Ngày 2/10/2017, tại Stockholm, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố chủ nhân của Giải Nobel Y học năm nay. Giải thưởng danh giá này được trao cho 3 nhà khoa học Jeffrey C. Hall (sinh năm 1945, người Mỹ), Michael Rosbash (sinh năm 1944, người Mỹ) và Michael W. Young (sinh năm 1949, người Mỹ) vì những phát hiện của họ về cơ chế phân tử kiểm soát cơ chế nhịp sinh học hay còn gọi là đồng hồ sinh học của cơ thể.
GS Jeffrey C. Hall TS Michael Rosbash TS Michael W. Young
Từ nhiều năm qua, các nhà khoa học đã nhận thức được rằng, mỗi cá thể sống, bao gồm cả con người, có một đồng hồ sinh học ở ngay bên trong cơ thể của mình, giúp các cá thể có thể dự đoán và thích nghi với nhịp sinh học bình thường trong một ngày. Các công trình nghiên cứu của 3 nhà khoa học Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash và Michael W. Young đã giúp giải thích cơ chế vận hành thực sự của đồng hồ sinh học. Những phát hiện của họ đã giúp giải thích cách thức làm thế nào để cây cối, động vật và con người thích nghi với nhịp sinh học của mình, từ đó có thể thích nghi phù hợp với sự tiến hóa của Trái đất.
Sử dụng ruồi giấm để làm mô hình mẫu để nghiên cứu, các nhà khoa học giành Giải Nobel Y học năm nay đã cô lập được gen kiểm soát nhịp sinh học hàng ngày. Họ phát hiện ra rằng, gen này đã mã hóa một loại protein được tích tụ trong tế bào vào buổi đêm và sau đó giảm dần vào ban ngày. Theo đó, họ đã xác định được các thành tố protein của cơ chế này, cho thấy cơ chế kiểm soát đồng hồ sinh học ngay bên trong tế bào. Nguyên lý này cũng tương tự như cơ chế đồng hồ sinh học ở các sinh vật đa bào, bao gồm cả con người.
Với độ chính xác tuyệt vời, đồng hồ bên trong cơ thể có thể thích ứng với chức năng sinh lý của cơ thể ở các giai đoạn khác nhau trong ngày. Đồng hồ sinh học điều chỉnh các chức năng quan trọng như hành vi, mức hormone, giấc ngủ, nhiệt độ cơ thể và sự trao đổi chất. Sức khoẻ của chúng ta bị ảnh hưởng khi có sự không phù hợp tạm thời giữa môi trường bên ngoài và đồng hồ sinh học bên trong, ví dụ như khi chúng ta đi qua nhiều vùng thời gian và trải qua hiện tượng “chênh lệch múi giờ”. Cũng có những dấu hiệu cho thấy sự chênh lệch kéo dài giữa lối sống và nhịp điệu của đồng hồ sinh học bên trong chúng ta có liên quan đến sự gia tăng nguy cơ mắc các bệnh khác nhau.
Xác định gen đồng hồ sinh học
Trong nhưng năm 70 của thế kỷ trước, Seymour Benzer và sinh viên của ông đã phát hiện các đột biến ở một loại gen phá vỡ nhịp sinh học ở ruồi giấm và đặt tên gen này là “period” (giai đoạn), tuy nhiên vẫn chưa xác định được gen này và cơ chế ảnh hưởng của nó tới nhịp sinh học.
Các nhà khoa học đoạt Giải Nobel Y học năm nay cũng đã nghiên cứu ruồi giấm để tìm hiểu cơ chế đồng hồ sinh học hoạt động như thế nào. Năm 1984, GS Jeffrey Hall và TS Michael Rosbash làm việc cùng nhau tại Trường Đại học Brandeis, Boston, Hoa Kỳ và TS Michael Young tại Trường Đại học Rockefeller, New York, Hoa Kỳ đã thành công trong việc cô lập gen period. GS Jeffrey Hall và TS Michael Rosbash sau đó tiếp tục phát hiện ra rằng, protein PER do gen period mã hóa được tích tụ vào buổi đêm và sau đó giảm dần vào ban ngày. Mức độ protein PER biến động trong chu kỳ 24 giờ, tương ứng với nhịp sinh học.
Cơ chế tự điều chỉnh của đồng hồ sinh học
Mục tiêu tiếp theo của nghiên cứu là hiểu được cơ chế các biến động trong ngày được lập ra và duy trì như thế nào. GS Jeffrey Hall và TS Michael Rosbash giả thuyết rằng, protein PER ngăn cản các hoạt động của gen period và giải thích rằng, bằng vòng lặp phản hồi ức chế, protein PER có thể ngăn cản sự tổng hợp chính loại protein này và do đó có thể tự điều chỉnh nồng độ của nó theo một nhịp độ liên tục và có tính chu kỳ (hình 1).
Hình 1. Minh họa cơ chế tự điều chỉnh phản hồi của gen period.
Hình 1 cho thấy, chuỗi sự kiện biến động trong vòng 24 giờ. Khi gen period hoạt động tạo ra chuỗi mRNA, sau đó mRNA được chuyển tới tế bào chất và được coi như một nguyên mẫu để sản xuất protein PER. Protein PER được tích tụ trong nhân tế bào, nhân tế bào là nơi gen period bị ngăn cản hoạt động. Điều này giúp cơ chế phản hồi ức chế sinh ra và là cơ chế của nhịp sinh học.
Để ngăn chặn hoạt động của gen period, protein PER, được tạo ra trong tế bào chất, sẽ phải đến nhân tế bào, nơi có vật liệu di truyền. GS Jeffrey Hall và TS Michael Rosbash đã chỉ ra rằng, protein PER được tích tụ trong hạt nhân vào ban đêm, nhưng làm thế nào nó đến được đó? Năm 1994, TS Michael Young phát hiện ra một gen đồng hồ sinh học thứ hai, được đặt tên là timeless, mã hóa các protein TIM cần thiết cho một nhịp sinh học bình thường. Trong một công trình nghiên cứu, ông đã chỉ ra rằng, khi protein TIM kết hợp với protein PER, hai protein này có thể đi vào nhân tế bào, nơi chúng đã chặn hoạt động của gen period để đóng vòng phản hồi ức chế (hình 2).
Hình 2. Minh họa thành phần phân tử của đồng hồ sinh học.
Một cơ chế phản hồi có điều chỉnh như vậy đã giải thích sự dao động của lượng protein xuất hiện trong tế bào, nhưng điều gì kiểm soát tần số của dao động? TS Michael Young sau đó đã xác định được một gen khác, doubletime, mã hóa protein DBT có chức năng làm trì hoãn việc tích tụ protein PER. Điều này đã giúp chúng ta hiểu được làm thế nào để sự dao động được điều chỉnh phù hợp với chu kỳ 24 giờ.
Những khám phá của các nhà khoa học đạt Giải Nobel Y học năm 2017 đã giúp hiểu được nguyên tắc vận hành then chốt của đồng hồ sinh học. Trong những năm tiếp theo, các thành phần phân tử khác của cơ chế đồng hồ sinh học đã được xác định, giải thích tính ổn định và chức năng của nó. Ví dụ, các nhà khoa học đạt Giải Nobel Y học năm nay đã xác định được các protein bổ sung cần thiết cho sự kích hoạt của gen period, cũng như cho cơ chế mà qua đó ánh sáng có thể đồng bộ với đồng hồ sinh học.
Đồng hồ sinh học có liên quan đến nhiều khía cạnh trong sinh lý phức tạp của con người. Ngày nay, chúng ta biết rằng, tất cả các sinh vật đa bào, bao gồm cả con người, sử dụng một cơ chế tương tự để kiểm soát nhịp sinh học. Phần lớn các gen được điều chỉnh bởi đồng hồ sinh học, và do đó, một nhịp sinh học được hiệu chuẩn một cách khéo léo thích ứng với đặc điểm sinh lý học ở các thời điểm khác nhau trong ngày (hình 3).
Hình 3. Đồng hồ sinh học dự đoán và thích ứng với đặc điểm sinh lý học của chúng ta ở các thời điểm khác nhau trong ngày. Đồng hồ sinh học giúp chúng ta điều chỉnh mô hình giấc ngủ, hành vi ăn uống, giải phóng hóc môn, huyết áp và nhiệt độ cơ thể.
Đinh Quang (theo nobelprize.org)
Đăng ngày: 03/10/2017