Hy vọng chữa bệnh từ nghiên cứu giành Nobel Y sinh 2019

Con người và động vật cần oxy để chuyển hóa thức ăn thành năng lượng trong cơ thể. Nếu không có oxy, sự sống không tồn tại. Khi hít vào cơ thể, oxy phá vỡ các liên kết hóa học của calo, giải phóng năng lượng cho tế bào sử dụng, thải ra khí CO2. 

Vai trò thiết yếu của oxy trong duy trì sự sống được biết đến từ lâu, song cơ chế phân tử đằng sau cách các tế bào phản ứng khi lượng cung oxy giảm hoặc tăng vẫn là một bí ẩn. 

Hai nhà khoa học Mỹ William Kaelin và Gregg Semenza, cùng nhà khoa học Anh Peter Ratcliffe, đã giành giải Nobel Y sinh 2019 nhờ nghiên cứu khám phá về cách tế bào cảm nhận và thích ứng với sự thay đổi mức độ oxy sẵn có, giải đáp bí ẩn này. 

"Ba nhà khoa học phát hiện bộ máy phân tử điều hòa hoạt động của gene, đáp ứng lại những mức oxy khác nhau", thông điệp từ Ủy ban Nobel. 

Cơ thể con người và động vật đã thích ứng mọi cách để đảm bảo các tế bào và mô có đủ lượng oxy. Những nhà khoa học thắng giải Nobel trước đó, trong đó có Corneille Heymans, đã chứng minh động mạch cảnh tại cổ chứa các tế bào đặc biệt có khả năng cảm nhận lượng oxy trong máu và điều khiển nhịp độ hô hấp tương ứng.

Đầu năm 1990, Gregg Semenza, giáo sư y học di truyền tại Đại học Johns Hopkins, phát hiện một cơ chế thích nghi khác của cơ thể với lượng oxy thấp, tên là Hypoxia. Khi lượng oxy giảm, hormone Erythropoietin (EPO) trong cơ thể tăng lên, ra tín hiệu cho cơ thể sản xuất nhiều tế bào hồng cầu hơn, cung cấp nhiều oxy đến các mô hơn. Năm 1995 ông tinh chế và nhân bản HIF (Hypoxia Inducible Factor), yếu tố phiên mã điều chỉnh các phản ứng phụ thuộc oxy. Mỗi HIF gồm hai thành phần: HIF-1α, ARNT.

Ủy ban Nobel công bố ba nhà khoa học đạt giải Nobel Y sinh 2019. Ảnh: New York Times.

Tầm quan trọng của việc kiểm soát hormone tế bào hồng cầu đã được chứng minh từ đầu thế kỷ 20, nhưng chưa rõ quá trình tự kiểm soát bằng oxy như thế nào, Ủy ban Nobel cho biết. Sử dụng chuột được biến đổi gen, Semenza phát hiện rằng các phân đoạn ADN gần gene EPO kiểm soát sự phản ứng của tế bào khi mức oxy xuống thấp. 

Nhà khoa học Peter Ratcliffe liên kết với Đại học Oxford và Học viện Crick Francis ở London để phát triển nghiên cứu của Gregg Semenza. Năm 1999, hai nhà khoa học phát hiện cơ chế cảm nhận oxy này "có mặt trong hầu hết các mô, không chỉ trong tế bào thận nơi sản xuất EPO". Semenza tìm ra một phức hợp protein mà ông đặt tên là tác nhân cảm ứng Hypoxia (HIF) là trung gian tạo ra các phản ứng oxy. 

Trong khi Semenza và Ratcliffe tìm ra gene EPO, William Kaelin, giáo sư tại Đại học Y Harvard, người mở một phòng thí nghiệm tại Viện Ung thư Dana-Farber ở Boston, đang miệt mài nghiên cứu về một hội chứng di truyền mang tên Von Hippel-Lindau (VHL). Ông tình cờ phát hiện một phản ứng di truyền khác trong cơ thể khi lượng oxy thay đổi.  

Nghiên cứu của William Kaelin cho thấy gene VHL tạo nên một loại protein ngăn chặn sự hình thành ung thư. Tế bào ung thư thiếu gene VHL hoạt động bình thường có mức độ gene điều chỉnh Hypoxia cao bất thường. Khi gene VHL được đưa đến tế bào ung thư, mức độ gene điều chỉnh Hypoxia trở lại bình thường. Đây là manh mối quan trọng cho thấy gene VHL liên quan đến cơ chế phản ứng với thiếu oxy. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy VHL có thể là gene quan trọng nhất trong việc điều khiển sự phản ứng của cơ thể với mức oxy thấp.

Năm 2001, Kaelin và Ratcliffe cho biết một loại chuyển hóa protein tên Prolyl Hydroxylation cho phép VHL nhận biết và gắn vào HIF-1a. Đây là mấu chốt quan trọng trong việc hiểu thêm về cơ chế cảm biến oxy và cách cơ chế này hoạt động.  

Giới khoa học đánh giá cao về công trình nghiên cứu của ba nhà khoa học giành giải Nobel Y sinh 2019. Học đều cho rằng hiểu biết mới về bộ máy phân tử kiểm soát quá trình sinh lý thiết yếu cho cuộc sống có tính ứng dụng lớn lao trong nghiên cứu điều trị nhiều bệnh.

"Hypoxia quyết định rất nhiều căn bệnh, trong đó có trụy tim, các bệnh phổi mạn tính và nhiều loại ung thư", nhà khoa học Andrew Murray tại Đại học Cambridge chia sẻ. "Công trình của ba nhà khoa học và nhóm nghiên cứu đã mở ra hướng đi mới cho những hiểu biết lớn lao hơn về những căn bệnh phổ biến, đe dọa tính mạng con người, cũng như chiến dịch mới để điều trị những căn bệnh này". 

Randall Johnson, thành viên Ủy ban Nobel miêu tả công trình nghiên cứu là một "phát hiện mang tính sách vở", có thể trở thành những kiến thức cơ bản dạy cho học sinh trong môn sinh học. "Đây là một khía cạnh cơ bản về cách hoạt động của tế bào và từ góc độ này, nó thật thú vị", ông Randall chia sẻ.

"Nghiên cứu sinh học mang tính đột phá này giúp chúng ta hiểu biết hơn về cách mà cơ thể hoạt động, từ đó sống khỏe mạnh hơn. Kết quả nghiên cứu có ứng dụng lớn lao, từ việc phục hồi tổn thương và bảo vệ cơ thể khỏi bệnh tật, cũng như cải thiện việc tập luyện", giáo sư Bridget Lumb, Chủ tịch mạng lưới Physiological Society đánh giá.

Lê Hằng (Theo Vox - New York Times)