Chuỗi nhân bản chuột dừng lại sau 58 thế hệ khi các biến đổi DNA có hại tích tụ

Thí nghiệm kéo dài 20 năm đi đến hồi kết

Sau 30.947 lần chuyển nhân và tạo ra hơn 1.200 con chuột được nhân bản qua các thế hệ từ một con cái, nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã khép lại thí nghiệm kéo dài khoảng 20 năm. Cả năm con chuột sinh ra ở thế hệ thứ 58 đều chết vào ngày hôm sau, chấm dứt chuỗi mà các nhà nghiên cứu từng nghĩ có thể tiếp tục vô thời hạn.

Thí nghiệm được tiến hành từ năm 2005 đến 2025 cho thấy việc nhân bản lặp đi lặp lại khiến những biến đổi có hại trong DNA tích tụ. Tỷ lệ sinh thành công ban đầu được cải thiện, tăng từ khoảng 7% ở thế hệ đầu tiên lên 15,5% ở thế hệ thứ 26. Tỷ lệ này bắt đầu giảm từ thế hệ thứ 27 và cuối cùng chỉ còn 0,6%, tương đương khoảng sáu con sinh ra trên mỗi 1.000 phôi nhân bản được chuyển vào cơ thể chuột mẹ mang thai hộ.

Kết quả được công bố trong nghiên cứu Những giới hạn của nhân bản liên tiếp trên tạp chí Nature Communications. Đại học Yamanashi nêu Phó giáo sư Sayaka Wakayama và Giáo sư Teruhiko Wakayama, giám đốc Trung tâm Công nghệ sinh học tiên tiến của trường, trong số các nhà nghiên cứu trong thông báo nghiên cứu.

Kết quả cho thấy sự tương phản đáng chú ý giữa ngoại hình và khả năng sinh sản. Nhiều con chuột trong chuỗi trông khỏe mạnh và sống khoảng hai năm, nhưng các thế hệ về sau ngày càng khó sinh sản, dù bằng nhân bản hay giao phối thông thường.

Teruhiko Wakayama, người tiên phong trong lĩnh vực nhân bản chuột tại Đại học Yamanashi, mô tả câu hỏi đằng sau thí nghiệm bằng một phép so sánh quen thuộc:

Sao chép một bức ảnh bằng máy photocopy khiến chất lượng ảnh giảm đi đôi chút. Sao chép bản sao đó thêm lần nữa thì chất lượng còn kém hơn,

Ở chuột, những biến đổi liên quan đến cả từng chữ cái DNA riêng lẻ lẫn những đoạn nhiễm sắc thể lớn hơn nhiều. Nghiên cứu liên hệ sự tích tụ các biến đổi này với tình trạng tỷ lệ sinh thành công cuối cùng sụt giảm.

Các nhà nghiên cứu nhân bản một cá thể nhân bản như thế nào

Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chuyển nhân tế bào soma. Tế bào soma là tế bào cơ thể, không phải trứng hay tinh trùng. Các nhà nghiên cứu lấy nhân tế bào, nơi chứa phần lớn thông tin di truyền của tế bào, rồi chuyển nhân đó vào một trứng chưa thụ tinh đã được loại bỏ nhân.

Sau đó, trứng phải tái lập trình các chỉ dẫn di truyền để nhân lấy từ tế bào cơ thể trưởng thành có thể điều khiển sự phát triển của phôi. Các nhà nghiên cứu chuyển những phôi thu được vào cơ thể chuột mẹ mang thai hộ, rồi dùng tế bào của những cá thể nhân bản sống sót để tạo thế hệ tiếp theo.

Tế bào cho là tế bào cumulus, bao quanh và hỗ trợ trứng. Cá thể cho ban đầu là một con chuột cái có bộ lông màu agouti, màu lông hình thành từ các dải sắc tố dọc theo từng sợi lông. Tất cả chuột được nhân bản đều là con cái và có cùng màu lông này.

Các nhà nghiên cứu tạo ra khoảng ba đến bốn thế hệ mỗi năm. Thay vì tạo mọi con chuột trực tiếp từ tế bào được lưu trữ của cá thể cho ban đầu, họ liên tục duy trì dòng dõi qua một cá thể mới được nhân bản. Thiết kế này giúp họ theo dõi những biến đổi được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.

Vì sao kết quả ban đầu có vẻ đầy hứa hẹn

Thông báo tháng 3/2013 của RIKEN mô tả một thí nghiệm khi đó vẫn có tiến triển đáng khích lệ. Tính đến thời điểm nộp bài báo, nhóm đã tạo ra 581 con chuột qua 25 thế hệ; đến thời điểm ra thông báo, con số là 598 con qua 26 thế hệ.

Các nhà nghiên cứu sử dụng trichostatin A, hay TSA, một loại thuốc giúp nhân được chuyển vào tái lập trình hoạt động gene. Những nỗ lực trước đó nhằm nhân bản chuột liên tiếp chỉ đạt khoảng sáu thế hệ. Nhờ TSA và các điều kiện thí nghiệm được cải thiện, tỷ lệ sinh thành công tăng lên thay vì giảm đều.

Ở giai đoạn đó, các phép đo về sức khỏe, khả năng sinh sản, tuổi thọ và đầu mút nhiễm sắc thể cũng cho kết quả đáng yên tâm. Vì vậy, các nhà nghiên cứu tin rằng quá trình này có thể tiếp tục vô thời hạn. Theo dõi cùng một dòng dõi thêm một thập niên đã làm lộ ra những vấn đề chưa thấy rõ trong 25 thế hệ đầu tiên.

Các mốc chính cho thấy kết luận đã thay đổi như thế nào:

• 2005: Bắt đầu nhân bản liên tiếp. Bài báo cuối cùng ghi thời điểm khởi đầu là tháng 1, trong khi báo cáo năm 2013 của RIKEN cho biết thí nghiệm bắt đầu vào cuối năm.
• Ngày 8 tháng 3 năm 2013: RIKEN thông báo đã tạo ra 598 con chuột qua 26 thế hệ, với tỷ lệ sinh thành công đạt khoảng 15%.
• Từ thế hệ thứ 27 trở đi: Tỷ lệ sinh thành công bắt đầu giảm liên tục, dù có khác biệt giữa từng thế hệ.
• 2025: Thí nghiệm kết thúc ở thế hệ thứ 58 sau khi cả năm con chuột sinh ra trong thế hệ này đều chết vào ngày hôm sau.

DNA đã thay đổi ra sao?

Giải trình tự bộ gene phát hiện khoảng 3.700 biến thể đơn nucleotide và 80 đoạn chèn hoặc xóa nhỏ giữa thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ 57. Biến thể đơn nucleotide, hay SNV, là thay đổi ở một chữ cái trong trình tự DNA. Đoạn chèn hoặc xóa là việc thêm vào hoặc loại bỏ một đoạn ngắn trong trình tự đó.

Bài báo tính trung bình mỗi thế hệ xuất hiện 69,4 SNV và 1,4 đoạn chèn hoặc xóa nhỏ. Nhiều thay đổi trong DNA ít gây ảnh hưởng, nhưng một số có thể làm gián đoạn các chỉ dẫn cần thiết cho sự phát triển hoặc sinh sản bình thường.

Để so sánh, các nhà nghiên cứu khảo sát hai dòng chuột được duy trì qua 60 thế hệ bằng cách cho anh chị em ruột giao phối với nhau trong khoảng 20 năm. Hai dòng này tích lũy trung bình 22,3 SNV mỗi thế hệ. Do đó, tốc độ ở dòng chuột nhân bản cao gấp khoảng 3,1 lần, căn cứ trên mức 69,4 so với 22,3.

Tỷ lệ biến thể nhỏ được dự đoán là có thể phá vỡ hoặc làm thay đổi protein cũng tăng. Tỷ lệ này tăng từ 0,52% trong số các biến đổi phát sinh giữa thế hệ thứ nhất và thứ 23 lên 1,19% trong số các biến đổi phát sinh giữa thế hệ thứ 23 và thứ 57.

Các nhà nghiên cứu cũng dựng lại cây phả hệ của chuột dựa trên DNA. Kết quả khớp với phả hệ được ghi nhận trong thí nghiệm, xác nhận dòng này vẫn có nguồn gốc từ cá thể cho ban đầu trong suốt quá trình nghiên cứu.

Các biến đổi nhiễm sắc thể lớn làm tăng thêm gánh nặng

Chuột không chỉ tích lũy những thay đổi ở từng chữ cái DNA. Giải trình tự phát hiện khoảng 80 đến 84 biến thể cấu trúc mới, tức những biến đổi lớn hơn về cách sắp xếp hoặc lượng DNA, giữa thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ 57.

Mười sáu biến thể lớn liên quan đến các đoạn dài ít nhất 40.000 chữ cái DNA. Trong số đó có việc mất một nhiễm sắc thể X, một biến đổi lớn trên nhiễm sắc thể số bốn và sự trao đổi vật chất di truyền giữa nhiễm sắc thể số bảy và số chín.

Đến thế hệ thứ 57, các nhà nghiên cứu ước tính có khoảng 30 đột biến làm mất chức năng gene và khoảng 50 đột biến làm thay đổi chỉ dẫn tạo protein do gene mã hóa, chưa tính việc mất một nhiễm sắc thể X. Hai đoạn mất lớn cũng ảnh hưởng đến cùng một vùng, làm mất chức năng của cả hai bản sao của gene có tên Csmd1.

Các tác giả liên hệ sự suy giảm tỷ lệ sinh với gánh nặng đột biến cộng dồn. Theo lý giải của họ, những biến đổi gây hại phát sinh thêm vào cuối thí nghiệm đã khiến bộ gene vốn thay đổi đáng kể vượt quá mức mà chuột đang phát triển có thể chịu đựng.

Nguyên nhân khiến tốc độ đột biến cao hơn vẫn chưa được xác định. Việc chuyển nhân tế bào cơ thể lặp đi lặp lại có thể góp phần, và tế bào cơ thể có thể tích lũy đột biến trong suốt đời sống của động vật. Việc không có hoạt động sinh sản hữu tính thông thường cũng làm thay đổi cách các đột biến được truyền qua các thế hệ.

Vì sao tái lập trình hoạt động gene là chưa đủ

Nhân bản không chỉ đơn thuần là chuyển DNA vào trứng. Trứng còn phải tái lập trình các dấu hóa học giúp quyết định gene nào hoạt động. Những dấu này được gọi là biểu sinh vì chúng điều hòa cách DNA được sử dụng mà không làm thay đổi trình tự của DNA.

Các nhà nghiên cứu từng nghi ngờ rằng những trục trặc trong quá trình tái lập trình này có thể ngày càng nghiêm trọng qua mỗi vòng nhân bản. Tuy nhiên, các phép đo của họ lại chỉ ra rằng đột biến DNA tích lũy mới là lời giải thích chính cho sự suy giảm về sau.

Chuột nhân bản có nhau thai phì đại, một đặc điểm đã biết ở chuột nhân bản. Trong suốt thí nghiệm, nhau thai nặng trung bình khoảng 0,30 gram, so với 0,11 gram ở nhóm đối chứng được tạo ra bằng thụ tinh trong ống nghiệm. Tuy nhiên, trọng lượng nhau thai không tiếp tục tăng qua các thế hệ.

Các xét nghiệm một số dấu biểu sinh trong phôi giai đoạn sớm cũng cho thấy mô hình nhìn chung tương tự giữa chuột nhân bản mới tạo ra và chuột nhân bản ở thế hệ thứ 51. TSA tiếp tục phát huy tác dụng: tỷ lệ sinh thành công ở thế hệ thứ 51 là 5,4% khi dùng thuốc, so với 1,6% khi không dùng.

Telomere, các trình tự DNA bảo vệ ở đầu mút nhiễm sắc thể, cũng là một lời giải thích khả dĩ. Các phân tích giải trình tự về sau ít tìm thấy bằng chứng cho thấy telomere ngắn đi đáng kể qua những thế hệ được khảo sát. Nhìn chung, các xét nghiệm hướng sự chú ý đến gánh nặng ngày càng lớn của những biến đổi trong trình tự DNA và cấu trúc nhiễm sắc thể.

Chuột trông khỏe mạnh nhưng sinh ít con hơn

Giao phối thông thường cho thấy khả năng sinh sản suy giảm, điều khó nhận ra chỉ qua ngoại hình của chuột. Chuột cái thế hệ thứ 20 sinh trung bình 9,9 con mỗi lứa khi giao phối với chuột đực bình thường, gần với mức 10,3 con ghi nhận ở nhóm đối chứng.

Sau đó, kích thước lứa trung bình giảm còn 2,8 con ở thế hệ thứ 50 và 2,2 con ở thế hệ thứ 55. Mức sau thấp hơn khoảng 79% so với trung bình của nhóm đối chứng, tính từ 2,2 so với 10,3 con.

Số trứng thu được sau khi kích thích hormone không giảm theo các thế hệ nhân bản. Vì vậy, các nhà nghiên cứu xem xét điều gì xảy ra với trứng sau khi được hoạt hóa hoặc thụ tinh.

Khi trứng được thụ tinh trong phòng thí nghiệm bằng tinh trùng của chuột đực bình thường, 97,6% phôi đối chứng phát triển đến giai đoạn phôi nang, một giai đoạn sớm trước khi làm tổ. Tỷ lệ này là 39,7% ở trứng lấy từ chuột nhân bản thế hệ thứ 25 và 20,3% ở trứng lấy từ chuột nhân bản thế hệ thứ 53.

Các thí nghiệm với trứng thế hệ thứ 56 phát hiện vấn đề ở cả nhân và tế bào chất, phần vật chất bao quanh nhân. Thay một trong hai thành phần bằng thành phần tương ứng từ trứng đối chứng vẫn cho tỷ lệ phát triển rất thấp. Có vẻ cả hai phần của trứng đều bị suy giảm chức năng.

Sinh sản hữu tính khôi phục một phần khả năng sinh sản

Một số con sinh ra từ các thế hệ nhân bản muộn sống sót và sinh sản thành công hơn. Chuột cái nhân bản thế hệ thứ 55 sinh trung bình 2,2 con mỗi lứa, nhưng con cháu của chúng về sau sinh trung bình 7,0 con mỗi lứa, nhiều hơn gấp ba lần.

Nhau thai của những thế hệ cháu này cũng có kích thước gần với nhau thai của phôi được tạo ra bằng thụ tinh, thay vì phì đại như thường thấy ở chuột nhân bản.

Sinh sản hữu tính xáo trộn lại vật chất di truyền khi trứng và tinh trùng hình thành, đồng thời kết hợp DNA từ bố mẹ còn lại khi thụ tinh. Bản sao gene còn hoạt động từ một bố mẹ đôi khi có thể bù đắp cho bản sao bị hư hại từ bố mẹ kia. Phôi gặp vấn đề di truyền nghiêm trọng có thể ngừng phát triển, còn những phôi có tổ hợp di truyền khả thi sẽ sống sót.

Con cháu vẫn thừa hưởng đột biến từ chuột cái nhân bản. Giải trình tự bộ gene tìm thấy các biến thể ở cả con và cháu, trong đó có sự trao đổi giữa nhiễm sắc thể số bảy và số chín. Các nhà nghiên cứu cho rằng cả hai nhiễm sắc thể bị biến đổi đã được di truyền cùng nhau, giúp duy trì sự cân bằng của quá trình trao đổi.

Do đó, kích thước lứa tăng cho thấy khả năng sinh sản được phục hồi một phần nhờ sinh sản hữu tính. Con cháu có thể sinh sản tốt hơn trong khi vẫn mang một số biến đổi di truyền tích lũy trong quá trình nhân bản.

Ý nghĩa đối với bảo tồn và chăn nuôi

Nhân bản được các nhà bảo tồn quan tâm vì tế bào lưu trữ có thể bảo tồn vật liệu di truyền của những động vật đã chết hoặc không thể sinh sản. Trong chăn nuôi, phương pháp này tạo cơ hội nhân giống động vật có những đặc tính quý. Thí nghiệm cho thấy các ứng dụng đó đòi hỏi phải chú ý đến tình trạng DNA của cá thể cho và sức khỏe sinh sản của thế hệ con cháu.

Phát hiện này liên quan đến việc nhân bản lặp đi lặp lại qua một chuỗi dài các cá thể cho nối tiếp nhau. Năm mươi tám thế hệ là điểm kết thúc của riêng dòng chuột này trong những điều kiện thí nghiệm cụ thể; chưa rõ các dòng khác hoặc loài động vật có vú khác có thể trải qua bao nhiêu thế hệ.

Katarzyna Malin, nhà nội tiết học về phát triển tại Đại học California, Davis, người không tham gia nghiên cứu, cho biết kết quả này ủng hộ các biện pháp bảo tồn nhằm ngăn loài vật rơi vào khủng hoảng, thay vì dựa vào nhân bản để cứu chúng sau đó.

Ben Novak thuộc tổ chức bảo tồn Revive & Restore nhấn mạnh mức độ liên quan của các đột biến tích lũy trong mô cơ thể suốt đời sống của một con vật. Tế bào cho mang theo lịch sử biến đổi DNA riêng, điều cần lưu ý khi dùng tế bào đó làm điểm khởi đầu để tạo ra một động vật khác.

Nghiên cứu đúc kết hai bài học thực tiễn. Nhân bản có thể duy trì khả năng tiếp cận vật liệu di truyền của một con vật qua nhiều thế hệ, nhưng việc duy trì thế hệ con cháu khỏe mạnh cũng phụ thuộc vào những gì xảy ra với DNA theo thời gian. Trong thí nghiệm này, giao phối thông thường giúp một số con cháu phục hồi khả năng sinh sản sau khi chuỗi nhân bản gần đi đến hồi kết.

Điểm chính

• Các nhà nghiên cứu thực hiện 30.947 lần chuyển nhân và tạo ra hơn 1.200 con chuột từ một con cái ban đầu qua các thế hệ nhân bản liên tiếp.
• Tỷ lệ sinh thành công đạt đỉnh 15,5% ở thế hệ thứ 26, rồi giảm xuống 0,6% khi thí nghiệm gần kết thúc.
• Cả năm con chuột thế hệ thứ 58 đều chết vào ngày sau khi sinh, chấm dứt chuỗi này vào năm 2025.
• Dòng chuột nhân bản tích lũy số biến đổi ở từng chữ cái DNA mỗi thế hệ cao gấp khoảng ba lần các dòng đối chứng được duy trì bằng cách cho anh chị em ruột giao phối.
• Các đột biến DNA có hại và những biến đổi nhiễm sắc thể lớn tích lũy theo thời gian, trong khi các bất thường biểu sinh được đo không tăng nặng dần.
• Sinh sản hữu tính cải thiện khả năng sinh sản ở một số thế hệ con cháu, dù các đột biến di truyền vẫn còn.