Trình tự ADN không thay đổi, nhưng tại sao gene vẫn có thể hoạt động khác đi?

Dinh dưỡng, môi trường và lối sống có thể chạm tới cách tế bào sử dụng thông tin di truyền — câu chuyện của biểu sinh, giải thích đúng mực và không thổi phồng.

Vì sức khoẻ của chính mình, hãy dành ít phút tìm hiểu khoa học về tế bào và phân tử — để hiểu cơ thể cần gì và biết cách chăm sóc sức khoẻ đúng từ nền tảng.

ADN chứa thông tin di truyền của cơ thể. Nhưng có một điều rất quan trọng: có thông tin di truyền chưa có nghĩa tất cả các gene đều hoạt động giống nhau, ở mọi tế bào và mọi thời điểm.

Trong cơ thể, gene được điều hoà rất chặt chẽ. Gene nào cần được biểu hiện? Biểu hiện ở tế bào nào? Vào thời điểm nào? Và ở mức độ bao nhiêu?

Một phần quan trọng của hệ thống kiểm soát đó liên quan đến biểu sinh (epigenetics). Nếu bạn chưa đọc phần nền, nên xem trước bài ADN và điều hoà hoạt động gen. Biểu sinh giúp giải thích một hiện tượng rất đặc biệt:

Trình tự ADN có thể không thay đổi, nhưng cách tế bào sử dụng thông tin trong ADN có thể thay đổi.

Viện Khoa học Sức khoẻ Môi trường Quốc gia Hoa Kỳ (NIH/NIEHS) mô tả biểu sinh là lĩnh vực nghiên cứu các quá trình giúp điều khiển khi nào những gene cụ thể được bật hoặc tắt.

Và đây chính là nơi dinh dưỡng, môi trường và lối sống trở nên đặc biệt đáng quan tâm.

Dinh dưỡng — không chỉ là năng lượng và nguyên liệu

Chúng ta thường nghĩ thức ăn cung cấp protein, carbohydrate, lipid, vitamin và khoáng chất để cơ thể tạo năng lượng và xây dựng tế bào. Điều đó đúng, nhưng sinh học phân tử cho chúng ta thấy một tầng sâu hơn.

Chuyển hoá dinh dưỡng tạo ra nhiều phân tử được sử dụng trong các phản ứng liên quan đến điều hoà gene và chromatin. Ví dụ, chuyển hoá một-carbon liên quan đến S-adenosylmethionine (SAM) — chất cho nhóm methyl trong nhiều phản ứng methyl hoá. Các chất chuyển hoá như acetyl-CoA, NAD⁺ và α-ketoglutarate cũng liên quan đến hoạt động của những enzyme tác động lên chromatin.

Vì vậy tồn tại một mối liên hệ:

DINH DƯỠNG → CHUYỂN HOÁ TẾ BÀO → CHẤT NỀN & COFACTOR → ENZYME ĐIỀU HOÀ CHROMATIN → BIỂU HIỆN GENE → PROTEIN → CHỨC NĂNG TẾ BÀO

Các tổng quan khoa học hiện đại đã ghi nhận mối liên hệ giữa dinh dưỡng, epigenome và các bệnh không lây nhiễm — mặc dù quan hệ nhân quả ở người phải được đánh giá riêng cho từng yếu tố và từng bệnh.

Vì vậy, dinh dưỡng không đơn thuần là "vật liệu xây dựng". Nó còn liên hệ mật thiết với môi trường chuyển hoá mà trong đó hệ thống điều hoà gene hoạt động.

Môi trường — tế bào không sống tách biệt với thế giới bên ngoài

Con người liên tục tiếp xúc với môi trường: không khí chúng ta hít thở, nước chúng ta uống, thực phẩm chúng ta sử dụng, khói thuốc, ô nhiễm không khí, hoá chất, một số kim loại và chất ô nhiễm môi trường, bức xạ và nhiều dạng phơi nhiễm vật lý khác.

Những yếu tố này không nhất thiết phải làm thay đổi trình tự A–T–G–C của ADN mới có khả năng ảnh hưởng đến sinh học tế bào. Một số phơi nhiễm môi trường có thể tác động đến truyền tín hiệu, stress oxy hoá, chuyển hoá, methyl hoá ADN, chromatin và các mạng lưới điều hoà biểu hiện gene.

Đặc biệt, thời điểm tiếp xúc cũng rất quan trọng. Các giai đoạn phát triển sớm như thai kỳ và đầu đời có thể là những thời kỳ đặc biệt nhạy cảm đối với một số tác động môi trường.

Điều này cho chúng ta một cách nhìn rất khác: tế bào mang ADN bên trong, nhưng tế bào luôn sống trong một môi trường và liên tục tiếp nhận tín hiệu từ môi trường đó.

Lối sống — những việc chúng ta lặp lại mỗi ngày

Lối sống tạo nên một phần rất lớn môi trường sinh học mà cơ thể phải thích nghi. Các nghiên cứu biểu sinh đã khảo sát nhiều yếu tố:

• Hoạt động thể chất
• Chế độ ăn
• Giấc ngủ và nhịp sinh học
• Stress
• Hút thuốc
• Rượu
• Thói quen làm việc
• Phơi nhiễm nghề nghiệp và môi trường

Một tổng quan về biểu sinh và lối sống ghi nhận rằng dinh dưỡng, hoạt động thể chất, hút thuốc, rượu, stress tâm lý và làm việc ca đêm đều đã được nghiên cứu về mối liên hệ với các dấu biểu sinh, đặc biệt là methyl hoá ADN.

Điều đó không có nghĩa một hành vi đơn lẻ sẽ trực tiếp "bật gene tốt" hay "tắt gene xấu". Sinh học con người phức tạp hơn rất nhiều. Nhưng nó cho thấy lối sống có khả năng để lại dấu ấn ở cấp độ phân tử và tương tác với hệ thống điều hoà hoạt động của tế bào.

Ba yếu tố gặp nhau ở cấp độ tế bào

Bây giờ chúng ta có thể ghép ba phần lại:

• Dinh dưỡng cung cấp nguyên liệu, năng lượng và các phân tử tham gia chuyển hoá.
• Môi trường tạo nên những tín hiệu và phơi nhiễm mà tế bào phải liên tục đáp ứng.
• Lối sống ảnh hưởng đến chuyển hoá, hormone, tín hiệu thần kinh–nội tiết, viêm, stress sinh học và nhiều trạng thái sinh lý khác.

Cả ba cuối cùng đều có thể hội tụ vào những mạng lưới phân tử bên trong tế bào:

DINH DƯỠNG + MÔI TRƯỜNG + LỐI SỐNG → CHUYỂN HOÁ & TRUYỀN TÍN HIỆU → YẾU TỐ PHIÊN MÃ + HỆ THỐNG BIỂU SINH → BIỂU HIỆN GENE → RNA → PROTEIN → CHỨC NĂNG TẾ BÀO

Đây chính là một trong những chiếc cầu quan trọng nối cuộc sống bên ngoài với hoạt động phân tử bên trong tế bào.

ADN không nhất thiết phải thay đổi

Đây có lẽ là điểm quan trọng nhất của cả bài.

Giả sử trình tự ADN A – T – G – C… vẫn giữ nguyên. Nhưng:

• Trạng thái methyl hoá ADN có thể khác.
• Histone có thể được biến đổi khác.
• Chromatin có thể trở nên dễ hoặc khó tiếp cận hơn.
• Các yếu tố phiên mã và RNA điều hoà có thể thay đổi.

Kết quả là mức độ biểu hiện của một số gene có thể thay đổi mà không cần thay đổi trình tự ADN.

Và khi biểu hiện gene thay đổi, lượng protein được tạo ra có thể thay đổi. Protein lại chính là enzyme thực hiện phản ứng sinh hoá, receptor nhận tín hiệu, kênh ion, protein vận chuyển, protein cấu trúc và rất nhiều thành phần của bộ máy tế bào. Vì thế:

BIỂU HIỆN GENE THAY ĐỔI → PROTEIN CÓ THỂ THAY ĐỔI → PHẢN ỨNG SINH HOÁ CÓ THỂ THAY ĐỔI → CHUYỂN HOÁ VÀ CHỨC NĂNG TẾ BÀO CÓ THỂ THAY ĐỔI

Ý nghĩa sâu sắc của biểu sinh

Trước đây, khi nói đến gene, người ta rất dễ hình dung: gene đã được sinh ra như vậy, mọi thứ đã được định sẵn.

Sinh học hiện đại cho thấy bức tranh tinh tế hơn nhiều. Trình tự ADN rất quan trọng. Nhưng cách thông tin trong ADN được điều hoà và sử dụng cũng vô cùng quan trọng.

Gene hoạt động trong một tế bào sống. Tế bào ấy có chuyển hoá, có dinh dưỡng, có hormone, có tín hiệu, có môi trường, và có cả lịch sử những phơi nhiễm mà cơ thể đã trải qua.

Vì vậy: ADN cung cấp thông tin di truyền, nhưng sự biểu hiện của thông tin ấy diễn ra trong một môi trường sinh học luôn thay đổi.

Đó chính là nơi dinh dưỡng – môi trường – lối sống – biểu sinh – tế bào gặp nhau.

Ba yếu tố có thể chạm đến hoạt động của gene

Chúng ta không thể thay đổi bộ gene của mình. Nhưng sức khoẻ cũng không chỉ được quyết định bởi trình tự ADN.

Những gì chúng ta ăn, môi trường chúng ta tiếp xúc, và cách chúng ta sống có thể tương tác với chuyển hoá và hệ thống điều hoà gene của tế bào. Không nhất thiết phải thay đổi trình tự ADN — nhưng cách một phần thông tin di truyền được sử dụng có thể thay đổi.

Đó là một trong những thông điệp quan trọng nhất mà khoa học biểu sinh đem lại:

GENE LÀ THÔNG TIN — NHƯNG MÔI TRƯỜNG SINH HỌC GÓP PHẦN QUYẾT ĐỊNH CÁCH THÔNG TIN ẤY ĐƯỢC SỬ DỤNG.

Và chính tại giao điểm giữa ADN – dinh dưỡng – môi trường – lối sống – tế bào, chúng ta bắt đầu hiểu sâu hơn vì sao những con người mang một bộ gene nhất định vẫn có thể có những trạng thái sinh học khác nhau trong suốt cuộc đời.