Tìm ra cơ chế tăng tốc độ phiên mã trong tế bào

Tương tự với những công ty đang mở rộng phải tăng cường lực lượng lao động, các tế bào phải đẩy mạnh sản xuất các phân tử sinh học khi kích thước tế bào phát triển để duy trì hoạt động ổn định.

Vào những năm 1970, các nhà sinh học đã chỉ ra rằng quá trình sinh tổng hợp quy mô lớn này xoay quanh việc tăng tốc độ phiên mã – quá trình sao chép thông tin di truyền từ DNA sang các phân tử RNA. Tuy nhiên, hơn nửa thế kỷ từ đó đến nay, người ta vẫn chưa biết rõ cơ chế đằng sau việc tăng tốc độ phiên mã. 

Trong một công bố mới trên Cell, các nhà nghiên cứu ở Đại học Stanford cho biết họ đã giải quyết được vấn đề này. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra các tế bào đang phát triển có thể tạo ra RNA cần thiết bằng cách tăng cường một loại enzyme quan trọng là RNA polymerase II (RNAPII), tăng dần theo kích thước tế bào. Enzym này liên kết với DNA để tạo ra RNA thông tin (mRNA) – một phân tử thiết yếu cung cấp chỉ dẫn cho các nhà máy sản xuất protein của tế bào.

Ngoài việc giúp hiểu rõ hơn về sinh học tế bào cơ bản, những phát hiện này còn có ý nghĩa quan trọng bởi sự phá vỡ quy mô sinh tổng hợp có thể đóng vai trò chính trong sự suy thoái của tế bào, dẫn đến bệnh tật và lão hóa.

“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã trả lời được câu hỏi tồn tại lâu nay: quá trình phiên mã tăng lên như thế nào theo kích thước tế bào?” Matthew Swaffer, tác giả chính của nghiên cứu cho biết. 

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra một cơ chế bổ sung xuất hiện khi tế bào trở nên quá lớn và không đủ RNAPII. “Quá trình phiên mã gần như tỉ lệ thuận với kích thước tế bào vì số lượng phân tử  RNAPII ngày càng tăng trong các tế bào lớn hơn dẫn đến sự gia tăng phiên mã, nhưng điều này vẫn chưa đủ với các tế bào lớn nhất”, Skotheim, tác giả liên hệ của nghiên cứu cho biết. “Chúng tôi đã xác định được một cơ chế phản hồi mới giúp ổn định nồng độ mRNA khi nó bắt đầu giảm. Nếu kết hợp với nhau, hai cơ chế này có thể duy trì nồng độ mRNA trên những tế bào có kích cỡ lớn”.

Để thu được kết quả này, Swaffer đã sắp đặt một thí nghiệm, trong đó các tế bào nấm men chỉ được sử dụng một nửa số lượng các phân tử sinh học cần thiết cho quá trình phiên mã so với thông thường. Tiếp theo, Swaffer và các cộng sự đã đo lường những tác động trong quá trình phiên mã liên quan đến việc thay đổi nồng độ sinh hóa trên.

Điều thú vị là không có phân tử sinh học nào trong thí nghiệm trên ảnh hưởng đến quá trình phiên mã, ngoại trừ RNAPII. Dựa trên phát hiện đơn giản này, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một mô hình cân bằng động để xác định sự đồng bộ giữa kích thước tế bào và tốc độ phiên mã. Khi quá trình phiên mã không theo kịp kích cỡ tế bào, cơ chế bổ sung giúp tăng cường khả năng tồn tại của mRNA sẽ được kích hoạt. Swaffer đang nghiên cứu bản chất sinh học đằng sau cơ chế này.

Những phát hiện này mang đến một góc nhìn mới về sự phát triển, trưởng thành và suy giảm của tế bào. Trong các tế bào lớn, nếu quá trình sinh tổng hợp không kịp thời mở rộng quy mô, tốc độ tăng trưởng sẽ giảm mạnh, sự liên kết giữa các tế bào bị phá vỡ, và hoạt động của gene gặp trục trặc.  

Đây chính là trạng thái lão hóa tế bào. Những tế bào như vậy không thể nhân lên nữa, nhưng chúng cũng không chết đi. Thay vào đó, các tế bào lão hóa sẽ góp phần gây ra rối loạn chức năng của các mô và cơ quan, viêm nhiễm và các vấn đề sức khỏe khác.

 “Khi các tế bào ngày càng lớn hơn và cơ chế ổn định mRNA và quy mô phiên mã không đủ đáp ứng, nồng độ mRNA sẽ giảm và các tế bào sẽ không hoạt động bình thường”, Skotheim cho biết. “Theo giả thuyết của chúng tôi, sự phá vỡ cân bằng nội môi mRNA là một trong những bước đầu tiên dẫn tới lão hóa tế bào. Chúng tôi sẽ kiểm chứng giả thuyết này trong những nghiên cứu mới”.□

Thanh An lược dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2024-01-reveals-mechanisms-cells-mojo-scaling.html

Bài đăng Tia Sáng số 4/2024