Bí ẩn di truyền trên khuôn mặt

Với hàng trăm gene tạo ra hiệu ứng khó dự đoán, các nhà khoa học đang thăm dò sự hình thành hình dạng khuôn mặt trong quá trình trưởng thành của con người.

Eric Mueller là một đứa trẻ được nhận nuôi, đã vô cùng ngạc nhiên khi lần đầu nhìn thấy ảnh của mẹ ruột vì khuôn mặt của mình rất giống mẹ. Trải nghiệm này đã dẫn lối cho anh, vốn là một nhiếp ảnh gia tại Minneapolis, dấn thân vào dự án kéo dài ba năm để chụp ảnh hàng trăm nhóm người có họ hàng với nhau, để tạo thành cuốn sách ảnh “Sự giống nhau của những người trong gia đình”.

Tất nhiên, những điểm giống nhau như vậy là phổ biến – chứng tỏ khuôn mặt có tính chất di truyền rõ ràng. Nhưng càng nghiên cứu cụ thể hơn về đặc điểm di truyền của khuôn mặt thì bức tranh càng trở nên phức tạp. Hàng trăm, nếu không phải hàng nghìn gene ảnh hưởng đến hình dạng khuôn mặt, hầu hết theo những cách tinh tế khiến việc dự đoán khuôn mặt của một người gần như không thể nếu chỉ dựa vào khảo sát tác động đơn gene.

“Có lẽ chúng ta đã sai lầm khi cố gắng theo đuổi một lời giải thích ở cấp độ gene”, nhà nghiên cứu di truyền phát triển và nhân chủng học tiến hóa Benedikt Hallgrímsson tại Đại học Calgary, Canada, cho biết. Vì vậy, một số nhà nghiên cứu chọn cách tiếp cận khác.

Phác họa tổng thể khuôn mặt

Các nhà di truyền đã làm những việc dễ dàng trước: họ xác định những gene gây bất thường điển hình trên khuôn mặt. Ví dụ, gene đột biến gây ra hội chứng Crouzon với mắt to lồi, hàm trên kém phát triển, một gene đột biến khác gây hội chứng Treacher Collins dẫn đến mắt xếch xuống, hàm trên nhỏ, hở hàm ếch. 

Còn với những khuôn mặt bình thường, các nhà khoa học phải tìm đến cách tiếp cận khác. Đầu tiên, họ xác định các điểm mốc trên khuôn mặt: chóp cằm, khóe môi, chóp mũi, góc ngoài của mắt,… và đo khoảng cách giữa chúng. Sau đó, họ sàng lọc bộ gene của những người này để xem có bất kỳ biến thể di truyền nào tương ứng với các số đo cụ thể nêu trên hay không, mỗi phân tích như vậy được gọi là một nghiên cứu GWAS: khảo sát liên quan đến toàn bộ hệ gene.

Có khoảng 25 nghiên cứu GWAS về hình dạng khuôn mặt được công bố, với hơn 300 gene được phát hiện. Nhà di truyền học chuyên về sọ mặt là Seth Weinberg tại Đại học Pittsburgh cho biết: “Mỗi vùng trên khuôn mặt được quy định bởi nhiều gene: một số gây nhô ra ngoài, một số lại gây lõm vào trong, tạo nên sự cân bằng tổng thể trên khuôn mặt của bạn.

Hơn 300 gene đã được xác định liên quan đến các đặc điểm khuôn mặt cụ thể, mặc dù ảnh hưởng của chúng nhìn chung là nhỏ.

Một nghiên cứu khảo sát về di truyền khuôn mặt của Weinberg và các đồng nghiệp, đăng trên tập san thường niên Annual Review of Genomics and Human Genetics năm 2022, đã thu thập kết quả GWAS trên khuôn mặt của 4.680 người gốc Âu. Trái với kỳ vọng, các biến thể di truyền đã biết chỉ giải thích vỏn vẹn 14% sự khác biệt giữa các khuôn mặt. Độ tuổi, giới tính, chỉ số khối cơ thể BMI lần lượt giải thích được 7%, 12% và 19%, còn lại đến 48% là chưa thể giải thích được. 

Tất nhiên, môi trường đóng vai trò không thể thiếu, và các nhà nghiên cứu lưu ý rằng gò má, hàm dưới và miệng là các bộ phận dễ bị tác động từ môi trường hơn, như chế độ ăn, quá trình lão hóa, khí hậu. Nhưng hầu hết đều đồng ý vẫn có một mảnh ghép còn thiếu để giải thích đặc điểm di truyền độc đáo của từng gia đình.

Tại sao con cái giống cha mẹ, ông bà? 

Nếu khuôn mặt chỉ đơn giản là tổng hòa của hàng trăm hiệu ứng di truyền cực nhỏ, như cách tiếp cận GWAS ngụ ý, thì khuôn mặt của mỗi đứa trẻ phải là sự kết hợp hoàn hảo, nằm giữa bố và mẹ, Hallgrímsson cho biết. Tuy nhiên, thực tế trong nhiều gia đình cho thấy điều đó không đúng. Hallgrímsson nói: “Con trai tôi có chiếc mũi giống bà nội, điều đó chứng tỏ sự tồn tại những biến thể gene có ảnh hưởng lớn trong gia đình.”

Nếu một vài gene tác động lớn đến sự biểu lộ khuôn mặt đặc trưng của gia đình thì tại sao chúng không xuất hiện trong các nghiên cứu GWAS? Phải chăng vì biến thể gene chỉ lưu hành trong nội bộ gia đình và quá hiếm trong dân số chung. Nhà di truyền học hình ảnh Peter Claes tại Đại học KU Leuven, Bỉ, cho biết: “Hình dạng khuôn mặt thực sự là sự kết hợp của những biến thể gene phổ biến và hiếm gặp”. “Bạn có thể không biết gì về di truyền học, nhưng bạn biết chiếc mũi to đặc biệt của diễn viên Gérard Depardieu chắc chắn là một biến thể hiếm gặp”.

Nhà nghiên cứu chỉnh nha tại Đại học Cardiff, xứ Wales, đã có kinh nghiên cứu về di truyền học khuôn mặt, cho biết một số đặc trưng khuôn mặt có tính gia đình, chẳng hạn như lúm đồng tiền, cằm chẻ và không có lông mày, cũng có thể là những trường hợp tương tự.

Một khả năng khác là biến thể gene thường có tác động nhỏ đối với dân số nói chung nhưng tạo ra tác động lớn cho một số gia đình nhất định. Hallgrímsson đã quan sát thấy hiện tượng này trên chuột, khi ông cùng đồng nghiệp Christopher Percival (hiện đang làm việc tại Đại học Stony Brook) đã tạo đột biến ảnh hưởng đến hình dạng sọ mặt trên ba dòng chuột cận huyết, và quan sát thấy biểu hiện khá khác biệt giữa ba dòng. “Cùng một đột biến gene gây ra tác động khác biệt, thậm chí trái ngược trên các dòng khác nhau”,  Hallgrímsson cho biết.

Nếu điều gì đó tương tự xảy ra ở người, như với một dòng chuột cụ thể, thì nền tảng di truyền độc nhất của mỗi gia đình đó có thể khiến vài đặc trưng của khuôn mặt trở nên nổi trội. Nhưng luân lý xã hội và luật pháp hiện đại không cho phép các mối quan hệ cận huyết của con người, vì vậy chứng minh dựa trên cách tiếp cận tương tự trên người là hầu như bất khả thi, theo Hallgrímsson.

Hallgrímsson nghĩ ra một cách tiếp cận tốt hơn: xem xét quá trình hình thành khuôn mặt. Đó là kết quả của sự tương tác giữa các gene trong cùng một nhóm: gene này điều chỉnh hoạt động của gene kia, để kiểm soát quá trình hình thành các cơ quan và mô trong sự phát triển của phôi thai. Hallgrímsson thống kê các gene ảnh hưởng đến biến đối sọ mặt của 1,100 con chuột, rồi xác định sự tham gia của mỗi gene trong quá trình phát triển sụn, xương và não bộ. Hallgrímsson suy đoán rằng hình dạng sọ mặt của mỗi người hình thành từ sự khác biệt về tốc độ và thời gian của ba quá trình này, giải thích được tại sao khuôn mặt người này khác so với người kia.

Điều thú vị là có một vài gene chỉ huy các gene khác trong nhóm. Các nhà nghiên cứu đang tập trung vào những gene chỉ huy này, thay vì hàng trăm gene riêng lẻ. Một nghiên cứu của nhà di truyền Sahin Naqvi tại Đại học Stanford đã ủng hộ cho quan điểm này. 

Naqvi nghĩ rằng quá trình phát triển đều được điều chỉnh tinh vi, những thay đổi nhỏ nhất về sự biểu hiện của gene liên quan đến quá trình này cũng có thể gây ra những vấn đề phát triển nghiêm trọng. Nhưng ông cũng cho rằng những khác biệt nhỏ như vậy có thể là lý do khiến khuôn mặt của mình trông khác với người hàng xóm. 

Hai ý tưởng này liệu có thể đều là sự thật?

Naqvi và cộng sự đã tập trung vào SOX9, gene điều hòa có vai trò kiểm soát hoạt động của nhiều gene liên quan đến sự phát triển sụn và các mô khác. Nếu một người chỉ có một bản sao SOX9 hoạt động thì sẽ bị hội chứng Pierre Robin, đặc trưng bởi hàm dưới nhỏ và lưỡi tụt ra sau kèm theo nhiều di chứng khác.

Naqvi thử giảm sự hoạt động của SOX9 từng chút một và đo lường sự tác động đối với các gene chịu sự điều hòa của SOX9. Họ đã biến đổi gene các tế bào phôi người để thay đổi 6 mức độ hoạt động điều hòa của SOX9 theo ý muốn. 

Hầu hết các gene chịu sự điều hòa của SOX9 không thay đổi sự biểu hiện, trừ khi mức độ hoạt động của SOX9 giảm xuống mốc 20% bình thường. Đây có thể là kết quả của sự bù đắp từ các gene điều hòa khác để duy trì sự biểu hiện gene và tạo nên sự phát triển bình thường.

Nhưng còn một nhóm nhỏ các gene thực sự nhạy cảm, bị điều chỉnh mức độ hoạt động tăng lên hay  giảm xuống theo từng thay đổi nhỏ của SOX9. Và đó cũng là những gene có xu hướng ảnh hưởng đến kích thước hàm và các đặc điểm khuôn mặt khác trong hội chứng Pierre Robin. Chúng dường như quyết định khuôn mặt giống nhiều hay ít so với khuôn mặt điển hình cho hội chứng Pierre Robin, đâu đó nằm giữa hai thái cực, quai hàm nhỏ với cằm lẹm hay quai hàm dài với cằm cao. 

SOX9 chỉ huy một nhóm gene xác định trục phát triển của xương hàm dưới, trong đó các khuôn mặt có thể khác nhau từ giống ít đến nhiều so với ‘khuôn mặt Pierre-Robin’. Naqvi hiện đang tìm kiếm xem liệu các nhóm gene được chỉ huy bởi một gene điều hòa khác có xác định thêm trục nào không. Ví dụ, ông nghi ngờ rằng nhóm gene nhạy cảm với thay đổi nhỏ của gene điều hòa PAX3 có thể xác định trục liên quan đến hình dạng của mũi và trán, trong khi nhóm gene nhạy cảm với một gene điều hòa TWIST1 có thể xác định một trục liên quan đến độ dài của hộp sọ và trán, mà khi TWIST1 bị đột biến sẽ dẫn đến sự liền sớm bất thường của xương sọ.

Nhà di truyền học Hanne Hoskens cũng ủng hộ giả thuyết các khuôn mặt khác nhau theo các trục được xác định trước. Ông đã sắp xếp khuôn mặt của nhiều người theo mức độ trán dô, mũi tẹt và các đặc điểm khác đặc trưng của chứng loạn sản sụn (bệnh lùn phổ biến nhất mà nam diễn viên Peter Dinklage mắc phải). Bà nhận thấy những người càng giống các đặc điểm của người lùn thì càng có xu hướng mang các biến thể gene khác nhau liên quan đến sự phát triển sụn.

Nếu mô hình tương tự cũng xảy ra với các con đường phát triển khác, điều này sẽ cho biết giới hạn phát triển tối đa và tối thiểu của khuôn mặt theo các trục. Các nhà di truyền học sẽ giải thích được sự phức tạp đằng sau hình dạng khuôn mặt. Muôn hình vạn trạng cũng chỉ là một tập hợp của các khả năng hình học mà chúng ta dự đoán được, bởi lẽ các trục được xác định dựa trên một số lượng tương đối ít các quá trình phát triển.

Cho đến khi có thêm kết quả, vẫn còn quá sớm để nói liệu cách tiếp cận mới này có thực sự nắm giữ chìa khóa quan trọng để giải thích tại sao khuôn mặt của một người trông khác với khuôn mặt của người khác hay không. Nhưng nếu Hallgrímsson, Naqvi và các đồng nghiệp của họ đang đi đúng hướng thì việc tập trung vào các con đường phát triển có thể giúp chúng ta đạt được hiểu biết về khuôn mặt, vấn đề mà bấy lâu nay bị che giấu bởi sự rối rắm của tập hợp hàng trăm gene liên quan. 

Hiểu biết về nền tảng di truyền của khuôn mặt có thể mang lại những lợi ích thực tế. Các bác sĩ chỉnh nha như Stephen Richmond dễ dàng hơn trong việc lập kế hoạch điều trị khi dự kiến được mức độ phát triển của hàm qua từng năm.

Một triển vọng khác là dựa vào khuôn mặt để chẩn đoán các tình trạng bệnh lý. Peter Claes tại Đại học KU Leuven lưu ý, khoảng 40% hội chứng di truyền tổn thương đa cơ quan cũng khiến khuôn mặt bất thường, điều này cho thấy rằng các gene ảnh hưởng đến khuôn mặt cũng gây ra nhiều tác động khác khắp cơ thể. Ông tin tưởng, các đặc điểm trên khuôn mặt có thể trở thành công cụ sàng lọc bệnh lý hiệu quả. Chẳng hạn, hội chứng Loeys-Dietz về rối loạn mô liên kết, gây dính hộp so, ngực lõm, vẹo cột sống, bàn chân dẹt, và thường gây tử vong do phình bóc tách động mạch chủ bụng. Bệnh thường khó được chẩn đoán sớm, mặc dù có một số đặc trưng về bất thường sọ mặt có thể được nhận biết. Nếu có sẵn một công cụ tự động đánh giá đặc điểm khuôn mặt để sàng lọc bệnh trong mỗi phòng khám của bác sĩ gia đình, đó sẽ là một lợi ích to lớn.□

Cao Hồng Chiến lược thuật 

Nguồn: https://knowablemagazine.org/article/living-world/2023/genes-that-shape-facial-features