Virus viêm gan B (HBV) ảnh hưởng đến 300 triệu người trên toàn thế giới và là nguyên nhân chính gây ra các bệnh gan. Nhưng trong khi nhiều thập kỷ nghiên cứu đã dẫn đến vắc-xin, thuốc kháng vi-rút và hiểu rõ hơn về virus, cách mầm bệnh này thiết lập nhiễm trùng dai dẳng trong tế bào ở cấp độ phân tử vẫn chưa được hiểu rõ.

Giờ đây, sự hợp tác giữa Đại học Rockefeller, Trung tâm Ung thư Memorial Sloan Kettering (MSK) và Weill Cornell Medicine đã phát hiện ra một cơ chế quan trọng cho phép HBV lây nhiễm vào các tế bào gan. Nghiên cứu của họ, được công bố trên Cell(opens in new window), cho thấy virus chiếm đoạt cấu trúc nhiễm sắc ký chủ để kích hoạt gen của chính nó. Những phát hiện này giải quyết một bí ẩn lâu đời về sinh học cơ bản của virus đồng thời chỉ ra một ứng cử viên thuốc chống ung thư, ở liều lượng tương đối thấp, có thể làm gián đoạn khả năng của HBV trong việc thiết lập nhiễm trùng lâu dài trong tế bào gan.

“Chúng tôi rất vui mừng khi khám phá ra không chỉ những chi tiết quan trọng về cơ chế điều hòa gen HBV, mà còn là một con đường đầy hứa hẹn hướng tới một công cụ điều trị mới chống lại HBV”, Viviana I. Risca, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Kiến trúc và Động lực học Bộ gen tại Rockefeller cho biết.

Vấn đề trứng gà

Nhiễm viêm gan B là một nghịch lý sinh học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các tế bào vật chủ sẽ ngừng biểu hiện gen của virus trừ khi khả năng phòng thủ của vật chủ có thể bị chống lại bởi protein virus HBx. Tuy nhiên, protein đó không thể được sản xuất nếu không có biểu hiện gen của virus. Đó là một vấn đề giữa gà và trứng – HBx bảo vệ chính quá trình tạo ra nó – chỉ ra rằng thời điểm của các sự kiện phân tử sớm nhất trong nhiễm HBV là rất quan trọng để xác định người chiến thắng trong cuộc chiến giữa HBx và vật chủ của nó. Vũ đạo chính xác của các bước này là một câu đố đang cần một giải pháp khẩn cấp; gen mã hóa HBx để bắt đầu nhiễm trùng cũng là một gen ung thư, được biết là giúp biến nhiễm HBV mãn tính thành ung thư gan chết người.

Để tiết lộ những bí ẩn của HBx, tác giả đầu tiên Nicholas Prescott, một sinh viên tốt nghiệp trong Chương trình Ba Tổ chức về Sinh học Hóa học, và nhà sinh học hóa học MSK Yael David đã bắt đầu bằng cách tạo ra một mô hình lây nhiễm HBV trong ống nghiệm, với sự giúp đỡ của Robert Schwartz tại Weill Cornell, người có phòng thí nghiệm đóng góp chuyên môn sinh học và lâm sàng về vi rút. cùng với các mô hình tế bào gan của con người. Nền tảng của họ rất phù hợp để thẩm vấn các sự kiện sớm nhất trong nhiễm HBV và biểu hiện gen. Nó tiết lộ rằng gen HBV X, sản xuất protein HBx, đặc biệt nhạy cảm với sự hình thành nucleosome – các đơn vị cơ bản của nhiễm sắc, được tạo thành từ protein histone, đóng gói và tổ chức DNA để điều chỉnh hoạt động của gen. Kết quả là “nhiễm sắc thể mini” của HBV thúc đẩy phiên mã gen HBV X.

Điều này cung cấp một cơ chế cho cách HBV giải quyết vấn đề gà và trứng, bởi vì gen X là gen được biểu hiện sớm nhất, làm suy yếu khả năng phòng thủ của tế bào vật chủ trước khi nó có thể bắt kịp virus.

Để đảm bảo rằng nền tảng của họ phản ánh thực tế về sự lây nhiễm ở người, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang Risca, một chuyên gia lập bản đồ cách DNA tương tác với nhiễm sắc tố để điều chỉnh biểu hiện gen. Sử dụng bản đồ nucleosome có độ phân giải cao, phòng thí nghiệm Risca đã phân tích cách DNA của HBV tương tác với histone vật chủ để tạo thành cấu trúc nhiễm sắc. Nghiên cứu của họ xác nhận rằng nhiễm sắc thể mini gần giống với cách tổ chức bộ gen của HBV trong các tế bào gan bị nhiễm bệnh.

Risca và các đồng nghiệp đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng cách gen HBx được đóng gói bên trong virus quyết định liệu nó có được kích hoạt hay không. “Sự khôn ngoan thông thường nói rằng việc đóng gói DNA của một gen thành nucleosome sẽ ngăn chặn hoặc làm chậm khả năng của tế bào đọc ra gen đó để tạo ra các protein chức năng, như X”, Risca nói. “Nhưng ở các sinh vật phức tạp như con người và trong các virus lây nhiễm cho chúng ta, việc điều hòa gen không phải lúc nào cũng đơn giản như vậy. Chúng tôi nhận thấy rằng đó là trường hợp của gen HBV mã hóa protein X – sự hiện diện của nucleosome trên bộ gen của virus là cần thiết cho quá trình phiên mã RNA làm phát sinh protein X chức năng.

Các phương pháp điều trị mới sắp ra mắt

Những phát hiện này đã làm sáng tỏ sinh học cơ bản của một loại virus lây nhiễm cho hàng triệu người, và cũng có thể dẫn đến các liệu pháp rất cần thiết. Bởi vì trong khi HBV có thể điều trị được, nó hầu như không bị đánh bại. Thuốc kháng vi-rút chỉ ngăn chặn vi rút tạo ra các bản sao mới của chính nó, thay vì loại bỏ hoàn toàn DNA của nó khỏi tế bào; vắc-xin ngăn ngừa bệnh, nhưng duy trì khả năng miễn dịch đòi hỏi phải tiêm nhắc lại thường xuyên.

Với suy nghĩ này, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm năm phân tử nhỏ được biết là phá vỡ sự hình thành cấu trúc nhiễm sắc mà virus cần để bắt đầu biểu hiện HBx. Một trong những hợp chất này, một ứng cử viên thuốc chống ung thư, đã ngăn chặn việc sản xuất protein HBx trong tế bào gan. Thuốc có hiệu quả ở liều lượng tương đối nhỏ, dường như ngăn chặn virus trong khi tiết kiệm tế bào người. Nếu được chứng minh là an toàn và hiệu quả, phân tử nhỏ này cũng có thể điều trị các virus DNA nhiễm sắc tố khác, chẳng hạn như herpesvirus, papillomavirus và adenovirus, theo nghiên cứu.

Nhưng trước tiên, nhóm nghiên cứu sẽ cần nghiên cứu ứng cử viên thuốc này trong các mô hình động vật. Nếu thành công, những thử nghiệm như vậy có thể đánh dấu một bước ngoặt trong điều trị HBV – nhắm mục tiêu vào gốc rễ của virus thay vì chỉ ngăn chặn sự nhân lên của nó.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng những đột phá này sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự hợp tác chặt chẽ giữa ba tổ chức, tập hợp các chuyên môn và nguồn lực công nghệ cần thiết — từ hình ảnh kính hiển vi lực nguyên tử của MSK tại Lõi tế bào học phân tử đến Trung tâm Tài nguyên Gen và Cụm máy tính hiệu suất cao tại Đại học Rockefeller. “Bộ gen HBV là một mô hình thu nhỏ hấp dẫn của điều hòa gen”, Risca nói. “Nghiên cứu nó cho chúng ta biết không chỉ về virus mà còn về cách điều chỉnh gen của chúng ta hoạt động. Sự tò mò về những câu hỏi cơ bản này đã thúc đẩy chúng tôi hợp tác.”

“Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách đầu tư vào ‘khoa học cơ bản’ và điều tra các câu hỏi sinh học cơ bản có thể mở ra cánh cửa cho những tiến bộ y học”, Prescott, hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Nhiễm sắc thể và Sinh học Tế bào của Rockefeller do Hironori Funabiki đứng đầu, cho biết. “Chưa bao giờ trong một triệu năm, tôi mong đợi sẽ lãnh đạo một dự án xác định một ứng cử viên mạnh mẽ như vậy để phát triển thuốc cho một tai họa toàn cầu như viêm gan B.”