Làm thế nào các tế bào não có thể xây dựng một nền móng vững chắc để phát triển cũng như tạo ra những ký ức

Một đại diện tạo hình của phức hợp mRNA-protein vận chuyển kinesin-2 dọc theo lộ trình tự sắp xếp của một tế bào thần kinh. Tín hiệu định vị mRNA được mã hóa bởi tổ hợp vận chuyển được biểu thị bằng Gs chính.

- Vào hôm nay, nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances đã cho thấy bộ máy phân tử với vô số hình dạng khác nhau, sự tăng trưởng cũng như sự di chuyển của các tế bào thần kinh. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học tiết lộ làm thế nào bộ não có thể truyền mã đi truyền trong chính các tế bào của nó, đây là một quá trình được cho là rất quan trọng trong sự hình thành và lưu trữ các ký ức dài hạn.

- Các tế bào não, còn được gọi là các tế bào thần kinh, chúng là những tế bào phức tạp, có chức năng chuyên biệt với các nhành dài. Để phát triển, tế bào thần kinh tổng hợp các protein tại những vị trí cụ thể trên một nhánh để tạo ra những nhánh mới nhằm kiểm soát hướng di chuyển và tạo sự kết nối với các tế bào thần kinh khác. Đây là một quá trình đặc biệt quan trọng trong sự phát triển của não bộ, giúp các tế bào thần kinh chuyên biệt xác định được vị trí của chúng trong mô não lớn hơn. Sơ đồ di truyền gen giúp tạo nên hàng loạt protein có chức năng khác nhau di chuyển liên tục xung quanh các nhánh của tế bào dưới dạng mRNA, chúng là thông tin di truyền được sao chép từ DNA.

- Làm thế nào tế bào thần kinh – tế bào dài nhất ở động vật, có được sơ đồ di truyền chính xác ở từng vị trí vào từng thời điểm là một câu hỏi chưa có lời giải đáp. Nhiều người cho rằng chúng được vận chuyển bởi các kinesins (protein thon dài với hai nhánh dưới di chuyển lần lượt để đến nơi được chỉ định), nhưng không có bằng chứng thực tế để chứng minh điều này. Mỗi tế bào sống có một mạng lưới đường dẫn tự sắp xếp để vận chuyển các vật liệu phân tử lớn từ nơi này đến nơi khác. Những phương tiện vận chuyển khác nhau lưu thông hàng ngàn thứ khác nhau, trong đó dạng phổ biến nhất là các kinesin.

Trong đoạn clip này, các gói vận chuyển gồm từ một đến bốn mRNA được đánh dấu huỳnh quang màu vàng với tín hiệu định vị nguyên vẹn di chuyển trên các vi ống trong được tạo thành trong một buồng vi mô gắn trên kính hiển vi. Các mRNA màu xanh có tín hiệu định vị bị biến đổi, điều này khiến cho bộ máy vận chuyển không thể nhận dạng được chúng.

- Các nhà khoa học tại Trung tâm điều chỉnh gen (CRG) ở Barcelona đã phát hiện ra rằng có một loại kinesin được gọi là KIF3A/B có thể vận chuyển mRNA bằng cách sử dụng một loại protein khác gọi là adenomatous polyposis coli (APC) làm ống nối liên kết cả kinesin và mRNA-vận chuyển. Các protein vận chuyển ít nhất hai loại mRNA có chức năng mã hóa tubulin và actin, tubulin và actin là hai loại protein mà tế bào thần kinh sử dụng để hình thành bộ khung tế bào của chúng. Điều này rất cần thiết để định hình tế bào giúp nó có thể hình thành các kết nối mới với các tế bào thần kinh khác.

- Những phát hiện này nhận được nhiều sự quan tâm vì mRNA đóng vai trò cốt yếu trong quá trình lưu trữ và hình thành ký ức. Các nghiên cứu trước đây cho thấy các mRNA có chức năng mã hóa protein-actin thì di chuyển liên tục dọc theo các khớp thần kinh (điểm nối giữa hai tế bào thần kinh). Khi các khớp thần kinh liên tục nhận tín hiệu, mRNA được sử dụng để tạo nên protein beta-actin, điều này rất quan trọng để củng cố các khớp thần kinh cũng như tăng cường sự gắn kết giữa hai tế bào thần kinh. Kích thích lặp lại nhiều lần một khớp thần kinh sẽ củng cố cho điểm nối, điều này được cho là cách ký ức hình thành.

- Sebastian Maurer, nhà nghiên cứu tại Trung tâm điều chỉnh bộ fen và là tác giả chính của báo cáo nghiên cứu cho biết: “Nhà thần kinh học Tây Ban Nha, ông Santiago Ramon y Cajal lần đầu tiên đưa ra lý thuyết rằng bộ não của chúng ta lưu trữ ký ức bằng cách củng cố các khớp thần kinh, thay đổi hình dạng để các tế bào não có thể liên kết chặt chẽ và truyền tín hiệu hiệu quả hơn. Hơn một thế kỷ sau, chúng tôi đang mô tả lại một cơ chế thiết yếu dựa chủ yếu vào lý thuyết của ông ấy, điều này cho thấy việc ông ấy đã đi trước thời đại như thế nào."

mRNA di chuyển qua những khoảng cách tương đối rộng. Tại đây, chúng đi qua một mạng lưới các con đường vi ống dài 40 micromet. Một tế bào thần kinh thông thường dài gấp 10 lần chiều dài này. Theo dõi tự động các RNA vận chuyển (bảng dưới) cho thấy tốc độ vận chuyển và số lượng mRNA được vận chuyển trong cùng một gói.

- Các nhà nghiên cứu đã tổng hợp lại tất cả các đường dẫn tế bào tự sắp xếp, hình thành bằng cách sử dụng các thành phần tinh khiết trong ống nghiệm, qua đó cho thấy chức năng của các khối cấu trúc riêng lẻ và cách chúng phối hợp, tương tác với nhau để vận chuyển các mRNA. Các protein tinh khiết được cho rằng có vai trò quan trọng trong việc vận chuyển mRNA thần kinh, những protein này được đánh dấu huỳnh quang khác nhau và được nghiên cứu bằng kính hiển vi có độ nhạy cao với khả năng phát hiện ra sự chuyển động nhanh của các phân tử đơn lẻ.  

- Sebastian Maurer cho biết: “Tìm kiếm chính xác phương tiện cần thiết để vận chuyển mRNA giống như tìm cây kim trong đống cỏ khô, đấy cũng chính là lý do vì sao đa phần mọi người nghĩ rằng thực hiện điều đó là không thể. Nhưng chúng tôi đã làm được điều đó, điều mà chúng tôi không thể làm nếu không có Trung tâm điều chỉnh bộ gen hay tài trợ công của chính phủ Tây Ban Nha cho các dự án rủi ro.”

- “Chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu các hệ thổng vận chuyển tạo nên mạng lưới hậu cần phức tạp của tế bào thần kinh. Hiểu rõ được bộ máy phân tử - nền tảng, cơ sở cho sự phát triển của các tế bào não sẽ là chìa khóa để chống lại các khó khăn, thử thách toàn cầu như chứng mất trí nhớ và các bệnh về thần kinh.”