Hoàn thành ba bộ gene nấm mốc Aspergillus [29/12/2005 - Sinh học Việt Nam]

Trên tờ Narure số 428 (22-12-2005), trình tự genome 3 loài nấm mốc Aspergillus đã được công bố. Cụ thể Aspergillus oryzae, loài thường được dùng để sản xuất rượu sake truyền thống của Nhật; nấm Aspergillus fumigatus loài gây bệnh trên người và Apsergillus nidulans thường được dùng như một mô hình trong các nghiên cứu di truyền. Cũng cần nhắc lại rằng giống Aspergillus có khoảng 185 loài, trong đó có 20 loài gây bệnh cho người, nhiều loài gây bệnh cho thực vật và nhiều loài được con người ứng dụng để sản xuất thực phẩm, hóa chất và các enzyme công nghiệm. Do đó thông tin di truyền từ bộ gene 3 loài Aspergillus vừa công bố đã cung cấp nguồn thông tin dồi dào không chỉ về quá trình tiến hóa mà

còn cung cấp thông tin về các đặc tính có lợi và có hại của từng loài.

Các trình tự này được công bố từ nhóm các nhà khoa học bao gồm Nhật, Mỹ và Châu Âu, tỷ lệ trình tự mỗi genome mà họ đọc được đạt khoảng 95%. Tổng dung lượng genome từ 3 loài đã đọc là 95 Megabase, bao gồm 33.500 gene mã hóa protein chứa trong 24 nhiễm sắc thể (8 NST mỗi loài). So sánh với bộ gene người, chúng ta nhớ lại rằng bộ gene người dài đến 320 Megabase nhưng chứa chỉ 30.000 gene mã hóa protein. Cho thấy hệ số nén chặt gene trong genome của Apergillus khá cao.

1. Genome

a. Aspergillus ogyzae, loài đã được sử dụng gần một ngàn năm nay để sản xuất thực phẩm và đồ uống lên men cổ truyền của Nhật Bản. Genome của nó dài hơn genome của A. fumigatus và A. nidulans khoảng 7-9 Mb. Để giải thích cho trường hợp này, các nhà khoa học giả định rằng đã có một số gene được chuyển từ loài khác sang A. ozyrae trong quá trình tiến hóa. Hơn nữa, phần DNA phụ trội (dài hơn) này không nằm tập trung trong genome mà ngược lại chúng phát tán nữa khắp bộ gene, đặc biệt chúng chứa khá nhiều gene liên quan đến tổng hợp và vận chuyển nhiều chất chuyển hóa bậc hai - tức là những hợp chất hóa học không liên quan trực tiếp đến sự tăng trưởng, phát triển và sinh sản bình thường của sinh vật. Các chất chuyển hóa bậc hai thường mang tính đặc hiệu cho loài. Do vậy, việc tìm thấy các gene liên quan đến chất chuyển hóa bậc hai sẽ giúp chúng ta hiểu biết kỹ hơn về đặc tính sinh học đặc hiệu của loài quan tâm.

Quan sát các loài tương cận với A. oryzae chẳng hạn A. flavus và A. niger, các nhà khoa học cũng thấy bọn này cũng có phương thức "chiêu mộ" gene tương tự. Chẳng hạn loài A. flavus có 25 gene mã hóa cho các protein liên quan đến con đường tạo ra độc tố "aflatoxin". Điều khá ngạc nhiên là các gene "gây độc" này cũng hiện diện ở loài A. oryzae nhưng may mắn là chúng không biểu hiện. Điều này gợi ý rằng tổ tiên

của A. flavus đã chuyển các gene "gây độc" vào A. oryzae, nhưng sau đó chúng đã bất hoạt trong quá trình tiến hóa của A. oryzae.

b. Aspergillus fumigatus là loài nấm mốc gây các căn bệnh chết người và là một dị ứng nguyên không thể coi thường. Trình tự A. fumigatus đã chỉ ra 9 gene liên quan đến hiện tượng dị ứng không biết đến trước đây, cũng như nhiều gene liên quan đến quá trình sản xuất các chất chuyển hóa bậc hai đặc biệt, và một chuỗi các gene cơ bản có thể là cái đích tiềm năng cho thuốc tác dụng lên. Tuy nhiên, các tác giả nghiên cứu nhận dịnh rằng các yếu tố đóng vai trò nền tảng cho quá trình phát sinh bệnh của loài A. fumigatus này khá là phức tạp, do đó để nhận diện đầy đủ bọn chúng, các nhà khoa học cần phải sử dụng những khuynh hướng nghiên cứu khác để bổ sung cho khuynh hướng phân tích genome đang dùng. Chẳng hạn, loài A. fumigatus phát triển rất mạnh trong loài sinh vật máu nóng (như con người chúng ta), do đó mà chúng có khả năng chịu được nhiệt độ cơ thể cao (so sánh với nhiệt độ môi trường ngoài). Bằng cách sử dụng kỹ thuật DNA microarray, các nhà khoa học đã xác định được một chuỗi các gene gọi là "gene chịu nhiệt" mà toàn bộ hoạt động của chúng tăng cao ở 37 oC. Tuy nhiên điều may mắn là khi nhiệt độ tăng lên 37 oC thì nó không đủ sức bật nhiều gene liên quan đến độc tính của loài này.

c. Aspergillus nudulans từ đâu đã được dùng như một sinh vật mô hình nghiên cứu di truyền của nấm. Do đó mà bộ gene của nó được xem là cốt yếu để tiến hành phân tích so sánh ba loài Aspergillus, tuy nhiên bản thân bộ gen của A. nudulans cũng có những đặc tính riêng biệt cần được khám phá. Chẳng hạn, sự điều hòa vài gene riêng biệt đã được xác lập, trong đó các nhà khoa học đã nhận diện vị trí được giả định là nơi các yếu tố điều hòa và điều khiển phiên mã sẽ gắn lên. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn tìm thấy nhiều khung đọc mở nhỏ nằm ở vùng thượng nguồn của gene có thể đóng vai trò ngăn cản sự biểu hiện của của gene nằm kề dưới nó. Thông qua bộ gene, các nhà khoa học còn tìm thấy nhiều gene, mà người ta không biết tới, liên quan đến nhiều quá trình sinh học khác thường như: quá trình trao đổi chất (oxy hóa acid béo), phát triển (tăng trưởng theo cực) và con đường sửa sai DNA.

2. Tiến hóa genome

Kết quả phân tích so sánh genome cho thấy 3 loài Aspergillus này đã phân ly từ hàng trăm triệu năm trước và do đó bộ gene của chúng khác biệt rấr đáng xem xét. Tính toán cho thấy có khoảng 3000 protein có liên hệ gần với nhau hoặc "homologous" (tương đồng) trong bộ gene. Trung bình, các protein này có khoảng 68% acid amine cơ định hiện diện trong tất cả 3 bộ gene - đây là một con số đáng so sánh về sự tương đồng protein giữa thú có vú và cá vốn phân ly khoảng 450 triệu năm trước. Tuy thế mà trật tự của các protein tương đồng dọc theo nhiễm sắc thế (synteny - sự tương kề) lại được bảo tồm nghiêm ngặt ở cả 3 loài, cho thấy rằng không có sự nhân genome trong suốt quá trình tiến hóa. Tuy nhiên, các vùng genome lớn lại thiếu sự tương kề (sự tương kề - syntency - được hiểu là 2 gene hay 2 locus nằm liền kề nhau trên một NST và giữa chúng có thể có hoặc không có sự liên kết về mặt di truyền). Nguyên nhân là do các vùng lặp lại sóng đôi trước sau kích thước nhỏ nằm chen lẫn trong genome, vì thế các gene thường được tái sắp xếp nằm ở các đầu của NST, làm gián đoạn ngẫu nhiên và tái sắp xếp các khối tương kề. Cấu trúc genome như thế này thường được thấy ở A oryzae hơn là ở A. fumigatus.

Xem xét tốc độ tiến hóa các acid amine ở các gene tương đồng cho thấy tốc độ này giống nhau ở cả 3 loài. Điều này cho thấy sự tiến hóa ở cấp độ vĩ mô (tức sự tái sắp xếp ở mức nhiễm sắct thể hay từng đoạn cấu trúc lớn) không song hành với tốc độ vi mô (tức tốc độ thay đổi từng acid amine).

3. Giới tính của nấm mốc

Kết quả quan trọng bậc nhất thu được từ sự so sánh 3 bộ gene đó là hệ thống lai (giao phối) ở hai loài A. fumigatus và A. oryzae.

Sự sinh sản hữu tính ở nấm men diễn ra giữa hai cá thể có giới tính đối nghịch và điều này được xác định nhờ gene dạng giới tính. Aspergillus nidulans có cả hai gene giới tính: một gene chứa hộp alpha và một gene chứa nhóm có khả năng di động cao (high mobility group HMG - là những protein được đặt tên dựa trên độ di động của chúng khi chạy trên trường diện di). Do đó mà mỗi tế bào Aspergillus nidulans có hai giới tính và vì thế mà chúng là loài tụ thụ. Loài này còn có thể sinh sản vô tính bằng cách tạo ra bào tử để rồi sau đó các bào tử này phát tán thông qua cuống bào tử đính.

Trước đây người ta cho rằng A. oryzae và A. fumigatus sinh sản vô tính qua quá trình phân chia đẳng nhiễm. Nhưng kết quả phân tích genome cho thấy rằng mỗi loài trong chúng nó đều có mang gene giới tính. Cụ thể: A. oryzae mang gene giới tính kiểu alpha còn A. fumigatus mang gene giới tính kiểu HMG. Các gene này chiếm đóng vị trí trong genome gần như giống nhau với khối liền kề chiếm khoảng 1,7 Mb. Ngoài ra người còn tìm thấy 215 gene tham gia vào pha biệt hóa giới tính ở A. nidulans cũng được tìm thấy ở A. oryzae và A. fumigatus. Dữ liệu này cho thấy một khả năng rằng A. fumigatus và A oryzae là loài dị giới tính, đồng thời sự bảo tồn từ dạng lưỡng tính đến dị tính đã diễn ra trong suốt quá trình tiến hóa.

Figure: Mô hình tiến hóa của gene giới tính ở nấm Aspergillus.  Ở tổ tiên chung, đặc

tính lưỡng giới được thể hiện ở sự tồn tại 2 gene giới tính: gene alpha (màu đỏ) và gene HMG (màu xanh); hai gene này hợp nhất cùng nằm trên cùng 1 NST, có chung đoạn liên sườn nhưng đối nghịch về hướng phiên mã. Quá trình tiến hóa đã phân ly thành loài A. nidulans hiện tại lưỡng tính, nhưng NST đã bị đứt đoạn và hai gene giới tính nằm ở hai đầu mút của hai NST khác nhau nhưng đoạn liên sườn vẫn còn giữ ở mỗi gene giới tính. Trong khi đó ở tổ tiên chung của hai loài A. oryzae và A. fumigatus, hai gene giới tính lại phân tách thành hai loài riêng biệt nhưng vẫn giữa vùng liên sườn ở cả hai gene. Sau khi trình biệt hóa thành loài mới, cả hai A. oryzae và A. fumigatus trở thành loài dị giới đầy đủ, tức là một cá thể chỉ có thể có hoặc gene giới tính alpha hoặc HMG

4. Tương lai

Các công trình này chỉ mới mô tả những thí nghiệm khởi đầu trên genome, dĩ nhiên, trình tự này sẽ cung cấp thông tin quý giá cho nhiều mục đích nghiên cứu khác. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng trình tự genome của nhiều loài Asperillus khác đang giải mã sẽ sớm hoàn chỉnh, từ đó giúp các nhà khoa học hiểu rõ ràng và sâu sắc hơn sinh học và tiến hoá của giống Aspergillus. Loài Aspergillus được mong chờ nhất là A. niger, vốn là loài đã và đang được sử dụng trong công nghiệp sản xuất acid citric. Người ta hồ nghi rằng trình tự thông tin của một số loài Aspergillus có giá trị thương mại, bao gồm cả A. niger, có thể đã được đọc trình tự nhưng chúng bị các công ty công nghệ sinh học cất giữ như một dạng thông tin bí mật. Tuy nhiên người ta cho rằng trong tương lai tình hình sẽ khác đi: một tổ hợp các công ty Nhật Bản đã đồng ý cho các ngân hàng gene công cộng sử dụng trình tự genome A oryzae và A.nidulans một cách rộng rãi mà không thu lệ phí. Một tin vui đó là Bộ Năng lượng Mỹ đang đọc trình tự A. niger và gần hoàn chỉnh, bộ genome của loài này cũng sẽ được sử dụng không thu phí khi nó hoàn tất. Vì thế mà người ta cũng cho rằng thời kỳ trình tự genome là thông tin công nghệ bí mật đã chấm dứt.