Nobel Y học 2022: DNA cổ xưa vén bức màn bí mật về tiến hóa và sức khỏe loài người

Giải Nobel sinh lý – y học (thường gọi tắt là Nobel y học) năm 2022 vừa được trao cho GS Svante Pääbo (đọc gần giống: Xvan-tơ Pe-bô) ở Viện nhân học tiến hóa Max Planck (Leipzig, Đức) “vì những khám phá của ông liên quan đến bộ gen của những nhóm người đã tuyệt chủng và liên quan đến sự tiến hóa của loài người”.

Nobel y học năm nay khá đặc biệt vì giải chỉ trao cho 1 người, lại thuộc chuyên ngành sinh học tiến hóa.

Gian nan nghiên cứu tiến hóa bằng DNA cổ xưa

Tổ tiên loài Homo sapiens xuất phát từ châu Phi cách nay khoảng 300.000 năm và rời châu Phi di cư khắp trái đất cách đây khoảng 70.000 năm. Họ hàng gần nhất của chúng ta là người Neanderthal xuất hiện bên ngoài châu Phi và chỉ mới tuyệt chủng cách nay khoảng 30.000 năm. Như vậy, hai loại người này đã cùng tồn tại hàng chục ngàn năm trên lục địa Á–Âu, mà quan hệ giữa hai bên luôn là mối quan tâm hàng đầu của cổ sinh vật học, nhân học, và khảo cổ học. Thông tin trong bộ gene của người hiện đại và những di tích còn sót lại của các loại người cổ xưa sẽ giải đáp phần nào những bí ẩn này.

Từ những năm 1980, Svante Pääbo đã nghiên cứu DNA cổ xưa để tìm hiểu quá trình tiến hóa của sinh vật, chủ yếu là loài người nhưng có cả các động vật khác. Những mẫu DNA cổ xưa bị vùi dập, phân hủy dưới nhiều điều kiện khắc nghiệt trong một thời gian rất dài. Do đó khi được tách chiết, lượng DNA thu được thường dưới 0.1 ng/gram mô (DNA tách chiết từ mô động vật mới thu được thường đạt khoảng 1 µg/gram mô). Vấn đề nan giải hơn là DNA thu từ di tích mô cổ xưa luôn bị nhiễm các trình tự DNA từ các sinh vật khác, chủ yếu là vi sinh vật nhưng nghiêm trọng nhất là nguy cơ nhiễm DNA của người hiện đại.

Vì những khó khăn như vậy nên Pääbo thừa nhận rằng lúc đầu, ông cũng không rõ mình có thể làm việc với DNA từ người cổ đại không. Một trong những bài báo đầu tiên của Pääbo trong lĩnh vực này (tạp chí Nature, năm 1985) công bố một trình tự DNA từ xác ướp Ai Cập, nhưng trình tự đó sau này được xác định lại là của người hiện đại (có thể là của nhà khảo cổ học đã khai quật xác ướp đó). Tuy nhiên, với lòng đam mê tìm hiểu loài người cổ đại cùng tính kiên trì và sáng tạo, Pääbo đã dành hàng chục năm tiếp theo phát triển các phương pháp loại bỏ sự tạp nhiễm DNA của người hiện đại vào các mẫu khảo cổ. Một trong số đó là cách lấy mẫu DNA bằng dụng cụ và trong môi trường tuyệt đối sạch. Pääbo và cộng sự cũng tận dụng các công cụ sinh học phân tử hiện đại chẳng hạn như phát minh phản ứng chuỗi polymerase (công trình đạt giải Nobel hóa học năm 1993 của Kary Mullis) giúp việc khuếch đại các trình tự DNA dễ dàng hơn rất nhiều, cũng như các công nghệ giải trình tự DNA trên quy mô lớn với kết quả chính xác hơn. Những trình tự thu được sẽ được đem so sánh với các trình tự đã biết từ người và tinh tinh để loại bỏ những trình tự tạp nhiễm từ vi sinh vật. Cho đến năm 1997, nhóm của Pääbo đã công bố được trình tự DNA từ mẫu người Neanderthal cách đây hơn 50.000 năm trên tạp chí Cell. Mẫu lâu đời nhất được Pääbo phân tích DNA thành công đã tồn tại từ cách đây 430.000 năm ở Tây Ban Nha.

Ý nghĩa của trình tự gen cổ

Năm 2010, nhóm của Pääbo đã công bố một bản thảo bộ gene hơn 4 tỷ cặp nucleotide của người Neanderthal trên tạp chí Science. Trong cùng năm đó, trên tạp chí Nature, Pääbo công bố trình tự DNA của một mẫu xương ngón tay 40.000 năm tuổi phát hiện ở miền nam Siberia năm 2008. Kết quả xác định mẫu vật này không thuộc về người hiện đại, cũng chẳng phải người Neanderthal, mà một nhóm người mới được đặt tên Denisova theo tên cái hang mà trong đó người ta tìm ra mẫu ngón xương ngón tay này.

Khi phân tích, đối chiếu bộ gen người hiện đại (Homo sapiens), người Neanderthal, và người Denisova, Pääbo và các đồng nghiệp cho thấy bộ gen của loài người hiện đại ở Châu Á và Châu Âu có mang 1–4% gen của người Neanderthal, chứng tỏ tổ tiên của người hiện đại đã có quan hệ phối ngẫu với người Neanderthal sau khi rời khỏi Châu Phi. Người Denisova cũng chia sẻ một số gen với người hiện đại, đặc biệt ở Tây Tạng. Những gene chung này tuy ít nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong y học. Chẳng hạn như các gen từ người Neanderthal có liên quan đến nguy cơ tâm thần phân liệt hay bị biến chứng nặng do nhiễm COVID-19, còn những gene chung với người Denisova giúp người Tây Tạng ngày nay thích nghi với điều kiện sống trên núi cao.

Phần còn lại của bộ gene thì giúp ta xác định được những gene đặc trưng riêng cho loài người hiện đại. Một công trình vừa công bố tháng 9 năm 2022 trên tạp chí Science mà Pääbo  là đồng tác giả cho thấy phiên bản gee liên quan đến phát triển mạnh cấu trúc vỏ mới của đại não (neocortex) chỉ có ở người hiện đại chứ không xuất hiện ở người Neanderthal hay người Denisova. Vỏ mới là thành phần lớn nhất của vỏ đại não và là cấu trúc liên quan đến các chức năng phức tạp như giác quan, nhận thức, ngôn ngữ, v.v… Khi đem phiên bản gen của Homo sapiens biểu hiện trong các cấu trúc mô tiểu cơ quan giống não người (cerebral organoid) hay trong não của các mô hình động vật không phải người thì các tác giả nhận thấy có nhiều tế bào tiền thân thần kinh được sinh ra hơn so với khi biểu hiện phiên bản từ bộ gen người Neanderthal.

Sơ đồ tiến hóa loài một số loài vượn lớn trong đó có người Homo sapiens, người Neanderthal (mảnh xương đầu tiên được tìm thấy ở Neandertal, Đức), và người Denisova (mảnh xương đầu tiên được tìm thấy ở hang Denisova, Nga). Tổ tiên chung gần đây nhất của Homo sapiens, người Neanderthal, và người Denisova sống cách nay khoảng 800.000 năm. Trong suốt thời gian cùng tồn tại, ba loại người này có giao phối với nhau nên loài người hiện đại có mang một số gene của người Neanderthal và người Denisova (thể hiện bằng những mũi tên). (Nguồn: Nobelförsamlingen)

Thành công từ nhiều đam mê liên quan đến lịch sử con người

Cha của Svante Pääbo là nhà sinh hóa người Thụy Điển Sune Bergström, chủ nhân giải Nobel hóa học năm 1982 và sau này là Chủ tịch Viện hàn lâm khoa học hoàng gia Thụy Điển. Tuy vậy, sự nổi tiếng của cha khiến cho Svante Pääbo nhận ra rằng những người đạt giải Nobel cũng là người thường, “không có gì quá tuyệt vời” (Svante Pääbo là kết quả từ mối quan hệ ngoài hôn nhân của Sune Bergström, và ông chào đời cùng năm 1955 với người em trai cùng cha khác mẹ của mình). Svante Pääbo cho rằng mẹ của mình, nhà hóa học Karin Pääbo người Estonia, mới là người ảnh hưởng lớn nhất đến niềm đam mê khoa học tự nhiên của ông.

Từ nhỏ, cậu bé Svante đã thích ngành khảo cổ học, đặc biệt kể từ khi được mẹ đưa đến Ai Cập năm 13 tuổi. Từng có ước mơ trở thành người hùng như nhân vật hư cấu Indiana Jones, ông đã nhanh chóng nhận ra khảo cổ học không lãng mạn như mình tưởng khi nhập học ở Đại học Uppsala. Do đó, ông đã chuyển sang ngành y bên cạnh chuyên ngành Ai Cập học, rồi sau này chuyển dần sang nghiên cứu khoa học thay vì trở thành bác sĩ. Khi làm đề tài tiến sĩ trong những năm 1981–1986 về adenovirus và hệ miễn dịch người, Pääbo vẫn không từ bỏ niềm đam mê tìm hiểu con người cổ đại. Nhờ các giáo sư Ai Cập học trước đây của mình, Pääbo thu thập mẫu mô từ xác ướp Ai Cập trong các bảo tàng ở Châu Âu, rồi chứng minh rằng mình có thể thu nhận và giải trình tự DNA từ các mô này. Ban đầu, Pääbo không nói cho người hướng dẫn đề tài tiến sĩ của mình vì e ngại sẽ không được chấp thuận. Khi có kết quả, Pääbo mới dám công bố, lúc đầu là trên một tạp chí khoa học nhỏ của Cộng hòa dân chủ Đức năm 1984 (vì ông có thu mẫu từ bảo tàng ở Đông Berlin), rồi sau đó được đăng trên Nature như nêu trên.

Niềm đam mê khảo cổ học và sinh học phân tử cùng đức tính kiên trì đã giúp GS Pääbo sau này thực hiện được những khám phá có vai trò mở đường cho lĩnh vực nghiên cứu bộ gen cổ (palaeogenomics). Cả một thế hệ những người làm nghiên cứu di truyền học cổ cũng đã hình thành từ cái nôi Viện nhân học tiến hóa Max Planck của “cha đỡ đầu” là GS Pääbo. Những nghiên cứu của họ “giúp ta hiểu được cái gì làm cho con người chính là con người” như lời của TS Johannes Krause, một giám đốc khác của Viện nhân học tiến hóa Max Planck và từng là nghiên cứu sinh tiến sĩ dưới sự hướng dẫn của GS Pääbo.

Những kết quả có giá trị to lớn về mặt y học có lẽ là lý do chính khiến Hội đồng giải Nobel y học năm 2022 xướng tên Svante Pääbo. Nhưng Pääbo vẫn không thôi nghĩ đến những ý nghĩa khác của công việc mình làm, như chính lời ông nói: “Chỉ mới cách đây 2.000 thế hệ thôi, bên cạnh chúng ta có những loại người tương tự nhưng rõ ràng là khác với chúng ta … Đôi lúc, tôi thử nghĩ nếu họ đã sống sót được suốt 2.000 thế hệ qua và vẫn còn ở đây, hệ quả của việc đó sẽ ra sao? Liệu có nạn phân biệt chủng tộc chống người Neanderthal còn tồi tệ hơn cái thứ phân biệt chủng tộc mà chúng ta thấy ngày nay … Hay liệu rằng khi nhận thức được ngoài chúng ta vẫn có một loại người khác, chúng ta sẽ không cảm thấy mình quá cách biệt với các loài vượn lớn khác như ta cảm thấy bây giờ, ta sẽ không có sự phân biệt rất lớn giữa những sinh vật mà chúng ta gọi là người và tất cả những loài mà ta gọi là động vật. Cả hai tình huống này đều có thể xảy ra, ta không thể nào biết được. Nhưng đây đều là những điều thú vị đáng suy nghĩ …”

—————————————-

Nguồn tham khảo: 

Nobelförsamlingen (2022). “The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2022”. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2022/press-release/

Nature (2022). “Geneticists who unmasked lives of ancient humans wins medicine Nobel”. https://doi.org/10.1038/d41586-022-03086-9

Science (2022). “Ancient DNA pioneer Svante Pääbo wins Nobel Prize in Physiology or Medicine”. https://doi.org/10.1126/science.adf1103

Gruber Foundation (2011). “Svante Pääbo”. https://gruber.yale.edu/genetics/svante-p-bo

PLoS Genetics (2008). “Imagine: An interview with Svante Pääbo”. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1000035