Hành trình khám phá genee LRP5

Cho đến nay, chưa ai biết chính xác trong cơ thể con người có bao nhiêu genee, nhưng theo một ước tính gần đây thì khoảng 20000 đến 30000 genee. Các genee này nằm trên 23 nhiễm sắc thể (chromosomes). Có thể tưởng tượng như sau: trên một con đường rất dài có nhiều tỉnh (tức là nhiễm sắc thể); mỗi tỉnh có nhiều huyện (tức là genee); và trong mỗi huyện có nhiều nhà (marker). Trên con đường đó có một (hay vài) genee có liên quan đến bệnh tật mà chúng ta quan tâm. Vấn đề đặt ra là nhiễm sắc thể hay genee đó nằm ở đâu. Mà ngay cả khi biết nhiễm sắc thể nào đó có chứa genee chúng ta quan tâm, chúng ta vẫn phải tìm marker cụ thể nào thật sự dính dáng đến bệnh. Việc truy tìm genee là một công việc gian nan và đầy thách thức cho khoa học hiện đại ngày nay. Các chuyên gia về di truyền học, thống kê học, khoa học máy tính, và nhân chủng học đang ráo riết lao vào nỗ lực này.
Tuy nhiên, cũng như nhiều khám phá khoa học khác thường bắt đầu từ những điều bất thường, quá trình khám phá genee loãng xương cũng xảy ra khi các nhà nghiên cứu chú ý đến những đặc tính lâm sàng bất thường trong vài gia đình với mật độ xương rất cao và vài gia đình với mật độ xương rất thấp.

Từ một tai nạn xe
Năm 1994, một lực sĩ tên tạm gọi là John bị tai nạn xe hơi khá nghiêm trọng, nhưng anh ta không hề bị thương, xương không bị tổn hại. Qua xét nghiệm bằng X quang, bác sĩ không thấy anh bị gãy đốt sống nào. Tuy nhiên, X quang cho thấy xương của anh khá đặc. Bác sĩ quang tuyến giới thiệu John đến một bác sĩ Karl Insogna chuyên khoa về xương và cũng là giám đốc trung tâm nghiên cứu xương thuộc Đại học Yale. Sau khi đo mật độ xương (bone mineral density – BMD), bác sĩ Insogna ngạc nhiên thấy mật độ xương trong người John cao gấp 8 lần so với những người cùng độ tuổi! Nhưng sự thật này chẳng làm ngạc nhiên John, vì anh biết mình… nặng người, nặng đến nỗi khi anh ta không bơi lội được, vì mỗi khi xuống hồ tắm là người anh như cục đá chìm xuống sông. Bác sĩ Insogna không phát hiện bệnh hay bất cứ triệu chứng bất thường nào khác, nên quyết định không tiếp tục theo dõi.
Sáu năm sau, trong một lần tán gẫu cùng đồng nghiệp, bác sĩ Insogna được biết vị đồng nghiệp này từng biết đến một gia đình với mật độ xương rất cao. Hai người bèn lần dò theo sơ đồ gia hệ, và phát hiện chính John là thành viên của một đại gia đình có quê ở miền đông duyên hải nước Mỹ. Trong dòng họ này, ai cũng đều có mật độ xương rất cao, và cằm thường vuông một cách khác thường, nhưng ngoài đặc điểm đó, bộ xương của họ không có vấn đề gì. Một trong những thành viên của đại gia đình là một bác sĩ ở bang Alabama từng bị gãy xương đùi, nhưng các bác sĩ chấn thương chỉnh hình phải rất vất vả lắm mới lắp được xương giả vào vì họ gặp khó khăn trong việc vặn vít vào xương.

Đến khám phá genee LRP5
Bác sĩ Insogna và đồng nghiệp quyết định tiến hành nghiên cứu trên các thành viên của đại gia đình này, xác định xem genee nào có ảnh hưởng đến mật độ xương cao. Sau một thời gian làm việc cực nhọc, nhóm nghiên cứu của bác sĩ Insogna phát hiện genee có dính dáng đến mật độ xương cao nằm trong nhiễm sắc thể 11. Nhưng nhiễm sắc thể này quá rộng và dài, và tìm genee trong một khoảnh DNA dài như thế chẳng khác gì mò kim đáy biển. Nhóm nghiên cứu đành tạm thời bỏ cuộc vì không có phương tiện và kĩ thuật chuyên môn tiếp tục truy tìm genee.
Trong khi đó, một nhóm nghiên cứu của Matthew Warman thuộc Đại học Case Western Reserve cũng nghiên cứu genee trong nhiễm sắc thể 11. Nhóm của Warman nghiên cứu trên 28 gia đình, mà trong đó có người mắc hội chứng osteoporosis-pseudoglioma syndrome (OPPG) mang tính di truyền. Đặc điểm của hội chứng này là bệnh nhân có mật độ xương rất thấp, và họ dần dần trở nên mù. Bác sĩ Warman quyết định truy tìm cho được genee gây nên bệnh OPPG, bằng cách hợp tác với nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Harvard của Giáo sư Bjorn Olsen. Sau một thời gian khá lâu phân tích, họ phát hiện một genee hoàn toàn nằm ngoài dự kiến: đó là genee LDL receptor-related protein 5 (viết tắt là LRP5) trong nhiễm sắc thể 11.
Genee LRP5 sản xuất một protein mà chức năng sinh học vẫn chưa được biết. Đột biến của genee LRP5 ở bệnh nhân OPPG mã hóa thụ thể của các tế bào tạo xương (osteoblasts). Những bệnh nhân OPPG với hai biến thể (allele) có mật độ xượng rất thấp. Cha hay mẹ của bệnh nhân OPPG có một biến thể của genee cũng hay dễ mắc bệnh loãng xương. Điều này cho thấy protein mà genee này mã hóa có thể là một đối tượng quan trọng cho việc điều trị loãng xương.
Nghe tin này, bác sĩ In­sogna nghĩ ngay rằng rất có thể cũng chính genee này đóng vai trò làm cho mật độ xương tăng cao. Sau khi phân tích genee LRP5, nhóm của bác sĩ In­sogna phát hiện đúng là một đột biến khác của genee làm cho người ta có mật độ xương cao.
Trong cùng gần một lúc, một nhóm nghiên cứu của Mark Johnson thuộc Trung tâm nghiên cứu loãng xương tại Đại học Creighton University (bang Omaha), cũng qua nghiên cứu một gia đình gồm 21 người với mật độ xương cao khác thường, đã phát hiện chính đột biến của genee LRP5 (mà nhóm của bác sĩ In­sogna vừa phát hiện) có liên quan đến mật độ xương cao. Trong gia đình này, tuổi từ 3 đến 93, không một ai từng bị gãy xương.
Chỉ vài tháng sau, LRP5 trở thành một tin tức khoa học thời sự. Nhóm của Warman công bố kết quả trên tập san danh tiếng Cell vào tháng 11/2001⁴. Hai tháng sau, nhóm của Johnson công bố nghiên cứu của họ trên tập san American Journal of Human Geneetics⁵, và nhóm của Insogna cũng công bố kết quả trên tập san y học New England Journal of Medicine vào tháng 5/2002⁶.
Genee LRP5 nằm trong hệ thống tín hiệu có tên là Wnt (hay Wnt signaling pathway). Hệ thống tín hiệu Wnt là tập hợp nhiều phân tử được xem là đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát tăng trưởng và phát triển của cơ thể. Bây giờ, các nhà khoa học còn biết thêm rằng hệ thống này cũng đóng vai trò quan trọng điều chế sự phát triển của xương. Vì lí do này, hệ thống Wnt là một đối tượng lí tưởng cho nghiên cứu tìm một thuật can thiệp chống loãng xương và các rối loạn xương khác. Đối với giới nghiên cứu xương, phát hiện này có ý nghĩa rất quan trọng, có thể làm thay đổi định hướng điều trị loãng xương. Từ trước đến nay, hầu hết các thuốc điều trị loãng xương có mục tiêu ức chế hoạt động của các tế bào hủy xương, nhưng khám phá mới này mở ra một hướng phát triển mới: đó là kích hoạt các tế bào tạo xương.
Kể từ khi khám phá genee LRP5, thế giới nghiên cứu loãng xương bắt đầu tập trung vào nghiên cứu chức năng và cơ chế của genee LRP5 ở chuột và con người. Hàng ngàn nghiên cứu và hàng ngàn bài báo khoa học khai thác đề tài này trong suốt 5 năm qua. Nhưng ngày nay, nghiên cứu genee không còn làm trong phòng thí nghiệm nữa, mà là trên máy tính. Một khi khoanh được một vùng có chứa genee cần tìm, các nhà khoa học chỉ việc truy tầm trong cơ sở dữ liệu trên mạng internet để có danh sách tất cả các genee trong vùng. Cơ sở dữ liệu genee này do Dự án phân tích bộ genee con người (Human Geneome Project hay HGP) xây dựng và bất cứ ai cũng có thể sử dụng. Thành quả của dự án HGP có thể rút ngắn thời gian truy tìm genee từ 10 đến 20 năm cho các nhà khoa học chuyên tìm genee cho các bệnh phức tạp.

Và những bài học
Nhìn qua khám phá genee LRP5, chúng ta có thể thấy về mặt ý tưởng, một công trình nghiên cứu khoa học có khi bắt đầu bằng một quan sát “bất bình thường”. Đành rằng, biết được bao nhiêu người có mật độ xương rất cao hay rất thấp cũng là một thú vị, và biết được genee nào mật độ xương lại càng thú vị hơn, nhưng ý nghĩa nó là gì? Bài học qua công trình nghiên cứu phải nói là thú vị này là: một khám phá có thể bắt đầu từ những so sánh về khác biệt. Phải có người có mật độ xương cao bất thường (hay thấp bất thường) thì mới có đối tượng so sánh. Nói cách khác, nghiên cứu di truyền, cũng như các nghiên cứu lâm sàng dịch tễ học khác, cần một nhóm đối chứng (controls); không có đối chứng thì nghiên cứu sẽ không có ý nghĩa khoa học.
Một bài học khác là một khám phá mang tính khẳng định cần phải được lặp lại trong nhiều đối tượng khác nhau, chứ một phát hiện từ một mẫu vẫn chưa đủ tính thuyết phục.  Trong trường hợp trên, ba nhóm nhà khoa học độc lập, và cả ba đều phát hiện genee LRP5 ngay tại một nhiễm sắc thể. Chính vì tính nhất quán này mà công trình nghiên cứu của họ có thể xem là một bài học quan trọng cho các nỗ lực truy tìm genee.
Về mặt phương pháp, công trình nghiên cứu của các nhà kha học trên là một bài học về qui trình tìm genee cho một bệnh. Truy tìm genee liên quan đến bệnh tật là một nỗ lực lớn, là đề tài nghiên cứu khoa học “nóng” tại các nước đã phát triển. Tìm được genee cũng có nghĩa là có được cái chìa khóa để mở ra cánh cửa cho điều trị và thậm chí giúp cho chúng ta phát hiện bệnh sớm hơn. Nhưng tìm genee cũng không khác gì câu nói ví von ông bà ta thường nói: mò kim đáy biển. Trong cái biển 25000 hay 20000 genee và hơn 2 triệu marker, làm sao tìm cho được marker hay genee liên quan? Qui trình của các nhà khoa học này là họ làm từng bước. Bước đầu là tìm ra nhiễm sắc thể có triển vọng cao; bước kế tiếp là “khoanh vùng” những marker liên quan; và bước thứ ba là từng đoạn một siết chặt những vùng quan hệ và cuối cùng là “tóm” lấy cái marker liên quan nhất. Nỗ lực khoanh vùng và siết chặt này đòi hỏi chuyên môn cao của hai bộ môn khoa học chủ chốt: công nghệ sinh học phân tử và thống kê học. Để tìm ra những marker cần thiết chúng ta cần đến chuyên gia về công nghệ sinh học và di truyền học. Để xác định marker nào có liên quan đến bệnh, thống kê học đóng vai trò số một. Có thể nói không ngoa rằng, không có công nghệ sinh học và thống kê học, chúng ta sẽ không thể nào tìm genee.
Tuy nhiên, cũng như bất cứ vấn đề khoa học nào, một khám phá đều đặt ra nhiều câu hỏi, nhiều khả năng, hơn là giải quyết dứt điểm vấn đề. Cho đến nay, chúng ta vẫn chưa biết cơ chế của hệ thống tín hiệu Wnt hoạt động ra sao, và genee LRP5 đóng vai trò gì trong hệ thống này. Các nhà nghiên cứu loãng xương hy vọng sẽ có câu trả lời trong vòng 5-10 năm tới. Vẫn còn nhiều việc phải làm!

Tài liệu tham khảo:

1. Anonymous. Consensus Development Conference: diagnosis, prophylaxis, and treatment of osteoporosis. Am J Med. 1993;94:646-650.

2. Nguyen ND, et al. Identification of high-risk individuals for hip fracture: a 14-year prospective study. J Bone Miner Res 2005;20(11):1921-8.

3. Nguyen TV, et al. Bone mass, lean mass and fat mass: same genees or same environmemts. Am J Epidemiol 1998; 147:3-16.

4. Gong Y, et al. LDL receptor-related protein 5 (LRP5) affects bone accrual and eye development. Cell 2001; 107:513-23.

5. Little RD, et al. A mutation in the LDL receptor-related protein 5 genee results in the autosomal dominant high-bone-mass trait. Am J Hum Geneet 2001;70:11-9.

6. Boyden LM, et al. High bone density due to a mutation in LDL-receptor-related protein 5. N Engl J Med 2002;346:1513-21.