Can thiệp ARN với cuộc sống

1. Can thiệp ARN là gì?

Can thiệp ARN (RNA inteference – RNA can thiệp) là một trong những đột phá công nghệ quan trọng nhất trong sinh học hiện đại. Trong những năm 90 thế kỷ XX, một số nhà khoa học đã nghiên cứu về khả năng ức chế sự biểu hiện của mRNA ở thực vật và nấm. Mặc dù hiện tượng này được xác định nhưng chưa được hiểu về bản chất, cơ chế và tác dụng quan trọng của nó. Năm 1998, hai nhà khoa học Mỹ là Andrew Fire và Craig Mello đã công bố phát hiện của họ về một cơ chế có thể làm suy biến ARN thông tin (mRNA) được sao mã từ một gene xác định và họ gọi đó là “can thiệp ARN”. Cơ chế này được kích hoạt khi các phân tử ARN kép (dsRNA) xuất hiện trong tế bào. Khi đó chuỗi dsRNA kích hoạt “cỗ máy” sinh hoá, làm suy biến các phân tử mRNA được sao mã di truyền từ ADN không biểu hiện được chức năng giải mã, cho ra chuỗi protein tương ứng. Đặc biệt, can thiệp ARN với chuỗi dsRNA ngắn trực tiếp có thể thực hiện trong các tế bào động vật có vú mà không gây nên các hiệu ứng không đặc hiệu. Với việc khám phá ra cơ chế can thiệp RNA (cách vô hiệu hoá hoạt động của các gen xác định), hai nhà khoa học Andrew Z. Fire (Viện Công nghệ Massachusetts, Trường Y Đại học Stanford) và Craig C. Mello (Đại học Harvard, Trường Y Đại học Massachusetts) đã giành Giải Nobel Y học 2006. Từ đó, các ứng dụng của công nghệ iRNA có thể được sử dụng để xác định và đánh giá chức năng của hàng ngàn gene trong hệ gene có tiềm năng tham gia vào các kiểu hình của bệnh. Mặt khác, công nghệ iRNA sẽ cung cấp một phương tiện hiệu quả để ngăn chặn biểu hiện của một gene cụ thể có liên quan đến bệnh tật.

2. Cơ chế can thiệp ARN

Theo Fire A et al (1998), can thiệp ARN (iRNA) là một cơ chế được đánh giá cao. Từ ARN kép (dsRNA) được “cắt” bởi enzyme Dicer Rnase III tạo ra đoạn ngắn (siRNA). Sau khi được nạp vào trong tế bào, siRNA sẽ gây ra suy thoái trình tự của chuỗi mRNA tương đồng của nó. Can thiệp RNA đã được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1998 bởi Andrew Fire và Craig Mello ở giun tròn Caenorhabditis elegans, sâu và sau đó được tìm thấy trong một loạt các sinh vật khác, bao gồm cả động vật có vú.

Cơ chế can thiệp RNA có thể thấy như sau:

Khi vào các tế bào, sao chép nội sinh hoặc ngoại sinh RNA mạch kép dài (ldsRNA) được biểu hiện như là một tác nhân kích hoạt của quá trình can thiệp RNA (H1-A), tiếp đó được xử lý bởi enzyme Dicer RNase III trong một phản ứng phụ thuộc vào ATP (H1-B). Dicer cắt ldsRNA thành những đoạn ngắn có kích thước khoảng 21-23 nucleotit (siRNA). Các đoạn siRNA cũng có thể được tổng hợp bên ngoài tế bào và sau đó được đưa vào tế bào thông qua quá trình khuếch tán hoặc chuyển nhờ xung điện (electroporation (H1-C). siRNA được tích hợp vào phức hợp RISC hiệu ứng can thiệp ARN trong đó bao gồm một protein Argonaute (Ago) là một trong những thành phần chính của phức hợp này, từ đó dẫn đến một phức hợp RISC hoạt động (H1-D). Nhờ đó, sợi siRNA làm điều ngược lại, hướng dẫn RISC mRNA tương đồng của nó, phân tách phân tử mRNA mà không giải mã, nên không có protein nào được tổng hợp (H1-E và F). Việc khám phá cơ chế can thiệp ARN có ý lớn lao đối với cuộc sống của con người và cả động thực vật.

3. Quá trình can thiệp ARN và khả năng chống lại các virus

Sự can thiệp RNA đóng vai trò rất quan trọng trong việc chống lại sự xâm nhiễm của các virus vào cơ thể vật chủ, đặc biệt là các sinh vật bậc thấp. Với những virus có thông tin di truyền được chứa trên chuỗi ARN kép (dsRNA), khi xâm nhiễm vào tế bào, chúng bơm thông tin di truyền (phân tử dsRNA) vào tế bào vật chủ, dsRNA lập tức gắn vào Dicer, phức hợp RISC được kích hoạt, RNA virus bị phân hủy và tế bào vật chủ thoát khỏi sự xâm nhiễm này (H2-A). Hay sự tổng hợp của nhiều loại protein do các gene mã hoá cho đoạn nhỏ RNA (siRNA) kiểm soát. Sau khi xử lý, siRNA ngăn cản sự dịch mã từ mRNA thành protein (H2-B). Hay trong phòng thí nghiệm, các phân tử RNA mạch đơn (ssRNA) được biến đổi để hoạt hoá phức hợp RISC và để phân hủy mRNA của một gene chuyên biệt nào đó (H2-C). Bên cạnh khả năng bảo vệ, các sinh vật bậc cao như con người còn phát triển một hệ thống miễn dịch hiệu quả liên quan đến kháng thể, tế bào diệt tự nhiên (tế bào NK) và interferon.

4. Những cơ hội mới trong nghiên cứu sinh học y dược, kỹ thuật gene và chăm sóc sức khỏe

Sự can thiệp ARN đưa ra nhiều ứng dụng thú vị trong kỹ thuật gene. Phân tử dsRNA được thiết kế để gây bất hoạt cho các gene đặc thù ở người, động vật hoặc thực vật. Các phân tử ARN có khả năng gây bất hoạt được đưa vào tế bào và kích hoạt bộ máy can thiệp ARN để phá hủy các mRNA có mã di truyền tương đồng. Kỹ thuật này đã trở thành một dụng cụ nghiên cứu quan trọng trong ngành sinh học và y dược học. Trong tương lai, mọi người hy vọng kỹ thuật này sẽ được sử dụng trong cả lĩnh vực y học lâm sàng lẫn ngành nông nghiệp. Một vài công bố gần đây cho thấy sự bất hoạt gene đã được tiến hành thành công ở các tế bào người và các động vật thí nghiệm.

4.1. iRNA với ung thư

Trong những năm gần đây, ARN can thiệp (iRNA) đã nổi lên như là một cơ chế quản lý lớn trong biểu hiện gene ở sinh vật có nhân điển hình. Người ta hiểu rằng thay đổi ở các cấp độ trong quá khứ liên quan trực tiếp đến bệnh ung thư và các gene đột biến gây ung thư (oncogene). Hơn nữa, can thiệp RNA đã được biến thành một công cụ mạnh cho biểu hiện gene nhân tạo điều chỉnh thông qua sự biểu hiện của RNA can thiệp có kích thước nhỏ (siRNA). Những công cụ này giúp phân định vai trò của các yếu tố di động trong oncogenesis và ức chế khối u, đặt nền móng cho các phương pháp tiếp cận mới trong phát hiện gene. Hơn nữa, thành công ức chế sự phát triển của tế bào ung thư bằng cách can thiệp ARN nhằm tới oncogene in vitro và in vivo hỗ trợ nhiệt tình tiềm năng cho các ứng dụng điều trị của kỹ thuật này. Theo Pai SI, Lin YY, Macaes B, Meneshian A, Hưng CF, Wu TC – Bộ môn Tai Mũi Họng và Phẫu thuật cổ – Đại học Y khoa Johns Hopkins, Baltimore, Mỹ (2006), can thiệp ARN (iRNA) là một quá trình mạnh mẽ đầy hứa hẹn trong lĩnh vực điều trị ung thư. Việc phát hiện ra can thiệp ARN đã tạo ra động lực trong cộng đồng khoa học, không chỉ vì nó đã được sử dụng để nhanh chóng xác định các phân tử quan trọng tham gia vào nhiều quá trình mắc bệnh, bao gồm ung thư, mà còn vì can thiệp RNA có tiềm năng được trở thành một công nghệ với các ứng dụng lớn trong điều trị. Nhiều sản phẩm gene liên quan đến ung thư đã được khám phá như là mục tiêu cho ARN can thiệp. Trong hầu hết các nghiên cứu, sự im lặng của sản phẩm gene quan trọng nhờ công nghệ iRNA đã tạo ra ảnh hưởng đáng kể chống lại sự sinh sôi nảy nở (antiproliferative), sự tăng lên nhanh chóng của tế bào nuôi cấy trong môi trường hoặc trong các mô động vật tiền lâm sàng. Tuy nhiên, những trở ngại như trong việc ức chế không đầy đủ của các gene mục tiêu, đáp ứng miễn dịch không đặc hiệu và cái gọi là hiệu ứng mục tiêu, cần phải vượt qua trước khi công nghệ này có thể được dịch sang lĩnh vực lâm sàng thành công. Những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong việc giải quyết một số vấn đề và dự đoán những thử nghiệm lâm sàng giai đoạn đầu sẽ được bắt đầu trong tương lai gần.

4.2. Dùng hạt nano “gói” iRNA để tìm diệt tế bào ung thư

Cuộc thử nghiệm lâm sàng đầu tiên trên cơ thể người đã chứng tỏ các hạt nano tìm đến đúng những tế bào ung thư để bất hoạt sự giải mã gene cần thiết. Theo kết quả những lần thử nghiệm lâm sàng trước đây, hạt nano chuyên dụng “gói” “chất trị ung thư” điều chế từ siRNA đã thành công trong việc tìm đến mục tiêu là các tế bào ung thư trong cơ thể người và vô hiệu hóa tạo ra sản phẩm từ gene cần thiết. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa tiết lộ tác dụng lâm sàng của liệu pháp nhưng theo GS Phillip Sharp ở Học viện Công nghệ Massachusetts, người được nhận giải thưởng Nobel Y học năm 1993 nhờ công nghiên cứu về quá trình phân chia ARN, nhận xét: "Đây là một thành tựu rất phấn khích, điều này chứng tỏ lĩnh vực này đang trưởng thành và bắt đầu được áp dụng để trị liệu cho bệnh nhân". Kể từ khi phát minh (năm 2000), những dải kép ARN có thể vô hiệu hóa những gene cần thiết. Các nhà nghiên cứu đã xem kỹ thuật này là một cách tiếp cận hữu dụng để tạo ra những dược phẩm mới và công hiệu. Điều khó khăn là việc đưa “thuốc ARN can thiệp” đến những tế bào mục tiêu. Khi nạp vào mà không bao bọc bảo vệ, những phân tử cỡ nhỏ (siRNAs) nhanh chóng bị thận lọc ra khỏi cơ thể. Các nhà nghiên cứu đã gắng sức để thiết kế ra những hạt chứa thuốc tìm đến những tế bào mục tiêu có đủ độ khác biệt, không gây ra độc hại hoặc không gây ra phản ứng miễn dịch của cơ thể. Cho đến nay, một vài cuộc thử nghiệm lâm sàng đã được thực hiện để kiểm tra khả năng của siRNA khi cung cấp trực tiếp vào mắt hoặc phổi để chữa bệnh thoái hóa võng mạc hoặc viêm phổi do virus. Đây là những cơ quan dễ tiếp cận, nên thuốc đã được truyền trực tiếp tới những mô đó với ARN can thiệp không bọc. Tuy nhiên, ở cuộc thử nghiệm mới đây, lần đầu tiên ARN can thiệp được đưa một cách hệ thống vào trong cơ thể, trên cơ sở sử dụng những hạt chuyên dụng để bảo vệ ARN can thiệp. Khi di chuyển lần thử nghiệm đầu tiên việc đưa iRNA tới các tế bào để trị ung thư, Mark Davis – Giáo sư Hóa học ở Caltech nói: "Chúng tôi muốn chọn một gene là thủ phạm gây ra một loạt các bệnh ung thư để tăng khả năng thấy được công hiệu của liệu pháp mới". Các nhà nghiên cứu đã phân tích mẫu sinh thiết của 3 bệnh nhân bị u hắc tố trong thử nghiệm lâm sàng sau khi họ được tiêm 3 liều thuốc khác nhau. Họ lần tìm các hạt ở những mẫu đó và phát hiện thấy lượng hạt ở những tế bào khối u có liên quan đến liều lượng thuốc đã tiêm. Họ cũng đưa những mẫu mRNA (ARN thông tin) được dính chính xác vào những nơi mà siRNA đã được thiết kế để cắt bỏ, để chứng tỏ iRNA đã thực hiện nhiệm vụ đúng theo yêu cầu. Cuộc thử nghiệm này được tài trợ bởi Calando Pharmaceuticals, một công ty mới khởi sự ở California do Davis sáng lập để phát triển những liệu pháp trị ung thư bằng siRNA “gói” trong hạt nano. Cuộc thử nghiệm là một bước khởi đầu đầy hứa hẹn, tuy nhiên vẫn còn nhiều việc phải làm trước khi liệu pháp được áp dụng rộng rãi tại các bệnh viện.

4.3. “Thần dược” từ ARN can thiệp

Theo Viện sĩ Hàn lâm Viện Khoa học Pháp Jean Paul Behr (2012), trong tương lai, ARN can thiệp sẽ là trung tâm của ngành dược. Nghiên cứu của các Giáo sư Fire và Mello cho thấy có rất nhiều phân tử iRNA tồn tại từ giai đoạn phôi thai cho đến lúc chết ở các sinh vật đa bào với nhiệm vụ điều hòa sự “vận hành” của tế bào. Cơ chế của iRNA là phân hủy các ARN thông tin (mRNA) của các gene nhảy (transposon) có thể gây đột biến, của vi rút hoặc các ký sinh trùng khác tiêm nhiễm vào. Các gene “xâm lược” này bị phát hiện và vô hiệu hóa do có mã di truyền giống với iRNA. Hiểu được cơ chế hoạt động, rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã thử nghiệm những liệu pháp gene nhằm điều trị các bệnh do vi rút gây ra, bệnh lý về tim mạch, ung thư, rối loạn nội tiết. Các phân tử iRNA mang mã di truyền chọn lọc tương đồng với gene gây hại được đưa vào cơ thể nhằm “tìm diệt” những gene đó. Đây sẽ là một cuộc cách mạng thật sự của ngành dược trong xu thế ứng dụng công nghệ sinh học đang ngày càng tạo được chỗ đứng bên cạnh phương pháp điều chế thuốc truyền thống bằng cách tổng hợp các hoạt chất hóa học.

Tuy nhiên, để iRNA có thể trở thành dược phẩm thật sự, các nhà khoa học phải vượt qua không ít trở ngại. Trước tiên, những phân tử này trong tự nhiên rất mỏng manh và tồn tại trong một thời gian ngắn. Giải pháp được đưa ra là “khóa” các nguyên tử ôxy của iRNA, tác nhân khiến cấu trúc này không bền vững. Sau đó, iRNA sẽ được xử lý để làm chậm quá trình đào thải bởi thận. Sự tiến bộ của ngành hóa học đã giúp phát triển các ARN can thiệp kích thước nhỏ (siRNA) bền vững gấp 100 lần so với iRNA tự nhiên, đồng thời có thể dễ dàng được tổng hợp với số lượng lớn. Nhiều công ty hóa sinh đã thử nghiệm đưa siRNA vào các bộ phận của cơ thể để chữa bệnh, chẳng hạn một số bệnh lý về mắt như thoái hóa hoàng điểm liên quan đến tuổi già. Khó khăn tiếp theo là làm thế nào đưa được siRNA vào tế bào người, vốn được bảo vệ rất kỹ lưỡng. Các nhà khoa học đang nghiên cứu phương pháp “ngựa thành Troy”: cấy siRNA vào các hạt nano. Những hạt nano sẽ để tế bào “nuốt” lấy một cách tự nhiên và chỉ giải phóng siRNA khi đã vào được phía trong. Phương pháp này giúp siRNA tiêu diệt trực tiếp các tế bào ung thư mang gene đột biến mà không ảnh hưởng đến các tế bào lành trong cơ thể.

4.4. Rối loạn mỡ máu có thể chữa được?

Rối loạn mỡ máu (Dyslipidemia) là tên gọi một số bệnh do xáo trộn các chất mỡ trong máu: hoặc quá nhiều hoặc quá ít các chất lipoprotein. Bệnh thường biểu hiện qua độ tăng cholesterol, tăng loại lipoprotein "xấu" (LDL), tăng loại triglyceride hoặc thiếu loại lipoprotein "tốt" (HDL). Theo Crooke (2010), Lipoprotein được chia làm nhiều loại tùy theo tỷ trọng (density), HDL-c (tỷ trọng cao) – khoảng 1/3 tổng số cholesterol được mang trong HDL. Giới y học cho rằng HDL thường đem cholesterol ra khỏi động mạch trở về gan và sau đó bài tiết ra khỏi cơ thể. Một số khác còn cho rằng HDL "hốt" cholesterol ứ thừa trong các mảng xơ vữa và làm chậm sự phát triển của những mảng này. Vì thế, HDL thường có mệnh danh là loại "cholesterol có ích". HDL càng thấp thì cơ hội bị bệnh tim mạch càng cao, và ngược lại, HDL cao có thể làm giảm cơ hội bị bệnh tim mạch. IDL-c (tỷ trọng trung bình) LDL-c (tỷ trọng thấp) – ngược lại với HDL, LDL có mệnh danh là "cholesterol xấu". Khi có quá nhiều LDL, cholesterol bị đưa vào các màng của động mạch, dấn dần làm hẹp đường kính của mạch. Sau đó, kết hợp với các chất khác trong màng của thành động mạch tạo thành những mảng xơ vữa (atherosclerosis). Những mảng này có thể bị rạn nứt làm cho thành động mạch không được trơn tru. Khi chảy qua những chỗ "gồ ghề" này, dòng máu dễ bị hỗn lọan không đều, trì trệ và dễ đông lại thành cục máu đông (thrombus). Cục máu đông này có thể phát triển theo kiểu "phù sa bồi đắp", lớp lớp chồng lên nhau, có lúc đủ để làm nghẽn động mạch. Nếu trường hợp này xảy ra trong động mạch vành tim thì kết quả là nghẽn mạch tim, gây chứng nhồi máu cơ tim. Trong trường hợp cục máu đông bị sút ra khỏi thành động mạch, trôi theo dòng máu cho đến khi kẹt vào một mạch có đường kính nhỏ hơn làm nghẽn mạch ấy. Nếu chẳng may đấy là mạch dẫn máu của não thì kết quả là chứng tai biến mạch máu não. Tăng mức cholesterol, hay đúng hơn, tăng LDL-cholesterol (LDL-c) là nguyên nhân chính của chứng xơ vữa làm nghẽn mạch vành tim đem đến chứng đau thắt ngực, nhồi máu cơ tim, chết bất ngờ và suy tim. Hiện nay, khoa học khẳng định hoàn toàn rằng giảm lượng LDL-c trong máu sẽ đem đến giảm cơ hội bệnh mạch vành tim. Ngoài ra, nếu số Triglycerides cao và HDL-c thấp sẽ làm tăng độ nguy hại của LDL-c, do đó hai chất này cần phải được lưu ý./.

Tài liệu tham khảo

1. Dr Ed Wild et al, l (2012), Double success for huntingtin RNAi gene silencing 2 bits of good news for RNAi gene silencing in HD: it’s safe over six months, and a way to treat bigger brain areas.2. Gu, S, Jin, L, Zhang, F, Huang, Y, Grimm, D, Rossi, JJ et al. (2011), Thermodynamic stability of small hairpin RNAs highly influences the loading process of different mammalian Argonautes. Proc Natl Acad Sci USA 108.

3. Science Daily (June 26, 2012), New Role for RNAi Discovered: Epigenetic Memory May Pass RNA Silencing from One Generation to the Next.

4. Harper P (2002), "The epidemiology of Huntington’s disease".

5. Hyukjin Lee and Ung Hee Lee (2012), Researchers successfully used this 5 nanoparticle, made from several strands of DNA and RNA, to turn off a gene in tumor cells.

6. Seth, S, Matsui, Y, Fosnaugh, K, Liu, Y, Vaish, N, Adami, R et al. (2011), RNAi-based therapeutics targeting surviving and PLK1 for treatment of bladder cancer.

7. The Guardian (Mon/01/10/2012), GM cow designed to produce milk without an allergy.

8. Van der Burg JM, Björkqvist M, Brundin P (2009), "Beyond the brain: widespread pathology in Huntington’s disease". Lancet Neurol 8 (8).

9. Walker FO (2007), "Huntington’s disease". Lancet 369 (9557).

Nguyễn Dương Tuệ 22/07/2014

Bài viết cùng chủ đề

Comments

comments

 Web Analytics