Kể từ giữa thế kỷ 20, nhiều phát hiện khoa học đã giải thích cơ bản cách các quá trình này diễn ra. Trong những năm 1960, giới khoa học đã chứng minh là các protein cụ thể - được gọi là các yếu tố phiên mã - có thể gắn kết với các vùng đặc biệt ở DNA và kiểm soát dòng chảy thông tin di truyền bằng cách xác định mRNA nào sẽ được tạo ra. Kể từ đó, hàng trăm yếu tố phiên mã đã được nhận diện và trong một thời gian dài, và người ta tin rằng các nguyên lý chính đã được làm sáng tỏ.

Nhưng cũng không hoàn toàn như vậy, có những RNA kỳ quặc nào đó không bao giờ được dịch hoặc mã hóa thành các protein. Và đó là vấn đề mà hai nhà khoa học đoạt giải Nobel năm nay xuất bản - một nghiên cứu đầy bất ngờ miêu tả điều rất mới của điều hòa gene mà sau người ta mới biết là nó có ý nghĩa rất quan trọng và được bảo toàn trong suốt quá trình tiến hóa.

Từ nghiên cứu loài giun tròn cho đến đột phá lớn

Trong cuối những năm 1980, Victor Ambros và Gary Ruvkun đều là những nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ ở phòng thí nghiệm của GS. Robert Horvitz – đã được trao giải Nobel vào năm 2002, cùng với Sydney Brenner và John Sulston. Trong phòng thí nghiệm của Horvitz, họ nghiên cứu giun tròn C. elegans nhỏ nhoi có đường kính thân 1 mm.

Mặc dù có kích thước nhỏ bé, C. elegans sở hữu nhiều loại tế bào chuyên biệt như tế bào thần kinh và cơ cũng được tìm thấy ở các loài động vật lớn hơn, phức tạp hơn, khiến loài giun này trở thành một mô hình hữu ích để nghiên cứu cách các mô phát triển và trưởng thành ở các sinh vật đa bào.

 

Ambros và Ruvkun quan tâm đến các gene kiểm soát thời điểm kích hoạt các chương trình di truyền khác nhau – yếu tố quyết định các loại tế bào khác nhau phát triển vào đúng thời điểm. Họ đã nghiên cứu các đột biến lin-4 và lin-14, biểu hiện các khiếm khuyết bị ức chế di truyền trong quá trình phát triển. Hai nhà khoa học muốn xác định các gene đột biến và hiểu chức năng của các gene đột biến này. Trước đó, Ambros đã tìm hiểu cơ chế điều hòa của gene lin-14 nhưng chưa biết cụ thể cơ chế hoạt động và bị ức chế như thế nào.

Ambros và Ruvkun rất quan tâm tìm hiểu những đột biến này và mối quan hệ tiềm ẩn của các đột biến. Sau khi nghiên cứu hậu tiến sĩ, Victor Ambros đã phân tích đột biến lin-4 trong phòng thí nghiệm mới thành lập của mình tại Đại học Harvard.

 

Việc lập bản đồ có phương pháp đã mang đến một phát hiện bất ngờ: Gene lin-4 tạo ra một RNA ngắn bất thường, không phiên mã để phục vụ cho quá trình sản xuất protein. Hóa ra RNA ngắn bất thường lin-4 này lại có tác dụng ức chế lin-14. Nhưng quá trình này diễn ra như thế nào? Làm sao “giải phẫu” được mối liên hệ, điểm ghép nối giữ RNA ngắn bất thường này với gene lin-14?

Song song với Ambros, Gary Ruvkun cũng đã nghiên cứu quá trình điều hòa gene lin-14 trong phòng thí nghiệm mới thành lập của mình tại Bệnh viện Đa khoa Massachusetts và Trường Y Harvard.

 

Ruvkun chỉ ra rằng, không giống như cách điều hòa gene được biết đến trước đó, không phải quá trình sản xuất RNA thông tin và phiên mã từ lin-14 bị ức chế do lin-4. Quá trình điều hòa dường như xảy ra ở giai đoạn sau trong quá trình biểu hiện gene (nôm na là quá trình chuyển đổi thông tin chứa trong gene, gồm phiên mã, các thông tin RNA, điều hòa gene thành các hình thức biểu hiện kiểu hình mà chúng ta quan sát được). Các thí nghiệm cũng phát hiện ra một phân đoạn trong mRNA lin-14 bị lin-4 ức chế.

 

Hai nhà khoa học đã so sánh phát hiện với nhau, và kết quả là một khám phá đột phá: Trình tự lin-4 ngắn khớp với các trình tự bổ sung trong phân đoạn quan trọng của mRNA lin-14.

 

Ambros và Ruvkun đã thực hiện thêm các thí nghiệm cho thấy phân tử RNA ngắn bất thường đó, được gọi là “microRNA” lin-4 đã “tắt” lin-14 bằng cách liên kết với các trình tự bổ sung trong mRNA, ngăn chặn việc sản xuất protein lin-14. Một nguyên lý mới về điều hòa gene, với trung gian là một loại RNA chưa từng biết đến trước đây, được định danh là “microRNA”, đã được phát hiện!

 

Các kết quả đã được công bố vào năm 1993 trong hai bài báo trên tạp chí Cell.

Nhưng không phải phát hiện đột phá nào ban đầu cũng được đánh giá cao. Khi kết quả nghiên cứu này được công bố, không những không gây chấn động gì cho giới khoa học mà hầu như không ai được ai quan tâm, đáp lại là sự lặng thinh của cộng đồng khoa học. Mặc dù kết quả rất thú vị, nhưng cơ chế điều hòa gene bất thường được coi là đặc điểm riêng của giun C. elegans, có thể không liên quan đến con người và các loài động vật bậc cao khác.

Minh họa microRNA, các RNA và DNA. Nguồn: Wikimedia Commons, CC BY-SA