Chương 1. TONG QUAN VE VIỆC NGHIÊN CỨU RNA TRONG GIAI DOAN HIEN NAY 1. Những nghiên cứu về RNA trong những năm gần đây. Với sự phát triển của di truyền học hiện đại, những chức năng mới của các loại RNA trong bộ máy di truyén của tế bào được phát hiện ngày càng nhiễu và day đủ hơn.
Đặc biệt, nhiều giải Nobel đã được trao cho các nhà khoa học đã khám phá và đưa ra những giải thích cụ thể của họ về chức năng của các phân tử RNA và rất nhiều nghiên cứu khác. Năm 1989 hai nhà khoa học Sidney Altman và Thomas Cech đã đạt giải Nobel hóa học cho phát minh “phân tử RNA trong các tế bào sống không chỉ là các phân tử đóng vai trò quan trọng trong truyền đạt thông tin di truyền, mà còn có chức năng như là một chất xúc tác sinh học”. Diéu này thật sự là một bất ngờ rất lớn cho các nhà khoa học và những người quan tâm đến khoa học sự sống. Sự cần thiết của các chất xúc tác: © Các phan ứng hoá học không thể xảy ra nếu không có các chất xúc tác.
o Cơ thể sống không thể sống nếu không có các chất chất xúc tác cần thiết, các chất xúc tác sinh học đó có tên là enzyme. Vai trò của Enzyme trong cơ thể sống: " Quyét định đến tất cả các phan ứng xảy ra trong cơ thể sống, các enzyme có kha năng tăng tốc độ của phan ứng lên rất nhiều lần. " _ Các phan ứng trong cơ thể sống thực sự rất khó xẩy ra nếu như vắng mặt của các enzyme. So sánh và đánh giá một số thuật toán phân tích dự đoán cấu trúc RNA GVHD: 5S.TS TRAN VĂN LANG Trang 11 Trước khi công trình nghiên cứu của Altman va Thomas Cech, các nhà sinh học tin rằng acid nucleic là các phân tử sinh học giữ vai trò trong di truyén, còn protein là các phân tử chức năng cấu trúc và chức năng xúc tác.
Tất cả các enzyme déu được coi là các protein. Các tính chất và chức năng cụ thé của protein được xác định bằng các nhân tố di truyền hay còn gọi là gen. Thông tin di truyén trên DNA quy định cấu trúc và chức năng của protein, tuy nhiên trước khi những thông tin đó có thể được sử dụng trực tiếp để tổng hợp nên protein, các mã di truyền cần phải được sao mã thành một dạng phân tử acid nucleotide khác là RNA. Phát minh này không chỉ có ý nghĩa trong nghiên cứu cơ bản, mà còn cung cấp một công cụ mới trong kĩ thuật di truyền với tiém năng hứa hẹn trong ngăn cần sự lây nhiễm vi-rút.
Trong nhiều năm, nhiều nhà khoa học quan niệm rằng mRNA được mã hoá bởi một trình tự nucleotide liên tục trên DNA. Bởi vậy một kết quả hết sức bất ngờ khi năm 1977, Phillip Sharp và Richard Roberts cho rằng trình tự mRNA có thể được xây dựng không liên tục trong hệ gen (gen phân mảnh) và có hiện tượng cắt nối mRNA trước khi tạo thành phân tử mRNA hoàn chỉnh. Giải Nobel sinh lý học và y học năm 1993 đã được trao cho hai nhà khoa hoc Phillip Sharp và Richard Roberts. Điều đó cho thấy rằng phân tử RNA dài (pre-RNA, RNA dị biệt trong nhân) được cắt nối thành nhiều RNA ngắn trưởng thành, Sharp và Roberts vì thế để xuất rằng trình tự mRNA - exon - dường như được cắt ra từ các đoạn RNA sơ cấp được phiên mã; trong khi trình tự ở giữa - intron - lại bị cắt bỏ.
Sự sắp xếp không liên tục của trình tự mRNA trên DNA có liên hệ quan trọng với tiến hóa. Thêm vào đó, quá trình cắt nối RNA có thể khác nhau giữa các mRNA thế hệ sau và theo nguyên tắc lựa chọn hình thức cắt nối sẽ nhiều hơn một protein bắt nguồn từ phiên mã sơ cấp pre-RNA. So sánh và đánh giá một số thuật toán phân tích dự đoán cấu trúc RNA GVHD: PGS.TS TRAN VĂN LANG Trang 12 Những nhà nghiên cứu sinh học phân tử đã thu được những khám phá ngoạn mục. Sự khám phá ra tế bào có một cơ chế đặc biệt - cơ chế can thiệp RNA (RNAi), đã vượt quá mong đợi và mở rộng hiểu biết của chúng ta về cơ chế kiểm soát gen trong cơ thể sinh vật.
RNAi là một công nghệ mới và mạnh mẽ, chỉ cần một vài phân tử RNA sợi kép (dsRNA) trong một tế bào cũng đủ để phân hủy các MRNA của một gen đặc thù. Kết quả thực nghiệm này cho thấy RNAi có thể cho phép bất hoạt gen một cách hiệu quả ở bất kì cơ thể sống nhân thật nào. Việc phát hiện ra công nghệ RNAi được đánh giá cao thông qua việc giải thưởng Nobel trong sinh lý học và y học năm 2006 đã được trao cho Giáo sư Andrew Z. Fire (1959) và Giáo sư Craig.
Hai ông đã xuất ban công trình nghiên cứu đột phá về cơ chế gây kích hoạt gen. Khám phá của họ đã làm sáng tổ được nhiều thí nghiệm đây mâu thuẫn và khó hiểu trong nhiều năm trước đây. Đồng thời nó tiết lộ một cơ chế tự nhiên để kiểm soát dòng thông tin di truyền trong tế bào, báo hiệu sự khởi đầu cho một lĩnh vực nghiên cứu mới. Với nghiên cứu mới này, khoa học cũng đang tìm ra các ứng dụng của RNAi trong những nghiên cứu y học chữa bệnh bằng liệu pháp gen, các ứng dụng trên cây trồng, vật nuôi trong nông nghiệp nhằm tạo ra các sản phẩm với chất lượng tốt hơn; trong điều trị các bệnh nhiễm khuẩn, các bệnh do vi-rút, bệnh tim, ung thư, rối loạn nội tiết và nhiều chứng bệnh khác.
Va cùng với rất nhiều công trình nghiên cứu khác trong vài năm gần đây như: o Vào năm 2010, các nhà khoa học đã có bước đột phá mới trong việc tạo ra các phân tử RNA có thể kết nối với các tế bào để truyền cảm nhận trong những điều kiện nhất định và hồi đáp bằng cách tác động lên các protein đặc biệt. Các phân tử RNA làm việc như một hệ thống bảo mật ở cấp độ tế bào. Theo Christina Smoke, kỹ sư sinh hóa người lãnh đạo nhóm các nhà So sánh và đánh giá một số thuật toán phân tích dự đoán cấu trúc RNA GVHD: PGS.TS TRAN VĂN LANG Trang 13 nghiên cứu, làm việc tại Stanford University ở California, Hoa Kỳ, kết quả nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Science, số ra ngày 26/11/2010. Smoke và đồng nghiệp tạo ra các phân tử RNA có thể kết nối với các tế bào để truyền cảm nhận trong những điều kiện nhất định và hôi đáp bằng cách tác động lên các protein đặc biệt.
Công nghệ này có thể được khai thác để tạo ra các liệu pháp tế bào cơ sở và các phương pháp điều trị ung thư. o Năm 2011, Sander và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu phát hiện ra mRNA thông tin (messenger RNA) trên vi khuẩn có khả năng kích thích hệ thống miễn dịch, mRNA này chi có ở các vi khuẩn còn sống mà không tìm thấy ở các vi sinh vật đã bị làm bất hoạt, mở ra tiểm năng ứng dụng trong san xuất vaccine an toàn thế hệ mới. o Gần đây là trong nghiên cứu được công bố trên tạp chi Nature các nhà sinh học phân tử ở Đại học Texas ở Austin đã làm sáng tỏ một trong những bí ẩn về cơ chế mà những RNA mạch đôi được sửa chữa ngay bên trong tế bào. Các bằng chứng từ những thực nghiệm này chỉ ra rằng những protein thuộc họ DEAD-box protein (đây là một trong những enzyme cổ điển được tìm thấy trong tất cả các dạng sống).
Chúng sử dụng hóa năng để kiểm soát chặt chẽ cũng như việc mở các chuỗi RNA. Từ khả năng này chúng có kha năng hình thành những cấu trúc mới mẻ. Khám phá này còn mở ra cánh cửa diéu trị nhiều căn bệnh hiểm nghèo như ung thư hay các bệnh gây ra bởi vi-rút. Trong một tương lai xa hơn, khi có phối - kết hợp những cỗ máy nano này lại, các nhà nghiên cứu sẽ có khả năng kiểm soát, bật hay tắt, kiểm soát toàn bộ các cơ chế khác bên trong và ngoài tế bào.
Các nhà khoa học thuộc Viện Max Planck về phát triển Sinh học ở Tuebingen, Đức, đã chỉ ra rằng những phần tử nhỏ nhất định trong số các đơn vị di truyền được gọi là microRNA đóng vai trò quyết định sự lớn lên va các quá So sánh và đánh giá một số thuật toán phân tích dự đoán cấu trúc RNA GVHD: PGS.TS TRAN VĂN LANG Trang 14 trình lão hóa ở các loài thực vật. MicroRNA là những phần có mạch đơn, ngắn có thể hoạt động như một gen điều hòa các gen khác. Chúng thực hiện những điều này bằng cách gắn với các phân bổ sung của vật liệu di truyén, do đó chúng kiểm soát việc đọc mã và sự hình thành các sản phẩm di truyền. này, ức chế một số nhân tố điều hòa nhất định, được biết như các nhân tố phiên mã.
Các nhân tố phiên mã này ảnh hưởng đến sự sản sinh acid jasmonic, một loại hormone thực vật. Sự hiện diện của microRNA càng cao thì số lượng các nhân tố phiên mã hoạt động càng thấp và lượng acid jasmonic thực vật tiết ra càng nhỏ. Các nhà sinh học phân tử ở Đại học Texas ở Austin đã làm sáng tổ một trong những bí ẩn về cơ chế mà những RNA mạch đôi là những sợi tương đồng trong trình tự dsRNA làm kích hoạt phản ứng trả lời được sửa chữa ngay bên trong tế bào. Khám phá này còn mở ra cánh cửa điều trị nhiều căn bệnh hiểm nghèo.
Kết quả của nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Nature. Ngày 31-10-2004, nhà khoa học từ Viện Vật lý của Học viện Khoa học Trung Quốc lần dau tiên trên thế giới đã ứng dụng kỹ thuật xử lý RNA trên động vat để điều trị bệnh ung thư vú và đã được nhiều kết quả đáng chú ý. Cuộc thí nghiệm của họ trên chuột cho thấy kỹ thuật này có thể có hiệu quả diệt những tế bào bệnh ung thư của động vật. Các nhà khoa học Trung Quốc hiện đang hy vọng sẽ phát triển một loại thuốc lấy từ gene để chữa lành các khối u ác tính.
Kỹ thuật xử lý RNA, thường hay ngăn chặn biểu hiện của gene, được các nhà khoa học khám phá từ những năm 1990. Hiện nay, các nhà khoa học từ nhiều quốc gia đang sử dụng kỹ thuật này để phát triển một loại thuốc lấy từ gene và một vài trường hợp đã được dùng để chữa bệnh ung thư vú [23].