Virus định hình thế giới của chúng ta? (Phần 2)

Cách đây 150 triệu năm, virus đã lây nhiễm cho động vật có vú và để lại gene dẫn đến một tiến hóa đáng kể: hình thành nhau thai, cho phép chất dinh dưỡng và oxy đến bào thai, đồng thời thải ra ngoài chất thải và khí carbonic. Con người và các loài động vật có vú khác có nhau thai có thể di chuyển cùng con non, giúp chúng ít bị động vật ăn thịt hơn. Ở người, hai gene có nguồn gốc từ virus — syncytin-1 và syncytin-2 — giúp hình thành màng nhau thai bám vào tử cung. 

Forterre đề xuất các định nghĩa trước đây về “virus” là không đầy đủ, bởi vì các nhà khoa học đang nhầm lẫn giữa các phần tử virus - các bit được bao bọc bởi capsid của bộ gene, được gọi đúng là virion - với tổng thể của một virus. Ông cho rằng điều đó cũng sai giống như việc nhầm lẫn hạt giống với thực vật, hoặc bào tử với nấm. Ông lập luận rằng virion chỉ là cơ chế phân tán. Tính toàn vẹn thực sự của virus cũng bao gồm sự hiện diện của nó trong tế bào, một khi nó đã chiếm giữ bộ máy của tế bào để tái tạo nhiều virion hơn, nhiều hạt giống hơn của chính nó. Xem hai giai đoạn cùng nhau là để thấy rằng tế bào đã thực sự trở thành một phần trong lịch sử cuộc sống của virus.

Forterre củng cố quan điểm đó bằng cách phát minh ra một cái tên mới cho thực thể kết hợp: virocell. Ý tưởng này cũng vượt qua câu hỏi hóc búa sống hay không sống. Theo Forterre, virus còn sống khi nó là virocell, đừng bận tâm rằng virion của nó là vô tri vô giác.

“Ý tưởng đằng sau khái niệm virocell chủ yếu là tập trung vào giai đoạn nội bào này”, theo Forterre. Đó là giai đoạn tinh vi khi tế bào bị nhiễm, giống như một thây ma, đang tuân theo nhiệm vụ của virus, đọc bộ gene của virus và sao chép nó. Trong quá trình đó, Forterre nói, “các gene mới có thể bắt nguồn từ bộ gene của virus. Và đây là một điểm quan trọng đối với tôi. ” Virus mang lại sự đổi mới, nhưng các tế bào phản ứng với những đổi mới bằng sức phòng thủ của riêng chúng, chẳng hạn như thành tế bào hoặc nhân, và vì vậy đó là một cuộc “chạy đua vũ trang” hướng tới sự phức tạp hơn. Nhiều nhà khoa học đã giả định rằng virus đạt được những thay đổi lớn về mặt tiến hóa của chúng bằng mô hình “virus móc túi (Pickpocketing)”, khiến nó có thể trao đổi gene với tế bào chủ.

Forterre, Claverie và Gustavo Caetano-Anollés tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign nghĩ tới một điều tiếp theo. Đó là, có thể virus đã làm phong phú thêm các lựa chọn tiến hóa của các sinh vật tế bào trong vài tỷ năm qua bằng cách gửi vật liệu di truyền mới vào bộ gene của của vật chủ. Quá trình kỳ lạ này là một phiên bản của hiện tượng được gọi là chuyển gene theo chiều ngang - các gene di chuyển theo chiều ngang, giữa các loài khác nhau (Chuyển gene theo chiều dọc là hình thức di truyền quen thuộc hơn: từ cha mẹ sang con cái). 

Để hiểu thêm về quá trình chuyển gene ngang ở người, tôi tiếp tục gặp Thierry Heidmann, người đã sàng lọc bộ gene của con người - tất cả 3,1 tỷ base - để tìm ra các đoạn DNA trông giống như loại gene mà virus sẽ sử dụng để tạo ra vỏ bọc của nó. Họ tìm thấy 20 đoạn cần tìm. Và “ít nhất hai gene được chứng minh là rất quan trọng. Chúng có khả năng thực hiện các chức năng cần thiết cho quá trình mang thai của con người”. Nó là syncytin-1, đã được các nhóm khác phát hiện, và syncytin-2, được ông và cộng sự tìm thấy. 

Làm thế nào những gene virus này trở thành một phần của bộ gene người, và chúng đã trở nên thích nghi với mục đích gì? chúng ta lại phải tiếp tục với khái niệm về retrovirus nội sinh của con người.


Các nhà khoa học vẫn đang cố gắng truy tìm nguồn gốc của coronavirus được gọi là SARS-CoV-2. Dơi móng ngựa lớn và tê tê đang được cho là vật chủ. Tuy nhiên, có rất ít thông tin về sự đa dạng của các loại virus này, hàng chục nghìn bộ gene của virus cúm gia cầm đã được xác định, nhưng chưa đến 100 bộ gene coronavirus được biết đến. Về nguyên tắc, có thể có virus lưu hành ở loài dơi gần giống với SARS-CoV-2 hoặc rất giống với SARS-CoV-2, nhưng chúng ta chưa thực hiện đủ nghiên cứu ở dơi; chúng ta chưa thu thập đủ virus ở dơi, và chúng ta chưa biết. Con dơi này  được thu thập ở Vùng Tashkent của Uzbekistan vào năm 1921; tê tê đến từ tỉnh Quý Châu, Trung Quốc vào năm 1945.

Retrovirus là một loại virus có bộ gene RNA hoạt động ngược so với hướng thông thường (do đó nó tên là retro). Thay vì sử dụng DNA để tạo ra RNA, sau đó đóng vai trò như một sứ giả để tạo ra protein, những virus này sử dụng RNA của chúng để tạo ra DNA và sau đó tích hợp nó vào bộ gene của tế bào bị nhiễm. Ví dụ, HIV là một loại virus retro lây nhiễm vào các tế bào miễn dịch của con người, chèn bộ gene của nó vào bộ gene tế bào. Và vào một thời điểm nào đó, DNA của virus được kích hoạt, trở thành khuôn để sản sinh ra nhiều loại virus HIV hơn, chúng giết chết tế bào một khi chúng bùng phát.

Bước ngoặt xảy ra khi một số retrovirus lây nhiễm vào các tế bào sinh sản - tế bào sản xuất trứng hoặc tinh trùng - và khi làm điều đó, chúng sẽ chèn DNA của mình vào bộ gene di truyền của vật chủ. Những đoạn được chèn vào đó là các retrovirus nội sinh, và khi được tích hợp vào bộ gene người, chúng được gọi là retrovirus nội sinh của người (HERV). Nếu bạn không nhớ gì khác từ bài viết này, bạn có thể muốn nhớ rằng 8% bộ gene người xuất phát từ virus theo cách chèn thông qua retrovirus trong quá trình tiến hóa như vậy. Gene syncytin-2 là một trong những kết quả chèn đó.

Bản chất vấn đề rất đơn giản. Một gene ban đầu giúp virus dung hợp với tế bào vật chủ, tìm đường xâm nhập vào bộ gene động vật cổ đại. Sau đó, nó được tái sử dụng để tạo ra một loại protein tương tự giúp hợp nhất các tế bào để tạo ra một cấu trúc đặc biệt mà sau này chúng ta gọi là nhau thai, mở ra một khả năng mới ở một số động vật: mang thai trong. Sự đổi mới đó là hệ quả rất lớn trong lịch sử tiến hóa, giúp con cái có thể mang con chúng đang phát triển từ nơi này sang nơi khác, bên trong cơ thể của mình, thay vì để chúng ở một nơi dễ bị tổn thương, như đẻ trứng trong tổ chẳng hạn. 

Theo thời gian, thiết kế của phương thức sinh sản mới này được cải thiện và nhau thai phát triển. Trong số các gene virus thu được này có syncytin-2, một trong hai gene hợp bào ở người giúp kết hợp các tế bào để tạo thành lớp nhau thai bên cạnh tử cung. Cấu trúc độc đáo đó, trung gian giữa mẹ và thai nhi, cho phép các chất dinh dưỡng và oxy vào, mang các chất thải và carbon dioxide ra ngoài, và có thể bảo vệ thai nhi khỏi bị tấn công bởi hệ thống miễn dịch của mẹ. Đó là một phép màu gần như kỳ diệu của sự thiết kế hiệu quả, trong đó quá trình tiến hóa đã định hình một thành phần virus thành một thành phần của con người. “Gene của chúng ta không chỉ là gene của chúng ta. Các gene của chúng ta cũng là gene retrovirus”, Heidmann nói.


Trái: Một phần SARS-CoV-2 từ chụp cắt lớp điện tử lạnh cho thấy các gai nhô ra ở các góc. Những chiếc gai này có ba khớp - hông, đầu gối và mắt cá chân - cho phép chúng xoay quanh, rất có thể làm tăng tỷ lệ gắn vào tế bào. Phải: Một mô hình phân tử ở độ phân giải nguyên tử cho thấy các protein tạo nên nhánh, với các chuỗi giống hệt nhau được biểu thị bằng màu đỏ, cam và vàng. Chúng được che chắn bởi các chuỗi glycans - các phân tử giống đường có màu xanh lam - che dấu protein khỏi các kháng thể của con người có thể phá hủy nó. Hiểu được cấu trúc của protein gai là chìa khóa để thiết kế vaccine hiệu quả.

Sự đóng góp của virus mang lại cho chúng ta syncytin-2 chỉ là một ví dụ nhỏ trong một tổng thể lớn hơn. Một gene khác là ARC, được biểu hiện để phản ứng với hoạt động của tế bào thần kinh ở động vật có vú và ruồi. Nghiên cứu gần đây của một số nhóm, trong đó có nhóm do Jason Shepherd tại Đại học Utah đứng đầu cho thấy rằng ARC đóng một vai trò quan trọng trong việc lưu trữ thông tin trong mạng nơ ron, hoặc một từ khác miêu tả cho điều đó: bộ nhớ. ARC dường như làm điều đó bằng cách đóng gói thông tin thu được từ kinh nghiệm (thể hiện dưới dạng RNA) thành các túi protein nhỏ để mang nó từ nơ ron này sang nơ ron khác. Các nhà khoa học cũng tìm thấy bằng chứng cho thấy các mảnh virus được tạo ra bởi một loại virus retrovirus nội sinh khác ở người, được gọi là HERV-K, có trong phôi người ở giai đoạn sớm nhất và có thể có một số vai trò tích cực trong việc bảo vệ phôi thai khỏi nhiễm virus, hoặc giúp kiểm soát sự phát triển của thai nhi, hoặc cả hai. 

Tuy nhiên, nhược điểm của sự nhanh nhạy trong quá trình tiến hóa đó là virus có thể chuyển vật chủ từ một loại sinh vật này sang một loại sinh vật khác và trở thành mầm bệnh trên vật chủ mới. Đó chính là sự lây lan và là cách hầu hết các bệnh truyền nhiễm mới của con người phát sinh - với các loại virus có được từ vật chủ không phải là con người.

Trong vật chủ ban đầu - được khoa học gọi là vật chủ chứa - một loại virus có thể đã tồn tại một cách âm thầm và ít tác động, trong hàng nghìn năm. Nó có thể đã đạt đến mức tiến hóa cộng sinh với vật chủ, chấp nhận an toàn để đổi lấy việc không gây ra rắc rối. Nhưng trong một vật chủ mới, chẳng hạn như con người, “giao kèo” này không nhất thiết phải giữ. Virus có thể bùng phát dữ dội, gây khó chịu hoặc đau khổ cho nạn nhân. Nếu virus không chỉ nhân lên mà còn có thể lây lan, từ người sang người, trong số hàng chục cá thể khác, thì đó là một đợt bùng phát. Nếu nó quét qua một cộng đồng hoặc một quốc gia, đó là một dịch bệnh. Nếu nó bao vây thế giới, đó là một đại dịch. 

Vì vậy, bây giờ chúng ta quay lại SARS-CoV-2.

Một số loại virus có nhiều khả năng gây ra đại dịch hơn những loại khác. Gần đầu danh sách các ứng cử viên đáng lo ngại nhất là coronavirus, vì bản chất của bộ gene, khả năng thay đổi và tiến hóa của chúng cũng như tiền sử gây ra các bệnh nghiêm trọng cho con người. Nhóm đó bao gồm SARS (hội chứng hô hấp cấp tính nặng) vào năm 2002-2003 và MERS (hội chứng hô hấp Trung Đông) trong năm 2012-2015. Vì vậy, khi cụm từ “coronavirus mới” bắt đầu được sử dụng để mô tả một thứ mới gây ra các đám bệnh ở Vũ Hán, Trung Quốc, hai từ đó đủ khiến các nhà khoa học về bệnh trên thế giới phải rùng mình. 

Coronavirus thuộc một loại virus RNA sợi đơn, giống với các virus như virus Ebola, bệnh dại, sởi, Nipah, hantavirus và retrovirus. Chúng nổi tiếng một phần vì bộ gene RNA sợi đơn thường xuyên bị đột biến khi virus nhân lên, và sự đột biến như vậy cung cấp nhiều biến thể di truyền ngẫu nhiên mà chọn lọc tự nhiên có thể hoạt động.
Tuy nhiên, coronavirus tiến hóa tương đối chậm so với virus RNA. Chúng mang bộ gene khá dài - bộ gene SARS-CoV-2 có khoảng 30.000 base - nhưng bộ gene của chúng thay đổi chậm hơn so với một số bộ gene khác vì chúng có một enzym hiệu chỉnh để sửa các đột biến. Tuy nhiên, chúng cũng có khả năng thực hiện một thủ thuật gọi là tái tổ hợp, trong đó hai dòng coronavirus lây nhiễm vào cùng một tế bào, hoán đổi các phần trong bộ gene của chúng và tạo ra một dòng coronavirus lai thứ ba. Đó có thể là những gì đã xảy ra để tạo ra coronavirus mới, SARS-CoV-2.

Tổ tiên của virus có thể cư trú ở một loài dơi, có thể là dơi móng ngựa – loài này thường mang coronavirus (trước đó các nhà khoa học cũng đã đặt khả năng là tê tê). Các nhà khoa học đang khám phá khả năng này bằng cách giải trình tự và so sánh bộ gene của các loại virus được tìm thấy trong các vật chủ tiềm năng khác nhau. Tuy nhiên tất cả những gì chúng ta biết bây giờ mới chỉ là SARS-CoV-2 tồn tại là một loại virus tinh vi có khả năng tiến hóa hơn nữa.

Virus có thể cho và lấy đi. Có thể lý do khiến khó được chúng lên cây sự sống là vì xét cho cùng, lịch sử sự sống không hoàn toàn có hình dạng giống như một cái cây. Phép loại suy trên cây sự sống chỉ là cách truyền thống của chúng ta để minh họa sự tiến hóa, được Charles Darwin làm đề xuất kinh điển. Nhưng Darwin, vĩ đại như ông, không biết gì về sự chuyển gene theo chiều ngang. Trên thực tế, ông không biết gì về gene. Ông không biết gì về virus. Mọi thứ rất phức tạp, và chúng ta đã nhận ra nó ngay từ bây giờ. □

Đức Phát lược thuật
Nguồn bài và ảnh: 
https://www.nationalgeographic.com/magazine/2021/02/viruses-can-cause-great-harm-but-we-could-not-live-without-them-feature/