Các nhà khoa học xác định Pangu là gen quyết định sự phát triển giới tính đực ở cá chép thường

Một gen nhỏ quyết định lựa chọn phát triển quan trọng

Một gen mã hóa peptide chỉ dài 76 axit amin có thể quyết định cá chép thường phát triển thành cá đực hay cá cái, theo nghiên cứu đăng trên Science Advances. Được đặt tên là pangu, gen này nằm trong một đoạn DNA dài 1.487 cặp bazơ trên nhiễm sắc thể Y. Khi gen bị vô hiệu hóa, cá chép có kiểu gen đực phát triển buồng trứng; khi đưa gen này vào cá chép có kiểu gen cái, chúng phát triển tinh hoàn.

Phát hiện này xác lập gen đầu tiên quyết định giới tính chủ chốt trong họ Cá chép (Cyprinidae) được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Đây là một họ cá nước ngọt lớn, phân bố rộng. Bằng chứng mạnh nhất đến từ các thí nghiệm trên cá chép Hoàng Hà, cùng những thử nghiệm chức năng bổ sung trên cá chép đỏ và cá Koi. Nghiên cứu không chứng minh rằng mọi loài trong họ đều sử dụng cùng một gen.

Giáo sư Hu Wei thuộc Đại học Hải dương Thượng Hải dẫn đầu nhóm hợp tác với Viện Thủy sinh thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và các cơ sở khác. Công trình là kết quả của hơn một thập kỷ nghiên cứu. Nhóm đặt tên gen theo Bàn Cổ, vị thần sáng thế thuở sơ khai trong thần thoại Trung Hoa, người phân chia trời và đất, nhằm phản ánh vai trò khởi động sự phát triển giới tính đực của gen.

Nghiên cứu đăng trên Science Advances có nhan đề A helix-loop-helix gene orchestrates male fate in common carp (Một gen dạng xoắn-vòng-xoắn điều phối sự phát triển giới tính đực ở cá chép thường), thuộc tập 12, số 41. Thông tin thư mục của tạp chí ghi ngày công bố là 9/10/2026, trong khi các thông báo cho biết nghiên cứu được công bố ngày 10/10 theo giờ Bắc Kinh. Hai mốc này thống nhất nếu tính đến chênh lệch múi giờ.

Vì sao khó tìm ra gen quyết định

Cá chép thường có hệ xác định giới tính di truyền XX/XY: cá cái thường mang hai nhiễm sắc thể X, còn cá đực mang một nhiễm sắc thể X và một nhiễm sắc thể Y. Tuy nhiên, biết được cơ chế này vẫn chưa giúp xác định gen chỉ đạo cơ quan sinh sản đang phát triển hình thành tinh hoàn thay vì buồng trứng.

Trước nghiên cứu này, các bộ gen cá chép thường đã công bố mà bài báo đề cập đều thuộc về cá cái XX. Do đó, các nhà nghiên cứu chưa có bộ gen tham chiếu của cá đực chứa trình tự nhiễm sắc thể Y cần khảo sát. Các trình tự DNA lặp lại và bộ gen đã nhân đôi của loài càng khiến việc tìm kiếm khó khăn hơn.

Cá chép thường là loài dị tứ bội: bộ gen kết hợp hai bộ nhiễm sắc thể tổ tiên, ký hiệu A và B, thông qua quá trình lai. Bài báo xác định hai dòng tổ tiên phân kỳ cách đây khoảng 23 triệu năm và hợp nhất cách đây khoảng 12,4 triệu năm. Các bản sao tương tự của gen và vùng DNA có thể gây khó khăn khi tìm trình tự chỉ liên quan đến cá đực.

Khoảng trống này đáng chú ý vì các gen quyết định giới tính đã được tìm thấy ở những nhóm cá khác. Phần mở đầu nghiên cứu liệt kê ít nhất 28 gen riêng biệt ở khoảng 140 loài cá xương thuộc khoảng 20 họ. Pangu bổ sung một phần còn thiếu vào bức tranh về họ Cá chép, chứ không xác lập quy luật phổ quát cho các loài cá.

Từ 101 con cá đến một đoạn chèn nhỏ trên nhiễm sắc thể Y

Trước tiên, nhóm nghiên cứu lắp ráp bộ gen của một cá chép Hoàng Hà đực, gồm 1,67 tỷ bazơ DNA trải trên 50 trình tự nhiễm sắc thể. Sau đó, họ giải trình tự lại DNA của 50 cá thể đực và 50 cá thể cái là anh chị em cùng lứa, cùng cá thể mẹ, tạo thành nhóm so sánh gồm 101 con cá.

Bằng cách so sánh mức độ hiện diện của các đoạn DNA ở cá đực và cá cái, ban đầu các nhà nghiên cứu xác định được 428 đoạn ứng viên chỉ có ở cá đực. Họ chọn hai ứng viên nổi bật để kiểm chứng thêm. Một đoạn được xác nhận, dài 847 cặp bazơ, nằm bên trong một đoạn chèn lớn hơn gần cuối nhiễm sắc thể B25.

Việc nhân dòng và giải trình tự cho thấy vùng lớn hơn này chứa 1.487 cặp bazơ chỉ có ở cá đực. Một phân tích độc lập về độ bao phủ DNA cũng chỉ đến cùng khoảng trên nhiễm sắc thể. Các thử nghiệm trên những quần thể cá chép thường đa dạng về địa lý củng cố mối liên hệ giữa trình tự này với cá đực.

Hình ảnh nhiễm sắc thể cung cấp thêm một bước kiểm chứng. Đầu dò nhắm vào trình tự này tạo tín hiệu ở cá đực XY và YY, nhưng không có ở cá cái XX. Cá YY có số tín hiệu gấp đôi cá XY, phù hợp với việc trình tự nằm trên nhiễm sắc thể Y. Các thử nghiệm này xác định vị trí của ứng viên, nhưng vẫn cần thí nghiệm chức năng để chứng minh vai trò của nó.

Pangu hoạt động trước khi tinh hoàn hình thành

Trong đoạn chèn trên nhiễm sắc thể Y, nhóm nghiên cứu tìm thấy một gen tạo ra bản phiên mã dài 447 bazơ, với trình tự mã hóa dài 231 bazơ. Trình tự này mã hóa peptide Pangu gồm 76 axit amin. Các tìm kiếm trong một cơ sở dữ liệu protein lớn không tìm thấy điểm tương đồng đáng kể với những gen đã được chú giải trước đó.

Pangu có miền xoắn-vòng-xoắn, một đặc điểm cấu trúc có thể giúp protein tương tác với các protein khác tham gia điều hòa hoạt động gen. Phân tích không tìm thấy bằng chứng rõ ràng về vùng cơ bản liền kề thường gắn với khả năng liên kết trực tiếp với DNA ở một số protein thuộc nhóm này. Sự khác biệt đó có ý nghĩa khi xem xét cách Pangu có thể kiểm soát các gen đích ở phía sau trong chuỗi điều hòa.

Thời điểm hoạt động của gen cũng phù hợp với vai trò chỉ đạo sự phát triển giới tính. Bản phiên mã của gen được phát hiện từ ngày thứ 19 sau thụ tinh, trước thời điểm bắt đầu phân hóa giới tính có thể quan sát được, được ghi nhận vào ngày thứ 35. Mức biểu hiện đạt đỉnh vào ngày thứ 64 và giảm sau ngày thứ 92.

Phân tích tế bào đơn cho thấy gen biểu hiện mạnh nhất ở một nhóm tế bào được xác định là tế bào Sertoli giả định. Đây là các tế bào nâng đỡ liên quan đến sự phát triển của tinh hoàn, chứ không phải tế bào mầm cuối cùng tạo ra tinh trùng. Hình ảnh mô cũng củng cố mối liên hệ giữa biểu hiện gen với tế bào Sertoli. Các yếu tố điều hòa đã biết khác đạt đỉnh biểu hiện muộn hơn, phù hợp với khả năng Pangu hoạt động gần đầu chuỗi phát triển.

Loại bỏ và bổ sung gen làm đảo chiều phát triển

Các thí nghiệm then chốt kiểm tra cả hai chiều của cơ chế chuyển đổi được đề xuất. Dùng công nghệ chỉnh sửa CRISPR, các nhà nghiên cứu phá vỡ gen pangu ở cá chép XY. Từ ngày thứ 35 sau thụ tinh, tuyến sinh dục đang phát triển hình thành khoang buồng trứng và đi theo hướng phát triển của buồng trứng, cuối cùng tạo thành buồng trứng có dấu hiệu hình thành trứng.

Những thay đổi không chỉ thể hiện ở hình thái mô. Gen foxl2 thúc đẩy phân hóa giới tính cái hoạt động mạnh hơn, trong khi các gen amh và dmrt1 thúc đẩy phân hóa giới tính đực hoạt động yếu đi. Các phép đo protein cho kết quả tương tự. Nồng độ testosterone và 11-ketotestosterone giảm, còn estradiol tăng, gần giống hồ sơ hormone ở cá cái.

Một thí nghiệm riêng trên cá YY giữ lại một bản sao pangu còn chức năng. Những cá thể này vẫn phát triển tuyến sinh dục đực bình thường, ủng hộ nhận định rằng một bản sao còn hoạt động có thể duy trì con đường phát triển giới tính đực trong các điều kiện được thử nghiệm.

Ở thí nghiệm đảo chiều, nhóm nghiên cứu đưa một cấu trúc DNA chứa pangu và trình tự lân cận vào cá XX. Những cá chép có kiểu gen cái này phát triển tinh hoàn, có dấu hiệu hình thành tinh trùng và biểu hiện gen, protein cùng hormone theo kiểu cá đực. Bổ sung pangu cũng khôi phục sự phát triển của tinh hoàn ở cá XY đột biến không có bản sao hoạt động.

Tổng hợp lại, các thí nghiệm cho thấy pangu cần thiết và đủ để quyết định giới tính đực ở những cá chép thường được thử nghiệm: loại bỏ chức năng của gen khiến quá trình phát triển chuyển sang hướng hình thành buồng trứng, còn bổ sung gen có thể chuyển hướng phát triển sang tinh hoàn. Bản thân nhiễm sắc thể không chuyển từ XX thành XY hay ngược lại; chỉ kết quả phát triển thay đổi.

Ức chế con đường phát triển buồng trứng giúp giải thích tác động

Nghiên cứu xác định cyp19a1a là một gen đích sớm ở phía sau Pangu trong chuỗi điều hòa. Gen này mã hóa aromatase của buồng trứng, một enzyme tham gia sản xuất estrogen. Hoạt động của gen giúp hỗ trợ quá trình biệt hóa buồng trứng, khiến nó trở thành một con đường có thể giúp giải thích cách tín hiệu sớm thúc đẩy phát triển giới tính đực làm đổi hướng quá trình phát triển.

Sự khác biệt về hoạt động của cyp19a1a đã xuất hiện vào ngày thứ 19 sau thụ tinh. Biểu hiện của gen tăng ở cá XY bị phá vỡ pangu và giảm ở cá XX được đưa gen vào. Một số gen khác liên quan đến phân hóa giới tính không cho thấy những thay đổi sớm tương tự.

Trong các thí nghiệm sử dụng tế bào người nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và một dòng tế bào lấy từ vây cá Koi, Pangu làm giảm hoạt động của các vùng điều hòa ở cả hai bản sao cyp19a1a. Pangu đột biến không còn miền xoắn-vòng-xoắn nguyên vẹn mất khả năng này, cho thấy cấu trúc peptide có liên quan đến tác động điều hòa của nó.

Thử nghiệm mạnh nhất được tiến hành trên chính cá. Phá vỡ cyp19a1a ở cá XY đột biến pangu khôi phục sự phát triển của tinh hoàn, dù gen được cho là công tắc giới tính đực đã bị mất. Kết quả cứu vãn di truyền này đặt cyp19a1a ở phía sau pangu trong chuỗi điều hòa: chặn con đường phát triển buồng trứng có thể bù đắp việc thiếu tín hiệu phía trước. Bằng chứng ủng hộ cơ chế trong đó Pangu thúc đẩy phát triển giới tính đực, ít nhất một phần, bằng cách ức chế cyp19a1a, nhưng chưa xác định được mọi bước phân tử liên quan.

Phát hiện này có thể mở rộng đến đâu ngoài cá chép Hoàng Hà?

Các nhà nghiên cứu phát hiện pangu ở cá đực thuộc cả hai phân loài cá chép thường chính. Các mẫu này gồm cá chép Hoàng Hà, cá chép đỏ và cá Koi thuộc nhóm Đông Á, cùng cá chép gương Đức thuộc nhóm châu Âu. Họ cũng xác định được một trình tự chỉ có ở cá đực thuộc một loài khác trong cùng chi, Cyprinus acutidorsalis.

Cá chép đỏ và cá Koi được thử nghiệm chức năng thêm. Việc loại bỏ và bổ sung pangu lần lượt gây đảo chiều giới tính theo hai hướng ngược nhau, phù hợp với kết quả ở cá chép Hoàng Hà. Các thí nghiệm này cung cấp bằng chứng mạnh hơn về chức năng chung so với việc chỉ phát hiện trình tự DNA.

Sự khác biệt này giới hạn phạm vi có thể diễn giải kết quả. Bài báo mô tả một công tắc giới tính đực được bảo tồn trong chi Cyprinus, trong khi các thí nghiệm đảo chiều giới tính đối ứng chi tiết được tiến hành trên cá chép Hoàng Hà, cá chép đỏ và cá Koi. Việc phát hiện gen ở cá chép gương Đức và Cyprinus acutidorsalis mở rộng bằng chứng di truyền, nhưng không đồng nghĩa những loài này đã trải qua cùng bộ thử nghiệm chức năng.

Tương tự, việc đây là gen đầu tiên trong họ Cá chép (Cyprinidae) được kiểm chứng là gen chủ chốt quyết định giới tính không có nghĩa Pangu quyết định giới tính ở toàn bộ họ này. Phát hiện tạo cơ sở để kiểm tra những loài cá có quan hệ gần chia sẻ công tắc này hay sử dụng cơ chế khác.

Dấu chỉ thị năm 2009 là manh mối ban đầu, không phải bằng chứng về gen chủ chốt

Một nghiên cứu về dấu chỉ thị năm 2009, đăng trên Molecular and Cellular Probes, trước đó đã xác định một đoạn DNA chỉ có ở cá chép thường đực. Các nhà nghiên cứu sàng lọc 220 mồi ngẫu nhiên và phát hiện mồi S2107 tạo ra một đoạn dài 909 cặp bazơ ở cá đực.

Kiểu hình này được ghi nhận ở 30 con cá thuộc ba đàn cá chép thường. Các thử nghiệm khuếch đại và lai hóa bổ sung củng cố mối liên hệ giữa đoạn DNA với cá đực. Đoạn này có độ tương đồng thấp với một trình tự lặp ở cá ngựa vằn; không phát hiện tín hiệu lai hóa ở cá trắm cỏ.

Nghiên cứu đó đề xuất dùng trình tự này làm công cụ xác định giới tính di truyền của cá chép Hoàng Hà. Tuy nhiên, một dấu chỉ thị có thể cùng di truyền với nhiễm sắc thể giới tính mà không gây ra sự phát triển giới tính đực. Nghiên cứu mới tiến xa hơn khi xác định một gen có biểu hiện và chứng minh rằng loại bỏ hoặc bổ sung chức năng của gen làm thay đổi sự phát triển tuyến sinh dục. Bằng chứng được trình bày ở đây không xác nhận dấu chỉ thị dài 909 cặp bazơ và vùng dài 1.487 cặp bazơ mới xác định là cùng một trình tự.

Các cột mốc nghiên cứu cách nhau nhiều năm, còn ngày công bố mô tả cùng một đợt phát hành theo những múi giờ khác nhau:

• Tháng 10/2009: Nghiên cứu trước đó công bố một dấu chỉ thị DNA dài 909 cặp bazơ có liên quan đến cá chép thường đực.
• Ngày 9/10/2026: Science Advances ghi nhận nghiên cứu về pangu được công bố trong tập 12, số 41.
• Ngày 10/10/2026, theo giờ Bắc Kinh: Các thông báo cho biết những phát hiện mới được công bố vào ngày này.
• Ngày 11/10/2026: Một bài đăng công khai giới thiệu phát hiện và quá trình nghiên cứu kéo dài hơn một thập kỷ.

Những câu hỏi còn bỏ ngỏ

Bằng chứng về vai trò của Pangu trong quá trình phát triển mạnh hơn những hiểu biết hiện có về cơ chế phân tử chính xác của nó. Nghiên cứu cho thấy Pangu ức chế hoạt động của cyp19a1a và có kết quả cứu vãn di truyền kết nối hai gen. Tuy nhiên, nghiên cứu chưa xác định được Pangu có trực tiếp gắn vào DNA điều hòa liên quan hay hoạt động thông qua các protein khác.

Các tác giả cũng nêu câu hỏi về những tế bào biểu hiện pangu. Mức biểu hiện thấp và giới hạn có thể phản ánh hoạt động trong một nhóm nhỏ hoặc chỉ tồn tại tạm thời của các tế bào thuộc dòng Sertoli đang phát triển. Xác định liệu những tế bào này có phải trạng thái tiền thân sớm hay không sẽ giúp giải thích cách một tín hiệu khởi phát nhỏ dẫn đến sự hình thành tinh hoàn.

Chen Kuangxin, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Hải dương Thượng Hải, và Chen Ji, phó nghiên cứu viên tại Viện Thủy sinh, là hai tác giả thứ nhất đồng hạng. Các tác giả liên hệ gồm Hu Wei, Zhu Zuoyan, Ge Chutian thuộc Đại học Wanli Chiết Giang và Vance L. Trudeau thuộc Đại học Ottawa. Viện sĩ He Shunping thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cùng các chuyên gia khác đã hướng dẫn và hỗ trợ nghiên cứu.

Chưa có thời gian biểu cho các thí nghiệm tiếp theo. Kết quả cốt lõi đã được củng cố bằng việc xác định vị trí trên nhiễm sắc thể, theo dõi biểu hiện sớm và các thử nghiệm chức năng theo hai chiều đối ứng. Những câu hỏi còn lại tập trung vào cách Pangu thực hiện vai trò đó và cơ chế này phổ biến đến đâu ngoài các nhóm cá chép đã được thử nghiệm.

Điểm chính

• Pangu là gen chủ chốt đầu tiên quyết định giới tính trong họ Cá chép (Cyprinidae) được xác nhận bằng thực nghiệm.
• Gen này mã hóa một peptide gồm 76 axit amin, nằm trong vùng dài 1.487 cặp bazơ trên nhiễm sắc thể Y của cá chép thường.
• Phá vỡ pangu khiến cá chép XY phát triển buồng trứng; đưa gen này vào cá XX khiến chúng phát triển tinh hoàn.
• Phá vỡ gen cyp19a1a thuộc con đường phát triển buồng trứng khôi phục sự phát triển của tinh hoàn ở cá đột biến pangu.
• Các thử nghiệm chức năng trên cá chép đỏ và cá Koi ủng hộ vai trò chung của gen, nhưng phát hiện này không xác lập cơ chế phổ quát cho toàn bộ họ.
• Cơ chế phân tử chính xác giúp Pangu ức chế cyp19a1a vẫn chưa được làm rõ.