Các yếu tố di truyền di động (MGEs)

Giới thiệu

Trong thế giới vi khuẩn, sự tiến hóa không chỉ là đến từ sự đột biến và chọn lọc tự nhiên mà còn có thể do các yếu tố di truyền động (MGEs). Các yếu tố này đóng vai trò như những “kỹ sư di truyền tự nhiên”, thúc đẩy sự đa dạng và khả năng thích nghi của vi khuẩn thông qua việc trao đổi gene theo chiều ngang (Horizontal gene transfer). Việc khám phá kĩ hơn về MGEs kèm theo vai trò của chúng trong việc trao đổi gene ngang luôn là vấn đề mà cộng đồng sinh học quan tâm.

MGE là gì và chúng hoạt động như thế nào?

MGEs là các đoạn DNA có khả năng di động trong bộ gene của cùng một tế bào hoặc giữa các tế bào vi khuẩn khác nhau. Sự di động giữa các tế bào ở prokaryote xảy ra qua ba cơ chế: biến nạp, tiếp hợp và tải nạp:

• Biến nạp (Transformation): Quá trình này liên quan đến việc vi khuẩn “hấp thụ” DNA từ môi trường xung quanh. DNA này có thể là các mảnh DNA bị phá vỡ từ các tế bào vi khuẩn khác.
• Tiếp hợp (Conjugation): Cơ chế này đòi hỏi sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai tế bào vi khuẩn. DNA được truyền từ tế bào cho (mang plasmid tiếp hợp hoặc yếu tố tiếp hợp tích hợp – ICE) sang tế bào nhận thông qua một cấu trúc gọi là pilus.
• Tải nạp (Transduction): Trong quá trình này, bacteriophage (virus vi khuẩn) đóng vai trò trung gian chuyển DNA giữa các tế bào vi khuẩn. Phage có thể đóng gói các đoạn DNA của tế bào chủ vào capsid của chúng và sau đó tiêm DNA này vào một tế bào chủ khác.

Vai trò của MGEs trong sự tiến hóa của vi khuẩn

MGEs đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự tiến hóa của vi khuẩn thông qua một số cơ chế như sau:

• Lan truyền gene kháng kháng sinh: Plasmid thường mang các gene kháng kháng sinh và có thể lây lan nhanh chóng giữa các vi khuẩn khác nhau thông qua tiếp hợp (Conjugation). Điều này dẫn đến sự gia tăng của các vi khuẩn kháng kháng sinh, gây ra những thách thức lớn trong điều trị các bệnh nhiễm trùng.
• Thích ứng với môi trường khắc nghiệt: MGEs có thể mang các gene cho phép vi khuẩn tồn tại trong các môi trường khắc nghiệt (môi trường ô nhiễm, môi trường thiếu dinh dưỡng,…).
• Hình thành các con đường trao đổi chất mới: MGEs có thể mang các gene mã hóa các enzyme cần thiết cho các con đường trao đổi chất mới, cho phép vi khuẩn sử dụng các nguồn năng lượng mới hoặc phân hủy các chất độc hại.
• Lây lan và phát triển các gene độc lực: MGEs có thể mang các gene độc lực, biến một vi khuẩn vô hại thành một mầm bệnh nguy hiểm.

Những thách thức trong lĩnh vực nghiên cứu hệ gene di động (Mobilome)

Mặc dù vai trò quan trọng của MGEs trong sự tiến hóa của vi khuẩn đã được công nhận, nhưng việc nghiên cứu hệ gene di động (mobilome) vẫn còn nhiều thách thức:

• Sự phức tạp của hệ gene di động: Mobilome là một tập hợp phức tạp của các yếu tố di truyền khác nhau, bao gồm plasmid, phage, transposon và integron. Mỗi yếu tố đều có các đặc điểm và cơ chế di động riêng, gây ra khó khăn cho việc phân tích và so sánh giữa các yếu tố.
• Thiếu dữ liệu trình tự: So với hệ gene của vi khuẩn, số lượng trình tự MGEs đã được giải trình tự còn hạn chế. Điều này gây khó khăn cho việc xác định các gene di động mới và nghiên cứu chức năng của chúng.
• Khó khăn trong việc chú giải gene: Việc chú thích gene trong MGEs gặp nhiều khó khăn do sự đa dạng của các gene và sự thiếu hụt các bộ dữ liệu quan tâm.
• Vấn đề về danh pháp: Không có một hệ thống danh pháp thống nhất cho MGEs và các gene của chúng, gây khó khăn cho việc trao đổi thông tin và so sánh kết quả giữa các nghiên cứu khác nhau.

Nghiên cứu và ứng dụng MGEs trong tương lai

Để hiểu rõ hơn về vai trò của MGEs trong sự tiến hóa của vi khuẩn, cần phải vượt qua những thách thức hiện tại trong nghiên cứu mobilome. Một số phương pháp để tiến hành xây dựng hệ thống phân tích MGEs bao gồm:

• Tăng cường thu thập dữ liệu trình tự gene MGEs từ các môi trường và của nhiều loài vi khuẩn khác nhau.
• Phát triển các công cụ chú giải gene tốt hơn: Cần phát triển các công cụ chú thích gene mới, đặc biệt là các công cụ có thể xử lý sự đa dạng của các gene di động.
• Xây dựng một hệ thống danh pháp thống nhất: Cần xây dựng một hệ thống danh pháp thống nhất cho MGEs và các gene của chúng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi thông tin và so sánh kết quả.
• Nghiên cứu sự di chuyển gene trong môi trường thực tế: Cần có thêm các nghiên cứu về sự di chuyển gene trong môi trường thực tế để hiểu rõ hơn về tốc độ và phạm vi của HGT.

Kết luận

MGEs là những yếu tố quan trọng trong sự tiến hóa và thích ứng của vi khuẩn. Bằng cách tăng cường nghiên cứu về mobilome, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách vi khuẩn phát triển, lây lan bệnh tật và thích ứng với các điều kiện môi trường thay đổi. Thông tin này có thể được sử dụng để phát triển các chiến lược mới để chống lại các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn và bảo vệ môi trường.

Tài liệu tham khảo: https://www.nature.com/articles/nrmicro1235

 

LOBI Vietnam là công ty tiên phong trong lĩnh vực Đọc trình tự gen thế hệ mới NGS (Next Generation Sequencing) và Phân tích Tin sinh học. Liên hệ hotline/Zalo 092.510.8899 để biết thêm chi tiết.