Liệu việc người cha tiếp xúc với bức xạ có gây hậu quả cho con cái hay không là một trong những câu hỏi đầu tiên trong sinh học bức xạ. Sử dụng tuyến trùng Caenorhabditis elegans làm mô hình, GS.TS. Björn Schumacher và nhóm của ông đã phát hiện ra rằng tổn thương do phóng xạ gây ra đối với tinh trùng trưởng thành không thể sửa chữa được mà thay vào đó sẽ truyền lại cho con cái. Ngược lại, trứng sẽ sửa chữa tổn thương một cách chính xác hoặc nếu tổn thương quá nghiêm trọng sẽ bị loại bỏ và không di truyền lại. Nghiên cứu được thực hiện trên C. Elegans đặt nền tảng cho sự hiểu biết tốt hơn về cơ chế tác động di truyền của việc tiếp xúc với bức xạ ở người cha.
Để nghiên cứu các hậu quả chuyển thế hệ của tổn thương gen, các nhà khoa học đã cho C. Elegans tiếp xúc với bức xạ ion hóa và đánh giá hậu quả ở các thế hệ tiếp theo. Loài C. Elegans hoang dã có hai dạng giới tính: loài lưỡng tính tự thụ tinh và loài đực. Để phân biệt tác động của tổn thương DNA ở giao tử đực và giao tử cái, các nhà khoa học đã sử dụng sương mù đột biến nữ tính hóa, có hệ thống sinh sản đơn tính: lưỡng tính soma chỉ tạo ra dòng cái và con đực có dòng mầm đực bình thường. Ngay sau khi xử lý bằng bức xạ ion hóa, con cái được giao phối với con đực không được chiếu xạ và khả năng sống sót của thế hệ con cháu được xác định 24 h sau đó. Việc xử lý bằng bức xạ ion hóa dẫn đến hiện tượng chết phôi phụ thuộc vào liều bức xạ, nguyên nhân là do DSB DNA không được sửa chữa trong tế bào trứng. Khi các nhà khoa học lai giữa giun F1 cái và giun đực còn sống sót với giun khỏe mạnh khác giới, thế hệ F2 gần như không có hiện tượng chết phôi. Quan sát này chỉ ra rằng DSB DNA mang trong tế bào trứng có thể được sửa chữa hoặc loại bỏ đúng cách, do đó ngăn ngừa mọi ảnh hưởng chuyển thế hệ từ tổn thương DNA của mẹ.
Tiếp theo, các nhà khoa học kiểm tra xem liệu việc điều trị bằng bức xạ ion hóa ở nam giới có thể ảnh hưởng đến các thế hệ tiếp theo hay không. Ngay sau khi tiếp xúc với bức xạ ion hóa, con đực được giao phối với con cái không được điều trị. Tỷ lệ tử vong của con cháu tương đối thấp, cho thấy tổn thương DNA của con bố đã được sửa chữa hoặc thoát khỏi sự giám sát của điểm kiểm tra trong quá trình tạo phôi của thế hệ F1. Thật bất ngờ, sau khi lai giun F1 với giun khác giới khỏe mạnh, tỷ lệ chết phôi của thế hệ F2 lại tăng lên rõ rệt. Đáng chú ý, sự gia tăng tỷ lệ chết phôi này khác biệt đáng kể giữa thế hệ con cái của giun F1 và thế hệ con của giun đực F1. Những quan sát này chứng minh rằng việc nam giới tiếp xúc với bức xạ ion hóa có thể dẫn đến hiện tượng chết chuyển thế hệ ở thế hệ F2.
DNA có màu xanh lam, dấu hiệu histone H3K9me2 có màu xanh lá cây và dấu hiệu nhiễm sắc thể X HIM-8 có màu đỏ (Nguồn: Siyao Wang, Đại học Cologne)
Để xác định liệu tổn thương DNA của người cha có gây ra những thay đổi có thể di truyền hay không, các nhà khoa học đã theo dõi trạng thái nhiễm sắc thể từ tinh trùng được chiếu xạ đến tế bào mầm của thế hệ F1. Xử lý bằng bức xạ ion hóa dẫn đến những thay đổi về hình thái trong tinh trùng với cấu trúc giống sao chổi. Sau khi thụ tinh, phôi cho thấy nhiều kiểu hình không ổn định nhiễm sắc thể khác nhau, bao gồm sự hình thành các cầu nối nhiễm sắc thể và độ trễ nhiễm sắc thể. Sự hình thành các cầu nối nhiễm sắc thể cho thấy các tế bào phôi đang phân chia đã bước vào chu kỳ cầu nối-gắn-dung hợp. Bất chấp những sai lệch về nhiễm sắc thể này, phần lớn phôi đã phát triển thành những con trưởng thành khỏe mạnh về kiểu hình, cho thấy rằng DSB trong tinh trùng bỏ qua sự giám sát của các điểm kiểm tra phân bào trong quá trình tạo phôi sớm. Không giống như phôi được chiếu xạ từ người cha, tổn thương DNA do người mẹ tiếp xúc với bức xạ chủ yếu gây ra sự phân mảnh DNA trong phôi F1. Sự phân mảnh DNA như vậy có thể gây ra thảm họa phân bào hơn và tỷ lệ chết phôi cao ở thế hệ F1.
Như vậy, khi trứng được thụ tinh với tinh trùng đã bị tổn thương do phóng xạ, các protein sửa chữa của mẹ do trứng cung cấp sẽ cố gắng sửa chữa DNA của người cha. Cơ chế sửa chữa đó rất dễ xảy ra lỗi và kết hợp các đoạn DNA bị hỏng một cách ngẫu nhiên. Những sự hợp nhất ngẫu nhiên của các tổn thương sau đó dẫn đến những thay đổi về cấu trúc trong nhiễm sắc thể của người cha. Con cái sinh ra sẽ mang tổn thương nhiễm sắc thể và đến thế hệ sau nữa lại có những khiếm khuyết nghiêm trọng.
Nghiên cứu này đã được công bố với tiêu đề “Di truyền tổn thương DNA của người cha do hạn chế sửa chữa qua trung gian histone” trên tạp chí Nature. Con cái sinh ra từ những con đực đã tiếp xúc với bức xạ và những con giun cái khỏe mạnh mang cái gọi là những biến thể về cấu trúc – những kết nối ngẫu nhiên của các bộ phận nhiễm sắc thể. Ở thế hệ con, những quang sai này dẫn đến những đứt gãy tái phát nhưng những hư hỏng này không thể sửa chữa được nữa. Thay vào đó, các nhiễm sắc thể bị tổn thương được bảo vệ khỏi quá trình sửa chữa chính xác nhờ các protein, được gọi là histone, có chức năng đóng gói dày đặc các chuỗi DNA dài. Trong DNA được đóng gói dày đặc, các protein sửa chữa không còn có thể tiếp cận được các điểm đứt gãy. Các cấu trúc DNA đóng gói được giữ chặt chẽ với nhau bằng các protein histone cụ thể, HIS-24 và HPL-1. Khi những protein histone đó bị loại bỏ, tổn thương di truyền từ người cha sẽ bị loại bỏ hoàn toàn và con cái có thể sống được. Phát hiện rằng protein histone chi phối khả năng tiếp cận DNA để sửa chữa có thể mang lại mục tiêu điều trị hiệu quả để điều trị tổn thương do phóng xạ.
Điều này có liên quan đến tổn hại do phóng xạ ở người không? Ngoài nghiên cứu về tuyến trùng, nhóm nghiên cứu còn phát hiện các biến thể cấu trúc tương tự hoặc các nhiễm sắc thể được tập hợp ngẫu nhiên ở người. Cũng ở đây, những sai lệch về nhiễm sắc thể được truyền đặc biệt từ người cha chứ không phải từ mẹ. Để làm được điều này, các nhà khoa học đã phân tích nhiều bộ dữ liệu khác nhau từ Dự án 1000 bộ gen chứa dữ liệu di truyền của hơn một nghìn người và dự án Islandic deCODE với dữ liệu di truyền từ các ông bố, bà mẹ và trẻ em tương ứng. Schumacher cho biết: “Sự sai lệch về bộ gen, đặc biệt là các biến thể cấu trúc trong nhiễm sắc thể, phát triển trong dòng mầm của người cha, được cho là làm tăng nguy cơ mắc các chứng rối loạn như tự kỷ và tâm thần phân liệt”. Điều này có nghĩa là ở người, tinh trùng trưởng thành cần được bảo vệ đặc biệt khỏi tác hại của bức xạ và không nên sử dụng tinh trùng trưởng thành bị hư hỏng để thụ thai. Những tổn thương như vậy có thể xảy ra trong quá trình xạ trị hoặc hóa trị và do đó gây ra rủi ro trong hai tháng tạo ra tinh trùng mới thay thế tinh trùng bị hư hỏng. Tinh trùng mới được tạo ra có khả năng sửa chữa chính xác những tổn thương. Các nhà khoa học đã tìm thấy những biến thể cấu trúc đó trong nhiễm sắc thể cũng ở tuyến trùng trong tự nhiên và trong quần thể con người. Những kết quả này cho thấy rằng tổn thương ở tinh trùng trưởng thành và việc sửa chữa DNA của người cha trong hợp tử không chính xác có thể là nguyên nhân chính dẫn đến sự đa dạng di truyền trong quá trình tiến hóa và có thể là nguyên nhân gây ra các bệnh di truyền ở người.
Từ khóa: bức xạ; di truyền; tổn thương; DNA;
– CMD&DND –
