Các nhà khoa học Nhật Bản đã tạo ra chuột cái khỏe mạnh, có khả năng sinh sản từ tế bào của chuột đực, bằng cách loại bỏ nhiễm sắc thể Y trong quá trình phát triển phôi.

Nghiên cứu do Shogo Matoba thuộc Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên Sinh học RIKEN và Takashi Ishiuchi thuộc Đại học Yamanashi dẫn đầu, được công bố dưới dạng bản thảo trên bioRxiv đầu tháng 8. Công trình chưa trải qua bình duyệt đồng cấp.

Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chỉnh sửa gene CRISPR có tên Y-CUT để tác động lên nhiễm sắc thể Y, sau đó kết hợp với kỹ thuật chuyển nhân tế bào soma (SCNT). Từ cùng một nguồn tế bào của chuột đực, các nhà khoa học tạo ra cả chuột đực mang nhiễm sắc thể XY và chuột cái chỉ còn một nhiễm sắc thể X, được gọi là XO.

Những con chuột cái XO phát triển đến tuổi trưởng thành và có khả năng sinh sản. Khi giao phối với chuột đực được tạo ra từ cùng nguồn tế bào, chúng sinh ra thế hệ con khỏe mạnh.

Ở động vật có vú, giới tính thường được xác định bởi cặp nhiễm sắc thể giới tính. Chuột cái có hai nhiễm sắc thể X, trong khi chuột đực mang một X và một Y. Nhiễm sắc thể Y chứa gene Sry, đóng vai trò kích hoạt quá trình phát triển tinh hoàn và đưa phôi theo hướng phát triển giới tính đực.

Việc loại bỏ nhiễm sắc thể Y khỏi phôi XY theo cách có kiểm soát từng là một thách thức lớn. Một trường hợp đáng chú ý từng được ghi nhận vào năm 2009, khi một con chuột cái xuất hiện trong một lô 27 con chuột được nhân bản từ tế bào đực. Tuy nhiên, hiện tượng này xảy ra ngẫu nhiên và các nhà khoa học không thể chủ động kiểm soát quá trình.

Y-CUT được nhóm nghiên cứu phát triển nhằm giải quyết vấn đề này. Công cụ này tác động vào những trình tự quan trọng trên nhiễm sắc thể Y, làm gián đoạn quá trình phân chia và khiến nhiễm sắc thể Y được tách vào các cấu trúc gọi là vi nhân. Trong quá trình phát triển phôi, các vi nhân này bị loại bỏ, để lại tế bào mang nhiễm sắc thể X.

Đặc điểm của chuột giúp thí nghiệm có thể thực hiện được. Ở loài này, chuột XO vẫn có thể phát triển thành con cái khỏe mạnh và sinh sản. Đặc điểm này khác với nhiều loài động vật có vú khác, trong đó tình trạng chỉ có một nhiễm sắc thể X thường liên quan đến những vấn đề phát triển và khả năng sinh sản.

Nhóm nghiên cứu tiếp tục kết hợp Y-CUT với SCNT, kỹ thuật từng được sử dụng trong nhiều nghiên cứu nhân bản động vật. Các nhà khoa học lấy nhân từ tế bào trưởng thành của chuột đực, đưa vào trứng đã loại bỏ nhân rồi tạo phôi nhân bản. Một phần số phôi này được xử lý bằng Y-CUT.

Kết quả cho phép nhóm nghiên cứu thu được cả chuột đực XY và chuột cái XO từ cùng một nguồn tế bào ban đầu. Chuột cái mang bộ gene gần như giống chuột đực gốc, ngoại trừ việc thiếu nhiễm sắc thể Y.

Các cá thể cái sau đó phát triển bình thường đến tuổi trưởng thành và có thể giao phối. Việc tạo ra cả hai giới từ một nguồn tế bào đực duy nhất giúp nhóm nghiên cứu chứng minh rằng một bộ gene đực có thể cung cấp vật liệu di truyền để khởi động quá trình sinh sản hữu tính ở chuột.

Takashi Ishiuchi cho rằng kết quả này có thể làm thay đổi cách nhìn về một quan niệm lâu nay trong sinh học sinh sản, theo đó quá trình sinh sản hữu tính ở động vật có vú cần sự tham gia của cả cá thể đực và cái.

Tuy nhiên, kết quả hiện mới được chứng minh trên chuột và còn nhiều giới hạn. Y-CUT vẫn cần trứng đã loại bỏ nhân để thực hiện quá trình chuyển nhân. Quan trọng hơn, khả năng sinh sản của chuột XO là một đặc điểm đặc thù, khiến việc áp dụng phương pháp này ở những loài khác trở nên phức tạp.

Nhóm nghiên cứu đang tìm cách bổ sung thêm một nhiễm sắc thể X để tạo ra tế bào XX thay vì XO. Cách tiếp cận này có thể giúp giảm những vấn đề liên quan đến việc chỉ có một nhiễm sắc thể X và mở rộng khả năng ứng dụng kỹ thuật.

Nghiên cứu cũng có thể hỗ trợ các chương trình bảo tồn động vật. Với những loài có quần thể suy giảm nghiêm trọng, đặc biệt trong trường hợp chỉ còn cá thể đực hoặc các mẫu tế bào đực được lưu trữ đông lạnh, khả năng tạo ra cá thể cái từ cùng nguồn vật liệu di truyền có thể bổ sung thêm lựa chọn cho công tác nhân giống.

Một số nhà bảo tồn cho rằng hướng nghiên cứu này đáng chú ý với các loài có nguy cơ tuyệt chủng. Tuy nhiên, hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào việc kỹ thuật có thể áp dụng ở những loài có cơ chế xác định giới tính khác hay không, cũng như khả năng duy trì sức khỏe và khả năng sinh sản qua nhiều thế hệ.

Công trình này nối tiếp một hướng nghiên cứu khác được công bố năm 2023, khi nhóm của Katsuhiko Hayashi tại Đại học Osaka tạo ra trứng từ tế bào của chuột đực thông qua tế bào gốc cảm ứng (iPS), sau đó sử dụng những trứng này để tạo chuột con có hai nguồn gene từ bố.

Hai hướng nghiên cứu tập trung vào những bước khác nhau của bài toán sinh sản từ vật liệu di truyền đực. Một hướng tìm cách tạo trứng từ tế bào đực, trong khi nghiên cứu mới tập trung vào việc loại bỏ nhiễm sắc thể Y để biến tế bào mang bộ gene đực thành vật liệu có thể phát triển thành cá thể cái.

Các nhà khoa học chưa đặt mục tiêu áp dụng kỹ thuật này trên người. Hiệu suất nhân bản vẫn thấp, cần thêm dữ liệu theo dõi sức khỏe của động vật trong thời gian dài và qua nhiều thế hệ. Những vấn đề về an toàn sinh học, đạo đức và pháp lý cũng sẽ là rào cản lớn đối với bất kỳ ứng dụng nào trên người.

Kết quả của nhóm Nhật Bản cho thấy hệ thống xác định giới tính ở động vật có vú có khả năng linh hoạt hơn những gì các nhà khoa học từng nghĩ. Tuy nhiên, từ một thí nghiệm thành công trên chuột đến một công nghệ có thể ứng dụng rộng rãi vẫn còn khoảng cách lớn.