Các đặc điểm thể chất, đặc điểm hành vi có một thành phần di truyền và tính cách có thể giống với cha mẹ này hơn cha mẹ kia. Nghiên cứu mới ở chuột cho thấy các hành vi phức tạp cụ thể ở những con vật này được định hình bởi các gen được thừa hưởng từ chỉ một cha mẹ.
Không chỉ các alen được thừa hưởng từ mẹ hoặc cha của chuột được thể hiện với tỷ lệ không đồng đều trong các tế bào khác nhau trong não và hệ thống thượng thận - một hiện tượng được gọi là dấu di truyền - mà biểu hiện alen mẹ hoặc cha dẫn đến sự khác biệt có thể quan sát được trong hành vi và sinh lý của con cái, theo một nghiên cứu được công bố trên Cell Reports. vào ngày 8 tháng 3. Các nhà khoa học đứng sau nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các alen mẹ định hình hành vi tìm kiếm thức ăn của con đực, trong khi các alen của cha định hình hành vi của con cái. Nhưng tại sao và làm thế nào điều này xảy ra vẫn chưa rõ ràng.
Bài báo kết quả từ chín năm nghiên cứu, trong đó tác giả chính Christopher Gregg, một nhà sinh học thần kinh và nhà di truyền học tại Đại học Y khoa Utah, và các thành viên khác trong phòng thí nghiệm của ông đã phát triển một cách nghiên cứu cái mà ông gọi là "omics hành vi", liên quan đến việc để chuột đi về cuộc sống của chúng trong một môi trường giả tự nhiên và sử dụng thuật toán học máy để sàng lọc "hàng trăm thành phần của hành vi trong một thử nghiệm, và khám phá các hiệu ứng kiểu hình" của các trình điều khiển di truyền cơ bản, ông giải thích.
Đối với nghiên cứu mới, "Tôi nghĩ rằng đó là một ý tưởng khiêu khích để thử nghiệm", Gregg nói với The Scientist, "để xác định xem cha mẹ có ảnh hưởng đến các quyết định khác nhau ở con cái hay không."
Gregg giải thích rằng ông bắt đầu làm việc hướng tới dự án này hơn một thập kỷ trước khi ông là nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Catherine Dulac, một nhà sinh học phân tử của Đại học Harvard. Vào thời điểm đó, RNAseq - một kỹ thuật được sử dụng để xác định và định lượng mức độ biểu hiện của các gen cụ thể - là mới và Gregg đã sử dụng một phiên bản cụ thể của alen để tiết lộ rằng đối với nhiều gen, alen từ một cha mẹ có nhiều khả năng được biểu hiện hơn alen từ cha mẹ khác, mặc dù công nghệ vào thời điểm đó không thể xác định rằng đây là một hiện tượng cụ thể loại tế bào. Năm 2010, ông và Dulac đã xuất bản một cặp bài báo trên Tạp chí Khoa học xác định hàng trăm gen dường như thể hiện biểu hiện ưu tiên tùy thuộc vào cha mẹ nguồn gốc, được mã hóa vào DNA bằng các dấu hiệu biểu sinh im lặng như methyl hóa hoặc sửa đổi histone.
Gregg quyết định phóng to và điều tra xem liệu một số nhưng không phải tất cả các loại tế bào trong mô có thể làm im lặng alen của cha mẹ hay không, cuối cùng đã chứng minh trong một bài báo báo cáo tế bào năm 2015 rằng điều này dường như là trường hợp. Vẫn chưa thể xác định alen của cha mẹ nào đang được thể hiện trong một loại tế bào nhất định, chỉ là biểu hiện ưu tiên của alen của cha mẹ này so với alen khác đã xảy ra. Bài báo đã xác định một số vùng não - nhiều vùng nằm trong vùng dưới đồi - có chứa các gen được in dấu.
Trong bài báo mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật cho phép các alen từ cha mẹ của chuột được nhuộm màu khác nhau. Sau đó, họ cắt não chuột và kiểm tra các dấu hiệu huỳnh quang dưới kính hiển vi, quan sát thấy rằng alen im lặng khác nhau giữa các loại tế bào và cụm tế bào riêng lẻ ở các khu vực cụ thể. Điều đó củng cố ý tưởng rằng sự im lặng một phần được quan sát thấy trong các nghiên cứu cũ đến từ việc tính trung bình tác động của một số nhưng không phải tất cả các tế bào bịt miệng một alen nhất định.
Dulac, người không tham gia vào nghiên cứu mới, nói rằng "đó là một minh chứng tuyệt vời rằng trong một số trường hợp, ít nhất, sự thiên vị của cha mẹ này tương ứng với sự im lặng hoàn toàn của một số alen."
Nghiên cứu đã chứng minh rằng các tế bào ở 14 vùng não, bao gồm nhiều phần của vùng dưới đồi, giúp phối hợp hệ thống nội tiết, đặc biệt thể hiện alen mẹ cho gen DOPA decarboxylase (Ddc) - mã hóa một enzyme liên quan đến việc tạo ra một số chất dẫn truyền thần kinh - và cho một gen thứ hai gọi là tyrosine hydroxylase (Th. ), mã hóa một enzyme khác với vai trò tương tự. Trong khi đó, bản sao của các alen đó được ưu tiên biểu hiện bởi các tế bào trong tuyến thượng thận, nơi sản xuất hormone. Những phát hiện này minh họa sự kiểm soát của mẹ và cha đối với việc tổng hợp và phân phối hormone ở con cái, ở cấp độ tế bào, thông qua các gen tương tự, Gregg giải thích.
"Điều bất thường ở đây là sự đa dạng của các mô hình xuất hiện", Robert Feil, một nhà di truyền học phân tử nghiên cứu các cơ chế in ấn tại Viện Di truyền phân tử Montpellier-CNRS ở Pháp cho biết. Điều nổi bật nhất đối với Daan Noordermeer, một nhà nghiên cứu in dấu gen tại Viện Sinh học Tích hợp của Tế bào của Đại học Paris-Saclay, là cách các mô hình biểu hiện khác với hoạt động điển hình của gen: thông thường, cả hai alen của cha mẹ được thể hiện trong cùng một tế bào, ông nói với The Scientist qua email. Cả Feil và Noordermeer đều không tham gia vào nghiên cứu.
Gregg nói rằng bước tiếp theo là tìm ra những gì, nếu có, ảnh hưởng đến các mô hình in ấn có trên các hành vi cụ thể của chuột. Để làm như vậy, ông và nhóm của mình đã sử dụng kinh tế hành vi, ghi lại và đo lường các khía cạnh riêng lẻ của hành vi tìm kiếm thức ăn của chuột, từ kích thước của một bước riêng lẻ đến các điểm đến cụ thể mà chúng dừng lại, và sau đó cung cấp dữ liệu thông qua thuật toán học máy.
Gregg và nhóm của ông đã tạo ra 12 nhóm chuột: con đực và con cái với bản sao mẹ hoặc cha của cả Th và Ddc bị loại bỏ, cũng như kiểm soát bạn tình dị hợp tử cho mỗi gen. Sau đó, họ quay video những con chuột khi những con vật thực hiện những gì Gregg gọi là "chuyến du ngoạn tìm kiếm thức ăn từ nhà đến nhà", trong đó chúng rời khỏi chuồng và bước vào một đấu trường được kết nối được thiết kế để cho phép các hành vi tự nhiên như khám phá và đào cát để kiếm thức ăn trước khi trở về nhà.
Sau khi 22.679 chuyến du ngoạn của 426 con chuột từ các nhóm thử nghiệm và kiểm soát đã hoàn thành, thuật toán DeepFeats của nhóm đã định lượng vô số các biện pháp hành vi ("càng nhiều càng tốt", Gregg nói), và xác định 16 biện pháp khác nhau tùy thuộc vào alen nào được thể hiện.
Steven Millership, một nhà nghiên cứu genomics tại Đại học Hoàng gia London, người không làm việc trong nghiên cứu, viết trong một email cho The Scientist rằng bài báo đã gây ấn tượng với ông. "Các tác giả dường như đã mất nhiều thời gian để thiết lập một mô hình tìm kiếm thức ăn, theo đó nó càng gần với 'hoang dã' càng tốt - mặc dù điều này rõ ràng là rất khó tái tạo trong môi trường nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (và thực sự họ chấp nhận điều này)," ông viết. "Tuy nhiên, loại máy học về hành vi kiểu hình này chắc chắn có thể được sử dụng theo cách thông lượng cao để trêu chọc hành vi mà nếu không sẽ cực kỳ khó phát hiện bằng mắt."
Kết quả chỉ ra rằng hành vi tìm kiếm thức ăn của chuột đực đã bị thay đổi khi chúng mất alen mẹ của một trong hai gen. Họ cũng cư xử khác đi nếu họ mất alen của một trong hai gen, mặc dù ít hành vi bị ảnh hưởng hơn và ở mức độ thấp hơn. Ví dụ, con đực có alen Th hoặc Ddc của mẹ bị đánh bật đi khoảng cách xa hơn trong các chuyến du ngoạn của chúng, trong khi con đực không có alen cha đi cùng khoảng cách với điều khiển. Chuột cái chỉ cư xử khác nhau ở một mức độ đáng kể khi chúng mất alen của cha.
"Bản sao Ddc của người cha ảnh hưởng mạnh mẽ nhất đến các quyết định và hành động mà con gái đưa ra, và bản sao của người mẹ ảnh hưởng mạnh mẽ nhất đến các con trai", Gregg nói. "Trong cả hai trường hợp, alen của cha mẹ đã ảnh hưởng đến các hành động và quyết định khác nhau." Feil cho biết ông rất ngạc nhiên và bị cuốn hút bởi việc phát hiện ra các hiệu ứng khác nhau ở chuột đực và chuột cái, mô tả nó là "khá mới".
Kết quả chỉ ra rằng "có một số xung đột giữa những gì người mẹ và người cha muốn con cái của họ làm hoặc cách họ sẽ cư xử", Dulac nói.
Feil cho biết ông hy vọng các nghiên cứu trong tương lai sẽ làm rõ mức độ ảnh hưởng khác nhau giữa nhiều con chuột có cùng gen được thể hiện - một sự khác biệt cũng sẽ tiết lộ liệu dấu ấn phát sinh ngẫu nhiên hay nếu có một số cơ chế cụ thể, ví dụ, "xác định trong nhóm tế bào thần kinh dopamine cụ thể này rằng bạn có được nhiễm sắc thể mẹ" được bảo tồn từ chuột sang chuột.
"Bất kể cơ chế là gì, nó phải khá phức tạp để giải thích những mô hình này", Feil nói.
Đó là một minh chứng tuyệt vời rằng trong một số trường hợp, ít nhất, sự thiên vị của cha mẹ này tương ứng với sự im lặng hoàn toàn của một số alen.
—Catherine Dulac, Đại học Harvard
Millership và Noordermeer đều lưu ý rằng nghiên cứu liên quan đến việc loại bỏ hoàn toàn các alen có liên quan, có nghĩa là có thể có tác động thứ cấp do sự vắng mặt của chúng trong các tế bào nơi cả hai alen thường được biểu hiện. Cả hai đều nói rằng sẽ rất thú vị khi thấy nghiên cứu có điều kiện loại bỏ các gen chỉ trong các tế bào có liên quan.
Các tác giả nghiên cứu cũng khám phá liệu biểu hiện alen ưu đãi có ảnh hưởng đến sinh lý ngoài hành vi hay không, trong trường hợp này tập trung đặc biệt vào hoạt động của Ddc như được thể hiện trong mỗi nhóm chuột đột biến. Gregg giải thích rằng đối với gen này, "Nếu bạn mất bản sao của người cha, thì nó ảnh hưởng đến nồng độ dopamine trong nước tiểu của con gái, nhưng [không có] tác dụng nếu bạn mất bản sao của người mẹ", điều này "phù hợp với cha ảnh hưởng đến sinh lý và hành vi ở con gái." Ngược lại, ở con đực, việc loại bỏ bản sao của Ddc ảnh hưởng đến mức độ dopamine, norepinephrine và noradrenaline trong nước tiểu, nhưng không có tác dụng như vậy được nhìn thấy với alen của cha.
Dulac và Gregg đều nói rằng một bước tiếp theo rõ ràng là lặp lại quá trình xem xét bất kỳ gen nào khác có dấu hiệu in dấu. "Hiện tượng này rộng đến mức nào?" Dulac thắc mắc.
Cô cũng hy vọng sẽ thấy các nhà nghiên cứu giải quyết câu hỏi về tác động của biểu hiện alen ưu tiên, dị hình giới tính này ở cấp độ dân số, nói rằng sẽ "thực sự thú vị" để tìm hiểu những lợi ích tiến hóa mà hiện tượng này có thể mang lại.
"Nó hơi kỳ lạ nhưng có thể có những lý do tiến hóa mà bộ gen của người cha muốn ảnh hưởng đến hành vi của con cái", Feil gợi ý. Ông suy đoán rằng hiệu ứng in dấu dị hình giới tính và ảnh hưởng của nó đối với hành vi của con cái phải có liên quan đến thành công tiến hóa - con cái tiếp tục truyền bộ gen cho thế hệ tiếp theo - và có lẽ chuột đực đã phát triển một chiến lược tiến hóa khác để làm như vậy so với con cái.
Dan Robitzski
Ngày 12 tháng 4 năm 2022
