông thực sự tin rằng không thể phục hồi các chuỗi protein cổ xưa.

Điều đó đã thay đổi vào những năm 2000, sau khi các nhà nghiên cứu nhận ra rằng phép đo khối phổ – một kỹ thuật được sử dụng để nghiên cứu các protein hiện đại – cũng có thể được áp dụng cho các protein cổ đại. Khối phổ chủ yếu liên quan đến việc phá vỡ protein thành các peptide cấu thành của chúng (chuỗi axit amin ngắn) và phân tích khối lượng của chúng để suy ra thành phần hóa học của chúng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp này để sàng lọc hàng trăm mảnh xương để xác định các loài động vật. Trong phương pháp này, được gọi là khảo cổ học động vật bằng khối phổ (zooarchaeology by mass spectrometry – ZooMS), các nhà nghiên cứu thực hiện phân tích một loại collagen. Khối lượng của các thành phần collagen khác nhau trong các nhóm và loài khác nhau cung cấp một dấu ấn sinh học đặc trưng cho phép các nhà nghiên cứu phân định nguồn xương.

Điền vào khoảng trống tiến hóa

Trong một bài báo công bố năm 2016 trên Nature, các nhà nghiên cứu đã sử dụng ZooMS để xác định một mẩu xương người cổ đại trong số hàng ngàn mảnh vỡ từ hang động Denisovan – một mảnh xương mà phân tích DNA sau này cho thấy thuộc về một cá thể lai, được các nhà khoa học đặt tên là Denny, giữa một người mẹ Neanderthal và một người cha Denisovan. Với kết quả bước đầu đó, phân tích protein cổ đại đã mở rộng đáng kể quan điểm của chúng ta về sự tiến hóa của loài người.

Nhưng ZooMS chỉ có thể vẽ lên bức tranh với những nét sơ sài. Khi xương được xác định là thuộc về một nhánh người cổ đại, chúng ta lại cần các kỹ thuật khác để phân tích sâu hơn. Vì vậy, những nhà nghiên cứu đã chuyển sang kỹ thuật phân tích băm nhỏ hệ protein (shotgun proteomics), nhằm mục đích xác định tất cả các chuỗi protein trong hệ protein của một mẫu. Thành phần của hệ protein phụ thuộc vào loại mô được kiểm tra, nhưng thường sẽ bao gồm các dạng collagen khác nhau. Phương pháp này tạo ra hàng ngàn tín hiệu, khiến nó có nhiều thông tin hơn ZooMS nhưng cũng khó diễn giải hơn, theo Katerina Douka, tại Viện Khoa học Lịch sử Nhân loại Max Planck ở Jena, Đức. Douka đang sử dụng kỹ thuật này để tìm kiếm thông tin trong số 40.000 mảnh xương không xác định từ châu Á với hy vọng phát hiện ra nhiều nhóm người cổ đại. Bằng cách kết hợp các tín hiệu này với các chuỗi đã biết trong cơ sở dữ liệu, các nhà nghiên cứu có thể xác định các chuỗi chính xác của collagen hoặc các protein khác trong mẫu mà họ có.

Sau đó, các nhà khoa học có thể so sánh trình tự protein mới được xác định này với cùng một loại protein từ các nhóm người cổ đại khác, tìm kiếm sự tương đồng và khác biệt trong từng loại axit amin sẽ giúp đặt các nhóm người này vào cây phả hệ. Điều này tương tự như cách các nhà nghiên cứu DNA cổ đại nhìn vào các biến thể một nucleotide trong chuỗi di truyền.

Cây phả hệ loài người, trong cây phả hệ này, mối quan hệ giữa một số nhánh với nhau vẫn chưa hề rõ ràng. Ví dụ, người Flores có mối liên hệ trực tiếp với Homo Erectus hay với Australopithecus vẫn là vấn đề để ngỏ. Nguồn: humanorigins.si.edu

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã sử dụng phân tích protein cùng với trình tự DNA cổ xưa trước đây, nhưng người Denisovan Tây Tạng là tông người cổ đại đầu tiên được phân tích protein (và các nhóm nghiên cứu khác sẽ sớm làm theo). Ví dụ, xem xét các chuỗi protein từ H. Heidelbergensis, có thể làm rõ mối quan hệ của nó với Homo Sapiens và người Neanderthal.

Người ta hi vọng, nghiên cứu hệ protein có thể tìm câu trả lời cho cuộc tranh luận trong suốt một thập kỷ rưỡi về bản chất và mối quan hệ của người Homo Floresiensis với các tông người cổ đại khác. Cho đến giờ, người ta vẫn còn mơ hồ với những gợi ý rằng đây có thể là hậu duệ của người Homo Erectus, hoặc có lẽ thậm chí nó đã phát triển từ Australopithecus (vượn người Phương Nam), sống cách đây hơn 2 triệu năm, có mối quan hệ với người hiện đại còn xa hơn Homo Erectus. Tương tự như Homo Floresiensis, các nhà khoa học cũng có thể phân tích trường hợp của Homo Luzonensis, mới được phát hiện ở Philippines năm ngoái. Các nhà khoa học Philippines đang lên kế hoạch gửi cho Welker một chiếc răng động vật từ hang động nơi tìm thấy H. Luzonensis, để kiểm tra khả năng phân tích protein trong các vật liệu nhiệt đới cổ đại.

Những rào cản

Vẫn còn những rào cản phải vượt qua trước khi các việc nghiên cứu protein cổ xưa có thể làm sáng tỏ các nhánh của cây tiến hóa của loài người. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã có thể suy ra các chuỗi protein của một số tông người cổ đại có niên đại gần dây khá dễ dàng, bởi vì họ đã có DNA từ người Neanderthal, Denisovans và Homo Sapiens. Điều này cho phép họ dự đoán các chuỗi protein có khả năng xuất hiện trong các tín hiệu quang phổ khối của chúng. “Bạn có thể xác định các mảnh vỡ mà bạn mong đợi từ các trình tự bộ gene đã biết, từ các tông người cổ đại hoặc người hiện đại, và phân tích chúng”, theo Svante Pääbo, một nhà nghiên cứu cổ sinh học tại Viện Nhân chủng học tiến hóa Max Planck ở Leipzig, Đức. Nhưng khi muốn phân tích các mẫu có niên đại lớn hơn, họ sẽ cần tìm ra chuỗi các axit amin đó mà không có hệ protein tham chiếu. Đó là một thách thức hiện hữu đối với nghiên cứu các protein cổ đại, bởi vì các protein bị phân hủy thành các mảnh nhỏ và các mẫu thường bị nhiễm các protein hiện đại, Pääbo nói.

Collins tự tin rằng nó có thể được thực hiện. Anh chỉ vào một bài báo công bố năm 2015, trong đó anh, Welker và những người khác đã lập bản đồ cây phát sinh loài cho động vật móng guốc bản địa Nam Mỹ, một nhóm động vật có vú trông kỳ dị đã tuyệt chủng khoảng 12.000 năm trước. Không có DNA từ hóa thạch móng guốc, nhóm nghiên cứu đã phải sắp xếp các protein collagen từ đầu để so sánh chúng với các động vật khác. Họ phát hiện ra rằng hai loài móng guốc bản địa đã tuyệt chủng là Toxodon và Macrauchenia có liên quan chặt chẽ với một nhóm bao gồm ngựa và tê giác – và không liên quan tới nhóm Afrotheria bao gồm voi và lợn.

Ngoài ra, còn có những hạn chế cơ bản khác. Răng và xương cổ có chứa một số lượng nhỏ protein, do đó, có rất ít thông tin có thể được sử dụng để xác định mẫu vật. Ví dụ, phân tích của người Denisovan ở Tây tạng đã tiết lộ các trình tự từ tám loại protein collagen khác nhau với tổng cộng hơn 2.000 axit amin. Chỉ cần một trong những axit amin này khác với trình tự của người Neanderthal và hiện đại, thì mẫu vật này được xác định là Denisovan. Điều đó có nghĩa là ngay cả khi một nhà nghiên cứu có thể giải trình tự các protein từ mẫu vật Homo Erectus, đơn giản là không có đủ thông tin trong các chuỗi axit amin để nói bất cứ điều gì rõ ràng và dứt khoát về mối quan hệ của nó với người hiện đại hoặc cổ xưa. Để so sánh, một hệ gene cổ đại chứa khoảng ba triệu biến đổi di truyền so với bất kỳ bộ gene nào khác, và do đó có nhiều thông tin hơn về sự tiến hóa.
Và bởi vì protein thường thực hiện các chức năng quan trọng – như hình thành cấu trúc của xương, nên chúng không thể thay đổi nhiều khi các loài tiến hóa. Các protein đặc trưng cho men, chẳng hạn, hoàn toàn giống nhau ở người Denisovan, Homo sapiens và người Neanderthal, do đó, có thể sử dụng để phân biệt giữa các nhóm này. Tuy nhiên, những protein này thay đổi ở những loài vượn lớn khác và có thể có nhiều thông tin hơn khi nói đến các nhóm thuộc họ người có niên đại xa hơn. Các nhà nghiên cứu lại biết rất ít về cách thức các chuỗi protein biến đổi trong quần thể người này. 

Học hỏi từ quá khứ

Cũng còn có những thách thức khác. Một số nhà nghiên cứu lo ngại rằng tiếng vang lớn từ nghiên cứu hệ protein cổ xưa (palaeoproteomics) có thể dẫn đến những sai lầm tương tự việc nghiên cứu DNA cổ đại đã làm cách đây 20 năm. Nhiều kết quả rõ ràng thú vị từ những năm 1990 và đầu những năm 2000 – việc phát hiện DNA từ khủng long hoặc côn trùng bị mắc kẹt trong hổ phách, chẳng hạn – sau đó hóa ra là nhầm lẫn vì các mẫu bị nhiễm hoặc do lỗi phương pháp phân tích. “Tôi sẽ không ngạc nhiên nếu điều này xảy ra với thế giới proteomics”, Douka nói.

Những người đi đầu trong lĩnh vực này nhận thức được điều đó, và nhiều nhà nghiên cứu đang nỗ lực phối hợp để tạo ra các kết quả nghiên cứu đáng tin hơn. Trong số đó có Jessica Hendy, một nhà khảo cổ học tại Đại học York, Anh, người đang tiên phong trong việc sử dụng protein để nghiên cứu chế độ ăn uống của con người thời kỳ đầu. Trong một bài báo năm 2018, Hendy và các đồng nghiệp đã xác định được protein trong đồ gốm 8.000 năm tuổi từ Çatalhöyük ở Thổ Nhĩ Kỳ ngày nay, và tiết lộ rằng cư dân cổ đại đã ăn nhiều loại thực vật và động vật, và thậm chí chế biến sữa thành váng sữa.

“Kỹ thuật này rất thú vị và hấp dẫn và thực sự được chú ý rất nhiều, đặc biệt là ngay bây giờ” Hendy nói. “Chúng tôi thực sự cần phải nghiên cứu một cách cẩn thận”, cô nói thêm. Cùng với Welker, Hendy là tác giả chính của một bài viết phác thảo các thực hành tốt nhất cho lĩnh vực này, từ việc tránh nhiễm mẫu đến chia sẻ dữ liệu trong các cơ sở dữ liệu công khai.

Hendy bổ sung thêm rằng cần phải có nhiều nghiên cứu cơ bản hơn về cách thức protein tồn tại và suy thoái trong thời gian dài. Loại nghiên cứu này có thể không phải là tâm điểm chú ý, cô nói, nhưng có thể giúp các nhà nghiên cứu tự tin hơn nhiều về kết quả của họ. Cô đưa ra một ví dụ về kết quả nghiên cứu của Beatrice Demarchi ở Đại học Turin, Ý. Trong nghiên cứu đó, Demarchi thấy rằng các protein trong vỏ trứng 3,8 triệu năm tuổi đã liên kết với các tinh thể khoáng bề mặt của vỏ trứng, đủ để làm đóng băng chúng. “Điều tuyệt vời đó là nó thực sự giải thích lý do tại sao các protein có thể tồn tại lâu như vậy, điều này khiến cho các kết quả nghiên cứu đáng tin cậy hơn rất nhiều”, Hendy giải thích thêm.

Mặc dù vẫn còn những vấn đề cần giải quyết, nhưng những tiến bộ trong lĩnh vực này vẫn tiếp tục diễn ra. Và trong khi sự tiến hóa của con người có thể được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, các nhà khoa học đang ứng dụng phân tích hệ protein cổ đại theo nhiều cách khác nhau, từ nghiên cứu các dấu hiệu bệnh trong cao răng, cho đến việc điều tra da động vật nào được sử dụng để tạo ra giấy da thời Trung cổ.

Demarchi tin tưởng vào tương lai tươi sáng của nghiên cứu hệ protein cổ. Việc ứng dụng nghiên cứu hệ gene cổ đại có thể tạo ra những khác biệt lớn cho việc xây dựng cây phân loài của các sinh vật đã tuyệt chủng từ lâu. “Tôi không nghĩ việc nghiên cứu hệ protein cổ đại sẽ kết thúc trước khi tôi chết. Nó sẽ thực sự có bước tiến lớn”, cô nói. □

Nguyễn Cường  (TS, Trung tâm Công nghệ cao Vinmec) lược dịch
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-019-01986-x