Các nhà nghiên cứu phát hiện cấu trúc 3D chịu trách nhiệm về biểu hiện gen

Lần đầu tiên, một nhóm nghiên cứu do Trường Đại học Northwestern đứng đầu đã xem xét cẩn thận bên trong tế bào người và có cơ hội quan sát kỹ ‘một cỗ máy đa cấu trúc siêu phân tử’chịu trách nhiệm điều chỉnh biểu hiện gen.

Được gọi là phức hợp tiền khởi đầu liên kết với Mediator (Med-PIC), cấu trúc này là nhân tố quan trọng trong việc xác định gen nào được kích hoạt và gen nào bị triệt tiêu. Mediator giúp định vị phần còn lại của phức hợp - RNA polymerase II và các yếu tố phiên mã chung - ở phần đầu của gen mà tế bào muốn phiên mã.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ảnh được phức hợp này có độ phân giải cao bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh (cryo-EM), cho phép họ hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của nó. Do phức hợp này đóng một vai trò trong nhiều bệnh, bao gồm ung thư, bệnh thoái hóa thần kinh, HIV và rối loạn chuyển hóa, vì vậy, những hiểu biết mới của các nhà nghiên cứu về cấu trúc của nó có thể được tận dụng để điều trị nhiều căn bệnh khác nhau.

Yuan He, tác giả của nghiên cứu cho biết: “Cỗ máy này rất cơ bản đối với mọi nhánh của sinh học phân tử hiện đại trong phạm vi liên quan đến biểu hiện gen. Việc hình dung được cấu trúc này dưới dạng 3D sẽ giúp chúng tôi trả lời các câu hỏi sinh học cơ bản, chẳng hạn như cách ADN được sao chép sang ARN”.  “Việc quan sát thấy rõ cấu trúc này cho phép chúng tôi hiểu cách thức hoạt động của nó. Nó giống như việc tách rời một thiết bị gia dụng thông thường để xem mọi thứ khớp với nhau như thế nào. Giờ đây, chúng ta có thể hiểu cách các protein thực hiện chức năng của chúng trong phức hợp kết hợp với nhau như thế nào”, Ryan Abdella, phó giáo sư về khoa học sinh học phân tử tại Trường Cao đẳng Nghệ thuật & Khoa học Weinberg, trực thuộc Đại học Northwestern, đồng tác giả đầu tiên của bài báo cho biết thêm.  Abdella và Anna Talyzina đều là hai nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm Yuan He.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science gần đây. Điều này đánh dấu lần đầu tiên phức hợp Mediator (chất trung gian) của con người được hiển thị dưới dạng 3D trong tế bào của con người. Nhà hóa sinh nổi tiếng Roger Kornberg đã phát hiện ra phức hợp Mediator trong nấm men vào năm 1990, một dự án nghiên cứu mà ông đã giành được giải Nobel Hóa học năm 2006. Nhưng Mediator bao gồm 26 tiểu đơn vị rất thách thức - tổng cộng 56 đơn vị khi kết hợp với phức hợp tiền khởi đầu. Tuy nhiên, cho đến nay các nhà nghiên cứu mới có được hình ảnh có độ phân giải cao cấu trúc phức hợp này ở người. “Đó là một dự án khá thách thức về mặt kỹ thuật. Những phức hợp này rất khan hiếm. Phải mất hàng trăm lít tế bào người, vốn rất khó phát triển mới có được một lượng nhỏ phức hợp protein”, ông nói.

Một sự đột phá đã xảy ra khi nhóm của Yuan He đặt mẫu nghiên cứu lên một lớp graphene oxit. Nhờ đó đã giảm thiểu lượng mẫu cần thiết để có thể tạo ảnh. Và so với chất hỗ trợ điển hình được sử dụng - carbon vô định hình - graphene đã cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm để hình ảnh có độ phân giải cao hơn.

Sau khi chuẩn bị mẫu, nhóm nghiên cứu đã sử dụng cryo-EM, một kỹ thuật tương đối mới đã đoạt giải Nobel Hóa học 2017, để xác định hình dạng 3D của protein, thường nhỏ hơn hàng nghìn lần độ dày của sợi tóc người. Kỹ thuật này hoạt động bằng cách cho tan vỡ một dòng electron tại một mẫu đông lạnh bằng đèn flash để chụp nhiều hình ảnh 2D.

Đối với nghiên cứu này, nhóm của He đã chụp hàng trăm nghìn hình ảnh các khu phức hợp Med-PIC. Sau đó, họ sử dụng các phương pháp tính toán để tái tạo lại một hình ảnh 3D.

Talyzina nói: “Việc giải quyết vấn đề phức tạp này giống như lắp ráp một câu đố. Một số đơn vị con đó đã được biết đến từ các thí nghiệm khác nhưng chúng tôi không biết làm thế nào mà các mảnh ghép lại với nhau hoặc tương tác với nhau. Với cấu trúc cuối cùng của chúng tôi, cuối cùng chúng tôi đã có thể nhìn thấy toàn bộ phức hợp này và hiểu tổ chức của nó”.

Hình ảnh thu được cho thấy phức hợp Med-PIC là một cấu trúc phẳng, kéo dài, có chiều dài 45 nanomet. Các nhà nghiên cứu cũng rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng Mediator dịch chuyển so với phần còn lại của phức hợp, liên kết với RNA polymerase II tại một điểm bản lề.

Mediator chuyển động như một con lắc. Việc tiếp theo, chúng tôi muốn hiểu sự linh hoạt này có nghĩa là gì. Chúng tôi nghĩ rằng nó có thể có tác động đến hoạt động của một enzym quan trọng trong phức hợp”, Abdella cho biết.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2021-03-reveal-3d-responsible-gene.html, 11/3/2021