Nobel Sinh lý học và Y học 2007

Nobel Sinh lý học và Y học 2007
Hội đồng xét giải Nobel tại viện Karolinska Thụy Điển hôm nay quyết định trao
giải Nobel Sinh lý học và Y học 2007 cho Mario R. Capecchi, Martin J. Evans
và Oliver Smithies về những khám phá ra "nguyên lí tạo biến đổi gene đặc hiệu
ở chuột bằng cách sử dụng các tế bào nguồn tạo phôi" (principles for introducing
specific gene modifications in mice by the use of embryonic stem cells).
Tóm tắt
Những người đoạt giải Nobel năm nay đã thực hiện một loạt các khám phá nền tảng liên quan tới tế bào nguồn
tạo phôi (ES cells) và tái tổ hợp DNA ở động vật có vú. Những khám phá của họ đã tạo ra một kĩ thuật ưu việt
được gọi là "định hướng gene" (gene targeting) ở chuột. Hiện tại nó đang được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh
vực của y sinh học - từ nghiên cứu cơ bản đến sự phát triển các liệu pháp mới.
Định hướng gene thường được sử dụng để làm bất hoạt một gene đơn lẻ. Những thí nghiệm "bất hoạt"
(knockout") gene như thế đã và đang giải thích vai trò của số lớn các gene trong quá trình phát triển phôi, sinh lý
phát triển, lão hóa và bệnh tật. Đến hôm nay, trên mười ngàn gene chuột (xấp xỉ một nửa số gene trong hệ gene
động vật có vú) đã có thể bị bất hoạt. Những nỗ lực quốc tế nhằm tạo ra ngân hàng chuột bị "bất hoạt" với tất cả
các gene có thể trở thành hiện thực trong một tương lai gần.
Bằng phương pháp định hướng gene, hiện nay người ta có thể tạo ra hầu hết các loại biến đổi DNA ở hệ gene
chuột, điều này cho phép các nhà khoa học xác định vai trò của từng gene riêng lẻ đối với bệnh tật và sức khỏe.
Định hướng gene đã tạo ra hơn 500 mô hình khác nhau trên chuột mang các dị tật của người, bao gồm chứng
thoái hóa thần kinh, tim mạch, tiểu đường và ung thư.
Biến đổi gene bằng tái tổ hợp tương đồng
Thông tin hàm chứa chức năng của cơ thể và quá trình phát triển của chúng ta suốt cả đời được chứa trong DNA.
DNA của chúng ta được đóng gói trong nhiễm sắc thể, nơi xảy ra sự bắt cặp nhiễm sắc thể giữa một nhiễm sắc
thể nhận từ cha và một nhiễm sắc thể nhận từ mẹ. Thay đổi trình tự DNA trong bắt cặp nhiễm sắc thể như trên
làm gia tăng biến đổi di truyền trong quần thể, quá trình này gọi là tái tổ hợp tương đồng (homologous
recombination). Quá trình này được bảo tồn xuyên suốt tiến hóa và đã được giải thích ở vi khuẩn hơn 50 năm về
trước bởi người đoạt giải Nobel 1958 Joshua Lederberg.
Cả Mario Capecchi và Oliver Smithies đã nhận thấy rằng tái tổ hợp tương đồng có thể dùng để sửa đổi một cách
đặc hiệu các gene ở tế bào động vật có vú, và trước sau như một công trình của họ đi theo hướng này.
Capecchi giải thích rằng tái tổ hợp tương đồng có thể xảy ra giữa DNA được chuyển vào tế bào động vật có vú và
nhiễm sắc thể của tế bào đó. Ông nhận thấy các gene khiếm khuyết có thể được sửa sai bởi sự tái tổ hợp tương

đồng với DNA thu được (incoming DNA). Ban đầu Smithies đã thử sửa sai các gene đột biến ở tế bào người. Ông
nghĩ rằng các bệnh di truyền về máu chắc chắn có thể điều trị được bằng cách sửa chữa nguyên nhân gây bệnh là
các đột biến ở tế bào gốc tủy xương. Với những cố gắng này, Smithies đã khám phá ra các endogenous gene có
thể định hướng một cách mãnh liệt hoạt động của chúng. Điều này đề xuất rằng tái tổ hợp tương đồng có thể dễ
dàng tạo nên sự thay đổi chút ít (modification = change slightly) tất cả các gene.
Tế bào gốc phôi - phương tiện di truyền dòng tinh trùng chuột
Các loại tế bào ban đầu được Capecchi và Smithies nghiên cứu không thể tạo nên ở động vật các gene có tính
định hướng. Điều này đòi hỏi một loại tế bào khác, từ đó đã hướng tới việc sử dụng tế bào giao tử. Chỉ loại tế bào
này mới có khả năng di truyền DNA thay đổi chút ít.
Martin Evans đã làm việc với các tế bào phôi thai chuột (EC), mặc dù lấy từ các bướu nhưng chúng có thể biệt
hóa thành bất cứ loại tế bào nào. Ông đã nhìn ra nên sử dụng tế bào EC như phương tiện chuyển nguyên liệu di
truyền vào trong dòng tinh trùng chuột. Cố gắng của ông ban đầu không thành công bởi các tế bào EC mang
nhiễm sắc thể bất thường do đó không thể định hình tế bào tinh trùng. Quan sát các biến đổi, Evans phát hiện ra
các môi trường nuôi cấy tế bào có nhiễm sắc thể bình thường có thể được trực tiếp thiết lập từ phôi chuột giai
đoạn đầu. Những tế bào loại này hiện nay được nhắc đến như tế bào nguồn tạo phôi (ES).
Bước nghiên cứu tiếp theo đã cho thấy ES có thể tạo nên dòng tế bào tinh trùng (xem hình). Phôi nhận được từ
một chủng chuột đã gây nhiễm với ES từ một chủng chuột khác. Các phôi khảm này (chú thích, chứa đựng tế bào
của cả hai chủng) được mang trong một thời kì bởi chuột mẹ thay thế. Thể khảm đời con sau đó được lai với
nhau, và sự hiện diện của tế bào ES - các gene thu được đã phát hiện ở chuột con. Những gene này di truyền theo
các định luật Mendel.
Hiện nay Evans đã bắt đầu thay đổi chút ít các tế bào ES về mặt di truyền. Để thực hiện mục đích này ông đã
chọn retrovirus, loại virus có thể sát nhập gene của chúng vào trong nhiễm sắc thể. Ông giải thích sự chuyển
Retrovirus DNA như vậy từ tế bào ES, thông qua chuột khảm, vào trong dòng tinh trùng chuột. Evans đã sử dụng
các tế bào ES để truyền khả năng mang nguyên liệu di truyền mới cho chuột.
Hai ý tưởng đến cùng nhau - tái tổ hợp tương đồng ở tế bào ES
Vào năm 1986 những nỗ lực nhỏ lẻ đã bắt tay nhau để bắt đầu truyền đạt tế bào ES chứa gene định hướng đầu
tiên. Capecchi và Smithies trước đó đã giải thích các gene có thể được định hướng bằng tái tổ hợp tương đồng
trong môi trường nuôi cấy tế bào, và Evans đã xây dựng nên phương tiện cần thiết cho dòng tinh trùng chuột - tế
bào ES. Bước tiếp theo là kết hợp hai cái lại.
Đối với những thí nghiệm đầu tiên, cả Capecchi và Smithies chọn gene hprt, gene dễ xác định. Gene này liên

quan đến một bệnh di truyền hiếm ở người (hội chứng Lesch-Nyhan). Capecchi đã cải tiến các chiến lược để sử
dụng các gene định hướng và phát triển một phương pháp mới (chọn lọc dương tính - âm tính, xem hình) có thể
được ứng dụng về mặt di truyền.
Sự sinh sản của chuột bất hoạt - sự bắt đầu của một kỉ nguyên mới trong di truyền học.
Những thông báo đầu tiên trong đó tái tổ hợp tương đồng ở tế bào ES dùng để di truyền gene định hướng ở chuột
được công bố 1989. Kể từ đó số thông báo về các chủng chuột bị bất hoạt đã gia tăng có tính định hướng. Định
hướng gene đã phát triển thành một kĩ thuật có nhiều ứng dụng cao cấp. Hiện nay đã có thể chuyển các đột biến
được hoạt hóa tại một số điểm đặc hiệu, hoặc trong tế bào biệt hóa hoặc trong các cơ quan, trong suốt quá trình
phát triển của động vật có vú tới lúc trưởng thành.
Định hướng gene được sử dụng để nghiên cứu sức khỏe và bệnh tật
Hầu như mọi mặt của sinh lý động vật có vú đều có thể được nghiên cứu bằng định hướng gene. Rồi thì chúng ta
đã chứng kiến một sự bùng nổ các hoạt động nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật này. Định hướng gene hiện nay đã
được quá nhiều nhóm nghiên cứu sử dụng và quá nhiều cuộc tranh đua dẫn đến không thể có được một bản tóm
tắt ngắn gọn các kết quả. Một số đóng góp hơi muộn của những người đoạt giải Nobel năm nay trình bày phía bên
dưới.
Định hướng gene giúp chúng ta thấu hiểu vai trò của hàng trăm gene trong quá trình phát triển bào thai động vật
có vú. Nghiên cứu của Capecchi tiết lộ vai trò của những gene liên quan trong quá trình phát triển cơ quan động
vật có vú và trong sự thiết lập hình trạng cơ thể. Công trình của ông đã cởi bỏ lớp hào quang về nguyên nhân của
hàng loạt bệnh giảm thiểu chức năng bẩm sinh ở người.
Evans đã ứng dụng định hướng gene để phát triển chuột mô hình cho các bệnh ở người. Ông đã phát triển hàng
loạt mô hình cho bệnh u xơ nang di truyền ở người, sử dụng những mô hình này để nghiên cứu cơ chế gây bệnh
và kiểm tra hiệu ứng của liệu pháp gene.
Smithies cũng đã sử dụng định hướng gene để phát triển chuột mô hình cho những bệnh di truyền chẳng hạn như
u xơ nang, chứng thiếu máu. Ông cũng đã phát triển một số lớn chuột mô hình cho những bệnh thông thường ở
người chẳng hạn cao huyết áp và xơ vữa động mạch.
Tóm lại, định hướng gene ở chuột đã tràn ngập mọi lĩnh vực của y sinh học. Ảnh hưởng của nó tới sự thấu hiểu
chức năng gene và những lợi ích của nó đối với nhân loại sẽ tiếp tục gia tăng trong nhiều năm nữa.
Mario Capecchi sinh năm 1937 ở Ý, công dân Mỹ, PhD in Biophysics 1967, Harvard University, Cambridge, MA,
USA. Howard Hughes Medical Institute Investigator và Distinguished Professor of Human Genetics và Biology at
the University of Utah, Salt Lake City, UT, USA.

Sir Martin J. Evans, sinh năm 1941, Great Britain, công dân Anh, PhD in Anatomy and Embryology 1969,
University College, London, UK. Director of the School of Biosciences và Professor of Mammalian Genetics,
Cardiff University, UK.
Oliver Smithies, sinh 1925 ở Great Britain, công dân Mỹ, PhD in Biochemistry 1951, Oxford University, UK.
Excellence Professor of Pathology và Laboratory Medicine, University of North Carolina at Chapel Hill, NC,
USA.