Lần đầu tiên giải mã được hệ gene của cá tra

Theo công bố kết quả nghiên cứu trên BMC Genomics ngày 5 tháng 10 năm 2018, họ đã xác định được bản phác thảo hệ gene cá tra, có thể là chìa khóa trong di truyền và chọn giống cá tra.

Trong thông cáo báo chí của Viện KH&CN Okinawa, TS. Eiichi Shoguchi, Trưởng nhóm nghiên cứu thuộc Đơn vị Hệ gene sinh vật biển của Viện và là đồng tác giả của nghiên cứu cho rằng “Dữ liệu hệ gene này có thể giúp kiểm tra sự đa dạng sinh học hiện nay trong quần thể cá tra”. Điều này có ý nghĩa hết sức quan trọng với Việt Nam – quốc gia cung cấp 50% sản lượng cá tra trên toàn cầu. Hơn nữa, theo TS. Kim Thị Phương Oanh, Trưởng phòng Hệ gene học môi trường (Viện Nghiên cứu hệ gene, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam), đồng tác giả của nghiên cứu, cá tra lại là loài đặc hữu ở vùng sông Mekong nên “Việt Nam cần là nước đi đầu trong nghiên cứu hệ gene cá tra”.

Ảnh: sciencedaily

Từ nghiên cứu cơ bản về hệ gene sẽ mở ra khả năng cho các nghiên cứu ứng dụng, trong đó có việc phát triển các chỉ thị phân tử liên quan đến tính trạng quan tâm như tính trạng tăng trưởng, sức sinh sản và kháng bệnh.

Nắm bắt cơ hội hợp tác với chuyên gia nước ngoài

TS. Kim Thị Phương Oanh đã thực hiện đề tài “Phân tích hệ gene biểu hiện (exome + transcriptome) của cá tra từ năm 2014, nhằm phát triển chỉ thị phân tử phục vụ chọn giống cá tra theo hướng tăng trưởng” (Chương trình công nghệ sinh học nông nghiệp và thủy sản). “Exome là tập hợp những đoạn exon- đoạn mã hóa protein- trong genome, nên nếu không giải mã genome thì không nói được gì cả”, chị Oanh cho biết.

Tuy nhiên, do kinh phí đề tài có hạn, lại chủ yếu tập trung cho mục tiêu phân tích transcriptome nhằm phát triển chỉ thị phân tử SNP, nên “ban đầu chị định giải mã hệ gene với độ bao phủ (sequence coverage) rất thấp, khoảng 20X”. Trong quá trình thực hiện dự án, TS. Oanh đã đề xuất việc hợp tác nghiên cứu với nhóm nghiên cứu của Giáo sư Noriyuki Satoh, Viện KH&CN Okinawa, Nhật Bản. Khi đó, “Thầy Noriyuki Satoh đã thẳng thắn góp ý là giải mã với độ bao phủ này chẳng có ý nghĩa gì cả. Với một bộ dữ liệu sơ sài, sau này nếu muốn có hệ gene tham chiếu vẫn cứ phải làm lại từ đầu”, TS. Oanh cho biết.

Được sự tư vấn và hỗ trợ của nhóm nghiên cứu Nhật Bản, TS. Oanh đã quyết định giải mã toàn bộ hệ gene cá tra với mục tiêu “có một bộ gene hoàn chỉnh, chất lượng cao dùng để tham chiếu và làm nền tảng cho các định hướng nghiên cứu cơ bản và ứng dụng sau này”. Tuy nhiên, để làm được phải vượt qua hai khó khăn chính: thứ nhất là về kinh phí, việc giải mã và chú giải chi tiết hệ gene cá tra là hướng nghiên cứu “bất ngờ” vượt quá dự toán kinh phí của đề tài; thứ hai là thiếu chuyên gia có kinh nghiệm về tin sinh học bởi việc giải mã mới hệ gene của loài chưa có hệ gene tham chiếu, gọi là De novo sequencing, cần nhiều chuyên gia xử lý dữ liệu.

Để hỗ trợ các nhà nghiên cứu Việt Nam, nhóm nghiên cứu Nhật Bản do Giáo sư Noriyuki Satoh đứng đầu đã cam kết “sẽ hỗ trợ nhóm Việt Nam để giải mã hoàn thiện hệ gene cá tra”. Với hệ thống cơ sở vật chất và kinh nghiệm thực hiện nhiều dự án giải mã hệ gene sinh vật biển, nhóm nghiên cứu ở Viện KH&CN Okinawa không chỉ hỗ trợ về mặt kinh phí (gồm sử dụng hóa chất, máy móc, trang thiết bị,...) mà còn hướng dẫn cả về mặt chuyên môn, kỹ thuật. Chị Oanh cho biết, “dự án có một thuận lợi lớn là hợp tác được với nhóm nghiên cứu mạnh”.

Tự giải quyết những vấn đề khó

Quá trình giải mã hệ gene cá tra qua nhiều giai đoạn. Ở giai đoạn thứ nhất, mặc dù Viện Nghiên cứu hệ gene thời điểm đó mới được trang bị máy giải trình tự gen thế hệ mới (Illumina NextSeq 500), nhưng với mục đích giải mã chi tiết toàn bộ hệ gene với độ bao phủ cao thì cần thiết phải sử dụng hệ thống máy giải trình tự thế hệ mới công suất cao hơn. Do vậy, chị Oanh và các thành viên quyết định đem các mẫu sang Nhật để thực hiện (cụ thể, trong nghiên cứu này sử dụng Illumina HiSeq 2500) và được nhóm nghiên cứu của GS. Noriyuki Satoh hỗ trợ kinh phí giải mã. “Trong 3 năm thực hiện dự án, giai đoạn này chỉ mất tổng thời gian khoảng vài tháng, nhưng trải ra nhiều thời điểm khác nhau do vừa phân tích vừa bổ sung dữ liệu thực nghiệm”, TS. Oanh cho biết.

Sang tới giai đoạn tiếp theo - lắp ráp hệ gene, đây là công việc đòi hỏi có hệ thống máy tính mạnh, bao gồm cả năng lực tính toán cũng như năng lực lưu giữ dữ liệu. Nhờ có sự hợp tác, mà nhóm nghiên cứu được cung cấp tài khoản để sử dụng hệ thống máy tính hiệu năng cao của Viện KH&CN Okinawa, lớn hơn gấp nhiều lần so với hệ thống hiện có ở Viện Nghiên cứu hệ gene. Điều này, giúp cho việc lắp ráp hệ gene trở nên dễ dàng hơn.

Dù nhận được sự hỗ trợ rất lớn của bên Nhật, nhưng TS. Oanh và cả nhóm vẫn luôn chủ động trong các công đoạn: “Mình và các thành viên trong nhóm cũng trực tiếp sang Nhật, ở lại đó hàng tháng trời để học cách làm và thực hiện các thí nghiệm”.

Sau khi lắp ráp hoàn chỉnh, toàn bộ dữ liệu được đem về Việt Nam để thực hiện công đoạn cuối cùng là dự đoán gene và chú giải hệ gene. Để xây dựng được mô hình gene, các nhà nghiên cứu sẽ kết hợp sử dụng phương pháp học máy (ab innitio) và sử dụng dữ liệu transcriptome (RNA-seq), đồng thời dựa trên dữ liệu hệ gene đã biết của các loài cá khác. Để có được dữ liệu transcriptome đầy đủ nhất, nhóm nghiên cứu đã giải mã và phân tích transcriptome của 9 loại mô cơ quan và 11 giai đoạn phát triển của phôi.

Một trong những khó khăn lớn nhất của nhóm nghiên cứu là thiếu chuyên gia tin sinh và kinh nghiệm phân tích. Chị Oanh kể lại: “Mình chưa quen nên mất rất nhiều thời gian để nghiên cứu các thuật toán, các phần mềm. Nhiều khi mất rất nhiều thời gian để chạy một chương trình, nhưng vẫn không cho ra kết quả mong muốn, sau đó phải chạy lại từ đầu. Quá trình ấy cứ lặp đi lặp lại hàng tháng trời”. Để góp phần giải quyết vấn đề, TS. Oanh và nhóm nghiên cứu ở Viện Nghiên cứu hệ gene vẫn luôn tự tìm hiểu từ các nghiên cứu tương tự trên thế giới, đồng thời tham khảo ý kiến tư vấn của những đồng nghiệp cả Nhật và Việt. Chị luôn nghĩ: “Giải mã hệ gene không phải là vấn đề mới trên thế giới. Nhiều nước đã làm được, chúng ta cũng sẽ làm được”.

Sau khi có được dữ liệu hoàn chỉnh về hệ gene cá tra, nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh với hệ gene của cá ngựa vằn và cá nheo Mỹ. Qua đó có thêm nhiều phát hiện mới, chẳng hạn như so với cá ngựa vằn, cá tra bị thiếu hụt gene liên quan đến sinh tổng hợp hợp chất chống tia tử ngoại, nhưng lại xuất hiện nhiều gene liên quan đến yếu tố tăng trưởng giống insulin hơn. Chị Oanh cho biết: “Việc so sánh không chỉ có ý nghĩa về mặt tiến hóa và đa dạng sinh học, đây còn là cách chúng ta học hỏi từ những nghiên cứu đi trước. Bởi vì cá nheo Mỹ là loài có nhiều điểm tương đồng với cá tra về mặt sinh học (đây cũng là loài có vai trò quan trọng với ngành thủy sản ở Mỹ), đã được các nhà khoa học ở Mỹ nghiên cứu rất kỹ lưỡng. Nên mình có thể dựa vào đó để định hướng, áp dụng trong nghiên cứu con cá của mình”.

Qua đề tài nghiên cứu, cả nhóm đã “học hỏi được rất nhiều và tự tin hơn”, chị Oanh khẳng định, bởi có nhiều vấn đề lần đầu gặp nhưng cả nhóm vẫn chủ động xoay sở tìm cách giải quyết.

Năm tháng sau khi gửi bản thảo đầu tiên, bài báo trên tạp chí BMC Genomics đã được chấp nhận đăng. TS. Oanh và nhóm nghiên cứu rất vui mừng vì họ đã thực hiện được một công trình đặt nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về gene, đặc biệt là những hướng ứng dụng như phát triển chỉ thị phân tử nhằm phục vụ chọn giống cá tra theo hướng tăng trưởng và kháng bệnh, có thể kết hợp song song với phương pháp di truyền số lượng truyền thống - chọn lọc dựa trên quan sát, đo đạc, thống kê các giá trị kiểu hình của nhiều thế hệ - vốn tốn nhiều thời gian và độ chính xác chỉ ở mức tương đối.

(Theo KH&PT)