Kỹ thuật mới này có thể mang lại cái nhìn toàn cảnh về cơ chế của nhiều bệnh tật và bí ẩn của sự lão hóa.
Các bệnh viện thường xuyên đeo những chiếc vòng mềm quanh cổ tay nhỏ bé của trẻ sơ sinh để chứa những thông tin nhận dạng quan trọng như tên, giới tính, mẹ và ngày sinh. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rockefeller đang áp dụng cách tiếp cận tương tự với tế bào não trẻ sơ sinh - nhưng những trẻ sơ sinh này sẽ giữ thẻ ID suốt đời để các nhà khoa học có thể theo dõi cách chúng phát triển và trưởng thành, như một phương tiện để hiểu rõ hơn về quá trình lão hóa của não.
Như được mô tả trong một bài báo mới trên tạp chí Cell , phương pháp mới được phát triển bởi nhà di truyền học Junyue Cao của Rockefeller và các đồng nghiệp của ông được gọi là TrackerSci (phát âm là "bầu trời"). Phương pháp tiếp cận chi phí thấp, hiệu suất cao này đã tiết lộ rằng trong khi các tế bào sơ sinh tiếp tục được sản xuất trong suốt cuộc đời, thì các loại tế bào được tạo ra lại rất khác nhau ở các độ tuổi khác nhau. Công trình đột phá này, do đồng tác giả đầu tiên là Ziyu Lu và Melissa Zhang từ phòng thí nghiệm của Cao dẫn đầu, hứa hẹn sẽ không chỉ ảnh hưởng đến nghiên cứu về não mà còn cả các khía cạnh rộng hơn về lão hóa và bệnh tật trên cơ thể con người.
Cao, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Di truyền Đơn bào và Động lực Dân số, cho biết: “Tế bào là đơn vị chức năng cơ bản của cơ thể chúng ta, do đó, những thay đổi trong tế bào về cơ bản là nguyên nhân dẫn đến hầu hết mọi bệnh tật và quá trình lão hóa”. “Nếu chúng ta có thể mô tả một cách có hệ thống các đặc tính của các tế bào khác nhau và hoạt động của chúng bằng kỹ thuật mới này, chúng ta có thể có được cái nhìn toàn cảnh về cơ chế của nhiều bệnh tật và bí ẩn của sự lão hóa.”
Các tế bào mới liên tục được sản xuất trong não động vật có vú trưởng thành, một quá trình quan trọng liên quan đến trí nhớ, học tập và căng thẳng. Chúng phát triển từ các tế bào tiền thân - hậu duệ của tế bào gốc trưởng thành biệt hóa thành các loại tế bào chuyên biệt.
Tuy nhiên, quá trình này diễn ra như thế nào thì phần lớn vẫn chưa được biết đến, do những hạn chế về công nghệ và độ hiếm của tế bào. Việc tìm kiếm các tế bào tiền thân trong não là một nỗ lực khó khăn; ở động vật có vú, chúng chỉ chiếm 0,5% tổng số tế bào não. Con số đó giảm xuống còn 0,1% trong các giai đoạn sau của cuộc đời - sự thay đổi đi xuống do sự mất ổn định của tế bào, một đặc điểm cốt lõi của bệnh tật và lão hóa.
Cao nghiên cứu cách các mô và cơ quan duy trì quần thể tế bào ổn định - một dấu hiệu của sức khỏe - vì vậy ông và nhóm của mình muốn điều tra xem các quần thể tế bào khác nhau phát triển như thế nào và liệu các tế bào thần kinh đa dạng này suy giảm theo cùng một cách hay hình thành những con đường khác nhau. Việc theo dõi tuổi thọ tế bào của chúng từ khi sinh ra cho đến khi trưởng thành sẽ tiết lộ không chỉ những khác biệt mà còn cả thời điểm chúng xuất hiện.
(adv)
Phòng thí nghiệm của ông chuyên tối ưu hóa các phương pháp giải trình tự tế bào đơn, một phương pháp phân tích ngày càng phổ biến tập trung vào biểu hiện di truyền và động lực phân tử của từng tế bào. Nhóm của Cao sử dụng phương pháp lập chỉ mục tổ hợp, một kỹ thuật tinh vi nhưng tiết kiệm chi phí cho phép phân tích đồng thời hàng triệu tế bào. Phương pháp này gắn thẻ duy nhất cho các phân tử tế bào bằng các mã vạch riêng biệt tương ứng với tổ hợp phân tử duy nhất của mỗi tế bào. Với TrackerSci, Cao và các đồng nghiệp của ông đã tinh chỉnh kỹ thuật này hơn nữa. Cải tiến này cho phép ghi nhãn tỉ mỉ và theo dõi động lực học của các tế bào tiền thân hiếm gặp trong các cơ quan của động vật có vú.
“Nó giống như một thẻ ID và thiết bị theo dõi GPS kết hợp với nhau”, Cao nói.
Trẻ hơn so với già hơn
Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà nghiên cứu đã phân tích hơn 10.000 tế bào tiền thân sơ sinh từ toàn bộ não chuột trải qua ba lứa tuổi (trẻ, trưởng thành và già) bằng một phân tử tổng hợp có tên là 5-ethynyl-2-deoxyuridine (EdU). Khi các tế bào mới sinh này biệt hóa, tăng sinh và phân tán, EdU tiếp tục dán nhãn DNA của chúng, hoạt động giống như một thiết bị theo dõi GPS. Kỹ thuật cải tiến này cho phép các nhà nghiên cứu phân tích hàng chục nghìn biểu hiện gen và cảnh quan nhiễm sắc thể của các tế bào sơ sinh này khi chúng phát triển thành các họ loại tế bào có chức năng phân tử khác nhau.
Cao cho biết: “Chúng tôi có thể định lượng tốc độ tăng sinh và biệt hóa tế bào của nhiều loại tế bào trên toàn bộ não chỉ trong một thí nghiệm, điều này không thể thực hiện được bằng các phương pháp thông thường”. "Những phương pháp này chỉ thu thập thông tin tĩnh - trạng thái phân tử hiện tại của tế bào tại một thời điểm. Nhưng TrackerSci thu thập thông tin động theo thời gian. Nó giống như các phương pháp khác chụp ảnh nhanh và chúng tôi quay phim."
Một số nhân vật rõ ràng - và đáng ngạc nhiên - xuất hiện từ những bộ phim này. Đáng chú ý nhất là có sự thay đổi căn bản về loại tế bào được tạo ra, tùy thuộc vào độ tuổi của chuột.
Ví dụ, số lượng tế bào tiền thân trở thành tế bào thần kinh, tế bào giao tiếp thiết yếu của não, cao hơn ở não trẻ. Điều tương tự cũng xảy ra với nhiều loại tế bào thần kinh đệm, tạo ra môi trường ổn định cho tế bào thần kinh bằng cách bao bọc chúng, cung cấp chất dinh dưỡng và bảo vệ chống lại mầm bệnh - tất cả đều quan trọng đối với một cơ quan trẻ, vẫn đang phát triển.
Điều ngược lại xảy ra ở não người già. Tế bào tiền thân hiếm khi trở thành tế bào thần kinh hoặc tế bào thần kinh đệm; trên thực tế, hầu như mọi loại tế bào não đều giảm mạnh. Hầu hết bị mất đi là các nguyên bào thần kinh hồi răng, rất cần thiết để tạo ra các tế bào thần kinh ở vùng hải mã, vùng liên quan đến trí nhớ và các bệnh như Alzheimer. So với não người trưởng thành, số lượng tế bào này giảm 16 lần ở não người già.
Thay vào đó, các tế bào miễn dịch và microglia, một loại đại thực bào, sinh sôi nảy nở trong não lão hóa. Nhưng thay vì bảo vệ não, chúng chuyển sang trạng thái tế bào viêm đặc trưng cho quá trình lão hóa - và những tế bào này được sản xuất với tốc độ cao hơn. Tóm lại, não lão hóa tạo ra nhiều tế bào hơn, gây ra nhiều vấn đề hơn cho não lão hóa.
Cao cho biết TrackerSci có thể được sử dụng để theo dõi khả năng tái tạo của nhiều cơ quan.
“Chúng tôi không phải là phòng thí nghiệm não bộ,” ông lưu ý. "Chúng tôi cũng đã thử nghiệm quy trình lập hồ sơ các tế bào tiền thân trong phổi, đại tràng, tuyến tụy và nhiều cơ quan khác nhau."
Các cơ quan khác có tỷ lệ tế bào tiền thân cao hơn nhiều so với não; Ví dụ, tổ tiên mới sinh chiếm hơn 20% số tế bào trong ruột kết. Một vài năm trước, Cao đã chứng minh tiềm năng phân tích động thái quần thể tế bào trong quá trình phát triển của thai nhi bằng cách tạo ra tập bản đồ tế bào bằng phương pháp lập chỉ mục tổ hợp tương tự.
TrackerSci là một trong một số kỹ thuật giải trình tự đơn mới xuất hiện gần đây trong phòng thí nghiệm của Cao. Một loại khác, được gọi là PerturbSci-Kinetics, được phát triển bởi sinh viên tốt nghiệp Zihan Xu, giải mã mạng lưới điều hòa toàn bộ bộ gen làm nền tảng cho động lực học thời gian của RNA bằng cách ghép các bộ gen đơn bào có khả năng mở rộng với các nhiễu loạn di truyền thông lượng cao hoặc các thao tác có thể ảnh hưởng đến chức năng gen. Phương pháp này gần đây đã được mô tả trong một bài báo trên tạp chí Công nghệ sinh học tự nhiên .
Nguồn Đại học Rockefeller
