Trong cùng thời điểm nhân đôi của DNA trong tế bào, một phần ba DNA sẽ được nén vào các cấu trúc lặp được gọi là dị nhiễm sắc (heterochromatin)
Cấu trúc đặc này có vai trò nén hoặc làm bất hoạt các trình tự DNA bên trong – có thể tháo giãn genome nếu được kích hoạt – cũng như điều hòa các hoạt động các gen gần kề. Khi tế bào phân chia, các tế bào con không chỉ thừa kế một bản sao DNA của tế bào mẹ, mà còn cả cách thức chích xác về việc DNA được đóng gói vào chất dị nhiễm sắc.
Mô hình di truyền “ngoại tố di truyền này (epigenetic)” này – thông tin không chỉ được truyền qua mã di truyền mà còn cả cách thức chúng được đóng gói – được nghiên cứu bởi Cold Spring Harbor Laboratory Professor và HHMI-GBMF Investigator Rob Martienssen. Nghiên cứu này được đánh giá là một đột phá khoa học của năm 2002 trên tạp chí Science. Martienssen và đồng nghiệp chỉ ra rằng sự di truyền cấu trúc dị nhiễm sắc phụ thuộc vào tổ hợp các cơ chế mở rộng thực hiện bởi RNA can thiệp (RNA interference, RNAi).
Trong một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Nature, nhóm của Gs. Martienssen, bao gồm các nhà nghiên cứu từ viện Pasteur Institut ở Paris và Đại học Salamanca ở Tây Ban Nha, mô tả vai trò mới của RNAi, trong đó có vai trò giúp quá trình sao chép DNA diễn ra suôn sẻ mà không gây ra sự tách hủy DNA.
DNA thường cuốn quanh các protein được gọi là histone, khi có các chỉnh sửa về hóa tính ở các vùng đặc trưng, kết tụ lại và hình thành dạng dị nhiễm sắc. Martienssen và đồng nghiệp trước kia đã phát hiện ra RNAi tham gia chỉ dẫn quá trình chỉnh sửa này ở histone, xảy ra đồng thời trong chu kỳ tế bào khi DNA đang sao chép.
Hình: RNA can thiệp và sự hình thành cấu trúc dị nhiễm sắc. ((1) Trình tự base DNA được đọc, và RNA sợi đôi được hình thành; (2) RNA sợi đôi được tách thành các đoạn ngắn hơn, và quay lại gắn với protein hình thành dạng phức hợp; (3). Phức hợp này trở về nơi RNA sợi đôi hình thành, và gắn phối hợp với RNA đang được phiên mã. Phức hợp này hấp dẫn methylase Clr4 và protein HP1 để tạo nên cấu trúc dị nhiễm sắc)
Trong quá trình này của RNAi, một enzyme được gọi là polymerase sao chép hoặc “dịch nghĩa” các vùng của DNA sang phân tử RNA, và theo cách nào đó quá trình này chỉnh sửa các histone ở các vùng cụ thể này, và theo cách đó đã hình thành cấu trúc dị nhiễm sắc. Tuy nhiên các vùng dị nhiễm sắc này hoạt động luân phiên với “các vùng sao chép” – các vị trí trên DNA được các protein gắn, tháo xoắn phân tử DNA sợi đôi để hình thành chạc (fork) sao chép, và bắt đầu tổng hợp một chuỗi DNA mới.
Trật tự xen kẽ của các vùng này được chuyển thành cấu trúc dị nhiễm sắc, và các vùng giữ vai trò là vùng khởi đầu sao mã DNA đưa ra một câu hỏi mới: làm thế nào cơ chế phiên mã và sao mã diễn ra tuần tự mà không chồng lấn vào nhau và do đó tổ chức thành chạc sao chép và phá vỡ DNA?
Trong một nghiên cứu gần đây, Martienssen hợp tác với các nhà khoa học ở Đại học California ở Berkeley và đã phát hiện ra các protein tham gia tổng hợp DNA có thể đóng gói thành các histone-protein sửa chữa và kéo chúng dọc theo chạc sao chép. Gs. Martienssen nói: “Phát hiện này đặt ra một câu hỏi về vai trò thực sự của RNAi trong quá trình sao chép diễn ra trong chu kỳ tế bào. Câu trả lời cho hai câu hỏi trên đã trở nên đơn giản và thú vị”
Nhóm nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm đối với quá trình sinh sản của nấm men – một mô hình đơn giản để nghiên cứu cấu trúc dị nhiễm sắc, cho thấy rằng khi enzyme polymarase II phiên mã dọc chiều dài DNA để tạo ra RNA, hoạt động của RNAi làm enzyme này giải phóng khỏi sợi DNA. Điều này cho phép chạc sao chép mở ra suôn sẻ và các sợi DNA được sao chép theo cơ chế sao mã. Các protein sửa chữa – histone cũng hoạt động sau đó sẽ hình thành nên cấu trúc dị nhiễm sắc.
Các nhà khoa học phát hiện thấy rằng sự sai hỏng hoặc sự vắng mặt của RNAi đều ngăn trở quá trình sao mã, gây ra dấu hiệu của sự phá hủy DNA bên trong tế bào. Đó là lúc một cơ chế sửa chữa được gọi là tái tổ hợp đồng dạng (homologous recombination) được kích hoạt và sửa chữa các chạc sao chép, nhưng khả năng chỉnh sửa các histone bị mất.
Theo Martienssen, “các thí nghiệm này cho thấy vai trò thật sự của RNAi trong suổt quá trình sao mã ở tế bào, bảo vệ tế bào khỏi sự phá vỡ mô hình các chạc sao chép”.