Các tế bào dựa vào các phân tử nhỏ gọi là microRNA để điều chỉnh gen nào hoạt động và khi nào. Tế bào phải kiểm soát cẩn thận tuổi thọ của microRNA để ngăn chặn sự gián đoạn lan rộng trong quá trình điều hòa gen.
Một nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Y sinh Whitehead của MIT và Viện Hóa sinh Max Planck của Đức dẫn đầu đã tiết lộ cách các tế bào loại bỏ có chọn lọc một số microRNA nhất định thông qua một hệ thống nhận dạng phân tử phức tạp đến bất ngờ. Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, cho thấy quá trình này đòi hỏi hai tín hiệu RNA riêng biệt, tương tự như cách nhiều hệ thống kỹ thuật số yêu cầu hai hình thức xác minh danh tính trước khi cấp quyền truy cập.
Các phát hiện này giải thích cách tế bào sử dụng hệ thống “xác thực hai yếu tố” này để đảm bảo rằng chỉ những microRNA được chỉ định mới bị phá hủy, trong khi phần còn lại của bộ máy điều chỉnh gen vẫn hoạt động bình thường.
MicroRNA là những đoạn RNA ngắn giúp kiểm soát sự biểu hiện gen. Cùng với một loại protein gọi là Argonaute, chúng liên kết với các RNA thông tin (mRNA) cụ thể - các phân tử mang chỉ dẫn di truyền từ DNA đến bộ máy sản xuất protein của tế bào - và kích hoạt quá trình phân hủy chúng. Bằng cách này, microRNA có thể làm giảm sản xuất các protein cụ thể.
Mặc dù các nhà khoa học đã nhận ra rằng microRNA có thể bị phá hủy thông qua một con đường được gọi là thoái hóa microRNA theo mục tiêu (TDMD), nhưng chi tiết về cách tế bào nhận biết microRNA nào cần loại bỏ vẫn chưa rõ ràng.
“Chúng tôi biết có một con đường có thể nhắm mục tiêu vào các microRNA để phân hủy, nhưng cơ chế sinh hóa đằng sau nó vẫn chưa được hiểu rõ”, Giáo sư David Bartel của MIT, thành viên của Viện Whitehead và đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
Các nghiên cứu trước đây từ phòng thí nghiệm của Bartel và các nhóm khác đã xác định một tác nhân quan trọng trong con đường này: enzyme ubiquitin ligase E3 ZSWIM8. Enzyme ubiquitin ligase E3 tham gia vào hệ thống tái chế của tế bào và gắn một phân tử nhỏ gọi là ubiquitin vào các protein khác, đánh dấu chúng để tiêu hủy.
Các nhà nghiên cứu đầu tiên đã chứng minh rằng enzyme ligase E3 ZSWIM8 liên kết và gắn thẻ đặc hiệu với Argonaute, loại protein chứa microRNA và giúp điều chỉnh gen. Thử thách tiếp theo của các nhà nghiên cứu là hiểu được cơ chế này nhận biết như thế nào chỉ những phức hợp Argonaute mang các microRNA cụ thể cần được phân giải.
Câu trả lời hóa ra lại khá phức tạp.
Bằng cách kết hợp sinh hóa học và kính hiển vi điện tử đông lạnh - một kỹ thuật hình ảnh cho phép quan sát cấu trúc phân tử ở độ phân giải gần mức nguyên tử - các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng hệ thống phân hủy dựa trên một quá trình nhận dạng RNA kép. Đầu tiên, Argonaute phải mang một microRNA cụ thể. Thứ hai, một phân tử RNA khác được gọi là "RNA kích hoạt" phải liên kết với microRNA đó theo một cách đặc biệt.
Cơ chế phân hủy chỉ được kích hoạt khi cả hai tín hiệu đều xuất hiện.
Yêu cầu kép này đảm bảo tính đặc hiệu tuyệt vời. Mỗi tế bào chứa hơn một trăm nghìn phức hợp Argonaute–microRNA điều chỉnh nhiều gen, và việc phá hủy chúng một cách bừa bãi sẽ làm gián đoạn các quá trình sinh học thiết yếu.
“Phần lớn các phân tử Argonaute trong tế bào đang thực hiện công việc hữu ích là điều chỉnh biểu hiện gen”, Bartel, giáo sư sinh học tại MIT và cũng là nhà nghiên cứu của Viện Y học Howard Hughes, cho biết. “Bạn chỉ muốn phân hủy những phân tử mang một microRNA cụ thể và liên kết với RNA kích hoạt phù hợp. Nếu không có tính đặc hiệu đó, tế bào sẽ mất đi các microRNA và chức năng điều chỉnh thiết yếu mà chúng cung cấp”.
Các hình ảnh cấu trúc cho thấy sự tương tác phân tử phức tạp. Enzyme ligase ZSWIM8 phát hiện nhiều thay đổi cấu trúc xảy ra khi hai RNA liên kết với nhau bên trong protein Argonaute.
“Khi chúng tôi nhìn thấy cấu trúc, mọi thứ đều trở nên rõ ràng,” Elena Slobodyanyuk, nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Bartel và đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Bạn có thể thấy sự kết hợp giữa RNA kích hoạt và microRNA định hình lại phức hợp Argonaute theo cách mà ligase có thể nhận ra”.
Ngoài việc giải thích cách thức hoạt động của TDMD, những phát hiện này có thể tác động đến cách các nhà khoa học suy nghĩ về sự điều hòa của các phân tử RNA nói chung.
“Nhiều enzyme E3 ligase nhận biết mục tiêu của chúng thông qua các tín hiệu đơn giản hơn”, Jakob Farnung, đồng tác giả chính và nhà nghiên cứu tại Khoa Máy móc Phân tử và Tín hiệu thuộc Viện Sinh hóa Max Planck cho biết. “Nó giống như mở một rương kho báu, nơi mỗi chi tiết đều hé lộ điều gì đó mới mẻ và đầy mê hoặc”.
MicroRNA thường tồn tại trong tế bào trong thời gian dài hơn nhiều so với hầu hết các RNA thông tin, nhưng một số lại bị phân hủy nhanh hơn nhiều, và con đường TDMD dường như giải thích cho nhiều microRNA có thời gian tồn tại ngắn bất thường này.
Các nhà nghiên cứu hiện đang điều tra xem liệu các RNA khác có thể kích hoạt các con đường phân hủy tương tự hay không và liệu các microRNA bổ sung có được điều chỉnh thông qua các biến thể của cơ chế được trình bày trong nghiên cứu này hay không.
“Điều này mở ra một cách suy nghĩ hoàn toàn mới về cách các phân tử RNA có thể kiểm soát sự phân hủy protein”, Brenda Schulman, đồng tác giả chính của nghiên cứu và giám đốc Khoa Máy móc Phân tử và Tín hiệu tại Viện Sinh hóa Max Planck cho biết. “Ở đây, sự nhận biết phức tạp hơn nhiều so với dự kiến. Chắc chắn còn rất nhiều điều cần khám phá”.
Việc làm sáng tỏ các chi tiết của hệ thống điều chỉnh phức tạp này đòi hỏi sự hợp tác liên ngành, kết hợp chuyên môn về sinh hóa RNA, sinh học cấu trúc và enzym học ubiquitin để giải quyết câu đố phân tử lâu đời này.
“Đây là một dự án đòi hỏi thế mạnh của hai phòng thí nghiệm hàng đầu trong lĩnh vực của họ,” Schulman, người cũng là cựu sinh viên của Viện Whitehead, cho biết. “Đó là một nỗ lực hợp tác nhóm tuyệt vời”.